TURBOMAQUINAS HIDRAULICAS UNT
UNIVERSIDAD JOSE CARLOS MARIATEGUITURBINA PELTON
Resumen.
Una turbina Pelton es uno de los tipos ms eficientes de turbina
hidrulica. Es una turbomquina motora, de flujo trasversal, admisin
parcial y de accin. Consiste en una rueda (rodete o rotor) dotada
de cucharas en su periferia, las cuales estn especialmente
realizadas para convertir la energa de un chorro de agua que incide
sobre las cucharas.Las turbinas Pelton estn diseadas para explotar
grandes saltos hidrulicos de bajo caudal. Las centrales
hidroelctricas dotadas de este tipo de turbina cuentan, la mayora
de las veces, con una larga tubera llamada galera de presin para
trasportar al fluido desde grandes alturas. Al final de la galera
de presin se suministra el agua a la turbina por medio de una o
varias vlvulas de aguja, tambin llamadas inyectores, los cuales
tienen forma de tobera para aumentar la velocidad del flujo que
incide sobre las cucharas.
En este trabajo, con base en la seleccin de los instrumentos de
conocimiento la matemtica, la teora de una turbina Pelton, su
adecuacin y su almacenamiento en Excel se crea el software que
opera en el sentido de calcular virtualmente turbinas de una manera
simple y verstil. Esto implica que los resultados no han sido
validados experimentalmente.Aqu se presenta, sin embargo, un
estudio explicativo con base en los objetivos propuestos, pues una
vez analizada e interpretada la informacin terica seleccionada
referente al problema de base, se le da sentido a travs de la
elaboracin de un software para el diseo y clculo de una turbinas
Pelton, que garantiza la presentacin de una propuesta tecnolgica
que beneficia a: la comunidad usuaria, al sector energtico
comercializador y a las empresas que construyan turbinas
Pelton.Finalmente, el trabajo Diseo y clculo de una turbina Pelton
alcanza como resultados especficos: los planos bsicos de todas las
piezas del inyector, los planos de la cuchara y sus perfiles
transversales, los planos del rodete, los planos del eje del
volante y los planos del eje de la turbina y los resultados
matemticos de velocidad del chorro a lasalida del inyector, Dimetro
Plton, RPM, Ns, Nq, dimetro del chorro y potencia.
INDICE
1.GENERALIDADES32.APLICACIN DE LA TURBINAS PELTON53.RECOPILACIN
DE INFORMACIN64.OPERACIN Y/O FUNCIONAMIENTO DE LA MQUINA
HIDRULICA.105.FUNDAMENTO Y JUSTIFICACIN TERICA116.TEORA PARA EL
DIMENSIONAMIENTO157.VALOR LMITE PARA (d/D).-178.NMERO DE CHORROS
(Z).-179.DIMENSIONAMIENTO DE LOS ELEMENTOS DE LA TURBINA
PELTON1710.CONSIDERACIONES PERTINENTES ADICIONALES AL
DISEO.2111.DESARROLLO E INNOVACIN TECNOLGICA:2412.PROCEDIMIENTO DE
ARMADO3113.CONCLUSIONES3314.REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS.3315.PAGINAS
WEB:33
1. GENERALIDADES
Las definiciones y conceptos que a continuacin detallamos son
bsicas para el desarrollo de la presente tesis por lo cual hemos
tenido que hacer uso de informacin bibliogrfica y la Internet.
1.1 Introduccin o presentacin. En la actualidad es imposible
imaginar la vida sin energa elctrica, estamos tan acostumbrados a
encender y apagar el interruptor de la luz y otros aparatos que muy
rara vez nos ponemos a pensar de donde viene esta electricidad;
pues bien, un tipo de centrales generadoras son las HIDROELCTRICAS,
stas son plantas encargadas de convertir la energa del agua en
energa elctrica, pero ms especficamente, la TURBINA es la encargada
de transformar esa energa hidrulica en energa mecnica, para
posteriormente convertirla en energa elctrica con un generador.
Como deca La turbina es el alma de una central hidroelctrica y
dependiendo de la turbina que se use es la cantidad de electricidad
que se produzca. En este proyecto estudiaremos las turbinas
PELTON.
La elaboracin de este proyecto para el clculo y diseo de una
turbina que genere una potencia elctrica deseada busca la
vinculacin de la comunidad acadmica como gestora de soluciones
sociales hacia las comunidades que requieren formas de suministro
de energa.A partir de la necesidad de producir mquinas hidrulicas,
que generen energa mecnica, por parte de personas con conocimientos
bsicos; es decir, interesados en ocupaciones operativas, mas no
preocupados por el trabajo tctico de ingenieros, o labores
estratgicas desarrolladas por tericos o creadores de ciencia, surge
el inters de crear una herramienta que facilite la elaboracin del
diseo y clculo de turbinas Pelton
1.2 Objetivos. (Lo que se quiere lograr: requisitos y
resultados)
Objetivo General obtener una turbina Pelton Objetivos
Especficos
Conocer tipos y funcionamiento de Turbinas Pelton.
Determinar la importancia e aplicaciones de una turbina
pelton.
1.3 Identificacin de las aplicaciones o utilizacin de la mquina
hidrulica.
ENERGA HIDRULICA
Un hidrosistema requiere de un caudal de agua y una diferencia
de altura (conocida como Salto) para producir energa potencial. La
produccin de energa hidrulica se trata de un sistema de conversin
de energa, es decir se toma energa en la forma de caudal y salto y
se entrega energa en forma de electricidad o energa mecnica en el
eje de una turbina. Ningn sistema de conversin puede entregar la
misma cantidad de energa til que absorbe, pues una parte de la
energa se pierde en el sistema mismo en forma de friccin, calor,
ruido, etc.Salto de agua o distancia vertical del agua
2. APLICACIN DE LA TURBINAS PELTONExisten turbinas Pelton de
todos los tamaos. Hay turbinas de varias toneladas montadas en
forma vertical sobre cojinetes hidrulicos en las centrales
hidroelctricas. Las turbinas Pelton ms pequeas, solo de unos pocos
centmetros, se usan en equipamientos domsticos.En general, a medida
que la altura de la cada de agua aumenta, menor volumen de agua
puede generar la misma potencia. La energa es la fuerza por la
distancia, y, por lo tanto, presiones ms altas pueden aplicar la
misma fuerza con menor caudal msico.Cada instalacin tiene, por lo
tanto, su propia combinacin de presin, velocidad y volumen de
funcionamiento ms eficiente. Usualmente, las pequeas instalaciones
usan paletas estandarizadas y adaptan la turbina a una de las
familias de generadores y ruedas, adecuando para ello las
canalizaciones. Las pequeas turbinas se pueden ajustar algo
variando el nmero de toberas y paletas por rueda, y escogiendo
diferentes dimetros por rueda. Las grandes instalaciones de encargo
disean el par torsor y volumen de la turbina para hacer girar un
generador estndar.Las instalaciones de Turbinas Pelton descritas
pueden construirse localmente con buenos resultados. Se describen
mtodos diferentes y materiales diversos para la construccin de las
cucharas en las ruedas as como para diferentes modelos de toberas y
del mecanismo regulador.
Varios impedimentos limitan el nivel de aplicacin para Turbinas
Pelton de fabricacin local. Por ejemplo, con cadas muy altas pueden
surgir problemas en la poza de abastecimiento. Aqu, no slo es
importante la presin esttica, pues, pueden presentarse ondas de
presin cuando se lleva el conducto, o cuando la turbina arranca es
regulada. Esto puede traer consecuencias desastrosas, cadas altas
tambin implican alta velocidad de rotacin que puede causar
problemas en el rotor debido a fuerzas centrfugas aunadas a fuerzas
dinmicas. Las ruedas ms grandes se hacen para mayores niveles de
descarga usualmente, lo que requiere toberas y cucharas ms
grandes.Sus niveles de aplicacin deben estar dentro de los
siguientes lmites estrechos (Ver Anexo 03.)
Estos lmites no son obligatorios; pero, pueden ser tomados como
sugerencias teniendo en cuenta las condiciones locales para
fabricacin, tales como disponibilidad de materiales y fundiciones,
equipos de prueba y otros.En comparacin con lo dicho sobre las
ltimas mejoras de las Turbinas Pelton, estos lmites restringen
considerablemente el nivel de aplicacin de las Turbinas Pelton.
Pero, an as, abren un campo nuevo interesante para la fabricacin
local de las mismas.
3. RECOPILACIN DE INFORMACIN
3.1. Descripcin de partes y/o componentes.
TURBINAS PELTON
Las turbinas Pelton, se conocen como turbinas de presin por ser
sta constanteen la zona del rodete, de chorro libre, de impulsin, o
de admisin parcial por ser atacada por el agua slo una parte de la
periferia del rodete. As mismo entran en la clasificacin de
turbinas tangenciales y turbinas de accin.
ACCESORIOS DE LAS TURBINAS PELTON.
El elemento principal de toda turbina hidrulica es el rodete
mismo. Sinembargo, el rodete por s solo no puede hacer mucho,
requiere de ciertos accesorios, ya sea para la distribucin,
direccionamiento, control etc.
RODETE
Consta 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 a 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.
fig1.3 rodete Pelton
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.Fig. 1.4. Detalles de
un alabe
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.Fig. 1.5 - Esquema de un
distribuidor.Inyector
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.Fig. 1.6. Inyector
rectilneo.
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.
4. OPERACIN Y/O FUNCIONAMIENTO DE LA MQUINA HIDRULICA.
FUNCIONAMIENTO DE LA TURBINA PELTON
Principio de funcionamiento de las turbinas Pelton.
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 que el agua
incide tangencialmente sobre el rodete, empujando a los alabes,
obtenindose el trabajo mecnico deseado.Las formas cncavas de los
alabes 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.La vlvula 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 embalsamiento o
reduccin del nmero de revoluciones del mismo, por disminucin o
aumento respectivamente de la carga solicitada al generador.La
arista que divide al alabe 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.
5. FUNDAMENTO Y JUSTIFICACIN TERICA
La Turbina Pelton se caracteriza por el hecho que la presin del
fluido no vara a lo largo de la rueda o sea el grado de reaccin es
cero y por esto la rueda Pelton se define tambin como rueda de
"accin". Para analizar el principio de funcionamiento consideramos
una cuchara en movimiento traslatorio uniforme, con velocidad igual
a la velocidad perifrica del punto mediano del perfil cortante:
adems, se considera el campo de velocidad como plano.
Indicamos con la velocidad de traslacin de la cuchara. En base a
la forma del campo de velocidad resulta que el ngulo 2 formado por
mayor que el ngulo 2c formado por la tangente al borde de salida de
la cuchara y la direccin de (Ver Figura 2.10).
Figura 2.10: Cuchara en movimiento traslatorio uniforme
Consideramos una referencia inercial solidaria con la cuchara en
movimiento traslatorio uniforme y aplicamos la ecuacin de la
cantidad de movimiento con respecto a un volumen de control que
pertenece a dicha referencia.El volumen de control est
individualizado por la lnea de raya y por la superficie de la
cuchara en contacto con el fluido. Tenemos:
(3)
: Es la resultante de todas las fuerzas externas que se ejercen
sobre el fluido contenido dentro del volumen de control.
Qmr: Es el caudal msico "relativo".
Por la simetra del campo de velocidad tiene la misma direccin de
la velocidad . Podemos escribir:
, Siendo la fuerza resultante debida a la presin atmosfrica y la
fuerza resultante que el fluido ejerce sobre la pared de la
cuchara. Indicamos con la fuerza resultante debido a la presin
atmosfrica que se ejerce sobre la superficie de la cuchara no en
contacto con el fluido. Por resultar:
, Podemos escribir:
Ahora es la fuerza resultante que se ejerce sobre la cuchara, as
que tenemos:
Entonces, por la ecuacin de la cantidad de movimiento
resulta:
(4)
(5)
Figura 2.11: Esquema de Vectores de velocidad.
De la figura 2.11
Basndonos en la ecuacin del movimiento relativo tenemos:
(6)
Por ser resulta Pongamos:
Entonces
Indicamos con V1 la velocidad absoluta del fluido antes de la
rueda.
Tenemos . Definimos como velocidad ideal (absoluta) del chorro
la: y pongamos:
Tenemos:
La fuerza resultante que se ejerce sobre la cuchara por cada
unidad de caudal msico que ingresa a la cuchara es: (7)
La potencia que el fluido cede a la cuchara es:
(8)
El trabajo que el fluido cede a la cuchara por cada unidad de
peso que ingresa a la cuchara es:
(9)
Volvemos ahora a la rueda Pelton. Podemos considerar la
expresin: (10) como el trabajo que el fluido cede a la rueda por
cada unidad de peso que ingresa a la rueda, as que podemos
escribir:
(11)
Claramente el trabajo que el fluido cede a la rueda en la unidad
de tiempo es , siendo ahora el caudal absoluto del chorro.
En el caso de la turbina Pelton resulta , entonces
La fuerza resultante que se ejerce sobre la rueda es tangente a
la circunferencia descrita por el punto mediano del perfil cortante
de la cuchara. Ahora podemos escribir la expresin:
Como la fuerza resultante por cada unidad del caudal msico que
ingresa a la rueda, de tal manera que la fuerza resultante es igual
a:
(12), Y el momento es igual a:
(13), Siendo "D" el dimetro de la circunferencia ya
mencionada.
6. TEORA PARA EL DIMENSIONAMIENTO
6.1. VELOCIDAD Y DIMETRO CIRCULAR MXIMO DE ATAQUE
El producto de la velocidad (RPM) y el dimetro circular mximo de
ataque (DCMA) de una Turbina Pelton es constante, para un tope
(rendimiento) dado. As, con una cada dada y el DCMA indicar un
cierto nmero de revoluciones de la turbina.A menudo, la velocidad
de la turbina est dada por las RPM requeridas por el mecanismo
impulsado, sea un generador o cualquier otro equipo final. Con un
rendimiento real pueden ajustarse la RPM cambiando el dimetro de la
rueda.Otra posibilidad es la de no operar la turbina en su
velocidad ptima. Se tienen casos que para un DCMA dado, la
velocidad de la rueda puede ser considerablemente diferente de la
velocidad ptima sin que tenga una gran influencia en la eficiencia
de la turbina permitiendo as al fabricante diversos DCMA
estandarizados. En el caso en que la velocidad es 16% ms baja que
la ptima, tan slo significara una prdida de eficiencia del 3%.Para
un determinado tamao de las cucharas, el DCMA debe mantenerse
dentro de ciertos lmites. El dimetro mnimo de la rueda resulta del
hecho de que deben instalarse no menos de 16 cucharas y tambin de
la fuerza centrfuga permisible aplicada a las mismas.El dimetro
mximo de la rueda no es un problema mayor porque normalmente se
requiere una alta RPM.Principalmente consideraciones de ndole
econmica limitan el tamao del rotor porque una rueda grande tambin
significa un gran nmero de cucharas y una carcasa grande.La
velocidad en vaco de una Turbina Pelton es entre 1.8 y 1.9 la
velocidad normal. A velocidad libre el aro ..gira casi a la
velocidad del inyector de agua, y la misma ya no puede transferir
energa al rotor. Este es el caso cuando no hay carga en la
turbina.
6.2. EFICIENCIALa eficiencia () de las Turbinas Pelton pequeas,
de fabricacin local, normalmente no es tan alta como en las
grandes. Por consiguiente se recomienda calcular los parmetros de
la turbina con una eficiencia entre 0.70 y 0.85. Esto puede arrojar
una eficiencia entre 0.5 y 0.6 para una instalacin con un generador
elctrico. En varias instalaciones ha quedado demostrada la
conveniencia de calcular estas eficiencias. Tratndose de
eficiencias bajas deben considerarse la cada y la descarga para
obtener, la energa requerida.Hay muchos factores que pueden influir
en la eficiencia de las Turbinas Pelton, tales como la disposicin
geomtrica de las cucharas, forma de las mismas, errores de fbrica,
desalineamiento del chorro, friccin del desaguador y
empaquetaduras.Un dimetro de chorro menor que el ptimo, o una
tobera parcialmente cerrada, no tienen una mayor influencia en la
eficiencia, supuesto que el dimetro del chorro, no sea menor de un
tercio del dimetro ptimo del chorro, o de un sexto de la descarga
de agua, siendo posible una buena eficiencia en carga parcial.
6.3. NMERO DE VUELTAS ESPECFICO (Nc) EN FUNCIN DE LOS PARMETROS
DE FORMA.-La Turbina Pelton puede tener ms que un chorro.
Claramente todos los chorros tendrn el mismo dimetro d" y la misma
velocidad V1. Indicamos con Z el nmero de chorros. Tenemos:
(14)
Sea "D" el dimetro de la circunferencia tangente al eje del
chorro.
Tenemos:
(15)
(16)
Para las condiciones de diseo, o sea las condiciones en que T
es, mximo, podemos considerar los siguientes valores:
Entonces resulta:
(17)
7. VALOR LMITE PARA (d/D).-
Si el dimetro "d" del chorro fuera demasiado grande con respecto
al dimetro "D de la rueda, entonces el tamao de la cuchara
resultara demasiado grande con respecto a D y la manera de operar
de la cuchara se alejara del esquema terico que hemos considerado y
que resulta ser lo ms favorable para el rendimiento. Consigue que
se tiene que poner un lmite al valor de (d/D) y normalmente se
toma
O sea (18)
8. NMERO DE CHORROS (Z).-
Con Turbina Pelton de eje vertical se ha alcanzado (a turbina
con eje vertical ofrece mayores posibilidades para la instalacin de
las tuberas y de las boquillas de regulacin.) Pero hay que
considerar que la turbina con eje vertical presenta el problema de
proveer un adecuando sistema de superficies fijas que recojan y
guen el fluido que sale de la rueda para que no recaiga sobre la
misma.La tendencia es hacia disposiciones sencillas, o sea turbina
con eje horizontal y uno o al mximo dos chorros.
9. DIMENSIONAMIENTO DE LOS ELEMENTOS DE LA TURBINA PELTON
Las dimensiones fundamentales en una Turbina Pelton estn
determinadas por el dimetro del chorro. Dado el dimetro del chorro
la mayora de las dems medidas del rotor pueden obtenerse con el
empleo de las frmulas. El tamao del dimetro del chorro determina el
tamao mnimo de las cucharas, que a su vez da el tamao del rotor y
de toda la turbina.En ciertos casos es posible instalar una turbina
con mayor tamao del requerido. Esto no reduce necesariamente la
eficiencia total de la instalacin de manera inadmisible si es que
el sobre dimensionamiento se mantiene dentro de ciertos lmites.
Este puede ser el caso si se utiliza una turbina de segunda mano y
si slo se dispone del diseo de una turbina mayor si modificar los
elementos de fabricacin acarreara gastos muy grandes.Para
determinar el tamao de una turbina deben conocerse dos de tres
parmetros: Potencia (P), Caudal (Q) y Cada Neta (H). El tercer
parmetro puede calcularse. La instalacin de una Turbina Pelton es
factible cuando todos estos parmetros estn dentro de los lmites
descritos anteriormente. Cuando alguno de estos tres parmetros
excede estos lmites, es an. a veces, posible instalar una Turbina
Pelton; pero, se recomienda estudiar cuidadosamente las diferentes
posibilidades. Tal vez pudiera instalarse una turbina con ms de un
chorro, o yendo al otro extremo, traer la turbina completa.La mayor
dificultad en la fabricacin de una Turbina Pelton es hacer las
cucharas, porque si estos rompiesen rotando a alta velocidad sera
muy peligroso. Esta es la razn por la cual a menudo es preferible
adquirirlas de un fabricante acreditado. En este caso, o cuando las
cucharas las hace un fabricante local experimentado, pueden
elevarse los lmites descritos, para Turbinas Pelton hechas
localmente.En el caso de que el caudal estuviera por encima de los
lmites mencionados, o la cada se halle por debajo de ellos, se
recomienda buscar un diseo alternativo de turbina.Empleando el
Anexo 02, se puede determinar el dimetro del chorro por aproximacin
cuando se dan dos de los parmetros: Salto Neto (H), Caudal (Q) y
Potencia Producida. El diagrama se basa en una eficiencia total de
planta de 60 %.
Algoritmo de diseo de la mquina hidrulica.
Potencia Ideal (Pi).
Dnde: = 1000 Kg/m3 Peso Especfico del Agua.
Nmero de vueltas especfico Ideal (Nc1).
Clculo del Nmero de chorros (Z) y la relacin d/D Nmero de
chorros (Z)Donde los valores de y Kp estn:
Entre 0.97 - 0.98Kp entre 0.44 - 0.46
Tomando: = 0.97 y Kp = 0.45Adems la relacin de d/D=l/10 como
valor lmite.
Si sabemos que
Entonces Donde Z debe ser entero.
Con este nuevo valor podemos calcular la nueva relacin d/D.
Entonces (37)Este valor va sera el real.
Clculo del dimetro del chorro d" y del Dimetro tangente al
chorro "D":
Como sabemos: (38)
Entonces: y D=1/d(39)
S = (0.75 0.85) ()
De la figura del tringulo, tenemos la siguiente frmula:
SE DESPEJA
Y se encuentra en nmero de cucharas
Con este nuevo nmero de cucharas, se recalcula la distancia S
que es la longitud de arco entre cuchara y cuchara, aplicando la 2
frmula:
Nmero de Cucharas:Clculo de De (m) y Di (m)
De= D + 2dDi= D - 2d
Calculamos en forma empricaN-C(Emprica)= [12+0.74(D/d)]
Recalculamos S*S*= ( * De) / 21
Espesor del Chorro a la salida de la cuchara
Ech= [0.12 - 0.15] * dAsumimos el valor de 0.13Ech = 0.13 *
d
Trabajo W, Eficiencia Ideal i Eficiencia Total i y Potencia al
Eje P.
Tomar 2= 12 = 0.88Vi = (2*g*H)1/2 en m/sVi= Vi en [m/s]U= Kp*Vi
en [m/s1 =W / H1 (Solo para Turbinas Pelton)1 = 0 * i * T = 0 * i
(Solo para Turbinas Pelton)Se asume un rendimiento mecnico 0
promedio Tomando 0= 0.94
W =1/g*(1+*Cos2) * (V1-U) UPotencia al Eje P = 1 * P
Velocidad de fugaVfuga = [1.70 - 1.80]*U =1.75*U Boquilla de
regulacin rea de la seccin del chorroAc= *d2/4 Clculo del rea mxima
de la boquilla.Amax= Ac/0.7
10. CONSIDERACIONES PERTINENTES ADICIONALES AL DISEO.
Geometra del inyectorLos 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 duelen
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:
En la presente tabla se puede observar las proporciones de
dimensiones de la tobera en funcin del dimetro del chorro.
RADIO DE CURVATURA DEL BULBOEl radio de curvatura del bulbo ha
de ser grande, a fin de evitar desprendimientos, el dimetro b del
mismo suele hacerse de manera que:
El dimetro d de salida de la tobera se disea, de manera que el
dimetro mximo del chorro d se alcance cuando l 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
11. DESARROLLO E INNOVACIN TECNOLGICA:
11.1. Clculo de dimensiones de componentes y parmetros del
flujo.
PROCEDIMIENTO DE CLCULO
Determinacin de los parmetros de diseo dimensionales y del flujo
de la turbinas pelton: nmero especfico ideal, potencia ideal,
dimetro del chorro, nmero de chorros, dimetro del rodete, numero de
cucharas, trabajo de euler, rendimiento total, potencia efectiva
real, potencia elctrica real.
Obtenemos los parmetros iniciales de diseo:DATOS:
Altura o Salto Neto (H) : 850 m.Velocidad de la Turbina (N):450
RPM. Caudal (Q).: 16.64 m3/s
VALORES ASUMIDOSKp= 0,45 = 0,98
PROCEDIMIENTO DE CLCULO
a) Clculo de Ni
b) Clculo de nci
c) Clculo de z y d / D
Como primera aproximacin tomamos d/D = 0.09, luego calculamos z
mediante la relacin:
Redondeando z =4 ( 4 chorros ) Clculo del valor definitivo de
(d/D)
d) Clculo de d y D
e) Clculo del nmero de cucharas (N ch)
Luego:
D = 2.4657mDi = 2.0544mDe = 2.8769m
Para hallar el nguloBB`AReRe-d
Entonces:
Ahora, tomamos en cuenta que:
Redondeamos y escogemos el mximo
Nch = 21cucharas.Finalmente calculamos la distancia entre 2
cucharas
f) Determinacin de 2 2c :
(Distancia entre cucharas en D)
Para el espesor del chorro de salida (0,12 0,15) dEch =
0,13(0.20563) = 0.02673m
Espesor de la cuchara a la salida
E = 0,1d = 0,1(0.20563)
E = 0.02056m.
Hallamos los ngulos (Del grfico)
g) Clculo de
Clculo de : (para )
Clculo de
Clculo de
Asumimos
Clculo de (potencia en el eje)
h) Velocidad de fuga
i) Boquilla de regulacin.
12. PROCEDIMIENTO DE ARMADO
AGUJEROS ALREDEDOR DE LA RUEDA IMPLEMENTADO LAS CUCHARAS
SOPORTE DE EJE ARMADO DE EJE
IMPLEMENTADO LA TURBINA IMPLEMENTADO LA PORTECCION DE AGUA
ARMADO DE INYECTOR IMPLEMENTADO INYECTOR Y TURBINA
13. CONCLUSIONES
En este trabajo se ha elaborado una herramienta que soporta el
diseo y clculo de turbinas Pelton . Logramos obtener energa
fabricando una turbina pelton. Los materiales reciclables son una
importancia depende el uso. Las turbinas pelton son turbinas que
cuenta con alabes de doble cuchara y teniendo en cuenta que son de
mejor eficiencia respecto a los otros tipos de turbinas.
14. REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS.
14.1 (citar libros, textos, artculos, pginas web, blog spot,
etc.)LIBROS:
CAICEDO C., Jorge A. Diseo de elementos de mquinas: teora y
prctica. Tomo III, primera edicin, 1916 pginas, Universidad del
Valle, Santiago de Cali 1985. CAON S., Guillermo et al. Mechanical
Desktop Power Pack, primera edicin, 193 pginas, Los autores,
Medelln, 2000. ZUCCHI G."Turbomquinas", Edit. CITEC 1996 U.N.T.
Trujillo -Per
MANUALES:
ECUADOR. Organizacin latinoamericana de energa (OLADE). Apuntes
para un manual tcnico de diseo, estandarizacin y fabricacin de
equipos para pequeas centrales hidroelctricas. Turbinas Pelton,
primera edicin, 70 pginas, OLADE, Quito, 1994. ITDG "Manual de la
Mini y Micro centrales 1996 Hidrulicas: Una gua para el desarrollo
de proyectos." Lima SKAT "Micro Pelton Turbines", Harnessing water
1991Power on a small scale, Volumen 9.
15. PAGINAS WEB Y BLOGSPOT:
http://gesmant.blogspot.com/2007/11/aspectos-cadena-de-falla.html
http://www.asing.es/p3.htm http://www.turbinas3hc.com/Pagina2.html
http://www.isagen.com.co
http://www.redproteger.com.ar/Legal/decreto_351_79.htm
http://www.irchile.com/spgener/annual/1997/acro/10.pdfINGENIERIA
MECANICA ELECTRICAPgina 4
