Diseño, fabricación de maqueta y ensayos de componentes de una picoturbina hidráulica

Abstract

[SPA] El objetivo principal de este Trabajo de Fin de Grado (TFG) es mostrar los resultados obtenidos en el diseño y la fabricación de la maqueta de una picoturbina hidráulica axial, así como los logrados en los ensayos realizados para algunos de sus componentes. Los parámetros geométricos de la turbomáquina objeto de este TFG se obtienen a partir de un método físico-matemático basado en el uso de gráficos adimensionales. En primer lugar, se establecen los antecedentes históricos de la turbina hidráulica y las diferentes clasificaciones existentes en la actualidad, con el objetivo de definir y justificar el tipo de turbina utilizado en este trabajo. Se incluye el concepto de energía hidráulica, junto con algunos ejemplos de aplicaciones de turbomáquinas con una finalidad similar a la que se presenta en este trabajo. Así mismo, se exponen los fundamentos de las teorías básicas para el diseño de las turbinas axiales. Seguidamente, se explica el método de diseño utilizado, aplicado a un caso particular, para unas condiciones similares a las del punto de funcionamiento óptimo de una turbina 5BTP. Con los resultados conseguidos en el método, se obtienen los parámetros geométricos de la picoturbina, que vienen dados por el software online “Colaboratory”. Se realiza a continuación el diseño de la maqueta, realizando modificaciones en el modelo CAD con la geometría final de la picoturbina, obtenido del software “OnShape”. Se lleva a cabo su fabricación mediante el método apropiado y se analizan los resultados en el acabado de las piezas. Después, se escoge el generador adecuado, de manera que cumpla las condiciones establecidas en el modelo de acoplamiento del generador a la picoturbina. Finalmente, se llevan a cabo dos ensayos de los componentes de la picoturbina: un ensayo eléctrico, con el objetivo de validar el modelo del generador, y un ensayo hidráulico, donde se construye el banco de ensayo de la picoturbina y se modeliza un diafragma mediante el cálculo de su coeficiente de descarga. [ENG] The main purpose of this Final Degree Project is to present the results which have been obtained in the design and manufacturing of the mock-up of an axial picohydraulic turbine. The results of the trials for some of its components are shown too. The geometric parameters of the turbomachine of this Final Degree Project are obtained with a physical mathematical method based on the use of dimensionless charts. Firstly, the historical background of the hydraulic turbine is described. Then, the modern classification of turbines is explained in order to define and justify the type of turbine that it is used in this project. The concept of hydraulic energy is included. Some examples of turbomachines which have similar applications to the picohydraulic turbine of this work are exposed. The theorical basis for the design of axial turbines is explained. Next, the design method is described. It is applied to a particular case with similar conditions to the optimal operation point of a 5BTP turbine. The geometric parameters of the picoturbine are obtained with the numerical results of this method, which are given by the online software “Colaboratory”. Then, the design of the mock-up is made. It is based on the changes made on the CAD model of the picoturbine with the final geometry, which is generated by the software “OnShape”. Its manufacturing is made with the appropriate method and the results obtained in the surface of its pieces are analysed. After, the proper generator is chosen in order to meet the established conditions in the model of the coupling of the generator and the picohydraulic turbine. Finally, the trial for two of the components of the turbine are conducted: an electric trial, to validate the model of the generator, and a hydraulic trial, in which the test bench of the picoturbine is built and an orifice plate is characterised by the calculation of its discharge coefficient.