Material compuesto vs acero en el conformado de un rotor de turbina hidroeléctrica: ventajas en su utilización

• Autores: Sergio Oller, Liz G. Nallim, Sergio Alejandro Oller Aramayo
• Localización: Revista iberoamericana de ingeniería mecánica, ISSN 1137-2729, Vol. 16, Nº 1, 2012, págs. 3-16
• Idioma: español
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    En este trabajo se presenta el diseño estructural de un rotor de turbina hidroeléctrica empleando materiales compuestos. El diseño consiste en la selección de laminados formados por láminas de matriz reforzada con fibras de carbono teniendo en cuenta su disposición, orientación, secuencia de apilamiento, espesor y número de capas. Conseguido el diseño del material y su aplicación en el rotor, se presenta la modelación numérica de la estructura mediante elementos finitos [1], simulando asimismo la presión aplicada sobre los álabes y el comportamiento del rotor frente a dichas acciones (tensiones generadas y límites en el diseño). El objetivo es conseguir un rotor de muy baja inercia rotacional que posea la cualidad de ser energéticamente eficiente pese a las bajas velocidades de flujo con las que deberá funcionar. El empleo del material compuesto mencionado optimiza el comportamiento de una turbina que actualmente está siendo estudiada por los autores para aplicaciones de paso fluvial sin represas, donde es muy importante aprovechar al máximo la energía cinética del fluido. La simulación de la respuesta mecánica se realiza empleando un programa en elementos finitos: ComPack-Aero [2], desarrollado por CIMNE (Centro Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería), en Barcelona (España).

    La simulación permite realizar el análisis de las tensiones y resistencias a roturas en la estructura del rotor conformado en material compuesto. También se analiza el comportamiento del mismo rotor conformado en acero y se comparan los resultados referidos a la rigidez y los estados tensionales del rotor conformado en material compuesto laminado, considerando distintas secuencias de apilamientos de láminas. Los resultados obtenidos permiten construir una comparativa de datos para valorar si la elección de un rotor conformado en material compuesto es viable dentro de estas condiciones de trabajo.

  • English

    This paper shows the structural design of a composite water current turbine rotor by the finite elements method (FEM) [1]. The mechanical and geometrical parameters involved in the design of this fiber reinforced composite material are fiber orientation, number of layers, stacking sequence and laminate thickness.

    The results are generated through the simulations in a FEM code about the rotor behavior (stresses and strains) under applied water pressures. The main purpose is to achieve a very low inertia rotor, because it is applied in an axial water flow turbine currently in study by the authors, where it is important to take the maximum advantage of the kinetic energy. The FEM simulation is engineered by CIMNE�s (International Center for Method in Engineering) software: ComPack-Aero [2] in Barcelona (Spain). To complete the analysis, the stiffness and the state of stress of the composite rotor is compared with results corresponding to a steel one. So in that way it is possible to select the best option to use in this turbine rotor.