CAPITULO N 3 Turbina Pelton

7/21/2019 CAPITULO N 3 Turbina Pelton

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3DISEO Y CONSTRUCCIN DE UNA TURBINA PELTON PARA

GENERACIN ELCTRICA, CAPACIDAD 2 KW.

CONSTRUCCIN DEL PROTOTIPO

3.1. INTRODUCCIN

Seguidamente del diseo hidrulico y mecnico de los componentes de la

turbina, se elaboro los planos de fabricacin de cada una de las piezas que conforman la

turbina Pelton. Mediante estos planos se transfiere las especificaciones del material,

nivel de acabado, tolerancias y el proceso de produccin que se debe seguir para fabricar

cada pieza.

Como se puede observar en los planos de construccin, existen diferentes piezas

que conforman la turbina Pelton que se deben producir mediante procesos de

produccin. Adems, algunos componentes, como el inyector y los alabes del rodete,

estn sometidos a desgaste por la abrasin del agua que fluye por la turbina, por estarazn esta piezas se han construido en materiales con buenas propiedades antiabrasivas.


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Una vez definidas las alternativas de produccin de cada pieza se procedi a la

elaboracin de los planos de fabricacin, los cuales se recomienda posean las siguientes

caractersticas1.

- Para cada elemento de la turbina, se recomienda presentar un plano general en

donde se detalle el ensamble de las piezas que lo conforman y se indique las

especificaciones de los pernos, empaquetaduras, arandelas, que se requieran.

- Se debe elaborar un plano de fabricacin para cada pieza, en donde se mostrarn

vistas y detalles que aclaren su geometra. Tambin debe indicarse las

especificaciones de tolerancias y niveles de acabados superficiales.

- Cuando las piezas se produzcan mediante procesos de fundicin, se debern

elaborar los planos de los modelos que se utilizarn en este proceso. Tambin se

debe incluir las caractersticas del material que se utilizar e la fundicin de las

diferentes piezas.

- Debe presentarse un plano de ensamble general de la turbina en el cual se podrn

indicar todos los elementos de unin, retenes y sellos mecnicos que se utilizarn

en su ensamble.

1APUNTES PARA UN MANUAL DE DISEO, ESTANDARIZACION Y FABRICACION DE EQIPOS PARA

PEQUEAS CENTRALES HIROELECTRICAS. Volumen ll Olade


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Fig. 3.1. Conjunto de la turbina Pelton

3.2. PROCESOS DE CONSTRUCCIN

3.2.1. CONSTRUCCIN DE LA CARCASA

La carcasa es el lugar donde va alojada la turbina, su funcin general es de cubrir

y soportar las partes fijas y mviles de la turbina, su fabricacin debe ser de acuerdo a

los planos especficos para la aplicacin.

Fig. 3.2. - Carcasa

Los materiales utilizados para la fabricacin de la carcasa son los siguientes:

- Plancha de acero de 1/8 de espesor, equivalente a 3mm, de calidad comercial

laminada al caliente, equivalente a A569 (ASTM).


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-

Las dimensiones de la plancha son 1.20m x 2.40m. En la fabricacin de la

carcasa se utilizo la plancha de acero cortada y soldada elctricamente, pero

tambin es posible fabricarlo por otros mtodos como por ejemplo fundicin.

Fig. 3.3. - Tapa de carcasa

- El corte de las planchas se realiz por oxicorte, utilizando como insumos oxgeno

y acetileno principalmente.

- Los electrodos utilizados para unir las partes de la carcasa son:

E6011 para penetracin.

E6013 para acabados.

- Se utilizo pintura, anticorrosiva como base (base zincromato), luego para los

acabados pintura acrlica para metal.

Procedimiento.

El proceso de fabricacin de la carcasa y tubo de succin comprende desde el

trazado y corte del material hasta el acabado con pintura, pasando lgicamente por el

proceso de la unin por soldadura de las partes o segmentos.

-

La unin de los segmentos, de la carcasa se realizo mediante el mtodo desoldadura por arco elctrico. El proceso de soldadura comienza con el apuntalado

que consiste en unir los segmentos o partes mediante puntos de soldadura,

chequeando las dimensiones y la perpendicularidad entre ellas, para finalmente

realizar la unin mediante cordones de soldadura, evitando al mnimo las

deformaciones, estas deformaciones se producen cuando hay recalentamientos en


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zonas especificas, por lo que se recomienda soldar por tramos, dejando enfriar

las otras partes en forma intercalada.

-

Como las partes cortadas y soldadas sufrieron deformaciones debido al

calentamiento durante el proceso, se tuvo que enderezar las partes de la carca.

-

Cuando se une los segmentos o partes de la carcasa mediante soldadura por arco,

al trmino de esta quedan algunas rebabas y pequeos sobresalientes de cordn

tanto en la parte interna como en la parte externa de la carcasa, estas rebabas hay

que eliminarlas. La eliminacin de las rebabas y sobresalientes de cordn en la

parte interna es conveniente para disminuir la friccin con el agua,

disminuyendo as las prdidas en la zona.

3.2.2.CONSTRUCCIN DEL RODETE

Como se conoce que existen dos alternativas de diseo de rodetes de turbinas

Pelton, una de ellas consiste en empernar cucharas a un disco, el cual se instala en el eje

mediante un buje macizo, la segunda alternativa consiste en producir el rodete en una

sola pieza fundida. Estas alternativas de diseo definen los procesos de produccin de

los rodetes.

Fig. 3.4. Modelo de alabe de la turbina Pelton

Para producir el rodete con cucharas empernadas, se considero la alternativa de

fundicin, con lo cual se obtiene una pieza que posteriormente se puli de forma

manual. Para dar el acabado superficial a las cucharas, es necesario preparar calibradores


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que permitan garantizar una geometra igual a la proyectada en el diseo (ver particular

1.4 y 1.5).

Fig. 3.5.

Plantillas de la geometra del alabe

La superficie interna de la cuchara debe tener un acabado del tipo pulido, esto

depende de las limitaciones de tecnologa.

La eleccin del material del cual va ha ser construido el rodete es importante para

seguir con el diseo y construccin de los dems componentes, de las propiedades delmaterial del rodete depende la eficiencia de la turbina, esto por la friccin que se

ejercer en los alabes de la turbina o rodete.

En la mayora de estas aplicaciones el material de mayor eficiencia es el acero

inoxidable fundido al cromo nquel (13% de cromo y 4% de nquel) obtenido de la

fundicin. El uso de acero inoxidable es por su mayor resistencia a la corrosin que

pueda presentarse por cavitacin.

En la aplicacin de la microcentral hidroelctrica que trabajamos, el rodete est

construido de fundicin de bronce.


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Procedimiento.

La fabricacin de rodete se inicia con la preparacin de los modelos y moldes en

una primera actividad. El modelo se elaboro de acuerdo a los planos teniendo en cuentalas tolerancias por contraccin del material fundido para este caso se utilizo un modelo

de los labes construido en aluminio.

La unin de los labes a la corona se hace mediante pernos. Esta unin se hace

labe por labe, teniendo en consideracin la correcta posicin del ngulo establecido

entre cada alabe, as como tambin teniendo cuidado de que los alabes mantengan su

posicin.

Despus de unidos los alabes a la manzana del rodete, se procede a realizar el

acabado final que consiste en pulir las partes del rodete que van a estar siempre en

contacto con el agua, as mismo se maquina las partes que van a ir acopladas con el eje

con su respectivo chavetero.

Para pulir los alabes del rodete se utilizo en primera instancia un rotaliner

neumtico, limas y lijas empezando por las de grano grueso hasta darle el acabado final

con las de grano fino. Cuando el rodete se encuentro totalmente acabado, entendindose

por acabado el maquinado y pulido, se le realizo un balanceo dinmico, este balanceo se

hizo en funcin a la velocidad de rotacin que va a operar. El balanceo dinmico es

necesario porque siempre en el proceso de fundicin no hay uniformidad en la

distribucin del material de la colada, de esta forma se disminuyen las vibraciones y se

incrementa el tiempo de vida til de los rodamientos y otros componentes.


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Fig. 3.6. Rodete Pelton

Control de calidad posterior a la colada

I nspeccin Visual

La inspeccin visual es el primer control del rodete, ya sea en el proceso de

fabricacin o cuando entre en operacin. Consiste en revisar la calidad de la superficie

de los alabes. Su objetivo es detectar defectos superficiales tales como:

Abrasin: ocasionada por arena y suciedad, las cuales causan un dao mecnico.

Daos mecnicos: normalmente golpes de piedras que dejan una huella. Estos

putos pueden influir en la resistencia del material por un efecto conocido como

concentracin de tensiones.

Daos de fundicin: conocidos como poros, estos se deben por la inclusin de

arena de en el proceso de fundicin.

Fisuras: es la ms graves de los defectos puede ocasionar fallas en el rodete.

Para nuestro caso se deber efectuar una inspeccin visual al 100 %, despus de

la colada y al final del proceso de construccin del prototipo, esto con la finalidad de

determinar imperfecciones superficiales.


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3.2.3.CONSTRUCCIN DEL INYECTOR

La construccin del inyector se realizo en diferentes componentes, esto con el fin

de que el mantenimiento sea ms accesible en todos los componentes.

Fig. 3.7. Componentes del inyector

La carcasa o tramo recto del inyector se construye de acero st-37, diferentes

componentes estn construidos en bronce fosfrico y en acero inoxidable, con el fin de

disminuir desgaste y friccin en los componentes que estn directamente en contactocon agua. El acople de los componentes del inyector se efecto mediante pernos y

asentados con empaques y sellos para evitar permeabilizaciones de agua.


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Fig. 3.8. Inyector rectilneo

Procedimiento.

Para la fabricacin de ciertas piezas como es la gua de la aguja, se ha credo

conveniente hacerlo por fundicin de bronce, luego maquinarlas y pulirlas. Para la

fundicin se debe contar con los modelos, elaborados de acuerdo a los planos de

fabricacin con sus respectivas tolerancias por contraccin del material y el maquinado.

- El codo cnico se construyo utilizando un codo a 90 de 2 ced - 80 negro

soldable

- El eje del inyector es construido en acero inoxidable, por el permanente contacto

con el agua que tendr este componente, se mecanizo y puli hasta dejar a las

medidas expuestas en el particular.

- La punta de la aguja o tambin llamada bulbo se construyo en acero inoxidable,

el contacto de este componente con el agua es continuo, y su desgaste es grande

por esta razn se construyo de un acero resistente a la corrosin, este

componente es roscado en un extremo para agilizar su cambi en el caso que su

desgaste haya sido excesivo.


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-

La gua de la aguja del inyector se la fundi en bronce y luego mecaniz segn

particular, ver lmina N 19. La importancia de este componente es primordial,

por lo que en esta gua se regula la apertura o cierre del inyector y por

consiguiente el aumento o disminucin de caudal que ingresa a la turbina.

-

En un extremo del inyector ese colocaron empaques de tefln grafitado, el ancho

del empaque es de su longitud depende de la calidad de sellado que se desee.

3.2.4.CONSTRUCCIN DEL EJE DE LA TURBINA

Fig. 3.9. Eje de la turbina Pelton

El material del cual est construido el eje de la turbina es un acero inoxidable, la

utilizacin de este tipo de acero es por el continuo contacto que tendr el eje con el agua,

y el acero inoxidable por su dureza es apto para trabajos especiales de rotacin y flexin

y elevada resistencia a la corrosin (DIN: 34 CrNiMo 6, Boehler VCN 150).

Al adquirir el material para el eje, se considero una sobredimensin en el

dimetro (mnimo 4 mm) para el maquinado.

El maquinado, del eje se realiza de acuerdo a los planos o fabricacin ver lmina

N 5, para la construccin del eje, se debe considerar cada una de las indicaciones de los

planos relativos a tolerancias en los dimetros y dimensiones de chavetas, niveles de


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acabado en las zonas donde se ubica el rodete y los rodamientos, en el tramo donde se

ubica el rodete, se considera un ajuste a presin.

3.2.5.

CONSTRUCCIN DE LOS SOPORTES DE RODAMIENTOS

Fig. 3.10. Soporte de rodamientos

Se procede a la fabricacin de acuerdo a los planos indicados, el soporte del

rodamiento es el componente de la turbina que se encuentra en el voladizo de la carcasa,

va apoyado en la parte lateral de la estructura de la turbina o carcasa, esto es porque el

eje est en posicin horizontal.

Estos soportes de rodamientos pueden ser construidos mediante procesos de

fundicin, por el costo del componente se ha preferido realizarlo mediante procesos de

mecanizado, los materiales utilizados son, plancha negra de acero y acero St37.

-

Plancha de acero de 1/4". Segn las dimensiones A569 (ASTM)

-

Se ha utilizado un acero St 37, para las partes donde van alojados los

rodamientos

- Los electrodos usados para la fabricacin del soporte de chumaceras, son E6011

para penetracin y E6013 para acabados


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3.2.6.CONSTRUCCIN DE PRENSAESTOPAS

La prensaestopa es un componente de la turbina Pelton utilizada para sellar las

fugas de agua por los extremos del eje de la turbina.

Comnmente se suele construir las prensaestopas de un material con alto

contenido de bronce hasta el 90% (Cu 90% Zn 10%), el uso de este material se debe a su

resistencia a la corrosin ya que este componente estarn en contacto con agua. Para

sellar las posibles fugas en esta turbina especfica se ha credo conveniente utilizar como

prensaestopa una cinta de tefln grafitado de de espesor.

3.2.7.

POLEA DE TRANSMISIN

Conociendo que la velocidad de giro de la turbina es de 900 rpm y la velocidad

de giro del generador es de 3600 rpm, se procedi a construir un sistema de transmisin

mediante poleas para transmitir el movimiento, la polea que va conectada con el eje de

la turbina debe ser de mayor dimetro puesto que se tiene que aumentar las rpm del

sistema.

La relacin de transmisin del sistema es de 1:4, para este sistema de transmisin

de movimiento mediante poleas se ha calculado dos poleas, una de 16 pulgadas (polea

conductora) y una de 4 pulgadas (polea conducida), esta ltima est conectada al eje del

generador.

La banda utilizada es de tipo A y su longitud de 35 in

Por el largo proceso de construccin de estas poleas se procedi a comprarlas.


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Fig. 3.11. Polea de transmisin (16 in)

3.3.

BALANCEO DE LA TURBINA

Balanceo dinmico

El balanceo del eje es un fenmeno vibratorio autoexitado al cual potencialmente

son sometidas todas las flechas, para tener un buen funcionamiento de la maquina se

recomienda realizar un balanceo dinmico (si se operan a elevadas velocidades) 2 .

Cualquier balanceo residual de un elemento en rotacin hace que el centro verdadero de

masa quede excntrico del eje de rotacin de la flecha. Esta excentricidad genera una

fuerza centrifuga que tiene tendencia a flexionar la flecha en direccin de la

excentricidad, incrementando y aumentando la fuerza centrifuga. La nica resistencia a

esta fuerza proviene de la rigidez del eje.

Fig. 3.12. Movimiento de balanceo

2Diseo de Mquinas. ROBERT L. NORTON


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Queda claro que la rotacin de un sistema a su frecuencia crtica o cercana a ella

debe estrictamente evitarse. La frecuencia crtica para balanceo del eje es igual que para

la vibracin lateral. Esta razn de amplitud de vibracin de balanceo del eje empieza en

cero en vez de empezar en uno (vibraciones forzadas)3. Si se conserva la velocidad de

operacin debajo de ms o menos la mitad de la frecuencia crtica de balanceo del eje.

El balanceo de las flechas es una vibracin autoexitada, causada por la rotacin

del eje, que acta sobre la masa excntrica.

Vibracin torsional

Como la flecha tambin vibra torsionalmente, y tendr varias frecuencias

naturales a torsin. Los sistemas son anlogos. La fuerza se convierte en par de torsin,

la masa se convierte en momento de inercia de masa y la constante lineal de resorte se

convierte en constante torsional de resorte. Para determinar la frecuencia natural circular

utilizamos la siguiente ecuacin:

m

t

nI

k

(3.1)

La constante de resorte torsional tk para un eje circular solido es.

l

JGkt

(3.2)

3Diseo de Mquinas. ROBERT L. NORTON


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190

Donde:

G modulo de rigidez del material MPsi7.10 (ver anexo 23)

l longitud de la flecha.

J Segundo momento polar de rea se la flecha.

45

4

4

4

1033.6

098.0

32

1

32

mJ

inJ

J

dJ

La constante del resorte torsional es:

rad

inlbk

k

l

JGk

t

t

t

4,57144

35,18

098,0107.10 6

El momento de inercia de masa de una flecha circular slida respecto a su eje:

2

2

2

2

448,0

00013024,0

2

0127,0615,1

2

inlbI

mkgI

I

rmI

m

m

m

m


17/32

191

La frecuencia natural circular ser:

sec14,357

448,04,57144

rad

I

k

n

n

m

t

n

Ver propiedades del eje de la turbina en el anexo 24

Balanceo esttico

El balanceo de la turbina se lo realizo en diferentes etapas:

- Nivelacin de la mesa para balancear.

- Montaje y sealamiento de la turbina en los puntos crticos.

- Se quita peso en las cucharas segn la ubicacin de los puntos crticos donde

exista ms masa, esto se lo realiza utilizando un rotalin.

Fig. 3.13. Turbina Pelton balanceada


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3.4. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO

Para realizar las pruebas de funcionamiento de la turbina se procedi a construir

un banco de pruebas, el cual consta de diferentes componentes, los cuales los

enumeramos a continuacin.

- Generador.

- Sistema de transmisin de movimiento

- Equipo de medida del generador.

-

Equipo de turbina Pelton.

- Bomba de alimentacin.

- Tablero de control.

- Manmetro anti vibracin.

- Vlvulas reguladoras de caudal.

Fig. 3.14. Banco de pruebas


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Generador.-El generador utilizado para el proyecto es un generador de corriente

alterna la potencia es de 2.5 kW, el generador consta de un equipo con tomas de energa

y un dispositivo para medir el voltaje.

Sistema de transmisin de movimiento.-el sistema de transmisin es realizado

utilizando dos poleas para banda trapezoidal tipo A, la relacin de transmisin es de 1:4.

Equipo de turbina Pelton.-la turbina Pelton consta de:

-

Inyector

-

Turbina Pelton- Rodamientos

- Eje de la turbina

- Carcasa

Bomba de alimentacin.- Utilizamos una bomba centrifuga de las siguientes

caractersticas.

Tabla No 3.1 Datos de la bomba

SAER

TYPE IR32160/A

N 1181168 YEAR 04

V 220 / 380 HZ 60

A 18.76 / 10.8 IP 55

HP 7.5 kW 5.5 3400 1/min

Q=m /h 624 H=m 51.5 36.6


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Fig. 3.15. Curva de la bomba

Tablero de control .-El tablero de control consta de diferentes pulsantes y focos

de alerta, como se muestra en la siguiente figura.

Fig. 3.16. Tablero de control de la bomba


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Para la construccin del tablero de mando se realizo previamente un circuito de

fuerza y uno de mando, ver particulares CE-1, CE-2 yCE-3.

Los materiales utilizados en el tablero son los siguientes:

- Breaker trifsico 30 Amp.

- Contactor trifsico.

- Rel trmico.

Manmetro anti vibracin.- El manmetro se utiliza en el banco es del tipo

vertical anti vibracin, el rango de medida es de 0100 Psi.

Vlvul as reguladoras de caudal.- En el banco de pruebas existen dos vlvulas de

compuerta de 1, la una se encuentra en la succin y la otra en la descarga.

3.4.1. PRUEBAS A VACIO

Realizadas las pruebas sin carga de la turbina obtuvimos los siguientes

resultados.

Tabla No 3.2 Resul tados de las pruebas a vacio

Altura Presin CaudalAperturainyector

N(Turbina)

N(Generador)

Voltaje

m Psi m/s vueltas % rpm rpm V19,53 13,0534 0,008 10 100 450 1862 6819,53 13,0534 0,008 9,5 95 481 1964 81

19,53 13,0534 0,008 9 90 500 2040 8521,57 15,954 0,0075 8,5 85 521 2111 9122,60 17,404 0,0073 8 80 545 2236 9623,62 18,854 0,0070 7,5 75 575 2331 10225,66 21,755 0,0064 7 70 820 3306 11225,66 21,755 0,0064 6,75 67,5 872 3572 11226,69 23,206 0,0061 6,5 65 904 3674 112


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Fig. 3.17. Pruebas de la turbina

En la tabla No 3.2,se presentan los resultados de las pruebas a vaco de la turbina, lasvariables que se manejaron son:

- Altura.

- Caudal.- Apertura del inyector.- RPM (turbina).- RPM (generador).- Voltaje.

A continuacin se presentan diferentes grficas que resultan de la combinacin deresultados de cada una de las variables medidas:


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197

Fig. 3.18. Resultados del voltaje vs caudal

Fig. 3.19. Resultados del voltaje vs altura

0

0,001

0,002

0,003

0,004

0,005

0,006

0,007

0,008

0,009

0 20 40 60 80 100 120

Caudal[m3/s]

Voltaje [V]

Voltaje vs Caudal

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

0 20 40 60 80 100 120

Altura[m]

Voltaje [V]

Voltaje vs Altura


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198

Fig. 3.20. Resultados del voltaje vs rpm

Fig. 3.21. Resultados del voltaje vs apertura del inyector

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 20 40 60 80 100 120

Velocidaddelaturbina[rpm]

Voltaje [V]

Voltaje vs rpm

0

2

4

6

8

10

12

0 20 40 60 80 100 120

Aperturadelinyector[vueltas]

Volyaje [V]

Voltaje vs Apertura del inyector


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199

Fig. 3.22. Resultados del apertura del inyector vs rpm

Para mantener estable el nmero de revoluciones de la turbina y, as mismo el

voltaje y la potencia que puede dar el generador elctrico, debemos mantener constante

el caudal y altura de ingreso a la turbina, durante las pruebas que realizamos se variaba

el ingreso de caudal y la presin con valores inferiores a los de diseo debido a que las

caractersticas de funcionamiento de la bomba no nos permiten cumplir con los

parmetros de diseo.

Durante las pruebas se determino que para alcanzar el nmero de revoluciones de

diseo de la turbina se utilizo un recurso hdrico de 26 m de cada neta y un caudal de 6

l/s, considerando que estas pruebas se realizaron sin conectarle carga alguna al

generador, ya que al consumir la potencia generada decaen las revoluciones de la

turbina, ese fenmeno se presenta al no tener el caudal requerido de diseo, por lo tanto

al momento de realizar las pruebas con carga se aumento la presin de entrada del

chorro para compensar la disminucin de caudal.

0100200300400500600700800900

1000

0 20 40 60 80 100 120Velocidaddelaturbina[rpm

]

Apertura del inyector [%]

Apertura del inyector vs rpm


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200

3.4.2. PRUEBAS CON CARGA

Pruebas de la turbina conectada una carga elctrica.

Tabla No 3.3 Resul tados de las pruebas con carga

Altura Presin Caudal Aperturainyector

N(Turbina)

N(Generador)

Voltaje Corriente Potenciaaparente Cos

m Psi m/s % rpm rpm V I VA

17,47 10,15 0,0084 100 302 1206 37 2,8 112 0,99

17,47 10,15 0,0084 95 309 1251 39 2,93 124,4 0,99

18,49 11,60 0,0082 90 318 1298 40 3,04 134 0,99

19,00 12,33 0,0081 85 325 1323 42 3,15 143 0,99

19,51 13,05 0,08 80 333 1331 44 3,27 154 0,99

20,53 14,50 0,0078 75 342 1376 46 3,4 172 0,99

21,55 15,95 0,0075 70 349 1413 48 3,6 184 0,99

22,57 17,40 0,0073 65 360 1448 51 3,8 208 0,99

24,61 20,31 0,0067 60 375 1495 53 4,03 224 0,99

25,63 21,76 0,0064 55 386 1558 56 4,25 260 0,99

28,68 26,11 0,0055 50 406 1598 60 4,5 292 0,99

34,80 34,81 0,0033 40 445 1803 69 5,2 386,8 0,99

Fig. 3.23.

Resultados del voltaje vs potencia

y = 0,091x2 - 1,100x + 27,900

50

100150

200

250

300

350

400

450

0 20 40 60 80

Potencia[VA]

Voltaje [V]

Voltaje vs Potencia

Voltaje vs Potencia

Polinmica (Voltaje vs

Potencia)


27/32

201



Una vez realizado el ajuste de la tabulacin de datos obtenidos en la prueba de la

turbina acoplada a un generador elctrico y a su vez conectada una carga de elctrica con

y = 0,000x2 - 0,058x - 86,35

0

500

1000

1500

2000

2500

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Potenia(VA)

Velocidad del generador (RPM)

RPM vs Potencia

y = 0,004x2 - 1,179x + 90,080

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 100 200 300 400 500

Potencia[VA]

Velocidad de la turbina [rpm]

RPM (Turbina) vs Potencia

RPM (Turbina) vsPotencia

Polinmica (RPM(Turbina) vs Potencia)


28/32

202

una potencia de consumo de 1100 W, se obtuvo como resultado que la potencia aparente

mxima que se genera es 2268 VA, la misma se modifica al multiplicar por el factor de

potencia de la carga elctrica conectada (cos = 0,98) y el rendimiento elctrico del

generador obtenemos una potencia efectiva 2001 W.

Realizado el ajuste de curvas del nmero de revoluciones de la turbina y el

generador se determino que si se cumple la capacidad de generacin elctrica cuando la

turbina alcance girar a 900 RPM, con una altura neta de 25 m y 0,001 m3/s.

3.4.3. CURVAS CARACTERISTICA DE LA TURBINA

Las curvas caractersticas de la turbina que se grafican a continuacin,

determinan en cada uno de sus puntos un valor del rendimiento, las curvas de igual

rendimiento, que no son otra cosa que las proyecciones, sobre dichos planos, de las sucesivas

secciones originadas por la interseccin de planos paralelos a las mismas de h = ctte, con las

superficies de rendimientos correspondientes; las lneas de nivel, son lneas de igual rendimiento.

En la turbina Pelton, el punto de mximo rendimiento no se corresponde con la apertura

completa del inyector, si la velocidad es grande, el rendimiento disminuye debido a que parte del

agua pasa por la turbina, escapndose del rodete sin producir ningn trabajo, haciendo que el

rendimiento volumtrico disminuya rpidamente.

Esta disminucin se hace mucho ms ostensible a partir de un cierto valor de la

velocidad, por cuanto el chorro podra llegar a incidir sobre el dorso de la cuchara, frenndola.

Para llegar a conocer bien las particularidades del funcionamiento de la turbina,

realizamos con ella un gran nmero de ensayos, que abarcan la totalidad de las condiciones

posibles de trabajo, que viene determinadas por la variabilidad del salto, de la carga (par

resistente), de la velocidad.


29/32

203

Tabla No 3.4 Fuerza de frenado de la turbinaApertura del inyector Cabeza Fuerza Caudal Revoluciones

% kN/m N m/s rpm

100

80 0 0,0082 835

80 39,22 0,0082 704

80 78,45 0,0082 599

80 117,68 0,0082 470

80 156,9 0,0082 350

80 196,13 0,0082 219

80 235,36 0,0082 120

80 274,58 0,0082 54

80 313,81 0,0082 0

75

100 0 0,0078 954

100 39,22 0,0078 844100 78,45 0,0078 745

100 117,68 0,0078 665

100 156,9 0,0078 535

100 196,13 0,0078 408

100 235,36 0,0078 301

100 274,58 0,0078 169

100 313,81 0,0078 0

50

180 0 0,0055 1273

180 39,22 0,0055 1122

180 78,45 0,0055 1002

180 117,68 0,0055 877

180 156,9 0,0055 773

180 196,13 0,0055 623

180 235,36 0,0055 498

180 274,58 0,0055 190

180 313,81 0,0055 0

Para diversas aperturas se obtienen una serie de rectas que tienen en comn el punto( 1/ 1= 1) es decir, la velocidad perifrica del rodete es igual a la velocidad del chorro

(u = c1), o lo que es lo mismo, la velocidad de embalamiento uemb, aunque en realidad

sta es algo menor.


30/32

204

Tabla No 3.5 Ef iciencia de la turbinaApertura

delinyector

Cabeza Torque CaudalVelocidadangular

Potenciade

Turbina

PotenciaHidrulica

Eficiencia

%m deH20 N*m m/s rad/s W W %

100

18,49 0,000 0,0082 87,441 0,00 1487,373 0,000

18,49 4,314 0,0082 73,723 318,05 1487,373 0,214

18,49 8,630 0,0082 62,727 541,30 1487,373 0,364

18,49 12,945 0,0082 49,218 637,12 1487,373 0,428

18,49 17,259 0,0082 36,652 632,58 1487,373 0,425

18,49 21,574 0,0082 22,934 494,78 1487,373 0,333

18,49 25,890 0,0082 12,566 325,34 1487,373 0,219

18,49 30,204 0,0082 5,655 170,80 1487,373 0,115

18,49 34,519 0,0082 0,000 0,00 1487,373 0,000

75

20,52 0,000 0,0078 99,903 0,000 1570,149 0,000

20,52 4,314 0,0078 88,383 381,304 1570,149 0,243

20,52 8,630 0,0078 78,016 673,241 1570,149 0,429

20,52 12,945 0,0078 69,639 901,458 1570,149 0,574

20,52 17,259 0,0078 56,025 966,937 1570,149 0,616

20,52 21,574 0,0078 42,726 921,776 1570,149 0,587

20,52 25,890 0,0078 31,521 816,057 1570,149 0,520

20,52 30,204 0,0078 17,698 534,536 1570,149 0,340

20,52 34,519 0,0078 0,000 0,000 1570,149 0,000

50

28,68 0,000 0,0055 133,308 0,000 1547,429 0,000

28,68 4,314 0,0055 117,496 506,899 1547,429 0,328

28,68 8,630 0,0055 104,929 905,486 1547,429 0,585

28,68 12,945 0,0055 91,839 1188,840 1547,429 0,768

28,68 17,259 0,0055 80,948 1397,088 1547,429 0,903

28,68 21,574 0,0055 65,240 1407,516 1547,429 0,910

28,68 25,890 0,0055 52,150 1350,154 1547,429 0,873

28,68 30,204 0,0055 19,897 600,958 1547,429 0,38828,68 34,519 0,0055 0,000 0,000 1547,429 0,000


31/32

205

Fig. 3.26. Comportamiento segn la eficiencia

Fig. 3.27. Comportamiento segn el rendimiento

Fig. 3.28. Comportamiento con la potencia al freno

0,000

0,200

0,400

0,6000,800

1,000

0 500 1000 1500

Eficiencia[%

]

Velocidad de la turbina [rpm]

Eficiencia vs rpm

100%

75%

50%

0,000

0,200

0,400

0,600

0,800

1,000

0,00 0,50 1,00 1,50

Rendimiento%

1/ 1

Comportamiento del rendimiento

100%

75%

50%

0,000

10,000

20,000

30,000

40,000

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20Potenciaalfre

noW

1/ 1

Comportamiento con la potencia


32/32

Fig. 3.29. Curvas de isorendimiento

La curva de iso eficiencia al 10%, esta descrita por la presente ecuacin:

004,0xE1xE9y 05209


003,0xE1xE1y 05208


004,0xE1xE1y 05208


005,0xE1xE9y 05208

En la grafica 3.27 analizamos el comportamiento de la turbina, el rendimiento de

la turbina forma una parbola, al abrir el inyector hasta el 50% de su capacidad tenemos

el rendimiento mximo, puesto que disminuye el caudal y compensamos esa carencia

con altura.

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CAPITULO N 3 Turbina Pelton