Diseño, construcción y pruebas de turbina Pelton para microgeneración hidráulica

Abstract

La micro generación (menor a 100 [kW]) por medio de turbinas hidroeléctricas, tiene un amplio campo de desarrollo en la zona centro-sur de Chile. Este tipo de generación eléctrica ayuda a diversificar la actual matriz energética y avanzar hacia una generación a nivel país más eficiente y sustentable. Las micro centrales hidroeléctricas, además del consumo personal, permiten eventualmente la inyección y venta de potencias excedentarias a la red de distribución, lo que incentiva al usuario a adoptar nuevas tecnologías de eficiencia energética. En este contexto, el Centro de Energía de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile, está desarrollando el proyecto de Micro Central Hidroeléctrica Plug & Play, del cual se enmarca esta Tesis. Este trabajo de Tesis tiene como objetivo general el diseño, construcción y pruebas de funcionamiento de una turbina Pelton, con todos sus elementos, tomando como base un diseño numérico de la turbina [7]. En el Taller Mecánico del Departamento de Ingeniería Mecánica (DIMEC) se confeccionaron la mayor parte de las piezas de la turbina, así como su construcción, montaje y las correspondientes pruebas de funcionamiento. Los parámetros del recurso hídrico de diseño son: la altura neta (H_n=40 [m]), el caudal volumétrico (Q= 35 [m^3/s]) y un supuesto rendimiento global (η=70%). En base a estos parámetros, se realizó todo el diseño y manufactura de las partes de esta turbina, el inyector, el housing , el eje, y todo lo que fue necesario para llevar a cabo las pruebas de esta máquina. Se realizan las pruebas correspondientes para obtener las prestaciones de funcionamiento de la turbina, tales como generación eléctrica posible y rendimientos en una amplia gama de alturas de carga y caudales predeterminados, de 19 a 60 [m] y de 17 a 45 [lt/s], respectivamente. Las pruebas de funcionamiento conducen a la elaboración del diagrama de explotación, el que muestra el comportamiento esperado del grupo Turbina-Generador, con una potencia eléctrica máxima de 11 [kW] y un rendimiento máximo del 64%, que corresponde a un 75% de rendimiento con respecto a la potencia al eje de la turbina. Estos valores suponen un rendimiento del Generador del orden del 85%. Para los valores de diseño de la turbina (40 [m] y 35 [m^3/s]) la potencia del grupo Turbina-Generador se obtuvo una potencia de 8 [kW] y un rendimiento del 59%, correspondiendo a un 69% respecto de la potencia al eje de la turbina. En conclusión, las prestaciones del grupo Turbina-Generador son razonablemente aceptables respecto a los supuestos establecidos inicialmente para su diseño. Los resultados alcanzados dejan nuevos desafíos para desarrollos futuros, esto es, optimizar la geometría y fabricación de las cucharas de la turbina Pelton con tornos numéricos CNC. Incorporar instrumentos de medición más precisos con señal de salida digital, tales como: caudalímetros electromagnéticos o ultrasónicos, torquímetros, tacómetros, tubos de Pitot de alta precisión, sistema de adquisición de datos, circuito hidráulico mejorado, etc.