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