PROYECTO DE DISEO FLUIDO DINAMICO DE UNA TURBINA HIDRAULICA
PELTON
DISEO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRULICA PELTON
RESUMEN.
La idea de transformar la energa hidrulica en energa mecnica es
muy antigua las primeras maquinas fueron las ruedas hidrulicas, muy
lentas y trabajando con bajas alturas (5 a 6m) .En la actualidad se
tiene turbinas sofisticas como tambin sencillas de acuerdo a la
necesidad que se requiera. En nuestro proyecto se estudiar con
detallea la turbina de chorro libre que fue inventada alrededor de
1880 por Lester Pelton quien despus le dio su nombre. Por lo tanto
la materializacin mas comn de este tipo de mquinas es la turbina
pelton. Son mquinas robustas y simples, capaces de un buen
rendimiento.El chorro se crea por medio de una tobera estacionaria
convergente cnica, denominada inyector, este inyector va dotado de
una espiga central axilsimtrica capaz de moverse axialmente, la
cual controla el rea de paso. El inyector hace incidir la corriente
tangencialmente al rotor, ocurriendo la deflexin del chorro.
Con el objeto de aumentar la potencia de una misma turbina, con
un determinado salto hidrulico, se aaden ms inyectores repartidos
en la periferia. La mejora ms significativa hecha por Pelton fue
introducir las cucharas dobles simtricas con la finalidad de
deflectar hacia ambos lados del disco el chorro con las mnimas
prdidas posibles de tal manera que se pueda aprovechar al mximo la
energa hidrulica.Otro de los puntos por el cual se toca el anlisis
del diseo del rodete y sus cucharas (cazoletas), es debido al
desgaste de material que estos tienen, por parte de la erosin a lo
largo del tiempo. Por lo que el proyecto esta dirigido
especialmente al control de calidad que se debe de efectuar durante
los diferentes procesos de fabricacin.
INDICE ANALITICO.
I GENERALIDADES
1.1. Objetivos.
Estos se pueden dividir en dos grupos, los objetivos generales y
especficos, en los primeros se plantea una idea general de los
problemas el cual estamos enfrentando, con la finalidad de
conseguir una solucin amplia. Y en el otro grupo de objetivos se
plantean procedimientos que se tienen que seguir para lograr las
metas trazadas en los objetivos generales.A continuacin se
especifican estos dos grupos de objetivos:
Objetivos Generales:
Comprender y evaluar los parmetros de diseo y funcionamiento de
la turbina pelton con la finalidad de realizar mejoras, para fines
convenientes y geogrficos.
Determinar los factores que producen el problema del desgaste en
la zona posterior del filo de ataque de todas las cazoletas.
Tener criterio para realizar una adecuada inspeccin de los
controles de calidad, en caso de adquirir o fabricar el rodete
Pelton, de acuerdo a normas internacionales.
Objetivos Especficos
Conocer el proceso de fabricacin del rodete Pelton.
Identificar las variables fundamentales que contemplan los
atributos ms generales del funcionamiento.
Identificar las variables dependientes (parmetros de diseo) con
la finalidad de realizar un clculo y hallar las configuraciones
geomtricas del modelo de la turbina Pelton.
1.2. Importancia y o Justificacin.
Debido a que nuestro territorio geogrfico es rico
hidrolgicamente y teniendo en cuenta nuestra realidad con respecto
a la contaminacin y al efecto invernadero que causan los
combustibles fsiles, nosotros como estudiantes de pre grado y en
compromiso con nuestra sociedad no es sumamente importante aprender
e utilizar los recursos naturales para implementar y satisfacer las
necesidades de nuestra comunidad y sobre todo aportando al
progreso. Teniendo en mente lo mencionado, se ha realizado el
presente proyecto en el cual se hace un estudio del diseo fluido
dinmico de la Turbina Pelton, donde se abarcar principalmente los
aspectos de funcionamiento y diseo, sobre todo para poner en
practica lo aprehendido en el curso de TURBOMAQUINAS. Teniendo ya
el conocimiento sobre este tipo de turbina se propone tambin
desarrollar micro centrales hidroelctricas para lograr el aporte y
desarrollo planteado anteriormente con la finalidad de conectar a
los sistemas elctricos actuales o bien entre ellas, formando
pequeos sistemas elctricos en zonas alejadas de las lneas de
distribucin.Estas unidades de generacin permitiran aprovechar el
recurso hdrico en su totalidad.
1.3. Referencias y/o requisitos del diseo.
1.3.1 Antecedentes. Criterios. Aplicaciones
Las Centrales Hidrulicas, generan la electricidad equivalente al
consumo de 1.100.000 familias y sustituyen 250.000 Toneladas
equivalentes de petrleo.
El agua es elemento central de la naturaleza, de nuestra vida.El
agua que, dentro del crculo hidrolgico, fluye por los ros al
descender de un nivel superior a un nivel inferior genera una
energa cintica que el hombre lleva siglos aprovechando.Hace ms de
cien aos, esa energa, que hasta entonces se usaba fundamentalmente
para moler el trigo, comenz a emplearse en la generacin de
electricidad. De hecho, fue hasta mitad del siglo XX la principal
fuente de que se sirvi el hombre para producirla a gran escala.
Las centrales hidroelctricas funcionan convirtiendo la energa
cintica y potencial de una masa de agua al pasar por un salto en
energaelctrica. El agua mueve una turbina cuyo movimiento de
rotacin es transferido mediante un eje a un generador de
electricidad.Se consideran centrales mini hidrulicas aquellas con
una potencia instalada de 10 MW o menos, una frontera que hasta
hace poco se situaba en los 5 MW.
Existen fundamentalmente dos tipos de centrales
hidroelctricas:
Centrales de agua fluyente, son aquellos aprovechamientos que
mediante una obra de toma, captan una parte del caudal circulante
por el ro y lo conducen hacia la central para ser turbinado.
Despus, este caudal es devuelto al cauce del ro. Estas centrales se
caracterizan por tener un salto til prcticamente constante, y un
caudal turbinado muy variable, dependiendo de la hidrologa. Por
tanto, en este tipo de aprovechamiento, la potencia instalada est
directamente relacionada con el caudal que pasa por el ro.
Centrales de pie de presa, son aquellas situadas aguas abajo de
los embalses destinados a usos hidroelctricos o a otros fines como
abastecimiento de agua a poblaciones o riegos, susceptibles de
producir energa elctrica, ya que no consumen volumen de agua.
Tienen la ventaja de almacenar la energa (el agua) y poder
emplearla en los momentos en que mas se necesiten.Normalmente son
las que regulan la capacidad del sistema elctrico y con las que se
logra de mejor forma el balance consumo/produccin.
En las centrales de agua fluyente el esquema bsico de las mismas
suele contar con todos o algunos de los siguientes elementos: un
azud o presa de derivacin, que desva parte del caudal a travs de un
canal o tubera hacia una junto con el generador elctrico y los
elementos auxiliares. Por ltimo, un canal de descarga devuelve el
agua al cauce del ro.
La potencia de una central hidroelctrica depende del caudal que
pueda turbinar y del salto, es decir, de la diferencia de cotas del
agua a la entrada y la salida de la central. En funcin de dichos
parmetros (salto y caudal) se elegir el tipo de turbina ms
adecuada. Para conocer correctamente las caractersticas de
determinado aprovechamiento, es necesario disponer de datos de al
menos veinte aos hidrolgicos.
1.3.2 Caractersticas de funcionamiento. Especificaciones.
La energa potencial gravitatoria del agua embalsada, o energa de
presin, se convierte, prcticamente sin prdidas, en energa cintica,
al salir el agua a travs del inyector en forma de chorros libres, a
una velocidad que corresponde a toda la altura del salto til, se
dispone de la mxima energa cintica en el momento en el que el agua
incide tangencialmente sobre el rodete, empujando a los labes,
obtenindose el trabajo mecnico deseado.
Las formas cncavas de los labes hacen cambiar la direccin del
chorro de agua, saliendo ste, ya sin energa apreciable, por los
bordes laterales sin ninguna incidencia posterior sobre los alabes.
De este modo, el chorro de agua transmite su energa cintica al
rodete, donde queda transformada instantneamente en energa
mecnica.
Las vlvulas de aguja, gobernada por el regulador de velocidad,
cierra ms o menos el orificio de salida de la tobera o inyector,
consiguiendo modificar el caudal de agua que fluye por sta, al
objeto de mantener constante la velocidad del rodete, evitndose
embalamiento o reduccin del nmero de revoluciones del mismo, por
disminucin o aumento respectivamente de la carga solicitada al
generador.
La arista que divide al labe en dos partes simtricas, corta al
chorro de agua, seccionndolo en dos lminas de fluido, tericamente
del mismo caudal, precipitndose cada una hacia la concavidad
correspondiente. Tal disposicin permite contrarrestar mutuamente
los empujes axiales que se originan en el rodete, equilibrando
presiones sobre el mismo.
1.3.3 Esquemas. Planos de Instalaciones Reales.
II MARCO TEORICO Y METODOLOGIA
Recordemos que las Turbinas Pelton son Turbinas de Accin, y son
apropiadas para grandes saltos y pequeos caudales, por lo cual sus
nmeros especficos son bajos.Referente a las partes constructivas de
este tipo de turbina, ellas se componen de: Inyector (es)
principal. Deflector. Rodete. (Rueda) Inyectores auxiliares (de
partida y/o de freno). Carcasa.
Recordemos tambin que la altura neta esta dada por:
As mismo el Nmero Especfico esta dado por:
De acuerdo a los dispositivos actuales de este tipo de turbina,
se distinguen dos tipos uno de eje horizontal y el otro de eje
vertical. Las primeras pueden tener 1 2 inyectores; en cambio las
de eje vertical se construyen hasta de 6 inyectores.
ESTUDIO TERICO DE LAS TURBINAS PELTON
TRIANGULO DE VELOCIDADES.
De la figura (1) se observa que a la entrada de la cazoleta
cuchara, las velocidades absolutas () y tangencial () tienen la
mismadireccin y sentido; por lo tanto se puede escribir:
Figura (1)
(1)
(2)
En las relaciones anteriores se han despreciado la componente de
choque, al considerar nulo el ngulo (en la practica no es
rigurosamente nulo).A la salida, la direccin de la velocidad
relativa () est definida por el ngulo, luego se tiene: (3)
De la figura se observa que la velocidad de entrada () es igual
a la del chorro: (4)
Donde: 0.95 0.98, Se le acostumbra denominar coeficiente de
tobera. En trminos del coeficiente de velocidad, u puede expresarse
como: (5)
Donde se determina de la siguiente grfica de valores de para en
funcinde
Figura (2)
Adems:
(6)
FUERZA DEL CHORRO, POTENCIA, Y RENDIMIENTO
De acuerdo al principio del cambio de la cantidad de movimiento,
la fuerza del chorro est dada por:
(7)
(8)
Donde se denomina coeficiente de cazoleta (depende del espesor
de la capa de agua, terminacin de la cazoleta, tipo de material).
Su valor vara entre 0.88 y 0.92.De esta forma, la fuerza del chorro
quedar expresada por:
(9)
Combinando (1) y (4) con (9) se obtiene:
(10)
La expresin (10) representa la fuerza ejercida por el chorro
sobre la rueda, a cual gira con velocidad (u). de esta forma, la
fuerza ser mxima cuando u = 0 (en la partida) y mnima cuando tiende
a (u).
La potencia est definida por la fuerza y la velocidad, entonces
tenemos: (11)
Introduciendo (5) en (11) y ordenando se obtiene: (12)
Con la potencia, altura neta y el caudal se obtiene el
rendimiento, Cabe hacer notar que en este anlisis terico se han
considerado slo las prdidas hidrulicas, de esta forma el
rendimiento que se determinar es el manomtrico (hidrulico).
(13)
Remplazando (12) en (15) se obtiene: (14)
Para el rendimiento mximo se tiene: (15)
La relacin (15) indica que el rendimiento (tambin la potencia)
es mxima, cuando: (16)
Sin embargo; la practica indica que la velocidad ptima es algo
menor, comprendida entre 0.41 y 0.5 (valor prctico ). Los
resultados tericos se resumen en las curvas de la figura 03.
Del grfico se observa que la velocidad de embalamiento terica es
igual a la velocidad del chorro, es decir, , sin embargo, la
prctica demuestra que es:
Funcionamiento terico de la Turbina Pelton Curvas
caractersticas. Figura(3)
2.1 Algoritmo de diseo del rodete Pelton.
Generalmente son datos el caudal (Q), la altura neta () y la
velocidad de rotacin (n); y se desea conocer el nmero especfico ()
y definir el nmero de chorros (j) para un convenientemente
bajo.
La velocidad del chorro queda definido por la relacin (4) por lo
tanto su dimetro (d) queda definido (para la carga de diseo) por:
(17)Donde:
dimetro del chorro. = nmero de chorros.
La velocidad tangencial (u) referida al dimetro Pelton (o
primitivo) D, est dado por (5)
Los lmites de la razn
Se en encuentra en el rango:
(18)
En los extremos el funcionamiento es defectuoso: en el primero ,
el agua tiene un camino largo que recorre antes de entrar en
contacto con las cazoletas.
En el segundo , la experiencia demuestra que aumentan las
prdidas en las cazoletas. Los mejores rendimientos se obtienen para
un dimetro de la rueda de 8 a 15 veces el del chorro. Anteriormente
se demostr que est relacionado con , aproximadamente por:
2.2 Algoritmo de diseo de las cazoletas.
Las dimensiones de la cazoleta son proporcionales al dimetro del
chorro, la figura (a) muestra las proporciones habituales. Para
evitar una destruccin rpida de la arista media el ngulo no debe ser
inferior a 20. El ngulo tiene que ser de 8 a 12; no puede ser ms
pequeo pues el agua que sale de una cazoleta no debe golpear la
siguiente. De la misma forma, al comienzo del ataque, el agua que
sale de la cazoleta debe ser desviada al exterior para no tocar la
rueda. Los dimetros de las circunferencias exterior y de puntas
dependen de las proporciones de la cazoleta. Cada fabricante
dispone de relaciones empricas para estos dimetros; para un primer
clculo se pueden utilizar las relaciones dadas por A. Tenot.
(20)
(21)
Figura (a): Proporciones de las cazoletas, referidas alDimetro
del chorro (d=l)
De acuerdo a las tendencias modernas, en la fabricacin de este
tipo de turbinas, el dimetro exterior () esta relacionado con (D) y
(n), por.
(22)
Nmero de cazoletas
El nmero de cazoletas debe ser seleccionado de forma tal, que
cualquier partcula de agua proveniente del chorro, no pasara por la
rueda sin ser desviada por alguna cazoleta, la determinacin del
paso es facilitada por el trazado de las trayectorias
relativas.
El trazado de una trayectoria relativa se ilustra en la figura
(b).
Figura (b): Trazado de trayectorias relativasEl punto A es el
comienzo de la trayectoria correspondiente a la generatriz superior
del chorro, en este mismo punto la trayectoria es tangente a . Esta
trayectoria corta a la circunferencia de las puntas () en un punto
, tal que:
y (23)
Pues la partcula que parte de A recorre el segmento , en el
mismo tiempo que el punto de la circunferencia de puntas, que deben
rencontrarse en (a) describe el arco , de donde:
Esta trayectoria corta al circulo Pelton en dos puntos M y N
definidos por:
La trayectoria relativa perteneciente a la generatriz inferior
del chorro se extiende de B a . Todas las trayectorias relativas se
encuentran, de esta forma, comprendidas entre las de A y B. El paso
de la cazoleta es, a lo ms, igual al arco .
Sin embargo; en la prctica, el nmero de cazoletas es elegido
mayor al que resulta del paso (arco) , de manera que asegura que,
al tomar en cuenta el escote de la cazoleta, la parte del chorro
que no toca la cazoleta atrapar la siguiente.
Un aumento de nmero especfico (conduce a una disminucin del
nmero de cazoletas (z). En la prctica se obtienen buenos resultados
haciendo uso de la relacin dada por A. Ribaux.
2.3 Algoritmo de diseo de los inyectores.
Los inyectores de la turbina Pelton estn formados por un codo de
seccin circular el cual decrece en forma progresiva, un tramo recto
de seccin circular donde se monta una aguja con cabeza en forma de
bulbo y una boquilla que orienta el flujo de agua en forma
tangencial al rodete.Adems de la regulacin con agua, generalmente
se considera la regulacin de caudal mediante un deflector. Esta
regulacin permite evitar riesgos de golpe de ariete, producto de un
cierre brusco de la aguja. En la tobera se da lugar una fuerte
aceleracin, porque la velocidad del agua en la tubera que termina
en el inyector suele ser del orden de 1 m/s para nuestro caso esta
velocidad alcanza un valor de 1.19 m/s y la altura de presin en los
saltos de gran altura caractersticos de las turbinas Pelton, la
cual se transforma totalmente en altura dinmica en el inyector,
suele ser muy elevada. Por lo que transporta arena y se produce
erosin en la cabeza de la tobera y la punta de la vlvula puede
deteriorarse rpidamente. De aqu que se justifica la construccin de
la tobera y la punta de la vlvula de aguja en unidades separadas,
para su fcil recambio, los materiales suelen ser de bronce o acero
inoxidable.
Dimetro de salida de la tobera.
Para facilitar la regulacin es conveniente disear el inyector de
manera que exista proporcionalidad entre la turbina y la traslacin
(x) de la aguja medida a partir de la obturacin total de la tobera.
Suponiendo, como sucede en la realidad que Kc (coeficiente de
velocidad de la tobera) no vara impresionablemente con el caudal,
entonces la potencia ser proporcional al caudal y ste a la seccin
de paso de la tobera normal al flujo. Tenemos que (x) es el avance
de la aguja para que se cumpla la proporcionalidad deseada.
Las dimensiones de la tobera estn en funcin del dimetro del
chorro, el cual se determina utilizando la frmula:
Donde:
= Es el dimetro de la seccin del chorro expresado en m
= Es caudal que fluir por la tobera de la turbina
= Coeficiente de velocidad de la tobera estimado. (mencionado
anteriormente)
= Aceleracin de la gravedad
= Salto neto con que operar la turbina, en metros.
Entonces el caudal nominal de la turbina Pelton ser:
Y el dimetro de la salida de la tobera ser:
Figura (c): Tobera de una Turbina Pelton
Radio de curvatura del bulbo.
El radio de curvatura del bulbo ha de ser grande, a fin de
evitar desprendimientos, el dimetro (b) del mismo suele hacerse de
manera que:
Figura (d): Bulbo de la aguja del inyector.
El dimetro de salida de la tobera se disea, de manera que el
dimetro mximo del chorro se alcance cuando sea:
Los valores ordinarios o comunes que se construye el bulbo
son
La carrera del vstago de la vlvula de aguja suele hacerse mayor
que la necesaria para obtener el dimetro mximo del chorro, esto con
el fin de obtener una reserva de potencia.Fuerza necesaria para
mover la aguja.
Para el diseo del sistema de regulacin es esencial un
conocimiento de la fuerza necesaria para mover la vlvula de la
aguja, as como la reduccin de sta a un mnimo, procurando que sea
constante en toda la carrera de la vlvula, sobre dicha vlvula de
aguja del inyector cerrado acta la fuerza hidrosttica que el agua
ejerce sobre el bulbo de la vlvula de aguja y la prensaestopa. La
fuerza total hidrosttica en este caso ser:
Donde los valores de corresponden a la altura bruta del salto.
Al abrirse el inyector con el desplazamiento de la aguja la fuerza
hidrodinmica va disminuyendo paulatinamente porque disminuye la
presin alrededor del bulbo. El valor exacto de la fuerza
hidrodinmica en este caso solo puede obtenerse mediante experimento
valindose de un dinammetro de resorte intercalado entre el vstago
de la vlvula y su mando. Obtenida dicha fuerza es posible crear
mediante un resorte una fuerza elstica, de manera que combinando el
dimetro del embolo de la prensaestopa y la constante k del resorte,
permita conseguir reducir a su mnimo la fuerza total y hacerla
prcticamente constante.
Figura (e): Fuerzas ejercidas en el inyector.Trazando el esquema
de fuerzas del inyector en funcin de la apertura del mismo. En el
esquema con el inyector cerrado la fuerza sobre la aguja Fa es
mximo y decrece linealmente a medida que el inyector se abre, y
siempre es una fuerza de cierre. La fuerza sobre el embolo de la
prensaestopa Fe es constante y siempre es una fuerza de apertura.
El resorte ejerce una fuerza nula cuando el inyector permanece
cerrado, y una fuerza de cierre Fk, creciente con la apertura del
inyector. La resultante R de las tres fuerzas es muy pequea y
aproximadamente constante, con lo que estaremos consiguiendo
nuestro objetivo de reducir al mnimo la fuerza total ejercida sobre
el inyector y lograr que dicha fuerza sea lo ms constante
posible.
Rendimiento del inyector.
El rendimiento del inyector depende de la velocidad del chorro
de agua a la salida del la tobera o inyector, de la fuerza de
gravedad y la cada de agua o altura neta, el rozamiento del agua en
las paredes del inyector es un parmetro que est presente en
disminucin del rendimiento del inyector.
2.3 Instalaciones complementarias al diseo.
El elemento principal de toda turbina hidrulica es el rodete
mismo. Sin embargo, el rodete por s solo no puede hacer mucho,
requiere de ciertos accesorios, ya sea para la distribucin,
direccionamiento, control etc.
1. Codo de entrada.
2. Inyector. Es el distribuidor de las turbinas Pelton.
Transforma la energa de presin del fluido de trabajo en energa
cintica. La velocidad del chorro a la salida del inyector, en
algunas instalaciones, llega a 150 [m/s] o ms. Consta
principalmente de una tobera y una vlvula de aguja.
3. Tobera.
4. Vlvula de aguja. Se desplaza longitudinalmente. Tanto la
boquilla como la aguja del inyector suelen construirse de acero muy
duro. A pesar de esto, si el agua contiene arena, al cabo de 4.000
[h] de servicio estas piezas ya no producen un cierre estanco y
deben remplazarse.
5. Servomotor. Desplaza la aguja del inyector para regular el
caudal.
6. Regulador.
7. Mando del deflector.
8. Deflector o pantalla deflectora. Sirve para evitar el golpe
de ariete y el embalamiento de la turbina.
9. Chorro.
10. Rodete.
11. Alabes, cucharas o cazoletas.
12. Freno de la turbina por chorro de agua. El pequeo chorro
acta sobre el dorso de los labes y frena el rodete. Sin el, el
rodete seguira girando por inercia cada vez ms lentamente, con
perjuicio de la lubricacin y deterioro de los cojinetes.
13. Blindaje. Protege la infraestructura contra el efecto
destructor del chorro desviado.
14. Destructor de energa. Evita tambin las erosiones de la
infraestructura..
Rodete:
Costa de una rueda con cucharas alrededor, a las que podemos
llamar tambin alabes, sobre las que acta el chorro inyector. El
tamao y nmero de alabes dependen de las caractersticas de la
instalacin y de la velocidad especfica ns. Cuanto menor sea el
caudal y mayor la altura del salto, menor ser el dimetro del
chorro. Las dimensiones de los alabes vienen ligadas directamente
por el dimetro del chorro.
Cada vez que va a entrar un alabe en el campo de accin del
chorro sufrira un rechazo, por lo que a esta se le practica un
hueco de aproximadamente un 10% mayor al dimetro del chorro. Un
alabe tiene forma elptica dividida por una cresta afilada en dos
partes simtrica. Al estar dividido en dos la componente axial de la
fuerza se contrarresta y de esta forma no sufren los cojinetes. La
longitud del alabe es de 2.1 veces el dimetro del chorro y la
anchura del alabe es de 2.5 veces el mismo dimetro.
Alabes:
Tambin llamados, cucharas, son piezas de bronce o de acero
especial para evitar, dentro de lo posible, las corrosiones y
cavitaciones. Estn diseados para recibir el empuje directo del
chorro de agua. Su forma es similar a la de una doble cuchara, con
una arista interior lo ms afilada posible y situada centralmente en
direccin perpendicular hacia el eje, de modo que divide al alabe en
dos partes simtricas de gran concavidad cada una, siendo sobre
dicha arista donde incide el chorro de agua.
Distribuidor de la Turbina:
Est constituido por uno o varios equipos de inyeccin de agua.
Cada uno de dichos equipos, formado por determinados elementos
mecnicos, tiene como misin dirigir, convenientemente, un chorro de
agua, cilndrico y de seccin uniforme, que se proyecta sobre el
rodete, as como tambin, regular el caudal preciso que ha de fluir
hacia dicho rodete.
Inyector:
El inyector es una tobera diseada para reducir hasta los valores
deseados el caudal, y con ello las prdidas de carga en la
conduccin. Las prdidas de carga se producen por la friccin
(rozamiento) del fluido con la superficie de la tubera de conduccin
forzada. Las prdidas de carga dependen de la naturaleza de las
paredes internas de dicha conduccin, del caudal, de la seccin y de
la longitud de las mimas. A mayor caudal o menor seccin (aumento de
la velocidad del fluido) aumentan las prdidas de carga. A mayor
longitud de la tubera mayor son dichas perdida. Si el caudal se
hace cero la perdida de carga desaparece.
Este dispositivo contiene una aguja de cierre, cuyo movimiento
disminuye o aumenta la apertura de la boquilla y con esto el
caudal. Se puede construir de acero inoxidable al nquel, esmerilada
y pulida para reducir el rozamiento. El movimiento de esta aguja se
logra mediante un mecanismo de control.
Cuando disminuye la carga, hay que actuar sobre el caudal ms
rpidamente de lo que interesa a efectos del golpe de ariete. Un
cierre rpido puede provocar una situacin desastrosa. Para ello cada
inyector lleva incorporado un deflector que intercepta el chorro
inmediatamente parcial o totalmente, cerrando la aguja ms
lentamente y as no crear el golpe de ariete.
Cabe sealar que el inyector cuenta con un deflector el cual
desva al chorro. Esto es muy til en los casos en el cual ocurra una
falla en el generador. Esta falla se traduce en una violenta
aceleracin de la turbina, pudiendo sta entrar en resonancia y
destruirse. El deflector desviara el chorro, ayudando as a
disminuir la velocidad del rodete.
Carcasa de la Turbina:
Es la envoltura metlica que cubre el inyector, rodete y otros
elementos mecnicos de la turbina.
Su misin consiste en evitar que el agua salpique al exterior
cuando, despus de incidir sobre los alabes, abandona a stos.
Dispone de un equipo de sellado, en las zonas de salida del eje, a
fin de eliminar fugas de agua. Puede estar formado por un laberinto
metlico dotado de drenajes, o bien por juntas de estanqueidad,
prensaestopas, etc.
Cama de descarga:
Se entiende como tal la zona por donde cae el agua libremente
hacia el desage, despus de haber movido al rodete. Tambin se conoce
como tubera de descarga.
Eje de la Turbina:
Rgidamente unido al rodete, y situado adecuadamente sobre
cojinetes debidamente lubricados, transmite el movimiento de
rotacin al eje del generador. El nmero de cojinetes instalados as
como su funcin, radial o radial-axial, depende de las
caractersticas de cada grupo.
III PROCEDIMIENTO DE CLCULO
3.1 Determinacin de los parmetros de diseo de la instalacin de
Turbina Pelton.
DATOS OBTENIDOS PARA EL DISEO
SIMBOLOVALORUNIDAD
P15000Kw
Q5
80 92%(asumido)
z1Inyector
Z4Pares de polos
f60Hz
g9.806
Propiedades del agua.Peso especfico: es la relacin que existe
entre su peso y el volumen que ocupa.
Para una temperara T= 12C se obtiene la densidad del agua de
tablas. Entonces. I IteracinPara un 85% = 0.85.
Altura neta del saltoCon la siguiente frmula se obtiene la
Altura neta de diseo, ya que se tiene como dato de diseo al caudal
y al rendimiento total de la turbina.
Nmero especfico de revoluciones Para determinar el nmero de
revoluciones a las que debe girar la turbina, se debe encontrar
primero la velocidad sincrnica para ello se utilizar un generador
de 4 pares de polos entonces tenemos:
Donde: , frecuencia en Hz. , nmero de polos
Ahora teniendo en cuenta el rango de aplicacin de la Turbina
Pelton
Luego encontramos el coeficiente de velocidad de la figura (2)
en funcin de .
Clculo de velocidades
Para determinar la velocidad del chorro recurrimos a la ecuacin
(4)
Donde: , es la velocidad el chorro. , es el coeficiente de
tobera. se asume = 0.97 , es la altura neta. , es la aceleracin de
la gravedad.
Entonces:
Para determinar la velocidad tangencial, se toma la ecuacin
(5)
Donde: u, es la velocidad tangencial. , es el coeficiente de
velocidad. , es la altura neta. , es la aceleracin de la
gravedad.
Calculo de Fuerza, Torque, Potencia, Rendimiento
Para determinar la Fuerza del chorro utilizamos las ecuacin
(10):
Donde: , Es la fuerza del Chorro. , es la densidad del agua. ,
es el caudal. , coeficiente de tobera. se elige , coeficiente de
cazoleta. Se elige , velocidad tangencial. , altura neta. ,
aceleracin de la gravedad. , ngulo de salida. Esta entre (8 a12),
se elige
Para determinar la Potencia de diseo utilizamos la ecuacin
(12):
Donde: , es el caudal. , coeficiente de tobera. , coeficiente de
cazoleta. Se elige , altura neta. , peso especfico del agua , ngulo
de salida. Esta entre (8 a12), se elige , es el coeficiente de
velocidad.
Para verificar el rendimiento asumido utilizamos la ec. (13)
Donde: , es el caudal. , altura neta. , peso especfico del agua
, Potencia.
87.8%Debido a que no coincide con el rendimiento asumido se
procede a una segunda iteracin.
II Iteracin.
Ahora para un 87.8% = 0.88.
Altura neta del salto
Nmero especfico de revoluciones
Donde: , frecuencia en Hz. , nmero de polos
Ahora teniendo en cuenta el rango de aplicacin de la Turbina
Pelton
Luego encontramos el coeficiente de velocidad de la figura (2)
en funcin de .
Clculo de velocidades
Velocidad del chorro
Velocidad tangencial
Calculo de Fuerza, Torque, Potencia y Rendimiento
Fuerza del chorro
Potencia
Para verificar el rendimiento asumido
III Iteracin.
Ahora para un 86.8 % = 0.87.
Altura neta del salto
Nmero especfico de revoluciones
Donde: , frecuencia en Hz. , nmero de polos
Ahora teniendo en cuenta el rango de aplicacin de la Turbina
Pelton
Luego encontramos el coeficiente de velocidad de la figura (2)
en funcin de .
Clculo de velocidades
Velocidad del chorro
Velocidad tangencial
Calculo de Fuerza, Torque, Potencia y Rendimiento
Fuerza del chorro
Potencia
Para verificar el rendimiento asumido
IV Iteracin.
Ahora para un 86.3 % = 0.863
Altura neta del salto
Nmero especfico de revoluciones
Donde: , frecuencia en Hz. , nmero de polos
Ahora teniendo en cuenta el rango de aplicacin de la Turbina
Pelton
Luego encontramos el coeficiente de velocidad de la figura (2)
en funcin de .
Clculo de velocidades
Velocidad del chorro
Velocidad tangencial
Calculo de Fuerza, Torque, Potencia y Rendimiento
Fuerza del chorro
Potencia
Para verificar el rendimiento asumido
Finalmente se puede observar que de las cuatro iteraciones en lo
que se refiere al rendimiento asumido y el rendimiento verificado
la IV-Iteracin es la ms prxima al rendimiento asumido. Con un error
aproximadamente de 1%debido a que no se toman todos los decimales
en las ecuaciones. Por lo tanto se toma como datos de diseo a los
clculos hechos en la cuarta Iteracin.
3.2 Determinacin de los parmetros dimensionales del rodete,
cuchara, inyector, carcasa, etc.
Clculos de los dimetros principales
RODETE
Para determinar el Dimetro del Chorro utilizamos la ecuacin
Donde: , caudal. , velocidad del chorro. , dimetro del chorro. ,
nmero de chorros.
Para determinar el Dimetro Pelton utilizamos la ecuacin (19)
Donde: , nmero especfico. , coeficiente de tobera. se elige ,
dimetro del chorro. , rendimiento. De acuerdo a la Iteracin
Para determinar el dimetro de la circunferencia exterior y
tambin el de las puntas se utilizan las frmulas (20) y (21).
Donde: , nmero especfico. , coeficiente de tobera. se elige ,
dimetro del chorro. , rendimiento. De acuerdo a la Iteracin
Para determinar el nmero de cazoletas (cucharas) utilizamos la
ecuacin (26)
Donde: z, nmero de cazoletas (cucharas) D, dimetro de la Pelton
, dimetro del chorro.
CUCHARAS
Para obtener los rangos de las medidas remplazaremos el valor
del dimetro del chorro con lo que podemos obtener el rango para la
altura de la cuchara (A), el largo de la cuchara (B), el ancho del
filo de ataque (C) y el ancho de la cuchara (D)
0.8*d < A < 1*d 0.8*0.28 < A < 1 * 0.28
0.224 m < A < 0.28 m
2.25*d < B < 2.8*d 2.25*0.28 < B < 2.8*0.28
0.63 m < B < 0.784 m
1.2*d < C < 1.25*d 1.2*0.28 < C < 1.25*0.28
0.336 m < C < 0.35 m
2.6*d < D < 3*d 2.6*0.28 < D < 3*0.28
0.728 m < D < 0.84 m
Rango de medidas principales de la cuchara del Rodete
Pelton.
IV PRESENTACIN Y DISCUSIN DE RESULTADOS.
4.1. Parmetros del flujo del fluido ParmetrosMagnitudes
0.87
4.2 Dimensiones de la Turbina y Accesorios.
RODETEDimensiones
CUCHARASDimensiones
A0.224m - 0.28m
B0.63 m - 0.784 m
C0.336 m - 0.35 m
D0.728 m - 0.84 m
4.3 Seleccin del generador elctrico.
Se determin utilizar una mquina sncrona trifsica del fabricante
Bambozzi Ltda. de 18 polos y frecuencia de generacin 60 (Hz) tipo
ART .
V CONCLUSIONES.
Se logr comprender y evaluar los parmetros de diseo, pudiendo
ahora identificar las fallas que se podra presentar en la turbina,
o en todo caso mejorar el diseo para mejores rendimiento en su
funcin.
Se pudo obtener los parmetros y dimensiones del diseo de la
turbina Pelton, tanto como para el rodete y las cucharas, en caso
del inyector sus dimensiones y simulacin sern determinadas en un
informe aparte.
Con los clculos hechos y en comparacin con las otras turbinas se
pudo observar que la turbina Pelton es robustas, lo cual se traduce
en una mayor resistencia y un aumento de la vida til de la turbo
mquina por lo tanto el peligro de erosin de los labes es menor para
sus condiciones establecidas
Si se realizara un anlisis ms detallado sobre el perfil
hidrulico y ngulos de los filos de ataque y nervio central se podra
tener un mejor aprovechamiento de la energa hidrulica.
VI IDENTIFICACIN DE PRDIDAS ENERGTICAS O FACTORES DESFAVORABLES
A REMEDIAR EN EL SISTEMA PARA SU OPTIMO FUNCIONAMIENTO.
Los factores desfavorables que se presentan en este tipo de
turbinas debido a su continuo uso a lo largo de los aos provocando
desgaste en todo su perfil hidrulico son:
Se originan profundas erosiones, debido a que la distancia de la
punta del filo de ataque, con el paso del tiempo llega a cortar
aproximadamente el 70% del chorro, por consiguiente parte del
chorro impacta por debajo del filo.
El recorrido del agua en la parte interna de la cuchara se torna
anormal a consecuencia del desgaste por el impacto del agua ,
originando erosiones severas.
Los ngulos de salida de la cuchara se abren con el paso del
tiempo, esto origina prdidas de eficiencia del rodete, no se
aprovecha al mximo la potencia hidrulica.
VII SUGERENCIAS Y RECOMENDACIONES.
Se debe realizar inspecciones visuales y de partculas magnticas
cada cierto tiempo (para verificar la existencia de
discontinuidades lineales o poros), tanto en el rodete como en las
cucharas.
Semestralmente se deben realizar un mantenimiento correctivo de
rectificado y pulido de las cucharas.
VIII. BIBLIOGRAFIA.
Wilfredo Jara T., Mquinas Hidrulicas. Instituto de investigacin
de la Facultad de Ingeniera Mecnica (INIFIM) 1998.
C. Mattaix, "TURBOMAQUINAS \ HIDRAULICAS"; Ed. ICAI; Madrid,
1975.
Maquinas Hidraulicas (Tomo I), Camilo Rodriguez, C.E.I.L.P.,La
Plata, 1979.
Shortridge R.,Lester Pelton and His Water Weel, pp 22-26, Hydro
Review, October 1989.TURBOMQUINAS 44UNT