INTRODUCCIÓN
Es importante determinar en qué
forma se está desempeñando una turbina, para ello es necesario conocer la forma
en que se pueden determinar sus curvas características en función a los RPM de
forma manual, ya que si se diera el caso de obtenerlas del fabricante, nosotros
también debemos Saber diseñarlas de forma manual, puesto que las curvas
proporcionadas son para una turbina nueva y no para una con varios años de
funcionamiento, por este motivo sus datos originales variaran y con esto sus
curvas. También es necesario conocer de qué manera se las interpreta para
darles un uso adecuado y no colocar una turbina en un sistema inadecuado que
representara una eficiencia menor a la esperada.
Una turbina hidráulica es la
máquina destinada a transformar la energía hidráulica, de una corriente o salto
de agua, en energía mecánica. Por lo tanto, toda turbina convierte la energía
del agua, manifestada bien en su forma depresión (energía potencial o de
posición) como en la de velocidad (energía cinética), en el trabajo mecánico existente
en un eje de rotación. La unidad TPC consta de una turbina PELTON (turbina de
acción) a pequeña escala, cuya utilización es idónea en saltos de gran altura y
caudales relativamente pequeños, y que en la práctica, se utilizan por ejemplo para
accionar alternadores sincrónicos, donde funcionan con un número de
revoluciones constante. Este equipo permite la determinación de las
características operativas de dicha turbina, determinación de las curvas de la eficacia
hidráulica, mecánica, obtención de potencia hidráulica, mecánica, etc.
PALABRAS CLAVE
RPM, turbina, depresión, eje de rotación,
caudales, revoluciones, curvas de la eficacia.
MARCO TEÓRICO
Las turbomáquinas son equipos
diseñados para conseguir un intercambio energético entre un fluido (que pasa a
su través de forma continua) y un eje de rotación, por medio del efecto
dinámico de una o varias coronas de álabes (Fijos Y/o móviles). Los nombres que
reciben las coronas fijas y móviles son, estator y rotor respectivamente. El
intervalo de aplicación de estas turbinas es el siguiente:
La eficiencia varía con el caudal
como se muestra en la siguiente ilustración:
Como se puede apreciar, para
caudales bajos la eficiencia de las turbinas Kaplan y Pelton es similar o
superior a la de la turbina Francis. Según va aumentando la relación de caudal
la eficiencia de las turbinas aumenta progresivamente, aproximándose las tres a
caudales elevados.
Cálculos Hidráulicos
3urante la acción que el fluido
practica en el conducto de sección variable en movimiento rotatorio constante
(turbina), las expresiones que tienen los parámetros fundamentales M, N y η pueden comprobarse dependiendo
de las condiciones. Todas estas magnitudes están expresadas dependiendo de las
magnitudes experimentales o parámetros conocidos. Hay que recordar que la
energía total que tiene el fluido en la entrada de agua viene determinada por
la expresión:
De todas formas, considerando que
el lugar donde está situada la presión del transductor de presión no
corresponde exactamente con la admisión de la turbina, la expresión anterior
debe corregirse. Use la igualdad:
Entonces:
Si los valores óptimos deben ser
determinados para los tres parámetros M, N y η, solamente es necesario derivar con respecto a la velocidad
angular w y encontrar las raíces de la derivada (i.e., dm/Dw = 0). Los
resultados obtenidos son los siguientes:
Obtenidos en el momento en que
las fuerzas de fricción producidas por la cinta de freno paran la turbina, es
decir, para w = 0
La potencia máxima se obtiene a una velocidad angular de:
Dado el siguiente Valor:
El rendimiento máximo de una turbina es obtenido para
una frecuencia dada
con un rendimiento esperado de:
Calculos
Mecanicos
Para obtener la potencia suministrada por la turbina, se
aplica la siguiente ecuación:
Mn = M W
Done el par viene Dado por: M = F r
siendo M la
medida de fuerza por la celda de carga y r el radio de la turbina. siendo la
velocidad angular W= n π/30 ; Con n
(rpm.) para ambas expresiones:
Así pues, la potencia mecánica se expresa dependiendo
de la variable medida por el equipo con parámetros conocidos.
MICROTURBINAS
PELTON
Este tipo de turbina fue creada y patentada en 1889 por
el norteamericano Lester Allan Pelton. El principio de funcionamiento es
relativamente simple, ya que constituye una evolución lógica de la antigua
rueda hidráulica. Posee las mejores características para grandes alturas, y
desde luego es la única máquina capaz de funcionar con alturas superiores a
1.700 m. Son notables su suavidad de giro y su buen funcionamiento a carga
parcial. En la figura se muestra la disposición típica de una turbina Pelton. La
tobera lanza a la atmósfera un chorro de alta velocidad que incide sobre una
serie de cucharas o álabes montados en la periferia de una rueda. El par
ejercido por el impacto y la desviación del chorro provoca el giro de la rueda.
Una vez transmitida su energía a la rueda, el agua sale de los álabes a
velocidad relativamente baja y es dirigida hacia el canal de desagüe. Por
tanto, la turbina ha de estar colocada a suficiente altura sobre el nivel
máximo de crecida para asegurar el derrame libre.
En la turbina Pelton actual, 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. Encuentra justa aplicación la turbina Pelton, en aquellos
aprovechamientos hidráulicos donde la ponderación de la carga es importante
respecto al caudal. La velocidad especifica es baja, entre 10 y 60 en el
sistema métrico y entre 2 y 12 en el sistema ingles aproximadamente, siendo
preferibles valores centrales entre estos limites por razones del rendimiento,
el cual es del orden del 90% y se conserva bastante bien a carga parcial. Entre
las turbinas Pelton mas grandes instaladas hasta el momento se encuentran las
de Mont-Cenis (Alpes franceses) de 272000 HP cada una, bajo 870 m de carga.
Elementos constitutivos de Microturbinas Pelton
Una instalación típica de microturbinas Pelton consta
de los siguientes elementos:
1-. Codo de entrada
2-. Inyector: transforma la energía de presión en
energía cinética. La velocidad del chorro a la salida del inyector en algunas
instalaciones llega a 150 m/seg. y aún más. Consta de Tobera y Válvula de
Aguja.
3-. Tobera
4-. Válvula de Aguja
5-. Servomotor
6-. Regulador
7-. Mando del deflector
8-. Deflector o pantalla deflectora
9-. Corro
10-. Rodete
11-. Álabes o cucharas
12-. Freno de la turbina
13-. Blindaje
14-. Destructor de energía
A continuación se presenta un diagrama de una Turbina
Pelton
CLASIFICACIÓN DE MICROTURBINAS PELTON
Clasificación
de Microturbinas Pelton
La clasificación más general que puede hacerse de las
turbinas Pelton es en tipos de eje horizontal y tipos de ejes vertical
1-. Turbinas Pelton de Eje Vertical:
En este tipo de turbinas Pelton el numero de chorros
por rueda se reduce generalmente a uno o dos, por resultar complicada la
instalación en un plano vertical de las tuberías de alimentación y las agujas
de inyección. Este sistema de montaje encuentra aplicación en aquellos casos
donde se tienen aguas sucias que producen deterioros o notable acción abrasiva.
Con el eje horizontal se hace también posible instalar turbinas gemelas para un
solo generador colocado entre ambas, contrarrestando empujes axiales.
2-.Turbinas Pelton de Eje Horizontal:
En este tipo de turbinas Pelton se facilita la
colocación del sistema de alimentación en un plano horizontal, lo que permite
aumentar el numero de chorros por rueda (4 a 6); con esto se puede incrementar
el caudal y tener mayor potencia por unidad. Se acorta la longitud del eje
turbina-generador; se amenguan las excavaciones; se puede disminuir el diámetro
de rueda y aumentar la velocidad de giro, se reduce en fin el peso de la
turbina por unidad de potencia. Esto hace que la utilización de esta disposición
en turbinas Pelton sea más ventajosa que la disposición horizontal. Su
aplicación es conveniente en aquellos casos donde se tienen aguas limpias que
no produzcan gran efecto abrasivo sobre los alabes e inyectores, debido a que
la inspección y las reparaciones con este montaje se hacen más difíciles.
Por otra parte, las turbinas Pelton se clasifican
también en sencillas (un rodete y un chorro) y múltiples. Las turbinas Pelton
se multiplican por el número de chorros, llamándose Pelton doble, triple, etc.
Las turbinas Pelton séxtuples (1 rodete de eje vertical y 6 chorros) cayeron un
tiempo en desuso, por la complicación que entraña su duodécuple regulación (6
inyectores y 6 pantallas deflectoras y por tanto, 12 servomotores).
El rol de la
rueda y los álabes o cucharas en la turbina Pelton
El rodete o rueda Pelton, como se muestra en la figura,
esta constituido por un disco de acero con alabes periféricos en forma de doble
cuchara. Estos pueden estar fundidos en el disco en una sola pieza o
individualmente, sujetándose después al disco por medio de bulones. El diámetro
de la rueda suele ser grande, quedando determinado por la necesidad de instalar
el número requerido de álabes de dimensiones apropiadas y evitar al mismo
tiempo las salpicaduras. Por tanto, dependerá del diámetro del chorro; la
relación entre el diámetro de la rueda y el diámetro del chorro, suele oscilar
entre 10 y 14. Generalmente el montaje es horizontal resultando a veces
económico el montaje gemelo de dos ruedas Pelton, una a cada lado del alternador.
RUEDA PELTON
Por otra parte, la fundición por separado de disco y
alabes ha sido la forma mas tradicional, ya que no solo se facilita la
construcción (fundición, maquinado y pulido de piezas) sino que también hace posible
la reposición de cucharas averiadas por la erosión. Sin embargo, modernamente
se advierte una gran tendencia a fundir el disco y alabes en una sola pieza,
sobre todo cuando se trata de ruedas de alta velocidad especifica. Se consigue
con este procedimiento mayor rigidez y solidez; uniformidad en la resistencia y
montaje rápido. Para la misma potencia, las ruedas resultan mas ligeras.
Métodos modernos de fundición y de control de calidad (Magnaflux, Magnaglo,
ultrasonidos, etc.) permiten obtener piezas sin grietas ni fisuras en el
templado. El material de los alabes debe resistir a la fatiga, a la corrosión y
a la erosión. Cuando estas acciones son moderadas puede bastar la fundición de
grafito laminar. Si las condiciones de trabajo son mas drásticas debe
recurrirse al acero, al carbono aliado con níquel (0.7 a 0.1)-molibdeno (0.3).
Aceros con 13% de cromo y los aceros austeno-ferriticos (Cr 20, Ni 8, Mo 3)
presentan una resistencia extraordinaria a la cavitacion y la abrasión. El
material del disco de la rueda es de acero fundido o forjado. El numero de
alabes suele ser de 17 a 26 por rueda, dependiendo de la velocidad especifica
de la turbina. Para alta velocidad especifica el numero de alabes es menor. En
efecto, para una rueda de un diámetro determinado por una carga y una velocidad
de giro si la velocidad especifica es alta es que el gasto es grande, lo exige
alabes mayores, y por tanto caben menos en la misma periferia de la rueda. El
espacio requerido por alabe suele estar entre 1.4 do y 1.6 do, siendo do el
diámetro del chorro. El valor del coeficiente depende de la alta velocidad
especifica por chorro. Para una alta velocidad especifica del chorro, el
coeficiente será menor. El numero de alabes z será pues
pi Dp
z =____________________________
(1.4 o 1.6)do
siendo Dp el diámetro de la rueda Pelton medida al
punto central de incidencia del chorro.
ALABES PELTON
Turbinas
Pelton y el número específico de revoluciones
Todas las turbinas hidráulicas geométrica-mente semejantes tienen un mismo número específico de revoluciones, ns, siendo:
ns=n Nu^1/2 Hn^-5/4
con
n= revolución por minuto
Nu= potencia útil
Hn= salto neto
Las turbinas Pelton cuyo ns es pequeño se llaman lentas
y aquellos cuyo ns es grande se llaman rápidas. En efecto, la ecuación anterior
demuestra que de dos turbinas de la misma potencia y el mismo salto neto, la
que tenga un ns más pequeño girará más lentamente: dicha turbina es más lenta
que la otra. Sin embargo, la misma ecuación demuestra que el término lento o
rápido no se refiere al r.p.m. real de la máquina. En efecto, si dos turbinas
Pelton de ns pequeño y grande respectivamente giran a la misma velocidad n y
tienen la misma potencia Nu, la turbina llamada lenta (aunque en este caso gira
al mismo r.p.m. que la rápida) requerirá un salto mayor(para óptimo
rendimiento) que la turbina llamada rápida. O bien, la misma ecuación demuestra
que si estas dos turbinas giran al mismo número de revoluciones y trabajan en
el mismo salto neto, la turbina rápida tendrá que desarrollar mayor potencia y
por tanto, deberá absorber mayor caudal, porque la altura neta es la misma
(para óptimo rendimiento) que la turbina lenta.
VIDEOS DE LOS
PROCEDIMIENTOS REALIZADOS
https://youtu.be/PUat1nn6eCI
ANÁLISIS Y RESULTADOS
CONCLUSIONES
- El torque y la velocidad angular crecen con el aumento de área de salida del liquido, y la potencia crece mucho mas rápido que el torque si se aumenta el área de salida.
- Se establecieron las curbas de desempeño de la turbina penton, utilizando el banco de pruebas ubicado en el laboratorio de mecánica de los fluidos.
- se determino la eficiencia de la turbina utilizando la ecuación de reducción de datos.
- Compare las curvas determinados experimentalmente con las previstas en el manual.
BIBLIOGRAFÍA
- ftp://ftp.ehu.es/cidirb/profs/inppebei/ejercicios_10_11.pdf
- http://www.academia.edu/15330583/GUIA_TURBINA_PELTON
- http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/maquinashidraulicas/turbinas/turbinas.html
