UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

Universidad Nacional De Trujillo FACULTAD DE INGENIERA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERA MECNICA

DISEO FLUIDODINMICO DE UNA TURBINA HIDRALICA TIPO PELTON

CURSO: TURBOMQUINASDOCENTE: Mg. Ing. JULCA VERSTEGUI, Luis AlbertoALUMNOS: ABANTO CRUZ, Nelson Dawnmer ALTAMIRANO ESPINOZA, Mario Alejandro CABANILLAS LEZAMA, Rayder Franklin FLORES SILVA, Anbal MALASQUEZ LEN, Alex Xavier

ORIBE CASTILLO, Christian Alexander RUZ RODRGUEZ, Percy Ivn SEGURA CENAS, Albert EugenioTRUJILLO PER 2013

RESUMEN

La idea de transformar la energa hidrulica en energa mecnica es muy antigua las primeras mquinas 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 ms 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 axial simtrica 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 Paltn 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 est dirigido especialmente al control de calidad que se debe de efectuar durante los diferentes procesos de fabricacin.

NDICEPg.I. INTRODUCCIN.. 4

II. FUNDAMENTO Y JUSTIFICACIN TERICA2.1. Algoritmo de diseo de Turbinas Pelton.... 52.2. Consideraciones adicionales al diseo................ 9

III. INVESTIGACIN Y RECOPILACIN DE INFORMACIN3.1. Metodologa de diseo de inyectores...... 133.2. Prestaciones complementarias al diseo... 163.3. Regulacin de T.H. tipo Pelton.. 163.4. Planos y esquemas... 173.5. Anlisis de factibilidad econmica... 19

IV. PROCEDIMIENTO DE CLCULO Y DISEO4.1. Datos de terreno..... 204.2. Parmetros asumidos... 204.3. Presentacin de resultados..... 204.4. Dibujos que permiten el diseo.. 264.5. Plano de rueda y modelo 3D 284.6. Plano de cuchara y modelo 3D... 304.7. Planos de conjunto y ensamble 3D... 32

V. CONCLUSIONES. 56VI. SUGERENCIAS O RECOMENDACIONES..... 63VII. ANEXOS. 69VIII. BIBLIOGRAFIA. 69

I. INTRODUCCIN

La turbina Pelton debe su nombre a Lester Allan Pelton (1829-1908) quien buscando oro en California, concibi la idea de una rueda con cucharas perifricas que aprovechara la energa cintica de un chorro de agua, proveniente de una tubera de presin, incidiendo tangencialmente sobre la misma. Ensay diversas formas de labes hasta alcanzar una patente de la rueda en 1880, desde cuya fecha ha tenido gran desarrollo y aplicacin.

Son conocidas tambin como turbinas tangenciales, de impulsin y es la turbina hidrulica apropiada para aprovechar grandes saltos de agua y caudales relativamente pequeos.

La Turbina Pelton, por la sencillez de su construccin y por razones de tipo hidrodinmico es la que tiene la mxima eficiencia entre todos los motores hidrulicos.Otra de sus cualidades es que permite el acoplamiento directo con los generadores elctricos de alta velocidad, ya que puede proyectarse para elevadas velocidades tangenciales del rodete.

La direccin del chorro no es realmente axial ni radial sino que es casi tangencial y de aqu el nombre de ruedas tangenciales.

La admisin del agua tiene lugar por una o ms toberas o boquillas que lanzan el agua a la rueda con cucharas que giran por este efecto de impacto de chorro.

El elemento constructivo ms importante de las turbinas Pelton es la paleta en forma de doble cuchara, en cierto modo, esta es como una doble paleta de una turbina de accin, el cual recibe el chorro exactamente en la arista media, en donde se divide en dos, circulando por la cavidad de la paleta en un arco de aproximadamente 180, contrarrestando mutuamente los empujes axiales por cambio de direccin de los dos semi chorros.

El recorte dado a las paletas tiene por objeto permitir la colocacin de las boquillas muy prximas a las primeras de tal forma que el chorro alcance a las paletas en la direccin ms conveniente.

La variacin de la cantidad de agua (caudal) para la regulacin de la potencia se consigue actualmente y casi sin excepcin por medio de una aguja o punzn de forma especial, con cuyo accionamiento se puede estrangular la seccin de la boquilla.En instalaciones ms complicadas que las que nosotros vamos a ensayar se dispone adems de un deflector o desviador de chorro , y que consiste en una superficie metlica que se introduce en medio del chorro y lo divide , desviando una parte del agua, haciendo que esta salga de la turbina sin producir efecto tilII. FUNDAMENTO Y JUSTIFICACIN TERICA

2.1. ALGORITMO DE DISEO DE TURBINAS PELTON

2.1.1. RENDIMIENTO MECANICO: ()

2.1.2. RENDIMIENTO DEL GENERADOR ELECTRICO: ()

2.1.3. POTENCIA IDEAL: ()

2.1.4. NUMERO ESPECIFICO IDEAL:

2.1.5. NUMERO DE CHORRO: (Z)

Despejando (Z):

Luego se determina la friccin real para la turbina lo obtendremos despejando respecto al nmero de alabes (Z) encontrado con la relacin anterior

A

Donde coeficiente que se obtiene del tem 2.1.5

2.1.6. DIAMETRO DEL CHORRO: (d)

2.1.7. DIAMETRO DEL RODETE : (D)

Remplazando en (A)Se obtiene el valor numrico de D

2.1.8. DIAMETRO EXTERIOR :

2.1.9. DIAMETRO INTERNO :

2.1.10. LONGITUD DE ARCO ENTRE CUCHARA Y CUCHARA:

Se necesita que se proporcione el en radianes

ARCO

LONGITUD O SEGMENTO

ARCO

LONGITUD O SEGMENTO

Por lo tanto :

2.1.11. NUMERO DE CUCHARAS

Obteniendo

Recalculando

2.1.12. ANALISIS DE VELOCIDADES

2.1.13. ALTURA DE EULER: ()

2.1.14. RENDIMIENTO HIDRULICO: ()

2.1.15. POTENCIA TOTAL REAL: ()

2.1.16. POTENCIA REAL EN EL EJE:()

2.1.17. POTENCIA ELECTRICA REAL: ()

2.1.18. DIMENSIONES DE LA CUCHARA

2.1.18.1. DIAMETRO DE LA PUNTA

2.1.18.2. DIAMETRO EXTERIOR:

2.1.18.3. CALCULOS INTERNOS EN LA CUCHARA:

2.1.19. ANGULOS DE CORTE

CORTE 1:

CORTE 2:

CORTE 3:

CORTE 4:

2.2. CONSIDERACIONES PERTINENTES ADICIONALES AL DISEO

Debido a la necesidad de precisar un algoritmo de diseo completamente funcional de la turbina Pelton es que consideramos accesorios y algunos parmetros que acompaados con el algoritmo ayudaran a verificar su optima eficiencia por lo se expresa lo siguiente:

a) TABLERO DE CARGA

Es un tablero metlico que contiene una cantidad determinada de interruptores, generalmente empleados para la proteccin y desconexin de pequeas cargas elctricas y alumbrado. En el caso de que en el tablero se concentre exclusivamente interruptores para alumbrado, se conoce como "tablero de alumbrado" por ende nos sirve como sistema de proteccin a sobrecargas que pueda desarrollarse en la turbina mencionada

Tablero de carga

b) GENERADORES

El generador tiene como misin transformar en energa elctrica la energa mecnica suministrada por la turbina.En un principio se utilizaban generadores de corriente continua actualmente, salvo rarsimas excepciones solo se utilizan generadores trifsicos de corriente alterna. En funcin de la red se pueden seleccionar

Generador

c) GENERADORES SNCRONOS

Es un tipo de mquina elctrica rotativa capaz de transformar energa mecnica (en forma de rotacin) en energa elctrica.El generador sncrono est compuesto principalmente de una parte mvil o rotor y de una parte fija o estator.El rotor gira recibiendo un empuje externo desde (normalmente) una turbina. Este rotor tiene acoplada una fuente de "corriente continua" de excitacin independiente variable que genera un flujo constante, pero que al estar acoplado al rotor, crea un campo magntico giratorio (por el teorema de Ferraris) que genera un sistema trifsico de fuerzas electromotrices en los devanados estatricos.

d) ROTOR

Tambin conocido como inductor, pues es la parte que induce el voltaje en el estator. El ncleo del rotor es construido de lmina troquelada de acero al silicio, material de excelentes caractersticas magnticas, con la finalidad de evitar prdidas por histresis y corrientes parasitas.El yugo es una pieza continua con zapata polar, para as eliminar la dispersin del flujo por falsos contactos magnticos. En la zapata polar se hacen barrenos para alojar el devanado amortiguador en jaula de ardilla, diseado con el objeto de reducir armnicas en la forma de onda que entrega el generador.El rotor gira concntricamente con una velocidad sncrona de 3600 revoluciones por minuto, generando 110V a una frecuencia de 60Hz.

TIPOS CONSTRUCTIVOS

La principal diferencia entre los diferentes tipos de generadores sncronos, se encuentra en su sistema de alimentacin en continua para la fuente de excitacin situada en el rotor.

Excitacin Independiente: Excitatriz independiente de continua que alimenta el rotor a travs de un juego de anillos rozantes y escobillas.

Excitatriz principal y excitatriz piloto:La mquina principal de continua tiene como bobinado de campo otra mquina de excitacin independiente, accionada por el mismo eje. Electrnica de potencia: Directamente, desde la salida trifsica del generador, se rectifica la seal mediante un rectificador controlado, y desde el mismo se alimenta directamente en continua el rotor mediante un juego de contactores (anillos y escobillas).El arranque se efecta utilizando una fuente auxiliar (batera) hasta conseguir arrancar.Sin escobillas, o diodos giratorios: la fuente de continua es un rectificador no controlado situado en el mismo rotor (dentro del mismo) alimentado en alterna por un generador situado tambin en el mismo eje y cuyo bobinado de campo es excitado desde un rectificador controlado que rectifica la seal generada por el giro de unos imanes permanentes situados en el mismo rotor (que constituyen la excitatriz piloto de alterna).

e) GENERADORES ASNCRONOS:

Simples motores de induccin con rotor en jaula de ardilla, sin posibilidad de regulacin de tensin, que giran a una velocidad directamente relacionada con la frecuencia de la red a la que estn conectados. De esa red extraen su corriente de excitacin y de ella absorben la energa reactiva necesaria para su propia magnetizacin. Esta energa reactiva puede compensarse, si se estima conveniente mediante bancos de condensadores. No pueden generar corriente cuando estn desconectados de la red ya que son incapaces de suministrar su propia corriente de excitacin. Se emplean siempre que la potencia sea inferior a 500 kw.

Los alternadores sncronos son ms caros que los asncronos y se utilizan, para alimentar redes pequeas, en las que su potencia representa una proporcin sustancial de la carga del sistema, o en todo caso, cuando la potencia de la turbina supera los 5.000 Kw.Los asncronos se utilizan en grandes redes, en las que su potencia representa un porcentaje insignificante de la carga del sistema. Su rendimiento, en todo el campo de funcionamiento es de un dos a un cuatro por ciento inferiores al de los alternadores sncronos.

f) FACTORES A TENER EN CUENTA EN UNA TURBINA

GOLPE DE ARIETE

Son ondas que se originan en el instante que se cierra la directriz de la turbina. El agua que circula se detiene y la energa cintica que trae se convierte en presin, como el resultado del aumento de presin, el lquido se comprime y las paredes del tubo se expanden, lo que permite que entre al tramo una cantidad adicional antes de que se detengan. Luego sucede lo mismo con el tramo inmediatamente ms arriba y el aumento de presin se prolonga hasta el reservorio en donde el proceso se detiene. Al no haber movimiento de agua esta comienza ahora a dilatarse y la tubera a contraerse. Este proceso es inverso que el anterior y comienza en el reservorio y termina en la vlvula.

CAVITACION

La cavitacin no constituye un fenmeno inevitable, sino un efecto que debe ser juzgado y valuado desde el punto de vista econmico. En el caso de las turbo mquinas hidrulicas la cavitacin es un factor determinante, marcando el lmite ms bajo para el tamao de la mquina y tambin el lmite ms alto para la velocidad del flujo medio (velocidad perifrica del rotor). Para una cierta altura y un caudal la turbo mquina con la ms alta velocidad especfica tendr menores dimensiones, menor peso y ms bajo costo sin embargo la cavitacin marca un lmite superior para la velocidad especfica que no debe ser excedido.La cavitacin se divide en el proceso de formacin de burbujas y en el de implosin de las mismas. Cabe aclarar que para este estudio que se realiz a la turbina Pelton no se tuvo en cuenta este fenmeno.

III. INVESTIGACIN Y RECOPILACIN DE INFORMACIN

3.1. METODOLOGA DE DISEO DE LOS INYECTORES TIPO PELTON

El inyector es una tobera diseada para reducir hasta los valores deseados del 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 mismas. 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 perdidas. Si el caudal se hace cero la perdida de carga desaparece.

El inyector lleva en su interior una aguja de regulacin, que se desplaza entre dos posiciones lmite de caudales nulo y mximo. Mandada por un servomotor, mediante aceite a presin, esta aguja ocupa en cada momento la posicin correspondiente a la potencia exigida a la turbina.

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.

El inyector est compuesto por un tramo recto de tubo circular en el cual se asientan tres bridas, dos bridas de igual dimensin en los extremos, en las cuales se acoplarn la boquilla y el codo de seccin variable del inyector y la brida intermedia nos permite garantizar un correcto alineamiento del inyector con el rodete con la estructura base de la turbina.

El rendimiento del inyector depende de la velocidad del chorro de agua a la salida de 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.

La metodologa usada en el desarrollo del presente proyecto para el diseo del inyector de la turbina Pelton, es la mostrada a continuacin:

i: nmero de inyectores

3.1.1. NMERO ESPECFICO IDEAL POR CADA INYECTOR: ()

3.1.2. CLCULO DEL DIMETRO: ()

3.1.3. ALTURA: ()

3.1.4. DISTANCIA ()

3.1.5. DISTANCIA ()

3.1.6. DIMTERO ()

3.1.7. DIMENSIONES L, G, F, H, I, B, C, D, E

3.1.8. VELOCIDAD DE ENTRADA A LOS INYECTORES

3.1.9. REA DE ENTRADA A LOS INYECTORES

3.1.9. AGUJA

3.2. REGULACIN DE TURBINAS HIDRALICAS TIPO PELTON

Control del Flujo Hdrico

Este tipo de control se logra mediante la operacin de vlvulas o compuertas del sistema y/o de los dispositivos de regulacin de flujo con los que podra contar la mquina hidrulica seleccionada.

Regulacin Manual del Flujo

Esta opcin requiere que un operario ajuste constantemente la vlvula de compuerta de acuerdo a los cambios de voltaje y frecuencia en el generador. Este tipo de control puede ser utilizado cuando se cuenta con un generador de induccin, ya que en este caso no existe peligro por sobrecargas.

Cuando se utiliza la vlvula de compuerta ubicada en la tubera forzada como un dispositivo de regulacin, esta no solo reduce el flujo hacia la turbina, sino que tambin disipa la energa hidrulica contenida en dicho flujo, lo cual provoca que este tipo de control sea muy poco eficiente. La eficiencia cae bruscamente y el rango de caudales a los que puede acomodarse el sistema con esta vlvula de control como dispositivo de regulacin es muy limitado. Por lo tanto, en el presente estudio se aconseja utilizar una vlvula de compuerta ubicada en la tubera forzada solamente para accionar y parar la mquina hidrulica, y no como regulacin de flujo.

Regulacin Mecnica del Flujo

Si se decide utilizar una bomba como turbina, este tipo de regulacin no resulta apropiada ya que, a diferencia de las turbinas convencionales, estas no cuentan con un dispositivo para controlar el flujo a travs del impulsor, como son las vlvulas de aguja en el caso de utilizar una turbina Pelton. Debido a esto, el control de velocidad debe tomar lugar o en el sistema hidrulico (vlvula de la tubera forzada

3.3. PLANOS Y ESQUEMAS DE TURBINAS Y COMPONENTES DISEADOS

Plano isomtrico corte inyector

Plano cuchara Pelton

Plano rodete

Corte longitudinal rodete

Perfil transversal de la cuchara3.4. ANLISIS DE FACTIBILIDAD ECONMICA DE FABRICACIN Y OTROS

El estudio econmico tiene como finalidad evaluar la viabilidad de un proyecto, considerando, si las hubiera, las diferentes posibilidades planteadas para averiguar cul de ellas resulta ms rentable.

Un proyecto de una central mini hidroelctrica requiere la realizacin de pagos a lo largo de su periodo de vida, estimado en veinticinco o treinta aos tpicamente. Entre los pagos se encuentra la inversin inicial, que difiere en el tiempo gracias a la financiacin externa, unas cantidades anuales fijas (seguros e impuestos que gravan los ingresos) y unas cantidades anuales variables (gastos de operacin y mantenimiento).

Los ingresos de una central mini hidroelctrica proceden de la venta de energa generada.

A diferencia de las centrales trmicas, las hidroelctricas requieren en general una inversin mayor. Por el contrario, los costes de explotacin son menores, principalmente debido a que no requiere combustible para su funcionamiento.

IV. PROCEDIMIENTO DE CLCULO Y DISEO

4.1. DATOS DE TERRENOn (rpm)720

Q (m^3/s)15

H (m)900

0.97

kp0.44

0.89

S0.83

o0.93

t0.86

4.2. PARMETROS ASUMIDOS DENTRO DEL RANGO PERTINENTEge0.98

d/D1/9

27

4.3. PRESENTACIN DE RESULTADOS DE DISEOPotencia Ideal (Ni[CV]/[kW])

179987.7634/132291

nsi (nmero especfico ideal

61.9656272

z (nmero de chorros)

5.80451868 entonces se escoge 6

d/D real para Turbina

0.109286111

Dimetro del chorro (d) [m]

0.157146176

Dimetro del rodete (D) [m]

1.437933648

Dimetro exterior (D exterior) [m]

1.752226001

Dimetro (D interior) [m]

1.123641295

(grados sexagesimales)

48.90181333

Arco AB'

0.74776039

Longitud o segmento AB'

0.72526982

Arco BB'

0.400896091

Arco AB

0.346864298

S

0.287897367

Numero de cucharas

19.1206344918.7712172

Nmero de cucharas adoptado

19

Recalculando S

0.289725281

ANALISIS DE VELOCIDADES

Vi (m/s)

132.8563134

V1 (m/s)

128.870624

U (m/s)

58.45677788

He (m)

790.561744

h

0.878401937

totalreal

0.816913802 (porcentaje de erros con el inicial 4%) aceptable

Potencia real en el eje kW

108143.866

Potencia elctrica real kW

106266.488

DIMENSIONAMIENTO DE INYECTOR Y CARCASA (unidades en metros)

Nmero de inyectores

6

nsi (por inyector)

25.29736137

Dimetro (D2)

1.570494615

Hs

2.4122361

H1

0.66160271

H2

0.417799212

D3

2.15876083

L

5.227047309

G

1.007694072

F

4.80120359

H

3.30147527

I

3.214007505

B

4.222570833

C

3.91639217

D

3.43993312

E

4.08893312

ANLISIS DE LA VELOCIDAD DE ENTRADA A LOS INYECTORES

V (m/s)

323.02

rea de entrada a inyector (m^2)

0.031353556

DIMENSIONAMIENTO DE LA CUCHARA

Dp

1.80460806

DE

1.96175424

CALCULOS INTERNOS DE LA CUCHARA

lambda100.5

B0.47143853

b0.55001162

L0.40072275

T0.11785963

S0.1807181

m10.02985777

m0.15714618

2*alfa12.5

4.4. DIBUJOS NECESARIOS QUE PERMITEN EL DISEO

4.5. PLANO DE LA RUEDA Y MODELO 3D

4.6. PLANO DE LA CUCHARA Y MODELO 3D

4.7. PLANOS DE CONJUNTO Y ENSAMBLE 3D

V. CONCLUSIONES

VI. SUGERENCIAS O RECOMENDACIONES

VII. ANEXOS

VIII. BIBLIOGRAFA

TURBOMQUINAS21