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

Abstract

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, 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, 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.