Rediseño geométrico de un difusor del tubo de aspiración de una turbina GAMM para obtener un mayor rendimiento energético

Abstract

The draft tube of a hydraulic turbine is one of the most important elements of a hydroelectric power plant, thanks to the great energy recovery that occurs in this area. Of the three parts of the draft tube (diffuser cone, elbow and outlet pipe), it is in the diffuser cone where ¾ of the energy recovery occurs. Likewise, this section aims to decrease the flow rate and increase pressure recovery. Therefore, the present work aims to find an efficient design by redesigning the diffuser cone. To solve this problem, a methodology was used that includes a parametric study and analysis through Computational Fluid Dynamics (CFD) to generate different geometries of a cone-diffuser in divergence-duct relationships to subsequently assemble the element to the rest of the suction tube of a Francis GAMM turbine and evaluate them, thus validating previous research. The ratios l/L = 0.28, 0.29, 0.30, 0.42, 0.86 and 1, which are the relationship between the length of the duct (l) and the total length of the diffuser (L) were compared, quantitatively evaluating their kinetic energy correction factor (αax), tangential energy correction factor (αtg), momentum factor (β) and swirl (S), average recovery coefficient (Cpm), Sharan recovery coefficient (Cpsh) and energy loss factor (ζ), as well as efficiency through fluid flow (η). Likewise, the parameters used to calculate the aforementioned factors were qualitatively analyzed. The results obtained concluded that the best ratio was l/L = 0.42 since, although it did not obtain the highest efficiency of all, it did have the best flow correction and a better energy loss.

El tubo de aspiración de una turbina hidráulica es uno de los elementos más importantes de una central hidroeléctrica, esto gracias a la gran recuperación de energía que ocurre en esta zona. De las tres partes del tubo de aspiración (cono-difusor, codo y tubo de salida), es en el cono-difusor donde ocurren ¾ partes de la recuperación de energía. Asimismo, esta sección tiene por objetivo disminuir la velocidad de flujo y aumentar la recuperación de presión. Por tanto, el presente trabajo tiene por objetivo encontrar un diseño eficiente mediante el rediseño del cono-difusor. Para resolver este problema se utilizó una metodología que incluye un estudio paramétrico y análisis a través de la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) para generar diferentes geometrías de un cono-difusor en relaciones divergencia-ducto para, posteriormente, ensamblar el elemento al resto del tubo de aspiración en una turbina Francis GAMM y evaluarlas, así validando investigaciones previas. Se compararon las relaciones l/L = 0.28, 0.29, 0.30, 0.42, 0.86 y 1, las cuales son la relación entre la longitud del ducto (l) y la longitud total del difusor (L), evaluando de forma cuantitativa su factor de corrección de energía cinética (αax), factor de corrección de energía tangencial (αtg), el factor de momentum (β) y la intensidad de giro (S), el coeficiente de recuperación de presión promedio (Cpm), el coeficiente de recuperación de Shárán (Cpsh) y el factor de pérdida de energía (ζ), así como la eficiencia a través del flujo del fluido (η). Asimismo, se analizó de forma cualitativa los parámetros que se usaron para calcular los factores previamente mencionados. Los resultados obtenidos concluyeron que la mejor relación fue l/L = 0.42 ya que, si bien no obtuvo la mayor eficiencia de todas, sí tuvo la mejor corrección del flujo y una mejor pérdida de energía.