Metodología para la reconstrucción de un rodete tipo Francis con la utilización de herramientas numéricas

Abstract

In the search for the best energy exchange of the fluid in the hydraulic turbine, the greatest efforts have been concentrated in the runner blades, which has caused that the geometric designs of the runner blades are considered in free-form surfaces of considerable complexity. Due to the characteristics of the runner blades, they cannot be expressed by analytical functions; for a complete and realistic reconstruction in the geometric details has depended on the large amount of discrete data that is usually used due to the precision that is required in the modeling and design processes. This restricts the interaction or manipulation to only specific parts of the blade, which has also limited improvement and rehabilitation to find the optimal runner blades designs. In this research, it is proposed to develop a complete, coherent and robust methodology for the numerical reconstruction of the blades in 3D, which is intended that the geometric definition of the runner blades dependent on few design parameters. By means of the Transfinite Interpolation method, it was possible to create an efficiently structured mesh in 3D, on the iddle surface (skeleton) that was adjusted to the limits of the blade. Taking advantage of the grouping and the orthogonality of the transverse lines of the skeleton generated by the proposed methodology, it was possible to extract information from the discrete data of the thickness distribution of the interior sections (profiles) along the span-wise of the runner blade, with this information, is was possible to increase the interior sections without increasing the number of parameters involved in the reconstruction, to achieve a more continuous and smooth definition of the surfaces of the runner blade. A quantitative and qualitative fit evaluation shows that the reconstruction reached a better approximation when the amount of discrete data is increased both along the span-wise and in the thickness distribution. The results infer that the characteristics of the geometric shape of the damaged and worn blades, without an original CAD model, could be recovered while preserving the restrictions imposed by the original design of the runner.

En la búsqueda del mejor intercambio de energía del fluido en la turbina hidráulica los mayores esfuerzos se han concentrado en los álabes del rodete, lo que ha provocado que en los diseños geométricos de los álabes del rodete se consideren en superficies de formas libres de considerable complejidad. Debido a las características de los álabes del rodete, estos no pueden expresarse mediante funciones analíticas; para una reconstrucción completa y realista en los detalles geométricos ha dependido de la gran cantidad de datos discretos que usualmente se utiliza debido a la precisión que se requiere en los procesos de modelación y diseño. Lo anterior restringe la interacción o manipulación a solo partes específicas del álabe, lo que también ha limitado la mejora y la rehabilitación para encontrar los diseños óptimos de los álabes del rodete. En esta investigación se propone desarrollar una metodología completa, coherente y robusta de reconstrucción numérica de los álabes en 3D, lo que se pretende que la definición geométrica de los álabes del rodete dependa de pocos parámetros de diseño. Por medio del método de Interpolación Transfinita (TFI, por sus siglas en inglés) fue posible crear un mallado estructurado de manera eficiente en 3D, en la superficie media (esqueleto) que se ajustó a los límites del álabe. Aprovechando el agrupamiento y la ortogonalidad de las líneas transversales del esqueleto que genera la metodología propuesta fue posible extraer información de los datos discretos de la distribución de espesores de las secciones (per les) interiores a lo largo de la envergadura del álabe del rodete, con esta información fue posible incrementar las secciones interiores sin incrementar el número de parámetros involucrados en la reconstrucción, para lograr una definición más continua y suave de las superficies del álabe del rodete.