Diseño y construcción de un prototipo del sistema de distribución de flujo para la turbina Kaplan didáctica de un banco de pruebas (2025)
La creciente demanda mundial de energía eléctrica ha provocado la necesidad de desarrollar múltiples tecnologías que logren satisfacer los requerimientos energéticos en múltiples condiciones y contextos. En Colombia, un país con grandes fuentes hídricas resulta fundamental la implementación de turbinas que permitan aprovechar la energía proveniente de las caídas de agua. En este contexto, las turbinas Kaplan se convierten en una de las alternativas más polivalentes y eficientes dentro de diferentes condiciones de caudal, presión y demanda energética gracias a que sus álabes son regulables, lo que le permite funcionar en condiciones de bajas alturas y caudal variable. El mecanismo que posibilita regular los álabes guía corresponde al distribuidor de flujo y su accionamiento brinda la posibilidad de modificar el caudal, presión, ángulo de entrada del fluido al rodete y por consiguiente la eficiencia de la turbina. Por medio del presente escrito se aborda el rediseño del distribuidor de flujo de una turbina Kaplan didáctica ubicada en la Universidad Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito, la cual presenta un rango reducido de apertura de los álabes guía y problemas en la sincronización de los mismos. Se plantea un prototipo desarrollado por medio de tecnologías de manufactura aditiva de polímeros, específicamente impresión 3D de PLA (ácido poli láctico). El dispositivo diseñado cuenta con una mayor amplitud de los álabes guía y optimiza el costo de materiales y procesos de fabricación en función de los requerimientos hidráulicos y estructurales de la turbina, donde se evaluará la viabilidad de implementar el desarrollo de piezas en turbo maquinas utilizando este proceso. Se desarrolla dentro del documento un análisis bibliográfico de diferentes investigaciones, modelos y prototipos de turbinas hidráulicas fabricadas mediante tecnologías de manufactura aditiva. En relación al desarrollo del dispositivo, se aborda el análisis realizado a las propiedades de la impresora 3D utilizada y los parámetros configurados en el desarrollo de las piezas, lo cual modifica las propiedades mecánicas y físicas del material. Teniendo en cuenta lo anterior, se implementan ensayos de tracción, flexión y expansión del material a probetas desarrolladas bajo las mismas condiciones de las piezas a fabricar, con el fin de evaluar la viabilidad del prototipo diseñado y aplicar los parámetros y ajustes necesarios para cumplir con las condiciones geométricas iniciales del resto de la turbina. Adicionalmente, se evalúa el comportamiento y eficiencia de la turbina en cuestión para cinco ángulos de apertura de los álabes guía del distribuidor de flujo, utilizando métodos analíticos y la simulación de la turbina en el software ANSYS. Para finalmente llevar a cabo la fabricación y validación del mecanismo del prototipo diseñado en relación a la apertura y cierre de los álabes guía en un rango igual o superior a los 45°.