TURBINA PELTON

1. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA TURBINA PELTON

Figura 1. Turbina Pelton

HISTORIA

La turbina Pelton debe su nombre a Lester Allan Pelton (1829-1908), quien buscando oro en California, concibió la idea de una rueda con cucharas periféricas que aprovechara la energía cinética de un chorro de agua proveniente de una tubería a presión, incidiendo tangencialmente sobre la misma. Ensayó diversas formas de álabes hasta alcanzar una patente de la rueda en 1880, desde cuya fecha ha tenido gran desarrollo y aplicación.

Figura 2. Lester Allan Pelton

El primer mecanismo utilizado fueron las ruedas de agua, similares al molino de cereal convencional, y después las máquinas de vapor, pero los inconvenientes que presentaban ambos métodos llevó a la introducción de turbinas, consistentes en unas ruedas hidráulicas con álabes o paletas sobre las que incidía un chorro de agua lanzado a gran velocidad.

Figura 3. Historia de la Turbina Pelton

Observando el funcionamiento de una de estas turbinas, Pelton dio por casualidad con un método que hacía mucho más eficaz el mecanismo de la turbina: si el chorro, en vez de golpear en el centro de las paletas, lo hacía en su borde, el flujo de agua salía de nuevo en dirección inversa y hacía que la turbina adquiriese mayor velocidad.

Entre las turbinas Pelton más grandes instaladas hasta el momento se encuentran las de Mont-Cenis (Alpes franceses) de 272 000 HP cada una, bajo 870 m de carga.

Figura 4. Rueda Pelton de Mont-Cenis

DEFINICIÓN

- Las turbinas Pelton, conocidas también como turbinas de presión por ser ésta constante en la zona del rotor, de chorro libre, de impulsión, de admisión parcial por atacar el agua sólo una parte de la periferia del rotor.

- Asimismo entran en el grupo de las denominadas turbinas tangenciales y turbinas de acción.

- Es utilizada en saltos de gran altura (alrededor de 200 m y mayores), y caudales relativamente pequeños (hasta 10 m³/s aproximadamente).

- Son de buen rendimiento para amplios márgenes de variación del caudal (entre 30 % y 100 % del caudal máximo).

- Pueden ser instaladas con el eje en posición vertical u horizontal, siendo esta última disposición la más adecuada.

Figura 5. Turbina Pelton eje horizontal y vertical

COMPONENTES DE UNA TURBINA PELTON

Los componentes esenciales de una turbina Pelton, son:

- El distribuidor

- El rodete

- La carcasa

- La cámara de descarga

- El sistema de frenado

- El eje de la turbina

Figura 6. Componentes de una turbina de eje horizontal, con dos equipos de inyección

DISTRIBUIDOR

Está constituido por uno o varios equipos de inyección de agua, cada uno formado por varios elementos mecánicos.

Figura 7. Distribuidor

Tiene como misiones:

• Dirigir un chorro de agua (cilíndrico y de sección uniforme) hacia el rodete

• Regular el caudal que ha de fluir hacia dicho rodete, llegando a cortarlo totalmente cuando proceda

• Para paradas rápidas debe contar con una pantalla deflectora que desvíe el chorro a la salida

El número de equipos de inyección, colocados circunferencialmente alrededor de un rodete, depende de la potencia y características del grupo, según las condiciones del salto de agua.

En turbinas Pelton con eje vertical pueden ser hasta seis los equipos que proyectan chorros de agua sobre un mismo rodete, derivando todos y cada uno de ellos de la tubería forzada.

Figura 8. Turbina Pelton de 6 inyectores

En turbinas Pelton con eje horizontal los inyectores instalados son normalmente uno o dos.

Figura 9. Turbina Pelton de 2 inyectores

PARTES CONSTITUTIVAS DEL DISTRIBUIDOR

El distribuidor está formado por los siguientes elementos:

Cámara de distribución
Inyector

CÁMARA DE DISTRIBUCIÓN

Consiste en la prolongación de la tubería forzada, acoplada a ésta mediante brida de unión, posteriormente a la situación de la válvula de entrada a turbina, según la trayectoria normal del agua.

Tiene como misión fundamental conducir el caudal de agua. Igualmente, sirve de soporte a los demás mecanismos que integran el distribuidor

Figura 10. Cámara de distribución

INYECTOR

Es el elemento mecánico destinado a dirigir y regular el chorro de agua. Transforma la energía de presión en cinética (la velocidad del agua puede ser superior a 150 m/s). Está compuesto por:

· Tobera

· Aguja

· Deflector

· Equipo regulador de velocidad

Figura 11. Partes Inyector

TOBERA

Constituye una boquilla, con orificio de sección circular de un diámetro entre 5 y 30cm., instalada al final de la cámara de distribución. Dirige el chorro de agua, tangencialmente hacia la periferia del rotor, de tal modo que la prolongación de la tobera forma un ángulo de 90º con los radios de rotor.

Figura 12. Tobera

AGUJA

Es un vástago de acero muy duro situado concéntricamente en el interior del cuerpo de la tobera, guiado mediante cojinetes sobre los cuales tiene movimiento de desplazamiento longitudinal en dos sentidos.

Figura 13. Aguja en forma de punta de lanza

DEFLECTOR

Es un dispositivo mecánico que, a modo de pala o pantalla, puede ser intercalado con mayor o menor incidencia en la trayectoria del chorro de agua, entre la tobera y el rodete. Sirve para evitar el embalamiento y el golpe de ariete (cierres bruscos)

Figura 14. Deflector

EQUIPO REGULADOR DE VELOCIDAD

Conjunto de dispositivos electro-mecánicos, (servomecanismos, palancas, bielas, …) diseñados para mantener constante la velocidad del grupo, a fin de que la frecuencia de la corriente generada tenga, en todas las circunstancias de carga, 50 Hz

Figura 15. Equipo regulador de velocidad

RODETE

Figura 16. Rodete

Es la pieza clave donde se transforma la componente cinética de la energía del líquido en energía mecánica o, dicho de otra manera, en trabajo según la forma de movimiento de rotación.

Está compuesto por:

• Rueda motriz

• Alabes [también llamados cucharas, cazoletas o cangilones]

RUEDA MOTRIZ

Está unida rígidamente al eje por medio de chavetas y anclajes adecuados. Su periferia está mecanizada apropiadamente para ser soporte de los cangilones.

Figura 17. Rueda motriz

ALABES

Pueden ser piezas independientes o constituir una pieza única, están diseñados para recibir el empuje directo del chorro de agua. Su forma es similar a la de una doble cuchara, con una arista interior afilada y situada centralmente en dirección perpendicular hacia el eje (divide al álabe en dos partes simétricas de gran concavidad). Esto permite compensar los empujes axiales.

Cada álabe lleva en su extremo periférico una escotadura centrada en forma de W. Con ello se consigue que las cazoletas no reciban el chorro de agua hasta que su arista se encuentre en la posición perpendicular respecto al eje del chorro, aprovechando al máximo el caudal y el impulso que éste le proporciona al acompañarle durante un corto trayecto.

Figura 18. Alabes

CARCASA

Es la envoltura metálica que cubre los inyectores, el rotor y los otros elementos mecánicos de la turbina. Su principal objetivo es evitar que el agua salpique al exterior cuando, luego de abandonar los cangilones.

Figura 19. Carcasa

CÁMARA DE DESCARGA

La cámara de descarga, también conocida como como tubería de descarga, es la zona por donde cae el agua libremente hacia el desagüe, después de haber movido el rotor. Para evitar deterioros por la acción de los chorros de agua, y especialmente de los originados por la intervención del deflector, la cámara de descarga suele disponer de un colchón de agua de 2 a 3 m de espesor y blindajes o placas situadas adecuadamente. En la siguiente figura podemos apreciar la cámara de descarga de una turbina Pelton:

Figura 20. Conjunto de una Turbina Pelton

SISTEMA DE FRENADO

Además de intercalar totalmente el deflector, se puede disponer de un circuito derivado de la cámara de distribución que permite proyectar agua uno o varios contrachorros incidente sobre la zona convexa de los álabes, favoreciendo el rápido frenado del rodete.

Figura 21. Sistema de frenado

EJE DE LA TURBINA

Rígidamente unido al rodete y situado adecuadamente sobre cojinetes debidamente lubricados, transmite el movimiento de rotación al eje del alternador. En el mismo eje pueden estar unidas varias turbinas y un generador.

Figura 22. Eje de la turbina

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTOS DE UNA TURBINA PELTON

Ø La arista del cangilón corta al chorro de agua, seccionándolo en dos láminas de fluido, simétricas y teóricamente del mismo caudal.

Ø Estos chorros de agua incide tangencialmente sobre el rodete, empujando a los cangilones que lo forman, obteniéndose el trabajo mecánico deseado.

Ø Las formas cóncavas de los cangilones hacen cambiar la dirección del chorro de agua, saliendo éste, ya sin energía apreciable, por los bordes laterales, sin ninguna incidencia posterior sobre los cangilones sucesivos.

Ø De este modo, el chorro de agua transmite su energía cinética al rotor, donde queda transformada instantáneamente en energía mecánica.

Ø La aguja, gobernada por el regulador de velocidad, cierra más o menos el orificio de salida de la tobera, consiguiendo modificar el caudal de agua que fluye por ésta, a fin de mantener constante la velocidad del rotor, evitándose embalamiento o reducción del número de revoluciones.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS

A continuación se muestra algunas ventajas y desventajas del funcionamiento de una rueda Pelton.

VENTAJAS

DESVENTAJAS

· Más robustas.

· Menos peligro de erosión de los alabes.

· Reparaciones más sencillas.

· Regulación de presión y velocidad más fácil.

· Mejores rendimientos a cargas parciales.

· Infraestructura más sencilla.

· Gira con alta velocidad, entonces se puede conectar el generador en forma directa, sin pérdidas de transmisión mecánica.

· Altura mínima para su funcionamiento: 20 metros.

· Costo de instalación inicial.

· El impacto ambiental es grande en caso de grandes centrales hidroeléctricas.

· Requiere de múltiples inyectores para grandes caudales.

Tabla 1. Ventajas y desventajas Turbina Pelton

2. DESCRIPCIÓN PRÁCTICA DE LABORATORIO

Materiales

Para el desarrollo de la práctica de laboratorio Rueda Pelton se emplearon diferentes elementos y equipos como:

- Banco Hidráulico

- Turbina Pelton

- Manómetro

- Dinamómetros

- Válvula de reguladora de caudal

- Cronometro

Procedimiento

El docente realizo una instrucción del correcto uso y procedimiento a seguir en la Rueda Pelton, indicándonos los elementos de medición, materiales y montaje a emplear, como lo muestra la siguiente figura:

Figura 23. Montaje experimental Turbina Pelton

La práctica se inició suministrando el fluido a la rueda Pelton, donde se observó que el chorro de agua se encontrara en la posición correcta para la colisión del mismo al interior de las cucharas de la turbina Pelton. De este modo se empleó una válvula para regular el caudal de entrada en la turbina y se procedió a la toma de datos.

En un principio se estableció una fuerza inicial en los dinamómetros, seguidamente se definió el número de vueltas a ejecutar en la tobera, para ello se marcó con una línea la válvula regladora de caudal como se muestra en la siguiente figura:

Figura 24. Válvula reguladora de caudal y manómetro

Se fijó tomar la presión por cada incremento de media vuelta (1/2) en la tobera, asimismo se registraron las distintas fuerzas arrojadas por las dinamómetros.

Figura 25. Medición de fuerzas y presiones - Turbina Pelton

Finalmente se evaluó el número de vueltas generado en el eje de la turbina Pelton, nuevamente se realiza una línea de referencia sobre el equipo para facilitar su conteo.

Figura 26. Medición de velocidad angular - Turbina Pelton

Referencias del Equipo

A Continuación se encuentra enlazada la ficha técnica del cada uno de los equipos empleados en el montaje experimental de la Turbina Pelton.

- Banco Hidráulico

- Turbina Pelton H19 (incluye Manómetro,Dinamómetros, Válvula de reguladora de caudal)

- Cronometro

3. DATOS OBTENIDOS DE LA PRÁCTICA

Datos adquiridos:

Las siguientes tablas se presentan los datos experimentales obtenidos atreves del desarrollo de la práctica de la Turbina Pelton:

Fuerza = 3N
Nº Vueltas Tobera	Area (m²)	F₁ (N)	F₂ (N)	N (rpm)	Presión (Pa)
1/2	0,0000094	4,5	2,0	0	51710,70
1	0,0000183	5,5	1,0	0	48263,32
1^1/2	0,0000265	6,0	1,0	42	48263,32
2	0,0000344	6,0	0,5	162	44815,94
2^1/2	0,0000411	6,0	0,5	330	41368,56
3	0,0000477	6,0	0,5	360	41368,56
3^1/2	0,0000535	6,0	0,5	380	39989,61
4	0,0000585	6,0	0,5	440	39989,61
4^1/2	0,0000633	6,0	0,5	440	37921,18

Tabla 2. Datos experimentales con una fuerza inicial de 3N

Fuerza = 5N
Nº Vueltas Tobera	Area (m²)	F₁ (N)	F₂ (N)	N (rpm)	Presión (Pa)
1/2	0,0000094	6,0	4,0	0	51710,70
1	0,0000183	7,0	3,5	0	48263,32
1^1/2	0,0000265	7,0	3,0	1,5	48263,32
2	0,0000344	7,5	2,0	30	44815,94
2^1/2	0,0000411	8,5	2,0	60	41368,56
3	0,0000477	8,5	2,0	138	41368,56
3^1/2	0,0000535	8,5	2,0	240	41368,56
4	0,0000585	8,5	2,0	336	37921,18
4^1/2	0,0000633	8,5	2,0	336	34473,80

Tabla 3. Datos experimentales con una fuerza inicial de 5N

Fuerza = 7N
Nº Vueltas Tobera	Area (m²)	F₁ (N)	F₂ (N)	N (rpm)	Presión (Pa)
1/2	0,0000094	8	6	0	51710,7
1	0,0000183	8,5	5,5	0	48263,32
1^1/2	0,0000265	10	4,5	0	48263,32
2	0,0000344	10	4,5	0	44815,94
2^1/2	0,0000411	10,5	4	12	41368,56
3	0,0000477	11	4	24	41368,56
3^1/2	0,0000535	11	4	48	41368,56
4	0,0000585	11	4	60	37921,18
4^1/2	0,0000633	11	4	90	37921,18

Tabla 4. Datos experimentales con una fuerza inicial de 7N

Datos calculados:

Una vez obtenidos los datos experimentales se procede a efectuar diferentes cálculos de: caudales, torques, alturas, velocidades, entre otras variables. A continuación se muestran los resultados:

Fuerza = 3N
Nº Vueltas Tobera	Torque (N.m)	Potencia (W)	Altura (m)	Q (m³/seg)	V (m/seg)
1/2	0,063	0	5,271	0	0
1	0,113	0	4,920	0	0
1^1/2	0,125	0,550	4,920	0,00009	3,381
2	0,138	2,333	4,568	0,00035	10,047
2^1/2	0,138	4,752	4,217	0,00070	17,129
3	0,138	5,184	4,217	0,00077	16,101
3^1/2	0,138	5,472	4,076	0,00081	15,153
4	0,138	6,336	4,076	0,00094	16,046
4^1/2	0,138	6,336	3,866	0,00094	14,829

Tabla 5. Datos calculados con una fuerza inicial de 3N

Fuerza = 5N
Nº Vueltas Tobera	Torque (N.m)	Potencia (W)	Altura (m)	Q (m³/seg)	V (m/seg)
1/2	0,050	0	5,271	0	0
1	0,088	0	4,920	0	0
1^1/2	0,100	0,016	4,920	0,000003	0,121
2	0,138	0,432	4,568	0,000064	1,860
2^1/2	0,163	1,021	4,217	0,000128	3,114
3	0,163	2,348	4,217	0,000294	6,172
3^1/2	0,163	4,084	4,217	0,000512	9,570
4	0,163	5,718	3,866	0,000717	12,253
4^1/2	0,163	5,718	3,514	0,000717	11,324

Tabla 6. Datos calculados con una fuerza inicial de 5N

Fuerza = 7N
Nº Vueltas Tobera	Torque (N.m)	Potencia (W)	Altura (m)	Q (m³/seg)	V (m/seg)
1/2	0,050	0	5,271	0	0
1	0,075	0	4,920	0	0
1^1/2	0,138	0	4,920	0	0
2	0,138	0	4,568	0	0
2^1/2	0,163	0,204	4,217	0,000026	0,623
3	0,175	0,440	4,217	0,000051	1,073
3^1/2	0,175	0,880	4,217	0,000102	1,914
4	0,175	1,100	3,866	0,000128	2,188
4^1/2	0,175	1,649	3,866	0,000192	3,033

Tabla 7. Datos calculados con una fuerza inicial de 7N

Ecuaciones empleadas en el desarrollo de los cálculos:

T = (F₁- F₂) R_b

Pot = 2 π N T / 60

H = P / ρ g

Q = V N

V= Q / A

En la siguiente tabla podemos contemplar las siglas y abreviaciones que se emplean en las ecuaciones, la recolección de datos tanto obtenidos como calculados y generalidades del blog.

Definición	Sigla / Abreviatura
Fuerza 1	F₁
Fuerza 2	F₂
Numero de vueltas - Turbina Pelton	N
Presión	P
Torque	T
Potencia	Pot
Radio	Rb
Altura	H
Área	A
Gravedad	g
Densidad	ρ
Caudal	Q
Volumen	V
Velocidad	V

Tabla 8. Siglas y abreviaturas

4. ANÁLISIS DE DATOS

A continuación se muestran distintas las gráficas correspondientes a los resultados tanto obtenidos como calculados de las diferentes fuerzas iniciales asignadas en la Rueda Pelton, todo esto con el fin de describir el comportamiento de la potencia en función de diversas variables.

Graficas de Potencia vs. Velocidad

Figura 27. Potencia vs. Velocidad - Fuerza inicial 3N

Figura 28. Potencia vs. Velocidad - Fuerza inicial 5N

Figura 29. Potencia vs. Velocidad - Fuerza inicial 7N

Al observar las anteriores gráficas, podemos definir que la velocidad se comporta de forma lineal ascendente respecto a la potencia. En el caso de la Figura 27. Esta tendencia se genera hasta el punto de 4,75 W, una vez que se sobrepasa este punto se contempla un descontrol en sus coordenadas.

Graficas de Altura vs. Potencia

Figura 30. Altura vs. Potencia - Fuerza inicial 3N

Figura 31. Altura vs. Potencia - Fuerza inicial 5N

Figura 32. Altura vs. Potencia - Fuerza inicial 7N

Al analizar las figuras anteriores podemos observar que la potencia se comporta de manera descendente lineal respecto a la altura, dada la indicación por la línea de tendencia.

Graficas de Torque vs. Potencia

Figura 33. Torque vs. Potencia - Fuerza inicial 3N

Figura 34. Torque vs. Potencia - Fuerza inicial 5N

Figura 35. Torque vs. Potencia - Fuerza inicial 7N

Al examinar las anteriores graficas podemos determinar que la potencia se comporta de una manera logarítmica crecente respecto al torque. Asimismo a medida que se incrementa los valores de potencia, el torque tiende a permanecer constante.

Graficas de Velocidad vs. Torque

Figura 36. Velocidad vs. Torque - Fuerza inicial 3N

Figura 37. Velocidad vs. Torque - Fuerza inicial 5N

Figura 38. Velocidad vs. Torque - Fuerza inicial 7N

Por ultimo al observar las Figuras 36, 37 y 38, podemos definir que todas las gráficas de Velocidad vs. Torque tienen un comportamiento exponencial creciente, hasta un punto donde el torque se vuelve constante respecto al incremento de velocidad.

5. CONCLUSIONES

ü Al analizar las gráficas obtenidas de nuestro laboratorio Turbina Pelton, podemos inferir que aunque se realizó el experimento con distintas cargas iniciales, los comportamientos de todas las variables evaluadas son las mismas. Donde en un comienzo se examinó el comportamiento de la Potencia vs. Velocidad, representado por un forma lineal ascendente, dicho resultado nos comprueba la veracidad de las formulas teóricas trabajadas en clase, pues este corresponde a que la potencia y la velocidad son directamente proporcionales, tal como se observa en los resultados, a cada incremento de potencia se incrementa la velocidad. Sin embargo el comportamiento de Altura vs. Velocidad es de forma lineal decreciente, siendo esta conducta incongruente con la teoría, pues se conoce que la potencia es directamente proporcional a la altura, por esta razón podemos afirmar que este error probablemente ocurrió a factores de medición, tomando en cuenta que los valores de caudal también afectan estos resultados. Para terminar, al estudiar el comportamiento del torque tanto en la potencia como la velocidad, observamos que este alcanza una estabilidad a medida que se incrementa, lo cual es concordarte con la teoría, pues siendo una fuerza rotacional debe conseguir una intensidad de fuerza constante, ya que de no ser así ocasionaría fallas en el equipo, conociendo que las condiciones de diseño están limitas por la capacidad de dicha fuerza para producir un giro o rotación alrededor de un punto, en nuestro caso será el eje trasmisión de la turbina.

ü Se sigue que para mantener constante la velocidad de la turbina, el caudal inyectado tiene que adaptarse en cada instante al valor de la carga, por lo que la posición del inyector se ajusta mediante un regulador que actúa según la velocidad de la turbina; donde en nuestro caso no se contaba con una válvula adecuada para regular la velocidad, recurriendo a otros tipos de métodos para contar las variables presentadas; pues al tener el instrumento apropiado se ajustaría la salida del agua al requerimiento de energía.

ü Conocimos que la Turbina Pelton aprovecha exclusivamente la energía cinética del fluido, pues no existe gradiente de presión entre la entrada y la salida del equipo. Donde la energía cinética del agua, en forma de chorro libre, se produce en una tobera situada al final de la tubería a presión. La tobera está provista de un cierre para regular el gasto, de este modo se constituye el conjunto u órgano de alimentación y regulación de la Turbina.

ü Finalmente es recomendable emplear dispositivos como: torquímetros, tacómetros, entre otros; para conseguir una mayor exactitud en nuestros datos, ya que se pudo observar algunas discrepancias en los comportamientos de nuestros resultados, posiblemente cometidos por error humano o de instrumentación.

WEBGRAFÍA

- http://personales.unican.es/renedoc/Trasparencias%20WEB/Trasp%20Sist%20Ener/03%20T%20HIDRAULICAS.pdf

- http://www.cec.uchile.cl/~jfiguero/histpelton.html

- http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/maquinashidraulicas/turbinas/turbinas.html

TURBINA PELTON

miércoles, 22 de octubre de 2014

miércoles, 10 de septiembre de 2014

BLOG DE TURBOMAQUINAS