Diseño de un prototipo de inyector hidráulico para una picoturbina tipo pelton para el laboratorio de hidráulica de la Universidad Libre

Abstract

Los inyectores son dispositivos usados ampliamente en diferentes áreas de la ingeniería, principalmente para generar chorros o flujos en espray. Actualmente existen nuevas herramientas como la dinámica computacional de Fluidos que son útiles para el diseño o rediseño de este tipo de dispositivo para mejorar su funcionamiento. El flujo en el interior de un inyector es altamente turbulento y los chorros a superficie libre son también fenómenos alta turbulencia. La calidad del campo de flujo en estos dispositivos es de gran importancia para obtener una trasferencia de energía al impactar sobre una superficie, como el caso de los álabes o cucharas de una turbina tipo Pelton. La calidad del flujo en un inyector puede evaluarse a través del análisis la velocidad, la presión y la energía cinemática turbulenta. Además, la simetría del flujo a la salida de la boquilla, es otro parámetro que define la calidad del chorro. Los chorros al impactar sobre superficies transfieren energía a través de cantidad de movimiento, que depende grandemente de la velocidad y del flujo másico, por lo que buscar mejores geometrías pueden mejorar la velocidad de los chorros de este tipo de dispositivos, sigue siendo un área de gran interés en la ingeniería. En este trabajo, para rediseñar un inyector a partir de un inyector original de una microturbina tipo Pelton de laboratorio, para esto se empleó la herramienta de dinámica computacional de fluidos, evaluando tres modelos de turbulencia, el modelo k-épsilon (k-ε), el modelo k-omega (k-ω) y el modelo de transporte de esfuerzos cortantes (SST- Shear Stress Transport). Se realizó un diseño de experimentos de simulación con el modelo Box-Behnken, a partir de tres parámetros de estudio, el ángulo de curvatura de la tubería de entrada (θ), el ángulo de la válvula de aguja del inyector (α) y el ángulo de salida de la tobera o boquilla (β). El rango de variación del ángulo θ fue entre 40º y 50º, para el ángulo α fue entre 22.5º y 25º, y para el ángulo de la boquilla fue entre 28.5º y 45º. De acuerdo con el modelo Box-Behnken, se realizaron 13 geometrías de estudio. Conforme con los resultados obtenidos se mostró que el parámetro que con mayor influencia en el nuevo diseño propuesto fuel el ángulo de la boquilla del inyector. De los tres modelos de turbulencia utilizados en este trabajo, el que mejor estabilidad mostro al analizar la velocidad del chorro a una distancia x = 6.68D0 fue el modelo SST. Mostrando un valor de la velocidad en ese punto intermedio con respecto a los reportados con los otros dos modelos empleados en este trabajo. A través de los resultados de las simulaciones se pudo observar que aun cuando el ángulo de la tubería de entrada no fue el parámetro con mayor influencia de acuerdo con el diagrama de Pareto empleado en este trabajo como herramienta estadística, si juega un papel importante en la estabilidad del flujo en el interior del inyector; lo cual tiene gran influencia en la calidad del chorro. Además, se pudo verificar a través de la superficie de respuesta de los ángulos de la boquilla y de la aguja de la válvula que la velocidad del chorro se incrementa que al aumentar el ángulo β y disminuyendo el ángulo α.