turbomaquinas

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA ELECTRICA

T U R B O M A Q U I N A S

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INDICE

INTRODUCCION 2

OBJETIVOS 2 CONCEPTO 4

CARACTERÍSTICAS DE DISEÑO 5

DISEÑO DEL RODETE PELTON DE LA FIEE-UNAC 6

o Rodete Pelton de la FIEE 6

o Cálculo de las mediciones del rodete 9

COMPARACIÓN Y VERIFICACION DE RECULTADOS 13

COMENTARIOS 13

CONCLUSIONES 13

BIBLIOGRAFIA 13



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INTRODUCCION

En la actualidad es imposible imaginar la vida sin energía eléctrica, estamos tan acostumbrados a encender y apagar el interruptor de la luz y otros aparatos que muy rara vez nos ponemos a pensar de donde viene esta electricidad; pues bien, un tipo de centrales generadoras son las HIDROELÉCTRICAS, éstas son plantas encargadas de convertir la energía del agua en energía eléctrica, pero más específicamente, la TURBINA es la encargada de transformar esa energía hidráulica en energía mecánica, para posteriormente convertirla en energía eléctrica con un generador. Como decía La turbina es el alma de una central hidroeléctrica y dependiendo de la turbina que se use es la cantidad de electricidad que se produzca. En esta exposición de trabajo hablaremos de las turbinas de impulso, y específicamente de la turbina PELTON.

Por su gran uso y versatilidad en el campo de nuestra carrera es necesario que nosotros, como estudiantes de ingeniería eléctrica, conozcamos el principio de funcionamiento de esta turbomaquina. En este presente trabajo se mostrará el diseño de un Rodete pelton rápido de la Central Hidroeléctrica de Moyopampa conociendo ciertos parámetros de su estructura.

OBJETIVOS

Diseñar una turbina pelton con los datos medidos de la pelton de la Universidad Nacional del Callao.

Realizar la comparación entre los valores teóricos y los valores experimentales y verificar el porcentaje de error.



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DISEÑO DEL RODETE PELTON FIEE - UNAC



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DISEÑO DE UN RODETE PELTON I. CONCEPTO Las turbinas Pelton, se conocen como turbinas de presión por ser ésta constante en la zona del rodete, de chorro libre, de impulsión, o de admisión parcial por ser atacada por el agua sólo una parte de la periferia del rodete. Así mismo entran en la clasificación de turbinas tangenciales y turbinas de acción.

La turbina PELTON debe su nombre al ingeniero norteamericano Lester Allen Pelton (1829-1908), quien en busca de oro en California concibió la idea de una rueda con cucharas periféricas que aprovecharan la energía cinética del agua que venía de una tubería y actuaba tangencialmente sobre la rueda. Por fin en 1880 patentó una turbina con palas periféricas de muy particular diseño, de tal manera que el chorro proveniente de la tubería golpea el centro de cada pala o cuchara con el fin de aprovechar al máximo el empuje del agua. Principio de funcionamiento de las turbinas Pelton. La energía potencial gravitatoria del agua embalsada, o energía de presión, se convierte, prácticamente sin pérdidas, en energía cinética, al salir el agua a través de un inyector en forma de chorros libres, a una velocidad que corresponde a toda la altura un del salto útil, se dispone de la máxima energía cinética en el momento en que el agua incide tangencialmente sobre el rodete, empujando a los alabes, obteniéndose el trabajo mecánico deseado. Las formas cóncavas de los alabes hacen cambiar la dirección del chorro de agua, saliendo éste, ya sin energía apreciable, por los bordes laterales, sin ninguna incidencia posterior sobre los alabes. De este modo, el chorro de agua transmite su energía cinética al rodete, donde queda transformada instantáneamente en energía mecánica. La válvula de aguja, gobernada por el regulador de velocidad, cierra más o menos el orificio de salida de la tobera o inyector, consiguiendo modificar el caudal de agua que fluye por ésta, al objeto de mantener constante la velocidad del rodete, evitándose embalamiento o reducción del número de revoluciones del mismo, por disminución o aumento respectivamente de la carga solicitada al generador. La arista que divide al alabe en dos partes simétricas, corta al chorro de agua, seccionándolo en dos láminas de fluido, teóricamente del mismo caudal, precipitándose cada una hacia la concavidad correspondiente. Tal disposición permite contrarrestar mutuamente los empujes axiales que se originan en el rodete, equilibrando presiones sobre el mismo.



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II. CARACTERÍSTICAS DE DISEÑO Al observarse un rodete, en este caso un rodete Pelton, hay ciertas características que todo rodete debe de tener, características necesarias para su implantación y puesta en acción en una central; generalmente las características son:

3 (m / s)

H Altura Neta(m)

n Numero de revoluciones (rpm)

Q Caudal

Esta información es necesaria tanto para su implantación en una central hidroeléctrica como también para su diseño, y el último de estos casos expondremos en este presente trabajo. Para el diseño de un rodete siempre se parte con los parámetros a utilizar o con los parámetros establecidos geográficamente por la zona que se mencionaron anteriormente: El Caudal, Altura neta y, de manera opcional, el número de revoluciones. De esta manera lograremos obtener todas las características físicas para diseño como:

0

det

d diametro de chororo

D Diametro del ro e

De Diametro de las puntas de los alabes

e espacio entre alabes

Entre otros parámetros que son necesarios para el óptimo diseño del rodete. Pero qué tal si se cuenta solo con la estructura física del rodete y se desconoce completamente los parámetros principales de diseño, lo que nos lleva a la siguiente pregunta: ¿Será posible conocer el caudal, la altura neta del rodete a partir, solamente, del su estructura física? Si se cuenta con aparatos de medición adecuados, la respuesta en sí. A continuación mostraremos el proceso de cómo se calcula y se confirman los parámetros de un rodete conociendo solamente la estructura física.



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III. DISEÑO DEL RODETE PELTON DE LA FIEE-UNAC 3.1 Rodete Pelton de la FIEE El ambiente universitario de nuestra facultad (ingeniería eléctrica y electrónica) se encuentra adornada por un rodete pelton procedente de la Central Hidroeléctrica de Moyopampa. En esta ocasión, tal rodete será nuestro objeto de estudio e investigación. Conoceremos en primer lugar las características proporcionadas por la Osinerg que mencionan a nuestro rodete. Especificaciones geográficas.- CENTRAL C.H.: Moyopampa

EMPRESA: EDEGEL

UBICACIÓN:

Departamento Lima

Provincia Lima

Distrito Lurigancho

Localidad Chosica

Altitud (msnm) 880

Sistema eléctrico SEIN

Características técnicas de la central.-

Salto bruto (m): 467.65

Salto neto (m): 460

Caudal de diseño (m³/s): 17.5

Potencia de diseño (MW): 69

Represa: Barbablanca

Río: Santa Eulalia

Sistema de aducción: Túnel a pelo libre

Longitud (m): 12 494

Tuberías: 3

Longitud (m): 800



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Características de la turbina.-

Identificación G-1 G-2 G-3

Marca KRIENS BELL KRIENS BELL KRIENS BELL

Serie 1813 1814 1881

Revoluciones (RPM) 514 514 514

Potencia nominal (MW) 21.325 22 24.58

Salto neto (m) 460 460 4 60

Tipo Pelton Pelton Pelton

Eje Horizontal Horizontal Horizontal

Inyectores 2 2 2

Turbina por grupo 2 2 2

Caudal de diseño (m³/s) 5.95 5.95 5.95

Año fabricación 1949 1949 1954

Año puesta servicio 1951 1951 1955



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El Rodete Pelton que se encuentra en nuestra universidad, pertenecía a este grupo de turbinas, hasta que fueron reemplazados por otros de mejor procedencia. Los datos o parámetros de la turbina que nosotros estudiaremos y analizaremos son:

3

s

16,2(m / s)

H 460(m)

n 514,28(rpm)

n 28.8

Q

Cabe mencionar, que estos datos se confirmarán o lograremos aproximarnos a ellos, aplicando los conceptos que relacionan las mediciones de la pelton y los parámetros.

Pelton UNAC-FIEE



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3.2 Cálculo de las mediciones del rodete

En esta segunda parte mediremos las partes necesarias para conocer los parámetros de fabricación del rodete pelton. Cálculo del diámetro de chorro “dx” Para realizar un correcto cálculo del diámetro del chorro (d) realizaremos las siguientes medidas al álabe.

Consiguiendose la siguiente tabla:

Parámetros Medición realizada (cm) Diámetro calculado

(cm) Diámetro promedio

d(cm)

2,8 3,6b d 34.6 10.81

11.616

2,5 2,85h d 33.5 11.76

0,8 1,0e d 11.9 11.9

2,8 2,6B d 17.7 10.41

1,1 1,25M d 16.5 13.2

1,25t d 4.5 “valor que anularemos”

Entonces el diámetro del chorro que impacta con el álabe es:

2 11.616d cm



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Cálculo de la velocidad específica “ns”

Parámetros forma teórica Medición

realizada (cm) Promedios

(cm)

D - 148.3 148.3

72

6

dDp D

175.44 182 178.72

3

2( )5

hDe D 209.1 205.4 207.25

Teóricamente sabemos que:

(1.028 0.013 )De ns D

ns ( 1.028) / 0.013De

D

Entonces, el número específico de revoluciones de la turbina es: ns 27.257mcv Cálculo del número de alabes (Na) y de los ángulos Teóricamente se sabe que:

142

DNa

d

22.21Na

22 Na Alabes Para los ángulos usamos un trasportador, pero por la complejidad que nos mostraba el medir con este instrumento, usamos el eclímetro, y aun que tuvimos que realizar prolongaciones, y con algo de dificultad se consiguió las siguientes medidas:

29.5

10.4



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Calculo de la 'Sn y de la Altura especifica (H)

Para una turbina de varios chorros se tiene que:

'S Sn n Z

En nuestro caso, por el conocimiento de sus especificaciones técnicas sabemos que la turbina está sometida al impacto de 2 chorros, por ello el Z=2. Entonces, el número específico de revoluciones de un chorro es:

' 19.274Sn mcv

Para poder calcular la altura neta es necesario conocer de antemano el nS y ubicar los parámetros de este en la tabla siguiente:

Sn 4-9 13 18 22 27 31-85

0.47 0.46 0.45 0.44 0.43 0.425

k 39.76 38.91 38.1 37.22 36.34 35.96

Como el Valor del Sn que calculamos no se encuentra explícitamente en el recuadro (27.257),

interpolaremos los valores para calcular los parámetros:

0.4278

36.169k Además contamos con las siguientes formulas experimentales

Diámetro de Rodete Cálculo de H (m) H promedio (m)

84.6D Hn

444.199

444.601 k

D Hn

445.003

n= número de revoluciones en rpm (514.29) Logramos calcular el parámetro H (altura neta)

444.601H m Calculo del diámetro de chorro (d) y el Caudal total (Q) Para dos chorros se tiene la siguiente relación:

2 2d d



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Con ello tenemos que:

16.428d cm

Que cumple con la siguiente restricción:

80 6

D Dd

1.85 24.72cm d cm

Con ello ya es posible calcular el siguiente parámetro importante que nos piden, el Caudal total, a través de la siguiente relación:

1/2

1/40.544

Qd

H

Despejando el caudal total se tiene que:

317.235 /Q m s

Calculo de las velocidades De las fórmulas constructivas del rodete pelton se sabe:

60u

nD

1 0.97 2C gH

Con estos datos calculamos directamente, la Velocidad de salida del chorro (C1) y la velocidad periférica (u) respectivamente:

39.95 /u m s

1 90.58 /C m s



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IV. COMPARACIÓN Y VERIFICACION DE RECULTADOS Después de calcular experimental y teóricamente los parámetros del rodete pelton de la UNAC-FIEE, compararemos que tan cercanos están los resultados reales con los calculados en el presente trabajo.

Parámetro Valor real Datos Calculados % error

H(m) 460 444.6 3.34%

Q(m3/s) 16.2 17.23 5.36%

nS 28.8 27.26 5.61%

V. COMENTARIOS El trabajo realizado fue realmente reconfortante ya que pusimos a prueba nuestra

capacidad de análisis tanto para los cálculos de los parámetros como para la medición de las partes de rodete, que en muchas ocasiones fueron realmente complicadas por la forma especial de la pelton.

El trabajo físico, que consistió en el contacto directo con la pelton, nos llevó a profundizar más acerca de nuestra carrera y a explorar los diferentes campos en el cual se desenvuelve. Sería interesante contar con otro rodete o realizar las medidas por ejemplo de un rodete de reacción, para así familiarizarnos más con las turbomáquinas y con consiguiente con los generadores y las centrales hidroeléctricas

VI. CONCLUSIONES Se demostró que es posible conocer los parámetros de un rodete pelton como el Caudal

total (Q) y la altura neta (H) a partir de su constitución física, logrado medir ciertas partes o regiones de este.

Los parámetros calculados experimentalmente no sobrepasan al 5.5% de los datos reales, por ello podemos decir la realización de este trabajo fue óptima.

Para poder realizar una correcta medición es recomendable realizar un plan de medición

antes de registrar las medidas, analizar el cómo medir y contar con los instrumentos de medición más apropiados con algunos ovejos de apoyo.

VII. BIBLIOGRAFIA

http://cybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/881/1/jimenez_rl.pdf

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

CAS%20SEIN.pdf

http://www.dspace.ups.edu.ec/handle/123456789/794 http://www.gilkes.com/user_uploads/gilkes%20hydro%20brochure%20-%20spanish.pdf

http://cybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/881/1/jimenez_rl.pdf

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

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http://www.dspace.ups.edu.ec/handle/123456789/794

http://www.gilkes.com/user_uploads/gilkes%20hydro%20brochure%20-%20spanish.pdf

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