Caracterización de un inyector de turbina Pelton mediante modelado con técnicas de dinámica de fluidos computacional

Abstract

[ES] Los sistemas de inyección en las turbinas hidráulicas de acción son complejos debido a las exigencias de la industria en materia de eficiencia y durabilidad. El objetivo de este trabajo es analizar el principio de funcionamiento de un inyector de turbina tipo Pelton, caracterizando su rendimiento según sus parámetros de diseño y funcionamiento mediante método basados en la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD).

La aportación de la simulación numérica permite modelar el flujo en el interior del inyector imponiendo conservación de masa y momento. El código CFD utilizado es ANSYS Workbench. Más concretamente, se emplea el modelo de turbulencia k-ɛ Estándar en una malla estructurada bidimensional, asumiendo la simetría axial del flujo. El trabajo se divide en dos etapas : primero, el desarrollo del modelo teórico y, seguidamente, una serie de modelos numéricos en función de los parámetros de diseño y funcionamiento establecidos.

Los parámetros de entrada que se evalúan son la posición de la aguja del inyector y el salto neto, es decir, la presión en en la entrada de éste. A partir de diferentes combinaciones de estos parámetros, el modelo permite obtener el coeficiente de velocidad, que permite la regulación del caudal mediante el inyector, a la vez de caracterizar su eficiencia y, así, obtener el punto óptimo de funcionamiento de la turbina.

[EN] Injection systems in hydraulic action turbines are complex due to the demands of the industry in terms of efficiency and durability. The aim of this work is to analyse the operating principle of a Pelton-type turbine injector, characterising its performance according to its design and operating parameters using methods based on Computational Fluid Dynamics (CFD).

The contribution of the numerical simulation allows modelling the flow inside the injector by imposing mass and momentum conservation. The CFD code used is ANSYS Workbench. More specifically, the standard k-¿ turbulence model is used on a two-dimensional structured mesh, assuming axial symmetry of the flow. The work is divided into two stages: first, the development of the theoretical model, followed by a series of numerical models based on the established design and operating parameters.

The input parameters evaluated are the position of the injector needle and the net jump, it means, the pressure at the inlet of the injector. From different combinations of these parameters, the model allows the velocity coefficient to be obtained, which allows the flow rate to be regulated by the injector, while characterising its efficiency and, thus, obtaining the optimum operating point of the turbine.