Trabajo de Turbinas Pelton- Gamboa

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

FACULTAD DE INGENIERÍA

DOCENTE:

Ing. Luis Julca Verástegui

INTEGRANTES:

ARAUJO GUTIERREZ , EDGAR AVALOS DIAZ ,JUAN BENITES RAMOS , HUGO GAMBOA MONTALVO , ALBERTO VERGARA ASMAT , LUIS

CICLO:

VIII

TRUJILLO-2014

“PROYECTO DE DISEÑO FLUIDODINAMICO DE

UNA TURBINA HIDRAULICA TIPO

PELTON”

RESUMEN

La turbina hidráulica es una turbomáquina motora, y por tanto esencialmente es

una bomba rotodinámica que trabaja a la inversa. Así como una bomba absorbe

energía mecánica y restituye energía al fluido; una turbina absorbe energía del

fluido y restituye energía mecánica.

Una turbina Pelton es uno de los tipos más eficientes de turbina hidráulica, es una

turbomáquina motora de flujo trasversal, admisión parcial y acción, consiste de

una rueda o rotor dotada de cucharas en su periferia las cuales están

especialmente diseñadas para convertir la energía de un chorro de agua que

incide sobre las cucharas. Las turbinas Pelton están diseñadas para explotar

grandes saltos hidráulicos de bajo caudal.

En la turbina Pelton, la energía cinética del agua, en forma de chorro libre, se

genera en una tobera colocada al final de la tubería a presión. La tobera está

provista de una aguja de cierre para regular el gasto, constituyendo en conjunto,

el órgano de alimentación y de regulación de la turbina.

Tras conocer el sistema de funcionamiento y los parámetros de diseño de una

turbina Pelton se realizó el siguiente estudio, teniendo como objetivo diseñar una

turbina del tipo antes mencionado y por medio del Programa SolidWorks hacer

una simulación de su comportamiento.

El análisis de los resultados, nos proporcionó el comportamiento de la turbina

teniendo en cuenta distintos parámetros considerados.

INTRODUCCIÓN

Para nosotros, futuros ingenieros es muy importante determinar en qué forma

se está desempeñando una maquina hidráulica, si está en su mayor

eficiencia, para ello es necesario conocer las máquinas hidráulicas . Las

maquinas hidráulicas son capases de convertir energía hidráulica en energía

mecánica; pueden ser motrices (turbinas), o generatrices (bombas), las cuales

modifican la energía total del agua que las atraviesa. En el estudio de las

turbo máquinas hidráulicas no se tienen en cuenta efectos de tipo térmico.

Este trabajo es un estudio que se hizo a una turbina Pelton, con el fin de

comparar y verificar su funcionamiento bajo distintos parámetros entre los

cuales se encuentra el caudal, las RPM etc.

ÍNDICE

I. GeneralidadesI.1. ObjetivosI.2. Importancia y/o justificaciónI.3. Referencia y/o requisitos

I.3.1. Antecedentes. Criterios. Aplicaciones. I.3.2. Características del funcionamiento.I.3.3. Esquema.

I.3.3.1. Distribuidor.I.3.3.2. Rodete.I.3.3.3. Carcasa.I.3.3.4. Cámara de descarga.I.3.3.5. Sistema de frenado.I.3.3.6. Eje. I.3.3.7. Montaje de turbina.

II. Marco teórico y metodologíaII.1. Algoritmo de diseño del rodete Pelton.II.2. Algoritmo de diseño de la cuchara.II.3. Algoritmo de diseño de los inyectores.II.4. Regulación de las turbinas Pelton.

III. Procedimiento de calculoIII.1. Determinación de los parámetros de diseño de la instalación de turbina

Pelton: altura energética (H), caudal de operación (Q), velocidad de rotación (n), etc.

III.2. Determinación de los parámetros dimensionales del rodete, cuchara, inyector, carcasa, etc.

IV. Presentación y discusión del resultadosIV.1. Parámetros del flujo del fluido.IV.2. Dimensiones de la turbina y accesorios.

V. Conclusiones

VI. Sugerencia o recomendaciones.

VII. Referencias bibliográficas.

I. GENERALIDADES

I.1. OBJETIVOS

Determinar teóricamente los diferentes parámetros sobre los cuales trabajará la turbina Pelton, ello incluye calcular las dimensiones del inyector, cuchara, rodete, etc.

Diseñar utilizando un software (SolidWorks), los inyectores, las cucharas, carcasa, etc, con las dimensiones teóricas obtenidas.

Realizar una simulación mediante el software (SolidWorks) para observar el comportamiento ante los diferentes parámetros.

I.2. IMPORTANCIA Y /O JUSTIFICACIÓN

La importancia de Este proyecto se basa en que a través de Este se pueden dar a conocer las diferentes dimensiones de una turbina Pelton, en la cual nos servirán para el desarrollo de los planos en cualquier software CAD, para Este desarrollo se ha utilizado un algoritmo deducido a partir de fórmulas establecidas en el desarrollo del curso.

Es importante porque nos permite conocer más a fondo en forma práctica- teórica, un análisis real de una turbina muy usada en la ingeniería de fluidos, como es la turbina Pelton.

I.3. REFERENCIAS Y/O REQUISITOS DEL DISEÑO

1.3.1. AntecedentesEn lo que concierne en el análisis de este tipo de turbinas se puede encontrar una amplia información, como proyectos realizados en centrales hidroeléctricas, informes monografías, tesis que han realizado diferentes grupos de estudiantes e ingenieros en varias universidades y empresas especializadas en este rubro. Por ejemplo en cuanto a tesis encontramos dos tesis; la primera, una tesis presentada por la UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN MARCOS aplicada a una turbina Pelton que se encontraba en actividad ubicada en la central hidroeléctrica de Huayanca localizada en Cajabamba en el departamento de Cajamarca a 3082 msnm, donde su informe está dirigido principalmente a los controles de calidad que se deben efectuar durante los diferentes procesos en la fabricación de un rodete pelton de una también la tesis de diseño; la segunda, un tesis de construcción de un turbina Pelton para generación eléctrica de 2KW realizada en la UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA.

1.3.2. Características de funcionamientoLa energía potencial del agua embalsada o energía de presión, hasta los orificios de salida de las toberas, se convierte en energía cinética, al salir el agua a través de dichos orificios en forma de chorros libres.

Estos chorros de agua índice tangencialmente sobre el rodete, empujando a los cangilones que lo forman, obteniéndose el trabajo mecánico deseado. Las formas cóncavas de los cangilones hacen cambiar la dirección del chorro de agua, saliendo este ya son energía apreciable por los bordes laterales son ninguna incidencia posterior sobre los cangilones sucesivos.

De este modo, el chorro de agua transmite su energía cinética al rotor, donde queda transformada instantáneamente en energía mecánica. 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 esta, a fin de mantener constante la velocidad del rotor, evitándose embalamiento o reducción del número de revoluciones. La arista del cangilón corta al chorro de agua, seccionándolo en dos láminas de fluido, simétricas y teóricamente del mismo caudal.

Esta disposición permite contrarrestar mutuamente los empujes axiales que se originan en el rotor equilibrando presiones sobre el mismo, al cambiar, simétrica y opuestamente los sentidos de ambas láminas.

A este tipo de turbina, se le conoce también como turbinas de presión, ya que ésta es constante en la zona del rodete, además cuenta con la particularidad de ser de chorro libre. Las turbinas Pelton son turbinas de chorro libre que se acomodan a la utilización de saltos de agua con mucho desnivel y caudales relativamente pequeños, con márgenes de empleo entre 60 y 1500 metros, consiguiéndose rendimientos máximos del orden del 90%.Las turbinas Pelton son turbinas de chorro libre que se acomodan a la utilización de saltos de agua con mucho desnivel y caudales relativamente pequeños, con márgenes de empleo entre 60 y 1500 metros, consiguiéndose rendimientos máximos del orden del 90%.

1.3.3. Esquema

1.3.3.1. DistribuidorEs un órgano fijo cuya misión es dirigir el agua, desde la sección de entrada de la máquina hacia la entrada en el rodete, distribuyéndola alrededor del mismo, (turbinas de admisión total), o a una parte, (turbinas de admisión parcial), es decir, permite regular el agua que entra en la turbina, desde cerrar el paso totalmente, caudal cero, hasta lograr el caudal máximo, también transforma la energía de presión en energía de velocidad; en las turbinas hélico-centrípetas y en las axiales está precedido de una cámara espiral (voluta) que conduce el agua desde la sección de entrada, asegurando un reparto simétrico de la misma en la superficie de entrada del distribuidor.El número de equipos de inyección, colocados circunferencialmente alrededor del rotor, depende de la potencia y características del generador y según las condiciones del salto de agua.

Fig. 1 - Turbina Pelton de 6 inyectores.

Fig. 2 - Turbina Pelton de 2 inyectores.

El distribuidor consta de las siguientes partes:

Cámara de DistribuciónEs la prolongación de la tubería forzada, acoplada a esta por una brida de unión. Entre la tubería forzada y la cámara de distribución se localiza la válvula de entrada a la turbina. También es conocida como cámara de inyectores. Tiene como misión fundamental conducir el agua hasta el inyector. Igualmente sirve de soporte a los demás mecanismos que integran el distribuidor.

InyectorEs el elemento mecánico destinado a dirigir y regular el chorro de agua. Está compuesto por:

Tobera: Constituye una boquilla, con orificio de sección circular de un diámetro entre 5 y 30 cm, 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 90° con los radios del rotor.

Fig. 3 – Tobera de turbina Pelton seccionada.

Aguja: Constituye un vástago situado concéntricamente en el interior del cuerpo de la tobera con movimiento de desplazamiento longitudinal en dos sentidos.

Fig.4 - Detalle de tobera y aguja.

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, presentando la parte cóncava hacia el orificio de tobera.

Fig. 5 – inyector de turbina Pelton seccionado.

Equipo regulador de velocidad: Está constituido por un conjunto de dispositivos a base de servomecanismos, cuya

función es mantener constante la velocidad rotación.

Fig. 6 – Sistema de regulación de velocidad de una turbina Pelton.

1.3.3.2. RodeteEs el elemento esencial de la turbina, estando provisto de álabes en los que tiene lugar el intercambio de energía entre el agua y la máquina. Transformando así la energía hidráulica en energía mecánica.

Fig. 7 – Rodete de una turbina Pelton.

Consta de los siguientes elementos:

a) Rueda motriz: Esta unida rígidamente al eje por medio de chavetas y anclajes adecuados. Su periferia esta mecanizada apropiadamente para ser soporte de los cangilones.

Fig. 8 – Sistema de regulación de velocidad de una turbina Pelton.

b) Cucharas: También denominados alabes, cangilones o palas. 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 lo más afilada posible, de modo que divide al cangilón de dos partes simétricas, sobre esta arista donde incide el chorro de agua.

Fig. 9 – Cuchara de turbina Pelton.

Actualmente para rotores de cualquier tamaño, los cangilones están forjados con la misma rueda, formando pieza única, lo cual permite una economía en la construcción y mayor seguridad de

funcionamiento, dado el impacto inicial del agua que han de soportar en el momento del arranque, la fuerza centrífuga alcanzada en caso de embalamiento.

Fig. 10 – Rodete de turbina Pelton.

1.3.3.3. CarcasaEs 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. En turbinas con el eje en posición vertical, la carcasa, situada horizontalmente tiene en su periferia unos conductos de paso de aire a fin de lograr el adecuado equilibrio de presiones. En el caso de turbinas con el eje horizontal, la aireación se efectúa desde la cámara de descarga.

Fig. 11 – Carcasa de turbina Pelton.

1.3.3.4. Cámara de descargaTambién conocida 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.

1.3.3.5. Sistema de frenadoConsiste en un circuito de agua derivado de la cámara de distribución. El agua proyectada a gran velocidad sobre la zona convexa de los cangilones, favorece el rápido frenado del rodete, cuando las circunstancias lo exigen.

Fig. 12 – Cámara de descarga y sistema de frenado.

1.3.3.6. EjeEsta rígidamente unido al rotor y situado adecuadamente sobre los cojinetes debidamente lubricados, transmite el movimiento de rotación al eje del generador. El número de cojinetes instalados así como su función, radial o radial-axial, depende de las características del grupo turbia-generador.

Fig. 13 – Eje y rodete en acople.

1.3.3.7. Montaje de una turbina Pelton

Fig. 14 – Turbina Pelton de 2 inyectores y de eje horizontal.

II. MARCO TEÓRICO Y METODOLOGIA

PARÁMETROS DE DISEÑO DE LA TURBINA

Rendimiento mecánico: (n¿¿m)¿

(n¿¿m)=0.935¿

Rendimiento generado eléctrico: (n¿¿¿)¿

(n¿¿¿)=0.9825¿

Potencia ideal: (N ¿¿ i)¿

N i=Pelectrica

nm¿n¿

⇒N i=ρ∗g∗Q∗H D

H D=N i

ρ∗g∗Q

Número específico ideal: ¿Corresponde al número de revoluciones por minuto (rpm) que daría una turbina semejante a la que se desea proyectar (de igual forma pero dimensiones reducidas), la cual, instalada aun salto de 1m de altura, proporcionaría una potencia de 1CV.

¿

Análisis de velocidades

Velocidades: (V ¿¿ i)¿

V i=√2∗g∗H D

Velocidad: (V 1)

V 1=φ∗V i

Velocidad: (U)

U=KP∗V i

Ángulo de salida: (β¿¿2)¿

Promedio: β2=8 °−10 °

Coeficiente de velocidad relativa: (ψ )

Promedio: ψ=0.87−0.89

Altura de Euler: (H ¿¿e )¿

H e=1g∗(1+ψ cos β2 )∗(V 1−U )∗U

Rendimiento hidráulico: (η¿¿H )¿

ηH=H e

HD

Rendimiento total real: (η¿¿totalreal

)¿

ηtotalreal

=ηH∗ηv∗ηm

Potencia real en el eje: (N ¿¿eje)¿

N eje=ηtotalreal

∗N i

Potencial real eléctrica: (P¿¿electricareal

)¿

Pelectricareal

=N eje∗η¿

Fuerza de chorro

F ch=(V 1−V )∗(1−ψ cos β2 )∗ρ∗Q

Torque

T=F ch(D2 )

II.1. ALGORITMO DE DISEÑO DEL RODETE

2.1.1. Cálculo del número de chorros: (Z)

Z=¿¿

Para 0.0125≤dD≤0.1667

2.1.2. Cálculo del diámetro del chorro: (D)

d=¿¿

2.1.3. Diámetro del rodete: (D)

dD

=¿¿

2.1.4. Diámetro exterior: (Dext )

Dext=D+2∗d

2.1.5. Diámetro interior: ¿¿

D∫¿=D−2∗d¿

2.1.6. Longitud de arco entre cuchara y cuchara:(s)

Fig. 15 – El diagrama muestra el ángulo de ataque del chorro y los arcos entre cucharas.

La variación de δ θ

cos ( Δθ2 )=( D+d2 )

(Dext

2 )Δθ=[cos−1 1.062+0.08511.2322 ]∗2

Arco AB'

A B'=Δθ∗Dext

2

Segmento AB'

A B'=Dext∗sin( Δθ2 ) Arco BB'

B B'=( KP

φ )∗(D ext

D )∗A B'

Arco ABAB= AB'−BB'

Entonces:

S=0.8∗AB

2.2. ALGORITMO DE DISEÑO DE LAS CUCHARAS

2.2.1. Cálculo del número de cucharas: N cu

1° Forma:

N cu=12+0.74∗(Dd ) o N cu=15+0.5∗( Dd ) 2° Forma:

N cu=π∗Dext

SDónde:

S=(0.75…0.85)¿

2.2.2. Diámetro de la punta:

DP=D+ [3×d ]

2.2.3. Diámetro exterior:

DE=DP+d

2.2.4. Parámetros internos de diseño de la cuchara:

γ=100.5

B=3∗d

D=0.9∗d

L=2.8∗d

f=0.9∗d

l=1.6∗d

e=0.45∗d

M=1∗d

Fig. 16 – líneas constructivas para cucharas.

Fig. 17 – Corte de cuchara de Turbina Pelton.

2.2.5. Ángulos de corte

Corte I:

β=35 ° ;(30 ° ,….,40 °)

Corte II:

β=25 ° ; (20° ,… .,30 ° )

Corte III:

β=15 ° ;(10 ° ,….,20 °)

Corte IV:

β=7.5 ° ;(5 ° ,….,10 °)

2.3. ALGORITMO DE DISEÑO DE LOS INYECTORES

2.3.1. Numero especifico ideal por cada inyector: (ηSi)

(ηSi )=η∗(

N i

I)1/2

¿¿2.3.2. Parámetros de diseño del inyector:

a=1.42∗d ,metros

α 0=40−60 , grados

α 1=60−90 , grados

d t=1.1∗d ,metros

d v=0.58∗d ,metros

b=3.25∗d ,metros

d2=4.5∗d ,metros

l=6∗d ,metros

r=15∗d ,metros

d1=2.5∗d ,metros

Fig. 18 – Inyector seccionado mostrando sus cotas de construcción.

2.4. REGULACIÓN DE LAS TURBINAS PELTONPara 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 tiene que ajustarse mediante un regulador que actúa según la velocidad de la turbina y en el caso más general, en forma automática.

Si se supone que la turbina se ha acelerado, el regulador 7 levantará la válvula 1 y el aceite a presión entrará en el cilindro grande haciendo bajar el émbolo 8, con lo que la palanca 2 bajará y el deflector 6 cortará al chorro desviando una parte del mismo.

III. PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO

III.1. DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE DISEÑO DE LA INSTALACIÓN DE TURBINA PELTON

Rendimiento mecánico: (n¿¿m)¿

(n¿¿m)=0.935¿

Rendimiento generado eléctrico: (n¿¿¿)¿

(n¿¿¿)=0.9825¿ Potencia ideal: (N ¿¿ i)¿

N i=Pelectrica

nm¿n¿

N i=40000Kw

0.935∗0.9825

N i=43542.746Kw

⇒ 43542746 w∗1CV735.5w

N i=59201.558CV

N i= ρ∗g∗Q∗H D

43542746w=998.0 kgm3∗9.81

ms2

∗3.5m3

s∗H D

H D=1270.715m Número específico ideal: ¿

¿

¿

¿

Número de chorros: (z)

¿

Despejando Z y reemplazando valores obtenemos:

Z=¿

Z=3.20

Z=4

Ahora determinamos la fracción de d /D real para la turbina:

dD

=¿¿

dD

= 38.485576∗¿¿

dD

=0.0801

Diámetro del chorro: (d)

d=¿¿

d=[ 4∗(3.5 m3

s)

π∗4∗0.975∗√2∗(9.81 ms2 )∗1270.715m ]1/2

d=0.0851m

Análisis de velocidades

Velocidades: (V ¿¿ i)¿

V i=√2∗g∗H D

V i=√2∗9.81ms2∗1270.715mV i=157.897

ms

Velocidad: (V 1)

V 1=φ∗V i

V 1=0.975∗157.897ms

V 1=153.95ms

Velocidad: (U)

U=KP∗V i

U=0.45∗157.897 ms

U=71.05ms

Ángulo de salida: (β¿¿2)¿

Promedio: β2=9

Coeficiente de velocidad relativa: (ψ )

Promedio: ψ=0.88

Altura de Euler: (H ¿¿e )¿

H e=1g∗(1+ψ cos β2 )∗(V 1−U )∗U

H e=1

9.81ms

∗(1+0.88cos8 )∗(153.95ms −71.05ms )∗71.05ms

H e=1123.63m

Rendimiento hidráulico: (η¿¿H )¿

ηH=H e

HD

ηH=1123.63m1270.715m

ηH=0.8842

Rendimiento total real: (η¿¿totalreal

)¿

ηtotalreal

=ηH∗ηv∗ηm

ηtotalreal

=0.8842∗1∗0.935

ηtotalreal

=0.827

Potencia real en el eje: (N ¿¿eje)¿

N eje=ηtotalreal

∗N i

N eje=0.827∗43542.746Kw

N eje=36009.85Kw

Potencial real eléctrica: (P¿¿electricareal

)¿

Pelectricareal

=N eje∗η¿

Pelectricareal

=36009.85Kw∗0.9825

Pelectricareal

=35379.68Kw

III.2. DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS DIMENSIONALES DEL RODETE, CUCHARA, INYECTOR, CARCASA.

3.2.1. Rodete

Diámetro del rodete: (D)

dD

=0.0801

D= d0.0801

D=0.08510.0801

D=1.062m

Diámetro exterior: (Dext )

Dext=D+2∗d

Dext=1.062+2∗0.0851

Dext=1.2322m

Diámetro interior: ¿¿

D∫¿=D−2∗d¿

D∫¿=1.062−2∗0.0851¿

D∫¿=0.8918mm¿

Longitud de arco entre cuchara y cuchara:(s)

La variación de δ θ

cos ( Δθ2 )=( D+d2

)

(Dext

2)

Δθ=[cos−1 1.062+0.08511.2322 ]∗2Δθ=42.84 °

Δθ=0.748 rad .

Arco AB'

A B'=Δθ∗Dext

2

A B'=0.748∗1.23222

A B'=0.4608m

Segmento AB'

A B'=Dext∗sin( Δθ2 )

A B'=1.2322∗sin ( 42.842 )AB'=0.45m

Arco BB'

B B'=( KP

φ )∗(D ext

D )∗A B'

B B'=( 0.450.975 )∗( 1.23221.062 )∗0.45

B B'=0.241m

Arco ABAB= AB'−BB'

AB=0.4608−0.241

AB=0.2198mEntonces:

S=0.8∗AB

S=0.8∗0.2198

S=0.1758m

3.2.2. Cuchara

Número de cucharas: (N ¿¿cu)¿

Existen 2 fórmulas para calcular el número de cucharas, de las cuales se elegirá el resultado de dicha fórmula que contenga el mayor valor entero superior:

1° forma:

N cu=12+0.74∗(Dd ) o N cu=15+0.5∗(Dd )

N cu=12+0.74∗( 1.0620.0851 ) oN cu=15+0.5∗( 1.0620.0851 )N cu=21.23 ≈ 22 o N cu=21.23≈22

2° forma:

N cu=π∗Dext

SDónde:

S=(0.75…0.85)¿

N cu=π∗(D ext)

S

N cu=π∗(1.2322)0.1758

N cu=22.02

N cu=23

N cu= máx (π∗Dext

S……12+0.74*( D

d)¿

Entonces: N cu=23

Recalculando el valor de S será:

S=π∗Dext

N cu

S=π∗(1.2322)

23

S=0.168

Dimensiones de la cuchara

Diámetro de la punta

DP=Drod+[2( 76 )d ]DP=1.062+[2( 76 )0.0851]

DP=1.26m

Diámetro exterior

DE=DP+d

DE=1.26+0.0851

DE=1.345m Cálculos internos en la cuchara

γ=100.5

B=3∗d

B=3∗0.0851

B=0.255m

D=0.9∗dD=0.9∗0.0851

D=0.077m

L=2.8∗d

L=2.8∗0.0851

L=0.238m

f=0.9∗d

f=0.9∗0.0851

f=0.077m

l=1.6∗d

l=1.6∗0.0851

l=0.136m

e=0.45∗d

e=0.45∗0.0851

e=0.038m

M=1∗d

M=1∗0.0851

M=0.0851m

Ángulos de corte

Corte I: β=35 °

Corte II: β=25 °

Corte III: β=15 °

Corte IV: β=7.5 °

3.2.3. Inyectores

Número de inyectores: (i)

i=4

Número específico ideal por cada inyector (nsi)

nSI=n∗(

N i

I)1/2

HD1.25

nSI=1200rpm∗( 43542.746

4)1 /2

1270.7151.25

nSI=16.50

Parámetros de diseño del inyector a=1.42∗0.0851

a=120.84mm

α 0=50 ° α 1=75 , °

d t=1.1∗0.0851

d t=93.6mm

d v=0.58∗0.0851

d v=49.36mm

b=3.25∗0.0851

b=276.58mm

d2=4.5∗0.0851

d2=382.95mm

l=6∗0.0851

l=510.6mm

r=15∗0.0851

r=1276.5mm

d1=2.5∗0.0851

d1=212.75mm

Cálculo del diámetro: (D2)

D2=(46.04−0.33nSI )∗(√H D

n)

D2=(46.04−0.33(16.5))∗( √1270.7151200

)

D2=1.19m

Altura: (H S)

H S=1.87+( 2.24∗Q(ns )i )H S=1.87+( 2.24∗3.538.485 )

H S=2.074m

Distancia: (H 1)

H 1=3.20∗[(ηSt∗D 2)

250.74−(1.80∗17.58)]0.96

H1=3.20∗[(16.50∗1.19)

250.74−(1.80∗17.58)]0.96

H 1=0.316m

Distancia: (H 2)

H 2=3.23∗[(ηSt∗D2)

250.74−(1.80∗ηSt)]1.02

H2=3.23∗[(16.50∗1.19)

250.74−(1.80∗16.50)]1.02

H 2=0.273m

Diámetro: (D3)

D3=D 2∗(1.028+ (0.0137∗ηSt ))

D3=1.19∗(1.028+(0.0137∗16.50 ))

D3=1.492m

Cálculo de dimensiones L, G, F, H, I, B, C, D, E

L=0.78+ (2.06∗1.492 )L=3.853m

G=0.196+(0.376∗0.56 )G=0.757m

F=1.09+(0.71∗3.853 )F=3.826m

H=0.62+ (0.513∗3.853 )H=2.597m

I=1.28+(0.37∗3.853 )I=2.706m

B=0.595+ (0.694∗3.853 )B=3.269m

C=0.362+(0.68∗3.853 )C=2.982m

D=−0.219+0.70×3.853D=2.478m

E=0.43+(0.70∗3.853)E=3.127m

Análisis de la velocidad de entrada a los inyectores

V=0.82+(0.358∗H D)

V=0.82+(0.358∗1270.715)

V=455.736 ms

Análisis del área de entrada a los inyectores

A=1.886( Q2.29+H D

)A=1.886( 3.5

2.29+1270.715 )A=0.0052m2

ESQUEMA DIMENSIONAL DE LA AGUJA

Fig. 19 – Esquema dimensional de la aguja.

IV. PRESENTACIÓN Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS

4.1 Parámetro de flujo del fluido

Los parámetros que se va tener en cuenta para el desarrollo de la simulación del inyector, se le pedirá al programa (SolidWorks - flow simulation) que nos calcule:

La fuerza, con al cual reacciona el inyector al momento del ingreso del caudal. La velocidad a la salida del inyector, que conforme vayamos variando las

posiciones de la aguja del inyector obtendremos diferentes velocidades, para diferentes posiciones.

La presión a la entrada. Eficiencia del inyector, la cual estará en función de los parámetros mensionados

anteriormente.

A continuación mostraremos algunas imágenes sobre la simulación del inyector para diferentes posiciones de la aguja, luego una gráfica donde mostrara la relación entre la posición vs. la eficiencia del impulsor.

La distancia esta respecto de la punta de la aguja hacia la salida del fluido

Distancia d = 60

Simulación de Velocidad: Simulación de presión:

Trayectoria del fluido

Goal Name Unit Value Averaged Value Minimum Value Maximum ValueGG Force 1 [N] 9767221.415 9765360.433 9764045.76 9768130.778SG Av Velocity (Y) 1 [m/s] -700.99626 -700.9964839 -700.9986157 -700.9939081SG Av Static Pressure 1 [Pa] 290420942.9 290371583.2 290324662.5 290444902.4Equation Goal 1 [ ] 0.591990095 0.591889068 0.591790556 0.592036148

Distancia = 40 Velocidad Presión


Goal Name Unit ValueAveraged Value Minimum Value

Maximum Value

GG Force 1 [N] 9781699.735 9781883.093 9780834.134 9782705.2SG Av Velocity (Y) 1 [m/s] -700.9972768 -700.9967349 -700.9988559 -700.9933952SG Av Static Pressure 1 [Pa] 290960506.3 290964127.2 290928937.7 290987813.4Equation Goal 1 [ ] 0.593088597 0.593096898 0.593024966 0.593145309

Distancia = 20

Velocidad Presión


Goal Name Unit Value Averaged Value Minimum Value Maximum ValueGG Force 1 [N] 9887591.897 9887078.472 9886345.914 9887638.357SG Av Velocity (Y) 1 [m/s] -700.9968847 -700.9967743 -700.9984286 -700.9952284SG Av Static Pressure 1 [Pa] 294375425.3 294360754 294335195.6 294376390.7Equation Goal 1 [ ] 0.600052602 0.600022875 0.599973094 0.600054206

Distancia = 0

Velocidad Presión



Distancia = -10 Velocidad Presión

Trayectoria de fluido

Goal Name Unit Value Averaged Value Minimum Value Maximum ValueGG Force 1 [N] 13527798.92 13527854.81 13526687 13529868.1SG Av Velocity (Y) 1 [m/s] -783.4823467 -783.4832395 -783.4847143 -783.4810166SG Av Static Pressure 1 [Pa] 407373413.4 407366526.4 407337926.8 407414616.3Equation Goal 1 [ ] 0.664807141 0.664794383 0.664745197 0.664873052



Goal Name Unit Value Averaged Value Minimum Value Maximum ValueGG Force 1 [N] 33600915.74 33592959.02 33580715.57 33600915.74SG Av Velocity (Y) 1 [m/s] -1233.517785 -1233.521994 -1233.539419 -1233.509846SG Av Static Pressure 1 [Pa] 1023920613 1023736560 1023491760 1023920613Equation Goal 1 [ ] 0.674220471 0.674094666 0.673930739 0.674220471



Goal Name Unit Value Averaged Value Minimum Value Maximum ValueGG Force 1 [N] 91271552.53 91236394.51 91209141.86 91271552.53SG Av Velocity (Y) 1 [m/s] -1980.083394 -1980.080551 -1980.102602 -1980.047364SG Av Static Pressure 1 [Pa] 2786923393 2785935332 2785070412 2786923393Equation Goal 1 [ ] 0.712216017 0.711965548 0.711750615 0.712216559

Como resultado de las simulaciones en las diferentes posiciones de la aguja, se obtuvo lo siguiente:

Distancia Velocidad

60 700.99626

40 700.9972768

20 700.9968847

0 712.5534523

-10 783.4823467

-20 932.7008372

-30 1233.520411

-40 1980.083394

-60 -40 -20 0 20 40 60 800

500

1000

1500

2000

2500

Distancia vs Velocidad

Velocidad

Fig. 20 – Grafico Distancia vs Velocidad.

Ensamble de Inyector

4.2 DIMENSIONES DE LA TURBINA Y ACCESORIOS.

4.3. SELECCIÓN DEL GENERADOR ELÉCTRICO, COJINETES, EJES, SISTEMA DE

REGULACIÓN

Un generador eléctrico apropiado o el cual se puede instalar para las condiciones en las cuales estamos trabajando para nuestra turbina Pelton, tienen las siguientes características:

V. CONCLUSIONES:Se obtuvo los parámetros deseados para poder diseñar el inyector, y luego poder simularlo.

En la gráfica Distancia vs Velocidad, se observa que la velocidad se mantiene constante para las primeras 4 posiciones, comenzado a variar desde la posición cero(cuando la aguja empieza a salir de la boquilla del inyector.

Que al momento de determinar la potencia eléctrica real nos sale menor que la propuesta para el cálculo.

Hemos podido encontrar también las dimensiones para poder diseñar, el rodete y las cucharas de la turbina Pelton.

Hallamos todos los parámetros de operación, en las cuales trabaja la turbina.

VI. SUGERENCIAS Y RECOMENDACIONES

Una sugerencia será con respecto al tipo de generador que se a tomado como ejemplo; tenemos que modificar las rpm, para que pueda sincronizarse con la turbina.

Para este tipo de generador debemos de tener en cuenta que, debemos de utilizar una turbina Pelton horizontal.

VII. Referencias Bibliográficas

Claudio Mataix turbo maquinas 2da edición

http://repository.upb.edu.co:8080/jspui/bitstream/123456789/431/1/ digital_16904.pdf

https://www5.uva.es/guia_docente/uploads/2012/375/51418/1/ Documento16.pdf

http://www.tesis.uchile.cl/bitstream/handle/2250/112366/cf-ferrada_ls.pdf? sequence=1

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

http://es.scribd.com/doc/156892205/Tema-2-a-Turbina-Pelton

http://www.slideshare.net/78inactivo/turbinas-13964533

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http://www.tesis.uchile.cl/bitstream/handle/2250/112366/cf-ferrada_ls.pdf?sequence=1

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https://www5.uva.es/guia_docente/uploads/2012/375/51418/1/Documento16.pdf

https://www5.uva.es/guia_docente/uploads/2012/375/51418/1/Documento16.pdf

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Trabajo de Turbinas Pelton- Gamboa

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