Análisis de la dinámica de flujo en la turbina FRANCIS 99 con inyecciones de fluido a carga parcial

Abstract

La dinámica del flujo en la zona inferior del rodete de las turbinas Francis, especialmente en presencia del fenómeno conocido como vórtice de descarga, ha sido objeto de estudio desde principios del siglo XX. Este fenómeno, que ocurre en caudales limitados o en condiciones de potencia fuera de lo nominal, induce pulsaciones de presión en los elementos mecánicos de la turbina, lo que resulta en vibraciones y cavitación en el rodete. El vórtice de descarga, también conocido como "vortex rope" [1], se forma debido a una zona de estancamiento en el eje del cono de aspiración, generada por la rotación de la corona del rodete. En esta zona, se producen bajas presiones que dan lugar a la recirculación del flujo, disminuyendo su velocidad axial. Desde una perspectiva física, esto implica la producción de entropía, donde la energía mecánica se convierte en energía interna debido a la viscosidad del flujo. En los últimos años, gracias al avance de las capacidades de cómputo y a la implementación de modelos CFD cada vez más sofisticados, se han logrado aproximaciones más precisas en el estudio de este fenómeno. Sin embargo, todavía existen desafíos para predecir con precisión el comportamiento del vórtice de descarga bajo el rodete, especialmente en el contexto de centrales hidroeléctricas y proyectos de turbina bomba (Pump Storage Powerplant). Para mitigar los efectos negativos de esta dinámica de flujo, como el desgaste por vibración, la cavitación y la pérdida de eficiencia de la turbina, se han implementado técnicas como la inyección de masa en puntos específicos de los alabes, el cono de la turbina y el tubo de aspiración. Estas técnicas permiten estabilizar el flujo y aumentar la eficiencia mecánica de la turbina, ya que se enfocan en los puntos que generan mayor entropía [2]. Los hallazgos de este estudio incluyen una reducción en la amplitud de las inestabilidades inducidas por el Vórtice de Remolino Rotatorio (RVR), un aumento en la potencia mecánica generada y una comparación entre los diferentes métodos utilizados. En resumen, este estudio proporciona conocimientos valiosos sobre la optimización del rendimiento de la turbina Francis-99 y resalta los beneficios potenciales de utilizar la inyección de agua axial como un medio para mejorar la potencia mecánica generada y la eficiencia global durante la operación a carga parcial (PL).