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
-
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.
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
Figura 14. Deflector
EQUIPO REGULADOR DE VELOCIDAD
Figura 15. Equipo regulador de velocidad
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
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
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.
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
|
11/2
|
0,0000265
|
6,0
|
1,0
|
42
|
48263,32
|
2
|
0,0000344
|
6,0
|
0,5
|
162
|
44815,94
|
21/2
|
0,0000411
|
6,0
|
0,5
|
330
|
41368,56
|
3
|
0,0000477
|
6,0
|
0,5
|
360
|
41368,56
|
31/2
|
0,0000535
|
6,0
|
0,5
|
380
|
39989,61
|
4
|
0,0000585
|
6,0
|
0,5
|
440
|
39989,61
|
41/2
|
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
|
11/2
|
0,0000265
|
7,0
|
3,0
|
1,5
|
48263,32
|
2
|
0,0000344
|
7,5
|
2,0
|
30
|
44815,94
|
21/2
|
0,0000411
|
8,5
|
2,0
|
60
|
41368,56
|
3
|
0,0000477
|
8,5
|
2,0
|
138
|
41368,56
|
31/2
|
0,0000535
|
8,5
|
2,0
|
240
|
41368,56
|
4
|
0,0000585
|
8,5
|
2,0
|
336
|
37921,18
|
41/2
|
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
|
11/2
|
0,0000265
|
10
|
4,5
|
0
|
48263,32
|
2
|
0,0000344
|
10
|
4,5
|
0
|
44815,94
|
21/2
|
0,0000411
|
10,5
|
4
|
12
|
41368,56
|
3
|
0,0000477
|
11
|
4
|
24
|
41368,56
|
31/2
|
0,0000535
|
11
|
4
|
48
|
41368,56
|
4
|
0,0000585
|
11
|
4
|
60
|
37921,18
|
41/2
|
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
|
11/2
|
0,125
|
0,550
|
4,920
|
0,00009
|
3,381
|
2
|
0,138
|
2,333
|
4,568
|
0,00035
|
10,047
|
21/2
|
0,138
|
4,752
|
4,217
|
0,00070
|
17,129
|
3
|
0,138
|
5,184
|
4,217
|
0,00077
|
16,101
|
31/2
|
0,138
|
5,472
|
4,076
|
0,00081
|
15,153
|
4
|
0,138
|
6,336
|
4,076
|
0,00094
|
16,046
|
41/2
|
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
|
11/2
|
0,100
|
0,016
|
4,920
|
0,000003
|
0,121
|
2
|
0,138
|
0,432
|
4,568
|
0,000064
|
1,860
|
21/2
|
0,163
|
1,021
|
4,217
|
0,000128
|
3,114
|
3
|
0,163
|
2,348
|
4,217
|
0,000294
|
6,172
|
31/2
|
0,163
|
4,084
|
4,217
|
0,000512
|
9,570
|
4
|
0,163
|
5,718
|
3,866
|
0,000717
|
12,253
|
41/2
|
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
|
11/2
|
0,138
|
0
|
4,920
|
0
|
0
|
2
|
0,138
|
0
|
4,568
|
0
|
0
|
21/2
|
0,163
|
0,204
|
4,217
|
0,000026
|
0,623
|
3
|
0,175
|
0,440
|
4,217
|
0,000051
|
1,073
|
31/2
|
0,175
|
0,880
|
4,217
|
0,000102
|
1,914
|
4
|
0,175
|
1,100
|
3,866
|
0,000128
|
2,188
|
41/2
|
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) Rb
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
|
|
Velocidad
|
V
|
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 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
