Turbina Pelton

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA

ESCUELA PROFESINAL DE INGENIERIA ELECTRICA TURNO: 01 T

TURBOMAQUINAS TURBINAS PELTON Y C.H DE MOYOPAMPA

TURBINAS PELTON

I. INTRODUCCIÓN:

Una turbina Pelton es uno de los tipos más eficientes de turbina hidráulica. Es una turbo máquina motora, de flujo trasversal, admisión parcial y de acción. Consiste en una rueda (rodete o rotor) dotada de cucharas en su periferia, las cuales están especialmente realizadas 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. Las centrales hidroeléctricas dotadas de este tipo de turbina cuentan, la mayoría de las veces, con una larga tubería llamada galería de presión para trasportar al fluido desde grandes alturas, a veces de hasta más de dos mil metros. Al final de la galería de presión se suministra el agua a la turbina por medio de una o varias válvulas de aguja, también llamadas inyectores, los cuales tienen forma de tobera para aumentar la velocidad del flujo que incide sobre las cucharas.

II. OBJETIVOS:

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- El objetivo de esta ponencia es dar a conocer las generalidades de las turbinas pelton así como las principales características del rodete y los alabes que conforman las turbinas Pelton.

- Conocer las características de la central hidroeléctrica Moyopamapa.- Contrastar operaciones reales con los datos teóricos.

III. DEFINICIÓN:

La turbina Pelton fue inventada por Lester A. Pelton. Esta turbina se define como una turbina de acción, de flujo tangencial y de admisión parcial. Opera más eficientemente en condiciones de grandes saltos, bajos caudales y cargas parciales.

IV. PARTES

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1. DISTRIBUIDOR

Es el elemento de transición entre la tubería de presión y los inyectores. Está hecho por un inyector o varios inyectores que pueden llegar a ser hasta seis. El inyector consta de una tobera de sección circular provista de una aguja de regulación que se mueve axialmente, variando la sección de flujo. Si se requiere una operación rápida para dejar al rodete sin acción del chorro, se adiciona una placa deflectora, así la aguja se cierra en un tiempo más largo, reduciendo los efectos del golpe de ariete. En las turbinas pequeñas se puede prescindir de la aguja y operar con una o más toberas, con caudal constante.

2. RODETE

Es de admisión parcial, depende del número de chorros o de inyectores. Está compuesto por un disco provisto de cucharas montadas en su periferia. Las cucharas pueden estar empernadas al disco, soldadas o fundidas convirtiéndose en una sola pieza con el disco. Esta turbina puede instalarse con el eje horizontal con 1 o 2 inyectores, y con el eje vertical con 3 a 6 inyectores.

3. ROTOR:

También conocido como inductor, pues es la parte que induce el voltaje en el estator. El núcleo del rotor es construido de lámina troquelada de acero al silicio, material de excelentes características magnéticas, con la finalidad de evitar pérdidas por histéresis y corrientes parasitas.El rotor gira concéntricamente con una velocidad síncrona de 3600 revoluciones por minuto, generando 110V a una frecuencia de 60Hz

4. GENERADORES:

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El generador tiene como misión transformar en energía eléctrica la energía mecánica suministrada por la turbina.En un principio se utilizaban generadores de corriente continua actualmente, salvo rarísimas excepciones solo se utilizan generadores trifásicos de corriente alterna. En función de la red se pueden seleccionar.

5. CARCAZA:Este elemento tiene la función general de cubrir y soportar las partes que componen la turbina Pelton.

6. CUCHARAS O ALABES:

Los álabes de una rueda Pelton tienen la forma de doble cuchara, con una arista mediana donde se produce el ataque del chorro de agua. Las dimensiones del álabe son proporcionales al diámetro del

GENERADORGENERADORGENERADORGENERADORGENERADORGENERADORGENERADORGENERADORGENERADORGENERADORGENERADORGENERADORGENERADORGENERADOR

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chorro y éste a su vez es función del diámetro de la rueda y de la velocidad específica. El valor del diámetro del chorro está entre el 5% y el 12% aproximadamente del valor del diámetro de la rueda pelton.

Sería deseable que el ángulo que forman las caras interiores del álabe fuera cero, para evitar componentes de choque de la velocidad en la incidencia, sin embargo, esto no es posible, ya que se debilitaría demasiado la arista media, expuesta a la acción directa del chorro de agua y a los efectos no solo mecánicos sino de erosión y corrosión. Este ángulo es del orden de 20º según recomendación de los constructores.

A la salida, el ángulo del álabe está normalmente entre 8º y 12º en la parte media del álabe. Aquí es también conveniente tener un valor reducido del ángulo para disminuir el valor de la velocidad absoluta de salida y mejorar la utilización de la energía del agua, pero se presenta el peligro de recirculación y de choque del agua contra el extradós del álabe siguiente. Hay que dar salida al agua con la propia forma del borde de fuga.

Como la energía cinética del chorro de agua decrece con la distancia al orificio de salida, conviene colocar los inyectores lo más cerca posible del rodete, para lo cual se produce en los álabes una entalladura en la parte periférica, la que además impide que el agua salpique por el borde de la cuchara e incluso que la ataque por la parte posterior. En las ruedas de alta velocidad específica debe acentuarse el tamaño de la entalladura o destalonado de los álabes, por ser el caudal relativamente más abundante.

V. CONSTRUCCIÓN DE PELTON:

a. CARCASA

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La carcasa de la turbina se fabrica en dos partes y con acero soldado. La parte inferior se diseña específicamente para permitir una descarga libre de agua desde el rodete e incluye arreglos para garantizar el fraguado en cimientos de hormigón. La parte superior se extrae con facilidad para acceder al rodete y realizar el mantenimiento de la unidad.

b. RODETE

El rodete de Pelton se tornea desde el estado sólido para mejorar la fiabilidad y la eficiencia. Los materiales varían según las condiciones de funcionamiento pero, en general, son de acero inoxidable al cromoníquel. En determinadas circunstancias, según la caída y la calidad del agua, se pueden suministrar rodetes de aleación bronce-aluminio. El rodete se puede montar en el eje de su propia turbina o suspender sobre el eje del generador.

c. EJE

El eje de la turbina de acero al carbono se tornea a partir de una barra o se forja. En las unidades más grandes, el diseño incorpora una mitad de acoplamiento forjado.

d. COJINETES

En las turbinas de alta potencia, se utilizan cojinetes de rótula, lubricados con aceite, de empuje o contacto plano, mientras que los cojinetes de bola o cilindro lubricados con grasa se utilizan para turbinas de menor potencia. Cuando se requiere, se incluyen sistemas de lubricación con aceite y enfriamiento con agua.

e. VÁLVULA DE AGUJA / TUBO BIFURCADO

Se fabrica a partir de acero soldado con una variedad de clasificaciones de presión hasta PN 100.

f. PUNTA DE AGUJA Y TOBERA

Se fabrican con acero inoxidable, ambas se pueden cambiar con facilidad.

g. VARILLA DE AGUJA

Se fabrica con acero inoxidable y está apoyada en una guía de bronce que también corrige el caudal a medida que se acerca a la tobera, para garantizar un chorro preciso y eficiente. El funcionamiento puede ser eléctrico, manual o hidráulico.

h. DEFLECTOR DE CHORRO

La placa del deflector es de acero inoxidable y se puede reemplazar con facilidad si se desgasta.

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VI. CENTRAL HIDROELÉCTRICA DE MOYOPAMPA

A. DEFINICIÓN:

La central de Moyopampa utiliza el desnivel del río Santa Eulalia, en el tramo comprendido entre el pueblo de Chosica, situado a unos 40 Km. al este de Lima, hasta la central situada en Callahuarca. El tramo en cuestión mide unos 14 Km. en el que el río pierde aproximadamente un desnivel de 500 m. La central consta de varias partes que constituyen otros tantos edificios, que son: la casa de máquinas (el edificio donde están los transformadores y la casa-administración) y los edificios auxiliares (el canal de desagüe, el foso previsto para el caso de rotura de la tubería, el canal que conduce de nuevo al río el agua que rebose del depósito de carga y un pequeño ramal de ferrocarril que une la central con la vía férrea).

B. COMPONENTES DE LA CENTRAL HIDROELÉCTRICA

BOCATOMA: Es una estructura que permite captar el agua de la fuente hídrica y derivarla hacia el canal de acceso. Debe disponer de componentes que permitan el ingreso del agua sin presencia de elementos extraños, asimismo debe permitir regular el caudal de ingreso tanto en épocas de estiaje y avenidas.

CANAL DE ACCESO: Conduce el agua desde la Bocatoma hasta la Cámara de Carga y/o desarenador. Sus parámetros de diseño son: Caudal (Q), sección (A), pendiente (S), material (puede ser de tierra o revestido) dependiendo del tipo de suelo, y su longitud (L) desde la bocatoma hasta la Cámara de carga. Su construcción es una decisión técnica y económica.

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CAMARA DE CARGA Y/O DESARENADOR:

Depósito que alimenta con agua a la Tubería de Presión, evita el ingreso de materiales extraños que puedan perturbar el funcionamiento de la turbina. Se equipa con: compuertas de derivación y limpia, rejillas, rebose y canal lateral para

conectar al Canal de Demasías.

CANAL DE DEMASIAS:Permite conducir el excedente de agua que rebosa de la cámara de carga.

TUBERIA DE PRESION: Es la que conduce el agua desde la cámara de carga hasta la turbina, entregándola a la presión generada por el desnivel de la caída. Si la Tubería es de acero, va instalado sobre apoyos. Si es de PVC, esta necesariamente debe ir enterrada.

La tubería de PVC es una gran alternativa para pequeñas hidroeléctricas, son muy económicos y fácil de instalar. Pueden soportar presiones de hasta 15 Kg/cm2, equivalente a 150 metros de caída.

CASA DE MAQUINAS:

Es el lugar donde se encuentra instalada el grupo hidroeléctrico, conformado por: Turbina hidráulica, Generador Eléctrico, Tablero de Control, Regulador Automático.

CANAL DE DESCARGA:

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Es por donde el agua después de entregar su energía a la turbina retorna al río, o a otro canal para continuar con el riego.

C. CARACTERÍSTICAS:

Salto bruto (m) 467.65Salto neto (m) 460

Caudal de diseño (m3/s ¿ 17.5

Potencia de diseño (MW) 69

Represa BarbablancaRio Santa Eulolia

Sistema de aducción Túnel a pelo libreLongitud (m) 12494

Tuberías 3Longitud (m) 800

D. CALCLULOS A REALIZAR :

RODETE PELTON RAPIDO 2 CHORROS

Cámara de cargaCasa de máquinas

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D. CÁLCULOS Y MEDIDAS SOBRE EL RODETE PELTON RAPIDO 2 CHORROS

MEDIDAS Y DATOS DEL RODETE:

Pa=63MW

Q=16.2m3

s

ns=28.8mCV

n=514 rpm

H=460m

H b=476.65m

203.7 cm

123.7cm

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De=203.7cm

Di=123.7 cm

Deje=22.5cm

Numerode alabes=22

Numerode chorros=2

MEDIDAS DE LOS ALABES

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e=11.3 cm

α=52.32 °

β=11.30°

Aplicando ley de cosenos para α:

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9.72=112+112−2∗(11 ) (11 )cos (α )→α=52.32°

Por tangentes: β=11.30°

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h=33cm

M=16.6cm

b=44.8cm

t=4.8cm

ALABES DE LA TURBINA PELTON DE LA CENTRAL HIDROELÉCTRICA MOYOPAMPA

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PROBLEMA1

Determinar H y Q de la central a la que perteneció el rodete Pelton de la UNAC

n=514 rpm

7 paresde polos

Ƞ=0.86

Análisis de los datos

Con la fórmula: obtenemos el diámetro del rodete

De=D+ 2x 3 xh5

D=2.037− 6 x33100 x5

D=1.641m

Hallando w y u:

w=nπ

30=πx 514

30=53.825 rad / s

u=wD2

=53.825x1.641

2=44.163m /s

Triangulo de velocidades para una turbina Pelton

Calculamos “a” por geometría:

a ( cot (52.32 ° )+cot (11.30° ) )=44.163

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a=7.644

C2=axcosec (52.32 ° )=9.658m /s

w2=axcosec (11.30° )=39.010m /s

Calculamos C1según la fórmula:

D=30 xC1

πxn=1.641=30x

C1

πx 514

C1=88.328m /s

w1=88.328−44.163=44.165m / s

Se sabe:

u=x√2gH

H=( ux )2 1

2g……………………………..1

X:[ 0.45−0.47 ]

De la ecuación (1) y para X=0.47 se obtiene valor de H:

H=( 44.1630.47 )

2 12x 9.806

=450.193m

Hallamos en ns para la turbina:

De=(1.028+0.013ns ) D

ns= {(De/D-1.028)} over {0.013

ns= {(2.037/1.641-1.028)} over {0.013

ns=16.40

Utilizando los datos ya mencionados de la central hidroeléctrica Moyopampa tenemos

Tres grupos. 2 turbinas por grupo (NT=2) 2 chorros por turbina(2)

Ahora calculamos ns

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ns=ns sqrt {Z

ns=16.408√2

ns=23.204

Por investigación supe que esta central trabaja con 6 turbinas por lo tanto:

ns=ns√Z

ns=23.204 √6

ns=56.838

Calculo del potencial en la central:

ns=n H−5

4 Pa

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Pa=( ns x H54

n )2

Pa=( 56.838 x450.19354

514 )2

Pa=82583.341Cv

Pa=60758.785kw

Con los datos ya hallados procedemos a calcular el caudal:

Pa=δxQxHxȠ

Q=Pa

δxHxȠ

Q= 60758.785 x 103

9806 x 450.193 x0.86

Q=¿16.003 m3/s

VII. CONCLUSIONES :

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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.

TABLA DE COMPARACIÓNDatos establecidos Datos calculados

Pa(MW) 63 60.758

Q (m3/s ¿ 16.2 16.003

ns (mcv) 60 56.868n(rpm) 514 514.285H (m) 460 450.193

VIII. BIBLIOGRAFÍA

http://jaibana.udea.edu.co/grupos/centrales/files/capitulo%204.pdf http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/maquinashidraulicas/turbinas/

turbinas.html http://repository.upb.edu.co:8080/jspui/bitstream/123456789/202/1/

digital_16409.pdf http://www.osinerg.gob.pe/newweb/uploads/GFE/1.2%20COMPENDIO

%20CENTRALES%20ELECTRICAS%20SEIN.pdf http://www.arquitecturaeindustria.org/bd/edificio.php?id_ed=900

FOTO DE LOS INTEGRANTES:

LLACZA CAMACHO VLADIMIR.

http://www.arquitecturaeindustria.org/bd/edificio.php?id_ed=900

http://www.osinerg.gob.pe/newweb/uploads/GFE/1.2%20COMPENDIO%20CENTRALES%20ELECTRICAS%20SEIN.pdf

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http://repository.upb.edu.co:8080/jspui/bitstream/123456789/202/1/digital_16409.pdf

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http://jaibana.udea.edu.co/grupos/centrales/files/capitulo%204.pdf

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INGARUCA GOMEZ MAYCON

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