Verificación, análisis y propuestas de rediseño de una picoturbina hidroeléctrica mediante simulaciones por volúmenes finitos en régimen turbulento

Autores
Valenzuela, Gustavo Exequiel
Año de publicación
2026
Idioma
español castellano
Tipo de recurso
tesis de grado
Estado
versión aceptada
Colaborador/a o director/a de tesis
Marchegiani, Ariel
Rojas, Néstor Fabián
Descripción
El presente trabajo tuvo como objetivo analizar y optimizar el desempeño hidráulico de una picoturbina axial de bajo salto mediante herramientas de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD, por sus siglas en inglés). Para ello, se reconstruyó la geometría de una turbina previamente diseñada mediante métodos clásicos y metodologías para grandes máquinas, a partir de la cual se desarrolló un modelo numérico destinado a caracterizar el comportamiento del flujo en sus distintos componentes. Las simulaciones realizadas sobre la configuración original evidenciaron diferencias significativas entre las condiciones de operación previstas durante el diseño y las condiciones reales de funcionamiento. En particular, se observó que la distribución de velocidades a la entrada del rotor difería de las hipótesis adoptadas originalmente, afectando la orientación efectiva de los perfiles y reduciendo la capacidad de extracción de energía del flujo. A partir de los resultados obtenidos, se implementó un proceso de optimización que incluyó modificaciones en la cámara espiral, el distribuidor y el rotor. Mediante el análisis de los triángulos de velocidades obtenidos por CFD se desarrollaron nuevas configuraciones utilizando perfiles aerodinámicos NACA 4412 y Göttingen 398. Adicionalmente, se evaluó el potencial de mejora asociado al tubo de aspiración, determinándose que su contribución a las pérdidas globales resulta limitada una vez optimizados los componentes ubicados aguas arriba. Los resultados mostraron que la configuración equipada con perfiles GOE 398 presentó el mejor desempeño hidráulico, alcanzando un rendimiento máximo del 78 % y una potencia cercana a 1,1 kW, frente al rendimiento máximo del 23 % obtenido para la configuración original. Asimismo, se observó que la mejora alcanzada no estuvo asociada a un incremento del caudal procesado, sino a una utilización más eficiente de la energía hidráulica disponible. Se concluye que la utilización de herramientas CFD permite identificar las principales deficiencias hidráulicas de la máquina original y desarrollar una configuración optimizada técnicamente viable. La metodología propuesta constituye una alternativa eficaz para el análisis y rediseño de picoturbinas hidráulicas de baja altura, contribuyendo al desarrollo de sistemas hidroenergéticos más eficientes para aplicaciones de pequeña escala.
This work evaluates and optimizes the hydraulic performance of a low-head axial micro-hydro turbine through the application of Computational Fluid Dynamics (CFD) tools. To achieve this, the geometry of a turbine previously designed using classical methods was reconstructed, and a numerical model was developed to characterize the flow behavior throughout its main components. The simulations performed on the original configuration revealed significant differences between the operating conditions predicted during the design stage and the actual flow conditions inside the machine. In particular, the velocity distribution at the rotor inlet differed from the assumptions adopted in the original design, affecting the effective orientation of the blade profiles and reducing the turbine’s ability to extract energy from the flow. Based on these findings, an optimization process was carried out involving modifications to the spiral casing, guide vane system, and rotor. Using velocity triangles derived from CFD results, new rotor configurations were developed employing NACA 4412 and GOE 398 airfoil profiles. In addition, the improvement potential of the draft tube was evaluated, showing that its contribution to the overall losses becomes limited once the upstream components have been optimized. The results demonstrated that the configuration equipped with Göttingen 398 profiles achieved the best hydraulic performance, reaching a maximum efficiency of 78% and an output power close to 1.1 kW, compared to the maximum efficiency of 23% obtained for the original configuration. Furthermore, it was verified that the improvement achieved was not associated with an increase in flow rate, but rather with a more efficient utilization of the available hydraulic energy. It is concluded that the application of CFD tools made it possible to identify the main hydraulic deficiencies of the original machine and to develop a technically feasible optimized configuration. The proposed methodology represents an effective approach for the analysis and redesign of lowhead axial micro-hydro turbines, contributing to the development of more efficient small-scale hydropower systems
Fil: Valenzuela, Gustavo Exequiel. Universidad Nacional del Comahue. Facultad de Ingeniería. Departamento de Mecánica Aplicada; Argentina.
Materia
Picoturbina hidráulica
CFD
Turbina axial
Mejoras hidráulicas
Perfiles aerodinámicos
Micro-hydro turbine
CFD
Axial turbine
Hydraulic optimization
Airfoil profiles
Ciencias Aplicadas
Trabajos Finales
Nivel de accesibilidad
acceso abierto
Condiciones de uso
https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
Repositorio
Repositorio Digital Institucional (UNCo)
Institución
Universidad Nacional del Comahue
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oai:rdi.uncoma.edu.ar:uncomaid/19623

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Las simulaciones realizadas sobre la configuración original evidenciaron diferencias significativas entre las condiciones de operación previstas durante el diseño y las condiciones reales de funcionamiento. En particular, se observó que la distribución de velocidades a la entrada del rotor difería de las hipótesis adoptadas originalmente, afectando la orientación efectiva de los perfiles y reduciendo la capacidad de extracción de energía del flujo. A partir de los resultados obtenidos, se implementó un proceso de optimización que incluyó modificaciones en la cámara espiral, el distribuidor y el rotor. Mediante el análisis de los triángulos de velocidades obtenidos por CFD se desarrollaron nuevas configuraciones utilizando perfiles aerodinámicos NACA 4412 y Göttingen 398. Adicionalmente, se evaluó el potencial de mejora asociado al tubo de aspiración, determinándose que su contribución a las pérdidas globales resulta limitada una vez optimizados los componentes ubicados aguas arriba. 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In particular, the velocity distribution at the rotor inlet differed from the assumptions adopted in the original design, affecting the effective orientation of the blade profiles and reducing the turbine’s ability to extract energy from the flow. Based on these findings, an optimization process was carried out involving modifications to the spiral casing, guide vane system, and rotor. Using velocity triangles derived from CFD results, new rotor configurations were developed employing NACA 4412 and GOE 398 airfoil profiles. In addition, the improvement potential of the draft tube was evaluated, showing that its contribution to the overall losses becomes limited once the upstream components have been optimized. 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Departamento de Mecánica Aplicada; Argentina.Universidad Nacional del Comahue. Facultad de IngenieríaMarchegiani, ArielRojas, Néstor Fabián2026-09-10info:eu-repo/semantics/bachelorThesisinfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionhttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1finfo:ar-repo/semantics/trabajoFinalDeGradoapplication/pdfapplication/pdfhttps://rdi.uncoma.edu.ar/handle/uncomaid/19623spaARGinfo:eu-repo/semantics/openAccesshttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/reponame:Repositorio Digital Institucional (UNCo)instname:Universidad Nacional del Comahue2026-11-05T12:29:20Zoai:rdi.uncoma.edu.ar:uncomaid/19623instacron:UNCoInstitucionalhttp://rdi.uncoma.edu.ar/Universidad públicaNo correspondehttp://rdi.uncoma.edu.ar/oaimirtha.mateo@biblioteca.uncoma.edu.ar; adriana.acuna@biblioteca.uncoma.edu.arArgentinaNo correspondeNo correspondeNo correspondeopendoar:71082026-11-05 12:29:20.611Repositorio Digital Institucional (UNCo) - Universidad Nacional del Comahuefalse
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This work evaluates and optimizes the hydraulic performance of a low-head axial micro-hydro turbine through the application of Computational Fluid Dynamics (CFD) tools. To achieve this, the geometry of a turbine previously designed using classical methods was reconstructed, and a numerical model was developed to characterize the flow behavior throughout its main components. The simulations performed on the original configuration revealed significant differences between the operating conditions predicted during the design stage and the actual flow conditions inside the machine. In particular, the velocity distribution at the rotor inlet differed from the assumptions adopted in the original design, affecting the effective orientation of the blade profiles and reducing the turbine’s ability to extract energy from the flow. Based on these findings, an optimization process was carried out involving modifications to the spiral casing, guide vane system, and rotor. Using velocity triangles derived from CFD results, new rotor configurations were developed employing NACA 4412 and GOE 398 airfoil profiles. In addition, the improvement potential of the draft tube was evaluated, showing that its contribution to the overall losses becomes limited once the upstream components have been optimized. The results demonstrated that the configuration equipped with Göttingen 398 profiles achieved the best hydraulic performance, reaching a maximum efficiency of 78% and an output power close to 1.1 kW, compared to the maximum efficiency of 23% obtained for the original configuration. Furthermore, it was verified that the improvement achieved was not associated with an increase in flow rate, but rather with a more efficient utilization of the available hydraulic energy. It is concluded that the application of CFD tools made it possible to identify the main hydraulic deficiencies of the original machine and to develop a technically feasible optimized configuration. The proposed methodology represents an effective approach for the analysis and redesign of lowhead axial micro-hydro turbines, contributing to the development of more efficient small-scale hydropower systems
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