Informe de Proyecto de Turbina Pelton

Universidad Nacional de Trujillo Facultad de Ingeniería

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DISEÑO Y CALCULO DE UNA TURBINA PELTON

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Resumen. Una turbina Pelton es uno de los tipos más eficientes de turbina hidráulica. Es una turbomáquina 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. 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. En este trabajo, con base en la selección de los instrumentos de conocimiento la matemática, la teoría de una turbina Pelton, su adecuación y su almacenamiento en Excel se crea el software que opera en el sentido de calcular virtualmente turbinas de una manera simple y versátil. Esto implica que los resultados no han sido validados experimentalmente. Aquí se presenta, sin embargo, un estudio explicativo con base en los objetivos propuestos, pues una vez analizada e interpretada la información teórica seleccionada referente al problema de base, se le da sentido a través de la elaboración de un software para el diseño y cálculo de una turbinas Pelton, que garantiza la presentación de una propuesta tecnológica que beneficia a: la comunidad usuaria, al sector energético comercializador y a las empresas que construyan turbinas Pelton. Finalmente, el trabajo „Diseño y cálculo de una turbina Pelton‟ alcanza como resultados específicos: los planos básicos de todas las piezas del inyector, los planos de la cuchara y sus perfiles transversales, los planos del rodete, los planos del eje del volante y los planos del eje de la turbina y los resultados matemáticos de velocidad del chorro a lasalida del inyector, Diámetro Pélton, RPM, Ns, Nq, diámetro del chorro y potencia.

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Índice Analítico I. Generalidades 1.1 Introducción o presentación. 1.2 Objetivos. 1.3 Identificación de las aplicaciones o utilización de la máquina hidráulica. II. Recopilación de Información 2.1. Descripción de partes y/o componentes. 2.2. Operación y/o funcionamiento de la máquina hidráulica. 2.3. Fotos, imágenes, planos y/o esquemas reales de la máquina y componentes diseñados en instalaciones de la industria. III. Fundamento y Justificación Teórica 3.1 Algoritmo de diseño de la máquina hidráulica. 3.2 Consideraciones pertinentes adicionales al diseño. 3.3 Disertación de Aspectos referentes al diseño propuesto en 2.1-2.2. IV. Desarrollo e innovación tecnológica: a. Cálculo de dimensiones de componentes y parámetros del flujo. b. Elaboración/acopio de software o programa para el cálculo de componentes y simulación de su funcionamiento. c. Especificaciones del diseño final (planos, piezas 3D, simulaciones, manuales de operación, montaje, mantenimiento, etc.) d. Diseño e implementación de sistemas o bancos de ensayo para su estudio experimental. Investigación 4.1 Consideraciones desfavorables o fallas que se presentan durante el funcionamiento. 4.2 Metodología de tratamiento de las variables o parámetros de operación a ser investigados para optimización de la máquina o solución de las posibles fallas. 4.3 Curvas de ensayo o resultados de investigaciones experimentales o simulación. V. Conclusiones. VI. Sugerencias o recomendaciones. VIII. Anexos. IX. Referencias Bibliográficas. (citar libros, textos, artículos, páginas web, blogspot, etc.)

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I.

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Generalidades

Las definiciones y conceptos que a continuación detallamos son básicas para el desarrollo de la presente tesis por lo cual hemos tenido que hacer uso de información bibliográfica y la Internet. 1.4 Introducción o presentación. 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 este proyectoestudiaremos las turbinas PELTON. La elaboración de este proyecto para el cálculo y diseño de una turbina que genere una potencia eléctrica deseada busca la vinculación de la comunidad académica como gestora de soluciones sociales hacia las comunidades que requieren formas de suministro de energía. A partir de la necesidad de producir máquinas hidráulicas, que generen energía mecánica, por parte de personas con conocimientos básicos; es decir, interesados en ocupaciones operativas, mas no preocupados por el trabajo táctico de ingenieros, o labores estratégicas desarrolladas por teóricos o creadores de ciencia, surge el interés de crear una herramienta que facilite la elaboración del diseño y cálculo de turbinas Pelton

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1.5  

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Objetivos. (Lo que se quiere lograr: requisitos y resultados)

Objetivo General “obtener cálculos de una turbina Pelton” Objetivos Específicos  Conocer tipos y funcionamiento de Turbinas Pelton.  Determinar la potencia que desarrollara la turbina y contrastarla con la turbina de un caso real en la central hidroeléctrica del MANTARO. 1.6

Identificación de las aplicaciones o utilización de la máquina hidráulica.

ENERGÍA HIDRÁULICA Un hidrosistema requiere de un caudal de agua y una diferencia de altura (conocida como “Salto”) para producir energía potencial. La producción de energía hidráulica se trata de un sistema de conversión de energía, es decir se toma energía en la forma de caudal y salto y se entrega energía en forma de electricidad o energía mecánica en el eje de una turbina. Ningún sistema de conversión puede entregar la misma cantidad de energía útil que absorbe, pues una parte de la energía se pierde en el sistema mismo en forma de fricción, calor, ruido, etc. Salto de agua o distancia vertical del agua

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Potencia de entrada es la potencia total disponible, Potencia útil entregada es la potencia neta, Le eficiencia total del sistema es representada por, La potencia disponible se la obtiene con el salto disponible

, y el caudal.

(1.1) Donde el salto está en metros y el caudal en meros cúbicos por segundo.

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APLICACIÓN DE LA TURBINAS PELTON Existen turbinas Pelton de todos los tamaños. Hay turbinas de varias toneladas montadas en forma vertical sobre cojinetes hidráulicos en las centrales hidroeléctricas. Las turbinas Pelton más pequeñas, solo de unos pocos centímetros, se usan en equipamientos domésticos. En general, a medida que la altura de la caída de agua aumenta, menor volumen de agua puede generar la misma potencia. La energía es la fuerza por la distancia, y, por lo tanto, presiones más altas pueden aplicar la misma fuerza con menor caudal másico. Cada instalación tiene, por lo tanto, su propia combinación de presión, velocidad y volumen de funcionamiento más eficiente. Usualmente, las pequeñas instalaciones usan paletas estandarizadas y adaptan la turbina a una de las familias de generadores y ruedas, adecuando para ello las canalizaciones. Las pequeñas turbinas se pueden ajustar algo variando el número de toberas y paletas por rueda, y escogiendo diferentes diámetros por rueda. Las grandes instalaciones de encargo diseñan el par torsor y volumen de la turbina para hacer girar un generador estándar. Las instalaciones de Turbinas Pelton descritas pueden construirse localmente con buenos resultados. Se describen métodos diferentes y materiales diversos para la construcción de las cucharas en las ruedas así como para diferentes modelos de toberas y del mecanismo regulador. Varios impedimentos limitan el nivel de aplicación para Turbinas Pelton de fabricación local. Por ejemplo, con caídas muy altas pueden surgir problemas en la poza de abastecimiento. Aquí, no sólo es importante la presión estática, pues, pueden presentarse ondas de presión cuando se lleva el conducto, o cuando la turbina arranca ó es regulada. Esto puede traer consecuencias desastrosas, caídas altas también implican alta velocidad de rotación que puede causar problemas en el rotor debido a fuerzas centrífugas aunadas a fuerzas dinámicas. Las ruedas más grandes se hacen para mayores niveles de descarga usualmente, lo que requiere toberas y cucharas más grandes. Sus niveles de aplicación deben estar dentro de los siguientes límites estrechos (Ver Anexo 03.) Estos límites no son obligatorios; pero, pueden ser tomados como sugerencias teniendo en cuenta las condiciones locales para fabricación, tales como disponibilidad de materiales y fundiciones, equipos de prueba y otros. En comparación con lo dicho sobre las últimas mejoras de las Turbinas Pelton, estos límites restringen considerablemente el nivel de aplicación de las Turbinas Pelton. Pero, aún así, abren un campo nuevo é interesante para la fabricación local de las mismas.

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II.

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RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN 2.4. Descripción de partes y/o componentes.

TURBINAS PELTON Las turbinas Pelton, se conocen como turbinas de presión por ser ésta constanteen 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. ACCESORIOS DE LAS TURBINAS PELTON. El elemento principal de toda turbina hidráulica es el rodete mismo. Sinembargo, el rodete por sí solo no puede hacer mucho, requiere de ciertos accesorios, ya sea para la distribución, direccionamiento, control etc.

RODETE Consta de una rueda con cucharas alrededor, a las que podemos llamar también alabes, sobre las que actúa el chorro inyector. El tamaño y número de alabes dependen de las características de la instalación y de la velocidad específica ns. Cuanto menor sea el caudal y mayor la altura del salto, menor será el diámetro del chorro. Las dimensiones de los alabes vienen ligadas directamente por el diámetro del chorro.

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Cada vez que va a entrar un alabe en el campo de acción del chorro sufriría un rechazo, por lo que a esta se le practica un hueco de aproximadamente un 10% mayor a diámetro del chorro. Un alabe tiene forma elíptica dividida por una cresta afilada en dos partes simétrica. Al estar dividido en dos la componente axial de la fuerza se contrarresta y de esta forma no sufren los cojinetes. La longitud del alabe es de 2.1 veces el diámetro del chorro y la anchura del alabe es de 2.5 veces el mismo diámetro.

fig1.3 rodete Pelton

ALABES

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También llamados, cucharas, son piezas de bronce o de acero especial para evitar, dentro de lo posible, las corrosiones y cavitaciones. 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 y situada centralmente en dirección perpendicular hacia el eje, de modo que divide al alabe en dos partes simétricas de gran concavidad cada una, siendo sobre dicha arista donde incide el chorro de agua. Fig. 1.4. – Detalles de un alabe

DISTRIBUIDOR DE LA TURBINA Está constituido por uno o varios equipos de inyección de agua. Cada uno de dichos equipos, formado por determinados elementos mecánicos, tiene como misión dirigir, convenientemente, un chorro de agua, cilíndrico y de sección uniforme, que se proyecta sobre el rodete, así como también, regular el caudal preciso que ha de fluir hacia dicho rodete. Fig. 1.5 - Esquema de un distribuidor. Inyector

INYECTOR

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El inyector es una tobera diseñada para reducir hasta los valores deseados el caudal, y con ello las pérdidas de carga en la conducción. Las pérdidas de carga se producen por la fricción (rozamiento) del fluido con la superficie de la tubería de conducción forzada. Las pérdidas de carga dependen de la naturaleza de las paredes internas de dicha conducción, del caudal, de la sección y de la longitud de las mimas. A mayor caudal o menor sección (aumento de la velocidad del fluido) aumentan las pérdidas de carga. A mayor longitud de la tubería mayor son dichas perdida. Si el caudal se hace cero la perdida de carga desaparece. Fig. 1.6. – Inyector rectilíneo.

Este dispositivo contiene una aguja de cierre, cuyo movimiento disminuye o aumenta la apertura de la boquilla y con esto el caudal. Se puede construir de acero inoxidable al níquel, esmerilada y pulida para reducir el rozamiento. El movimiento de esta aguja se logra mediante un mecanismo de control. Cuando disminuye la carga, hay que actuar sobre el caudal más rápidamente de lo que interesa a efectos del golpe de ariete. Un cierre rápido puede provocar una situación desastrosa. Para ello cada inyector lleva incorporado un deflector que intercepta el chorro inmediatamente parcial o totalmente, cerrando la aguja más lentamente y así no crear el golpe de ariete. Cabe señalar que el inyector cuenta con un deflector el cual desvía al chorro. Esto es muy útil en los casos en el cual ocurra una falla en el generador. Esta falla se traduce en una violenta aceleración de la turbina, pudiendo ésta entrar en resonancia y destruirse. El deflector desviaría el chorro, ayudando así a disminuir la velocidad del rodete.

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CARCASA DE LA TURBINA Es la envoltura metálica que cubre el inyector, rodete y otros elementos mecánicos de la turbina. Fig. 1.7. – Carcasa de una turbina Pelton de eje vertical.

Su misión consiste en evitar que el agua salpique al exterior cuando, después de incidir sobre los alabes, abandona a éstos. Dispone de un equipo de sellado, en las zonas de salida del eje, a fin de eliminar fugas de agua. Puede estar formado por un laberinto metálico dotado de drenajes, o bien por juntas de estanqueidad, prensaestopas, etc. Fig. 1.8. – Conjunto de una turbina Pelton.

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CAMARA DE DESCARGA Se entiende como tal la zona por donde cae el agua libremente hacia el desagüe, después de haber movido al rodete. También se conoce como tubería de descarga.

EJE DE LA TURBINA Rígidamente unido al rodete, y situado adecuadamente sobre 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 de cada grupo.

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2.5.

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Operación y/o funcionamiento de la máquina hidráulica. FUNCIONAMIENTO DE LA TURBINA PELTON

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 del inyector en forma de chorros libres, a una velocidad que corresponde a toda la altura 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 embalsamiento 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.

CENTRAL HIDROELECTRICA SANTIAGO ANTÚNEZ DE MAYOLO Breve Reseña Histórica. Por la década de los cuarenta, el sabio peruano Santiago Antúnez de Mayolo, inició sus investigaciones sobre el aprovechamiento de los recursos hídricos de la zona del Pongor en la sierra central del país. En 1945, luego de intensa investigación, Antúnez de Mayolo presentó el estudio para la explotación hidroeléctrica de la llamada primera curva del río Mantaro, en la provincia de Tayacaja, Huancavelica. Entre 1954 y 1961, se realizaron diversos estudios preliminares, a cargo de consultores de EE UU, Japón y la República Federal Alemana, quienes confirmaron el planteamiento de Antúnez de Mayolo.

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Es así que en diciembre de 1961 se crea la Corporación de Energía Eléctrica del Mantaro (CORMAN), empresa pública encargada de desarrollar y explotar el potencial hidroeléctrico del río Mantaro. La Corporación inicia sus funciones en 1963, realizando un estudio comparativo de las propuestas de diversas empresas internacionales. Como resultado, se resolvió iniciar negociaciones formales con el Grupo GIE Impregilo de Italia, las que se llevaron a cabo entre marzo y junio de 1966. El Contrato de suministro, construcción y financiamiento del Proyecto del Mantaro se firma el 1 de setiembre de 1966, comenzando a llegar los equipos para la construcción, entre enero y junio de 1967, con lo que se iniciaron las obras civiles. Dichas obras deberían de comenzar por los trabajos que permitieran viabilizar el complejo en la zona. Un aspecto importante de estos trabajos, lo constituyó la construcción de nuevos caminos que permitieron transportar los materiales y equipos necesarios. Asimismo, la mejora de los caminos existentes, permitió que estos soporten el paso de material pesado requerido. Se tuvieron que construir grandes campamentos en Mantacra, Villa Azul y Campo Armiño, con el objeto de albergar a los miles de trabajadores que laboraron en la obra. Estos campamentos llegaron a albergar hasta 10,000 personas entre trabajadores y familiares. En la segunda etapa del proyecto se instalaron cuatro grupos generadores adicionales a los tres ya existentes y se aumentaron dos tuberías de presión, con lo que se logró alcanzar una potencia total de 798 MW. Esta etapa se inauguró el 1º de Mayo de 1979. Cinco y medio años después, el 10 de Noviembre de 1984, se inauguró la tercera y última etapa del Proyecto Mantaro, consistente en la Central Hidroeléctrica Restitución. Esta etapa aprovecha las aguas turbinadas provenientes de la central Santiago Antúnez de Mayolo para generar, a través de esta segunda central ubicada en cascada, 210 MW adicionales, con los que se completan 1008 MW en todo el complejo. Han pasado más de 36 años desde que se iniciaron las obras del Proyecto Mantaro y aunque las obras principales han concluido, se continúan realizando obras de afianzamiento hídrico en la cuenca del río Mantaro y otras obras de mejoramiento del sistema, con el fin de garantizar un buen servicio y llevar más energía eléctrica y con ella el progreso a los muchos pueblos del país. Las obras del Proyecto Mantaro fueron realmente espectaculares por lo agreste de la geografía y el duro clima reinante en la zona. Más de una víctima cobró este proyecto en su realización y aún hoy, al recorrer las instalaciones del complejo, uno siente el estremecimiento propio de apreciar las grandes obras del género humano.

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RESUMEN EJECUTIVO DE LA CENTRAL HIDROELECTRICA. ELECTROPERU S.A. y ENERGIA, ha elaborado el presente informe que incluye los resultados del “Servicio de Medición de la potencia efectiva del Complejo Hidroeléctrico del Mantaro”. Las unidades evaluadas fueron los siete grupos de la central hidroeléctrica Santiago Antúnez de Mayolo (SAM) y los tres grupos de la central hidroeléctrica Restitución (RON), ambas con turbinas Pelton, ubicadas en la Provincia de Tayacaja, departamento de Huancavelica. Se procedió a la determinación de la potencia efectiva de las centrales hidroeléctricas. En el Cuadro N°1, se presenta los valores obtenidos de los Ensayos. Cuadro N°1 Potencia Efectiva y Altura Neta de las Centrales Hidroeléctricas Del Complejo Hidroeléctrico del Mantaro Central Descripción Unidades Hidroeléctrica Santiago Antúnez Potencia efectiva MW de Mayolo Altura Neta m Promedio Restitución Potencia efectiva MW Altura Neta m Promedio

Valor medio 632.77 727.8 209.38 248.43

Todos los parámetros medidos durante el ensayo para determinar la potencia efectiva se mantuvieron en condiciones estables; asimismo las temperaturas registradas en los cojinetes fueron aceptables. Los valores de potencia registrados durante el ensayo de la Central Hidroeléctrica Santiago Antúnez de Mayolo, oscilaron en el rango de -0.28% a +0.22% y en la Central Hidroeléctrica Restitución, oscilaron en el rango de -1.73% a +1.59, respectivamente. DESCRIPCION DE LAS CENTRALES HIDROELECTRICAS DEL COMPLEJO HIDROELECTRICO MANTARO Ubicación El Complejo Hidroeléctrico del Mantaro está ubicado en la Localidad de Campo Armiño, distrito de Colcabamba, provincia de Tayacaja , Departamento de Huancavelica a 12°21´Latitud Sur y 74°35´Longitud Oeste, a una altitud de 1,840 m.s.n.m.; Se encuentra a una distancia de 160 Km, vía terrestre al Sur-Este de la ciudad de Huancayo y a 480 Km. Al Este de la ciudad de Lima.

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Características El complejo Mantaro se clasifica como una Central Hidroeléctrica de agua embalsada, donde se realiza la captación a un nivel máximo de 2,695 m.s.n.m. los caudales captados son del orden de 96 m3/s para máxima generación; está constituida por dos Centrales Hidroeléctricas de alta presión en cascada la primera es la Central Hidroeléctrica Santiago Antúnez de Mayolo (SAM) que aprovecha el agua embalsada del rio Mantaro y un salto bruto de 855 m., tiene siete grupos de generación con turbinas Pelton, la segunda Central Hidroeléctrica es la Restitución, que tiene tres grupos de generación también con turbinas Pelton las cuales aprovechan las aguas turbinadas de SAM y un salto bruto de 257 metros, el Complejo del Mantaro comprende las siguientes obras: Características de las maquinas generadoras de la C.H. SAM Turbinas: Fabricante: FRANCO TOSI-RIVA CALSONI Tipo = Turbina Pelton de eje vertical Altura de diseño = 850 - 820 - 780 metros Caudal de diseño = 16.64 - 16.34 - 15.78 m3/s Potencia = 123.530 - 117,00 - 107,500 kW Numero de chorros = 4 Velocidad Nominal = 450 RPM Velocidad de Fuga = 810 RPM Además se diferencian según el cuadro siguiente: Descripción Grupo Grupo Grupo Grupo Grupo N°01 N°2 N°3 N°4 N°5 Puesta en 1,973 1,973 1,973 1,973 1,973 servicio Matricula 2161 2162 2163 1302/1 1302/2 4665 4666 4667 4713 4714

Grupo N°6 1,973

Grupo N°7 1,973

1302/3 4715

1302/4 4716

Generadores: En la C.H. Santiago Antúnez de Mayolo, los Generadores tienen características técnicas siguientes: Fabricante = ANSALDO - MARELLI Tipo = Generador Síncrono ATBM – 16 - 120000 Potencia Nominal = 120,000 KVA Factor de Potencia = 0,95 Tensión Generador = 13.80 ± 5% kV Corriente Generador = 5,022 ± 5% Amp. Tensión de Excitación = 234 Volt. Corriente de Excitación = 892 Amp. Frecuencia Nominal = 60 Hz Velocidad Nominal = 450 RPM

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las

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Velocidad de Fuga = 810 RPM Numero de Polos = 16 Numero de Fases =3 Conexión = Estrella Aislamiento Estator =F Aislamiento Rotor =F Forma Constructiva = IM8425 Norma = IEC Operación = Servicio Continuo Relación de corto Cto. = 1.05 ± 10 % Nota: De los 7 generadores cuatro cuentan con sus números de serie, son los siguientes G4 1779; G5 1780; G6 1781; G7 1782 Características de las maquinas generadoras de la Central Hidroeléctrica Restitución Turbinas: Fabricante =FRANCO TOSI-RIVA CALSONI Tipo = Turbina Pelton de eje vertical Altura de diseño = 257 - 255 - 247 metros Caudal de diseño = 32.11 - 32.00 - 31.48 m3/s Potencia = 72.730 - 71,980 - 68,530 kW Numero de chorros = 6 Velocidad Nominal = 200 RPM Velocidad de Fuga = 345 RPM Además se diferencian según el cuadro siguiente: Descripción Puesta en servicio N° Serie

Grupo N° 01 1979 554

Grupo N° 02 1979 553

Grupo N° 03 1979 552

Generadoras: Fabricante = ANSALDO – MARELLI Génova- Italia Tipo = Generador Síncrono ATBM – 36 - 82500 Potencia Nominal = 82,500 KVA Factor de Potencia = 0,85 Tensión Generador = 13.80 ± 5% kV Corriente Generador = 3,452 ± 5% Amp. Tensión de Excitación = 280 Volt. Corriente de Excitación = 1,030 Amp. Frecuencia Nominal = 60 Hz Velocidad Nominal = 200 RPM Velocidad de Fuga = 345 RPM Numero de Polos = 36

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Numero de Fases Conexión Aislamiento Estator Aislamiento Rotor Norma Operación

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=3 = Estrella =F =F = IEC = Servicio Continuo

2.6. Fotos, imágenes, planos y/o esquemas reales de la máquina y componentes diseñados en instalaciones de la industria.

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III.

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Fundamento y Justificación Teórica

La Turbina Pelton se caracteriza por el hecho que la presión del fluido no varía a lo largo de la rueda o sea el grado de reacción es cero y por esto la rueda Pelton se define también como rueda de "acción". Para analizar el principio de funcionamiento consideramos una cuchara en movimiento traslatorio uniforme, con velocidad igual a la velocidad periférica del punto mediano del perfil cortante: además, se considera el campo de velocidad como plano. 

Indicamos con U la velocidad de traslación de la cuchara. En base a la forma del campo 



de velocidad resulta que el ángulo “2” formado por V r2 y U mayor que el ángulo “2c” 

formado por la tangente al borde de salida de la cuchara y la dirección de U (Ver Figura 2.10). (Vr2)A ß2

Vr1

(Vr2)B

Figura 2.10: Cuchara en movimiento traslatorio uniforme Consideramos una referencia inercial solidaria con la cuchara en movimiento traslatorio uniforme y aplicamos la ecuación de la cantidad de movimiento con respecto a un volumen de control que pertenece a dicha referencia. El volumen de control está individualizado por la línea de raya y por la superficie de la cuchara en contacto con el fluido. Tenemos: 

Rf 

Qmr 2

Qmr   V r2   2  A

  V r2   QmrVr 1  B

(3)



R f : Es la resultante de todas las fuerzas externas que se ejercen sobre el fluido contenido dentro del volumen de control.

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Qmr: Es el caudal másico "relativo". 

Por la simetría del campo de velocidad R f tiene la misma dirección de la velocidad 

U . Podemos escribir:      R f  F    F 2  , Siendo  



F la fuerza resultante debida

a

la

presión



atmosférica

y

F 2 la

fuerza resultante que el fluido ejerce sobre la pared de la 

cuchara. Indicamos con F 3 la fuerza resultante debido a la presión atmosférica que se ejerce sobre la superficie de la cuchara no en contacto con el fluido. Por resultar:        F 1   F 3 , Podemos escribir: R f   F3  F2   F3  F2    



F2  F3 es la fuerza resultante

Ahora



Rc que se ejerce sobre la cuchara, así que

tenemos: 



R f   Rc Entonces, por la ecuación de la cantidad de movimiento resulta:         Vr   Vr2   2      B  A Rc  Qmr V1   2 2                    U Vr2  U Vr2  U   U  A  B Rc  Qmr V1 .  .  .  U 2 U 2 U  U     



(4)

(5)



U   U Rc .  Rc ; Vr1 .  Vr1 U U

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Figura 2.11: Esquema de Vectores de velocidad. De la figura 2.11       V r2  V r2   A U  B U .  .  Vr Cos 2 2 U 2 U       Vr2  Vr      Rc  Vr1  cos  2    cos  2 Qmr  Vr1   Vr2  cos  2 Qmr   2 2    

Basándonos en la ecuación del movimiento relativo tenemos:

Vr1 2  Vr2 2 2



Wr 0

(6)



Por ser W r  0 resulta Vr2  Vr1 Pongamos:

Vr2   Vr2  Vr1 Vr1 

Entonces R c  Vr1   Vr1 Cos 2 Qmr  Vr1 1   Cos 2 Qmr Indicamos con V1 la velocidad absoluta del fluido antes de la rueda. Tenemos

Vr1  V1  U  .

Vi  2gH

Definimos como velocidad ideal (absoluta) del chorro la:

y pongamos:

V1    V1  Vi Vi Tenemos:

Vr1  Vi  U ; Rc  Qmr 1 Cos 2 Vi  U 

La fuerza

resultante

que

se

ejerce

sobre la cuchara

caudal másico que ingresa a la cuchara es:

por

cada

Rc 1   cos  2 Vi  U  Qmr

unidad

de (7)

La potencia que el fluido cede a la cuchara es:

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Rc .U  Qmr 1   cos  2 Vi  U U

(8)

El trabajo que el fluido cede a la cuchara por cada unidad de peso que ingresa a la cuchara es:

Rc .U 1  1   cos  2  . Vi  U U gQmr 8 Volvemos

ahora

a

la

rueda

(9)

Pelton.

Podemos considerar la expresión:

1 1   cos  2 . Vi  U U (10) como el trabajo que el fluido cede a la rueda por cada g unidad de peso que ingresa a la rueda, así que podemos escribir: 

We

1 1   cos  2 . Vi  U U g

(11)

Claramente el trabajo que el fluido cede a la rueda en la unidad de tiempo es

  W t . .Qu , siendo ahora Qu el caudal absoluto del chorro.   En 

el

caso

de

la

turbina

Pelton

resulta

Qu  Qnv  1 ,

entonces



Wt  W  ni H La fuerza resultante que se ejerce sobre la rueda es tangente a la circunferencia descrita por el punto mediano del perfil cortante de la cuchara. Ahora podemos escribir la expresión:

1   cos  2 . Vi  U 

Como la fuerza resultante por cada unidad del caudal

másico que ingresa a la rueda, de tal manera que la fuerza resultante es igual a:

Qp 1   cos  2  . Vi  U 

(12),

Y el momento es igual a:

D Q1   cos  2  . V1  U  2

(13),

Siendo "D" el diámetro de la circunferencia ya mencionada.

TEORÍA PARA EL DIMENSIONAMIENTO

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VELOCIDAD Y DIÁMETRO CIRCULAR MÁXIMO DE ATAQUE El producto de la velocidad (RPM) y el diámetro circular máximo de ataque (DCMA) de una Turbina Pelton es constante, para un tope (rendimiento) dado. Así, con una caída dada y el DCMA indicará un cierto número de revoluciones de la turbina. A menudo, la velocidad de la turbina está dada por las RPM requeridas por el mecanismo impulsado, sea un generador o cualquier otro equipo final. Con un rendimiento real pueden ajustarse la RPM cambiando el diámetro de la rueda. Otra posibilidad es la de no operar la turbina en su velocidad óptima. Se tienen casos que para un DCMA dado, la velocidad de la rueda puede ser considerablemente diferente de la velocidad óptima sin que tenga una gran influencia en la eficiencia de la turbina permitiendo así al fabricante diversos DCMA estandarizados. En el caso en que la velocidad es 16% más baja que la óptima, tan sólo significaría una pérdida de eficiencia del 3%. Para un determinado tamaño de las cucharas, el DCMA debe mantenerse dentro de ciertos límites. El diámetro mínimo de la rueda resulta del hecho de que deben instalarse no menos de 16 cucharas y también de la fuerza centrífuga permisible aplicada a las mismas. El diámetro máximo de la rueda no es un problema mayor porque normalmente se requiere una alta RPM. Principalmente consideraciones de índole económica limitan el tamaño del rotor porque una rueda grande también significa un gran número de cucharas y una carcasa grande. La velocidad en vacío de una Turbina Pelton es entre 1.8 y 1.9 la velocidad normal. A velocidad libre el aro ..gira casi a la velocidad del inyector de agua, y la misma ya no puede transferir energía al rotor. Este es el caso cuando no hay carga en la turbina. EFICIENCIA La eficiencia () de las Turbinas Pelton pequeñas, de fabricación local, normalmente no es tan alta como en las grandes. Por consiguiente se recomienda calcular los parámetros de la turbina con una eficiencia entre 0.70 y 0.85. Esto puede arrojar una eficiencia entre 0.5 y 0.6 para una instalación con un generador eléctrico. En varias instalaciones ha quedado demostrada la conveniencia de calcular estas eficiencias. Tratándose de eficiencias bajas deben considerarse la caída y la descarga para obtener, la energía requerida. Hay muchos factores que pueden influir en la eficiencia de las Turbinas Pelton, tales como la disposición geométrica de las cucharas, forma de las mismas, errores de fábrica, desalineamiento del chorro, fricción del desaguador y empaquetaduras. Un diámetro de chorro menor que el óptimo, o una tobera parcialmente cerrada, no tienen una mayor influencia en la eficiencia, supuesto que el diámetro del chorro, no sea menor de un tercio del diámetro óptimo del chorro, o de un sexto de la descarga de agua, siendo posible una buena eficiencia en carga parcial.

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NÚMERO DE VUELTAS ESPECÍFICO (Nc) EN FUNCIÓN DE LOS PARÁMETROS DE FORMA.La Turbina Pelton puede tener más que un chorro. Claramente todos los chorros tendrán el mismo diámetro “d" y la misma velocidad V1. Indicamos con “Z” el número de chorros. Tenemos:

d 2

d 2

Z .V1  Z . 2 gH 4 4 QH Kg m3 CV ;    3 ; Q  ; H   m P  T

Q

75

P

m

 T  d 2 75

.

4

Z 2 g .H 1 / 2 .H 

s

 2 g 75 * 4

 T Zd 2 H 3 / 2

 *  * 2 g 1000 * 3.14 * 2 * 9.81   46 .36 75 * 4 75 * 4

P  46 .36 * T * Z *  * d 2 * H 1 / 2

(14)

Sea "D" el diámetro de la circunferencia tangente al eje del chorro.

U

 *n 60

*D  n 

60U U U ; Kp   D Vi 2 gH

Tenemos:

U  Kp * 2gH n

(15)

60 * Kp * 2 gH  *D

RPM 

46 .36  P1 / 2 60 * Kp  * 2 gH 1 / 2 * 5/ 4  *D H d 1/ 2 1/ 2 N c  576 *  T *   Z  * Kp  D

1/ 2

Nc  n



 Z  H 5/ 4

1/ 2

* d * H 

1/ 2

(16)

Para las condiciones de diseño, o sea máximo, podemos considerar los siguientes valores:

las condiciones en que T es,

Kp  0.44  0.46;T  0.81  0.90;   0.97  0.98 Entonces resulta:

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1/ 2  d  N C  225  250 Z    D

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(17)

VALOR LÍMITE PARA (d/D).Si el diámetro "d" del chorro fuera demasiado grande con respecto al diámetro "D” de la rueda, entonces el tamaño de la cuchara resultaría demasiado grande con respecto a “D” y la manera de operar de la cuchara se alejaría del esquema teórico que hemos considerado y que resulta ser lo más favorable para el rendimiento. Consigue que se tiene que poner un límite al valor de (d/D) y normalmente se toma

d 1 D O sea d   D 10 10

(18)

NÚMERO DE CHORROS (Z).Con Turbina Pelton de eje vertical se ha alcanzado Z  4  5 (a turbina con eje vertical ofrece mayores posibilidades para la instalación de las tuberías y de las boquillas de regulación.) Pero hay que considerar que la turbina con eje vertical presenta el problema de proveer un adecuando sistema de superficies fijas que recojan y guíen el fluido que sale de la rueda para que no recaiga sobre la misma. La tendencia es hacia disposiciones sencillas, o sea turbina con eje horizontal y uno o al máximo dos chorros. DIMENSIONAMIENTO DE LOS ELEMENTOS DE LA TURBINA PELTON Las dimensiones fundamentales en una Turbina Pelton están determinadas por el diámetro del chorro. Dado el diámetro del chorro la mayoría de las demás medidas del rotor pueden obtenerse con el empleo de las fórmulas. El tamaño del diámetro del chorro determina el tamaño mínimo de las cucharas, que a su vez da el tamaño del rotor y de toda la turbina. En ciertos casos es posible instalar una turbina con mayor tamaño del requerido. Esto no reduce necesariamente la eficiencia total de la instalación de manera inadmisible si es que el sobre dimensionamiento se mantiene dentro de ciertos límites. Este puede ser el caso si se utiliza una turbina de segunda mano y si sólo se dispone del diseño de una turbina mayor ó si modificar los elementos de fabricación acarrearía gastos muy grandes. Para determinar el tamaño de una turbina deben conocerse dos de tres parámetros: Potencia (P), Caudal (Q) y Caída Neta (H). El tercer parámetro puede calcularse. La instalación de una Turbina Pelton es factible cuando todos estos parámetros están dentro de los límites descritos anteriormente. Cuando alguno de estos tres parámetros excede estos límites, es aún. a veces, posible instalar una Turbina Pelton; pero, se recomienda estudiar cuidadosamente las diferentes posibilidades. Tal vez pudiera instalarse una turbina con más de un chorro, o yendo al otro extremo, traer la turbina completa.

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La mayor dificultad en la fabricación de una Turbina Pelton es hacer las cucharas, porque si estos rompiesen rotando a alta velocidad sería muy peligroso. Esta es la razón por la cual a menudo es preferible adquirirlas de un fabricante acreditado. En este caso, o cuando las cucharas las hace un fabricante local experimentado, pueden elevarse los límites descritos, para Turbinas Pelton hechas localmente. En el caso de que el caudal estuviera por encima de los límites mencionados, o la caída se halle por debajo de ellos, se recomienda buscar un diseño alternativo de turbina. Empleando el Anexo 02, se puede determinar el diámetro del chorro por aproximación cuando se dan dos de los parámetros: Salto Neto (H), Caudal (Q) y Potencia Producida. El diagrama se basa en una eficiencia total de planta de 60 %. 3.4

Algoritmo de diseño de la máquina hidráulica.

 Potencia Ideal (Pi).

Pi   * Q * H  / 75 en CV  Dónde:  = 1000 Kg/m3 Peso Específico del Agua.  Número de vueltas específico Ideal (Nc1).

  1/ 2

Nc i 

N * Pi H 5/ 4

 Cálculo del Número de chorros (Z) y la relación d/D Número de chorros (Z) Donde los valores de  y Kp están:  Entre 0.97 - 0.98 Kp entre 0.44 - 0.46 Tomando:  = 0.97 y Kp = 0.45 Además la relación de d/D=l/10 como valor límite. 1/ 2 1/ 2 Si sabemos que Nc i  576 *  * Z * Kp d / D 

  N ci * D Entonces Z    1/ 2  d * Kp *  * 576 

2

Donde Z debe ser entero. Con este nuevo valor podemos calcular la nueva relación d/D.

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Entonces

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N ci d  1/ 2 D 576 *  * Z 1 / 2 * Kp

(37)

Este valor va sería el real.  Cálculo del diámetro del chorro “d" y del Diámetro tangente al chorro "D":





Como sabemos: Q  Z *  * d 2 / 4 *  * 2 * g * H  Entonces: d 

S = (0.75

Q*4

 * 2 * g * H 1 / 2 * Z * 

1/ 2

y D=1/d

(38) (39)

0.85) ( ̂ )

De la figura del triángulo, tenemos la siguiente fórmula: (

)

SE DESPEJA ̅̅̅̅̅̅̅̅ ̂ ̂ ̂ ( )( ̂ ) Y se encuentra en número de cucharas ( )(

)

Con este nuevo número de cucharas, se recalcula la distancia “S” que es la longitud de arco entre cuchara y cuchara, aplicando la 2ª fórmula:

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( )(

)

( )(

)

 Número de Cucharas: Cálculo de De (m) y Di (m) De= D + 2d Di= D - 2d

 Calculamos en forma empírica N°-C(Empírica)= [12+0.74(D/d)]  Recalculamos S* S*= ( * De) / 21  Espesor del Chorro a la salida de la cuchara Ech= [0.12 - 0.15] * d Asumimos el valor de 0.13 Ech = 0.13 * d  Trabajo W, Eficiencia Ideal i Eficiencia Total i y Potencia al Eje P. Tomar 2= 12º  = 0.88 Vi = (2*g*H)1/2 en m/s Vi=  Vi en [m/s]

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U= Kp*Vi en [m/s 1 =W / H1 (Solo para Turbinas Pelton) 1 = 0 * i * T = 0 * i (Solo para Turbinas Pelton) Se asume un rendimiento mecánico 0 promedio Tomando 0= 0.94 W =1/g*(1+*Cos2) * (V1-U) U Potencia al Eje P = 1 * P ¡  Velocidad de fuga Vfuga = [1.70 - 1.80]*U =1.75*U  Boquilla de regulación Área de la sección del chorro Ac= *d2/4  Cálculo del Área máxima de la boquilla. Amax= Ac/0.7 3.5

Consideraciones pertinentes adicionales al diseño.

Geometría del inyector Los inyectores de la turbina Pelton están formados por un codo de sección circular el cual decrece en forma progresiva, un tramo recto de sección circular donde se monta una aguja con cabeza en forma de bulbo y una boquilla que orienta el flujo de agua en forma tangencial al rodete. Además de la regulación con agua, generalmente se considera la regulación de caudal mediante un deflector. Esta regulación permite evitar riesgos de golpe de ariete, producto de un cierre brusco de la aguja. En la tobera se da lugar una fuerte aceleración, porque la velocidad del agua en la tubería que termina en el inyector suele ser del orden de 1 m/s para nuestro caso esta velocidad alcanza un valor de 1.19 m/s y la altura de presión en los saltos de gran altura característicos de las turbinas Pelton, la cual se transforma totalmente en altura dinámica en el inyector, suele ser muy elevada. Por lo que transporta arena y se produce erosión en la cabeza de la tobera y la punta de la válvula puede deteriorarse rápidamente. De aquí que se justifica la construcción de la tobera y la punta de la válvula de aguja en unidades separadas, para su fácil recambio, los materiales duelen ser de bronce o acero inoxidable.

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Diámetro de salida de la tobera. Para facilitar la regulación es conveniente diseñar el inyector de manera que exista proporcionalidad entre la turbina y la traslación x de la aguja medida a partir de la obturación total de la tobera. Suponiendo, como sucede en la realidad que Kc (coeficiente de velocidad de la tobera) no varía impresionablemente con el caudal, entonces la potencia será proporcional al caudal y éste a la sección de paso de la tobera normal al flujo. Tenemos que x es el avance de la aguja para que se cumpla la proporcionalidad deseada. Las dimensiones de la tobera están en función del diámetro del chorro, el cual se determina utilizando la fórmula:

En la presente tabla se puede observar las proporciones de dimensiones de la tobera en función del diámetro del chorro.

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RADIO DE CURVATURA DEL BULBO El radio de curvatura del bulbo ha de ser grande, a fin de evitar desprendimientos, el diámetro b del mismo suele hacerse de manera que:

El diámetro d de salida de la tobera se diseña, de manera que el diámetro máximo del chorro d se alcance cuando l sea

Los valores ordinarios o comunes que se construye el bulbo son La carrera del vástago de la válvula de aguja suele hacerse mayor que la necesaria para obtener el diámetro máximo del chorro, esto con el fin de obtener una reserva de potencia

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IV.

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Desarrollo e innovación tecnológica: a. Cálculo de dimensiones de componentes y parámetros del flujo.

PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO Determinación de los parámetros de diseño dimensionales y del flujo de la turbinas pelton: número específico ideal, potencia ideal, diámetro del chorro, número de chorros, diámetro del rodete, numero de cucharas, trabajo de euler, rendimiento total, potencia efectiva real, potencia eléctrica real. Obtenemos los parámetros iniciales de diseño: DATOS: Altura o Salto Neto (H) Velocidad de la Turbina (N) Caudal (Q).

:

850 m. :450 RPM. : 16.64 m3/s

VALORES ASUMIDOS Kp= 0,45 Φ = 0,98

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PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO a) Cálculo de Ni

Ni 

QH 1000(16.64)(850)  75 75

( Kgf ) N i  188586.6667CV b) Cálculo de nci

nci 

nN i H

5

1

2



450188586.6667

4

850

5

1

2

4

nci  42.5788 c) Cálculo de “z” y d / D Como primera aproximación tomamos d/D = 0.09, luego calculamos “z” mediante la relación:

 nci z 1  576 2 k d p  D

2

2    42 . 5788    1  2 0,450.09    576 0 , 98    

 

z  3.434 Redondeando z =4 ( 4 chorros ) 

Cálculo del valor definitivo de (d/D)

nci d 42 .5788   1 1 1 1 D 576  2 z 2 k 576 0,98  2 1 2 0,45  p d  0.083395667 D

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d) Cálculo de “d” y “D”

4 Q  1 d     z  2 gH 

1

2

 4 16.64  1     4 0,98 (2)(9,81)(850) 

1

2

d  0.2045m

como

d  0,08339 D

D

d 0,2045   2.465715 0,0833 0,0833

 D  2.46571m e) Cálculo del número de cucharas (Nº ch)

De  D  2d De  2.4657  2(0.2045) De  2.876974m Di  D  2d Di  2.4657  2(0.2045) Di  2.05445m

Luego: D = 2.4657m Di = 2.0544m De = 2.8769m 

Para hallar el ángulo

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θ Re

Re-d

A

`

B

Cos 

Re  d Re

Cos 

1.43845  0,2045 1.43845

’

  43.5877º Si ´ 2  87.1754 Luego : AB´ D.Sen  2 Re Sen AB´ 2.4657sen (43.5877º ) AB´ 1.068129m

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 Como : . AB´  ´Re  61.83  D  AB´   e   1.875790m 180  2   AB´ 1.875790m  kp  D   0,45  2.8769  Y , BB´   e  AB´  1.0681  D  0,98  2.4657   BB´ 0.5781m Entonces:

   AB  AB´ BB´  AB  1.8757  0.5781  AB  1.2976m

Ahora, tomamos en cuenta que:

 S  (0,75  0,85) AB

 S  0,80 AB  0,8(1.2976) S  0.43m

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D D N º ch  máx e ;12  0,74  d  S

De S



 (2.8769) 1.03809

12  0,74

9

D  2.4657   12  0,74   20,8733 d  0,2045 

 .... N º ch  máx9;20 .8733  Redondeamos y escogemos el máximo Nºch = 21cucharas. Finalmente calculamos la distancia entre 2 cucharas

De S f)

 21  S  0,43m

Determinación de β2 β2c :

S 

SD 0,43(2.4657 )  De 2.8769

S   0,368870 m

(Distancia entre cucharas en “D”)

Para el espesor del chorro de salida (0,12 – 0,15) d Ech = 0,13(0.20563) = 0.02673m Espesor de la cuchara a la salida E = 0,1d = 0,1(0.20563) E = 0.02056m. Hallamos los ángulos (Del gráfico)

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 2   2c  (2º 3º )  2c  10º  2  12º g) Cálculo de W , i , t , N

Vi  2 gh  2  9,81 850  Vi  129.1394 m s V1  Vi V1  0,97(129.1394)

 V1  125.2653 m s U  k pVi  0,45(125.2653)  U  58.1128 m s Cálculo de W : (para

W

  0,88 )

1 1  cos  2 V1  U U  1 1  0,88 cos12º 125.2653  58.112858.1128 g 9,81

 W  740.2143 J

N

Cálculo de  i

i 

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W 740 .2143   0,871 H 850

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Cálculo de  t

V  1

Asumimos  0  0,95

 t   0 i  0,950,871   t  0,827

Cálculo de N (potencia en el eje)

N   t N i  0,827188586.6667  N  156017.4273.CV h) Velocidad de fuga

V fuga  1,7  1,8U V fuga  (1,7)58.1128 V fuga  98.7917 m s

i)

Boquilla de regulación.

Ac 

d 2 4



 0.205632 4

 332.0952cm 2

 Ac  332.095cm 2 Amáx 

Ac 332.095  0,7 0,7

 Amáx  474.4218cm 2

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Rendimiento Hidráulico:

Altura de Euler:

( (

)(

)( )

)(

)(

)

Potencia eléctrica:

Pt=181043.2 cv

P eléctrica real GENERADOR

nGE =0.95 (

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)(

)

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DETERMINACIÓN DE LAS DIMENSIONES DEL INYECTOR, CARCAZA, CUCHARAS Y EJES.

DIMENSIONES DE LA TOBERA Y LAS AGUJAS:

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Donde: a = Diámetro máximo de la aguja. a0 = Angulo de la punta de la aguja. a1 = Angulo de la punta del inyector dt = Diámetro de las punta del inyector. x = Recorrido máximo de la aguja. dv = Recorrido máximo de la aguja. b = Longitud de la aguja. d2 = Diámetro mayor en la curvatura del inyector. l = Longitud del tramo recto del inyector. r = radio de curvatura del inyector. d1 = Diámetro del tramo recto del inyector.

Teniendo en cuenta que la sección de la salida del inyector d = 206mm a = (1.42 a 1.62)d = 1.50(206) .a = 309mm = 40° a 60° = 60° a 90° dt = (1.1 a 1.7)d = 1.2d . .x = (0.5 a 1.16)d = 1d dv = (0.58 a 0.6)d = 0.58d b = (3.25 a 7.3)d = 4d . d2 = (4.5 a 4.6)d = 4.55d l = (6.0 a 12.1)d = 7d r = (15 a 25)d = 20d d1 = (2.5 a 4.0)d = 3d .

. . dt =247.2mm .x = 123.6mm .dv = 119.48mm b = 824mm .d2 = 937.3 mm .l = 1442 mm .r = 4120 mm d1 = 412mm

DIMENSIONES DE LA CUCHARA EN FUNCIÓN DEL DIÁMETRO DE CHORRO Las dimensiones de la cuchara son proporcionales al diámetro de chorro. Las dimensiones de la cuchara se toma el valor d = 205 (diámetro del chorro del agua) B: ancho de la cuchara. L: longitud de las cucharas. D: profundidad de las cuchara. f: longitud de las cucharas desde el corte hasta el centro del chorro. M: ancho del corte de las cucharas. e: longitud radial del corte de la cuchara. l: longitud de la cuchara en la mitad de la misma. INGENIERIA MECANICA

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2c: ángulo de salida del agua de la cuchara. 1: ángulo de entrada del agua a la cuchara. 1: ángulo formado por las medias cucharas. 1: ángulo de la punta de la cuchara. J: espesor de las cucharas.

Dimensiones de la Cuchara: DIMENSIONES DE CUCHARAS DIA. DEL INYECTOR Di <1.42-1.63>B 3 <1.42-1.63>L 2.8 <1.42-1.63>D 0.9 <1.42-1.63>f 0.98 <1.42-1.63>M 1.02 <1.42-1.63>e 0.42 <1.42-1.63>l 1.62 18° 1<40°,60°> 12°  4°  10°  <1.42-1.63>J 0.12

CARCASA L B C D E

d B L D f M e l  2C (rad)  4 J

[mm] 206 618 576.8 185.4 201.88 210.12 86.52 333.72 18° 10° 4° 10° 24.72

[mm] 6.706568414 5.249358479 4.922466521 4.47559789 5.12459789

Parámetros de Dimensionamiento de la Turbina Pelton Construida

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N (rpm)

450

H (m)

850

Q

(m3/s)

16.64

Nci

42.68

Z

3.399

Z(Redondeado)

4

d (m)

0.2045

D (m)

2.4668

De(m)

2.8758

Di (m)

2.0578

Cuerda AB' (m)

1.478

Ángulo  (o)

30.93

Ángulo-  (En Radianes)

2.285

Arco AB'

1.552

Arco BB’

0.79

Arco AB

0.76

S

0.61

Nº-C

14.31

N°-C(Empírica)

20,93

Numero de cucharas

21

Sº

0.3688

Ech

0.0286

Vi (m/s)

129.14

V1 (m/s)

126.56

U (m/s)

58.11

W (J/N)

738.58

i

0.87

t N (cv)

0.83

Vfuga (m/s)

101.69

(m2)

0,0328

Ac

Ac (cm2) Amax

b.

TURBOMAQUINAS

(cm2)

155672.63

328 0.0469

Elaboración/acopio de software o programa para el cálculo de componentes y simulación de su funcionamiento.

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La elaboración de un software para el cálculo y diseño de turbinas Pelton que generen una potencia deseada. Busca optimizar el proceso de cálculo y diseño de una turbina Pelton, en un mínimo de tiempo, sin que el usuario tenga que verse comprometido, tanto en la elaboración de cálculos matemáticos; como tampoco, en la producción de planos concernientes a estas turbinas. Dentro del trabajo, la turbina Pelton, se brinda el software Excel, de turbinas Pelton” son los conceptos alrededor de los cuales se produce el diálogo teórico que facilita el proceso de formalización del conocimiento para hacer posible el diseño.

c.

Especificaciones del diseño final (planos, piezas 3D, simulaciones, manuales de operación, montaje, mantenimiento, etc.)

 Las dimensiones fundamentales en una Turbina Pelton está determinada por el diámetro del chorro. Dado el diámetro del chorro la mayoría de las demás medidas del rotor pueden obtenerse con el empleo de las formulas. El tamaño del diámetro del chorro determina el tamaño mínimo de las cucharas, que a su vez da el tamaño del rotor y de toda la turbina.  En ciertos casos es posible instalar una turbina con mayor tamaño del requerido Esto no reduce necesariamente la eficiencia total de la instalación de manera inadmisible si es que se ofrece dimensionamiento se mantiene dentro de ciertos límites. Este puede ser el caso si se utiliza una turbina de segunda mano y si solo se dispone del diseño de una turbina mayor o si modificar los elementos de fabricación acarraría los gastos muy grandes.  Para determinar el tamaño de una turbina deben conocerse dos de tres parámetros: Potencia (P), Caudal (Q) y la Caída Neta (H). El tercer parámetro puede calcularse. La instalación de una Turbina Pelton es factible cuando todos sus parámetros están dentro de los límites descritos anteriormente. Cuando alguno de esos tres parámetros exceden los límites, es aun, a veces posible instalar una Turbina Pelton; pero se recomienda estudiar cuidadosamente las diferentes posibilidades. Tal vez pudiera instalarse una turbina con más de un chorro, o yendo al otro extremo, traerá la turbina completa.  La mayor dificultad en la fabricación de una Turbina Pelton es hacer las cucharas, porque si estos rompiesen rotando a alta velocidad sería muy peligroso.  Esta es la razón por la cual a menudo es preferible adquirirlas a un fabricante acreditado. En este caso, o cuando las cucharas las hace un fabricante local experimentado, pueden elevarse los limites descritos, para Turbinas Pelton hechas localmente.  En el caso de que el caudal estuviera por encima de los límites mencionados, o las caídas se hallen por debajo de ellos, se recomienda buscar un diseño alternativo de turbina.

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 Empleando el Anexo 02, se puede determinar el diámetro del chorro cuando se dan dos de los parámetros: Salto Neto (H), Caudal (Q) y la Potencia Producida. El diagrama se basa en una eficiencia total de planta de 60%.

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO Para facilitar la operación y mantenimiento de la Turbina es conveniente tener instrucciones básicas y fáciles para el usuario, un juego de planos, una lista de repuestos así como llevar un diario (bitácora) de ocurrencias. Las Turbinas Pelton requieren poco mantenimiento. Si los cojinetes no tienen lubricación permanente sellada, estos deben engrasarse con regularidad. De vez en cuando debe verificarse el deterioro de las cucharas, del orificio y la salida de la tobera así como de la carcasa y de los puntos en que el agua la golpea. El mantenimiento periódico de rutina comprende la detección de filtraciones, inspección visual de todos los componentes, asegurándose de que todos los pernos estén bien seguros. La pintura debe retocarse a veces en los sitios donde aparecen oxidaciones, con el fin de prolongar la vida del material. Si hay empaquetaduras debe ajustarse el sello. Y las fajas deberán cambiarse de tiempo en tiempo. La toma de agua, la rejilla filtrante y la compuerta deben limpiarse de hojas, ramas y desechos. La fabricación de la Turbina debería ser bien realizada, si las etapas de construcción se han planificado cuidadosamente. El punto realmente importante es el alineamiento de la rueda, de manera que las divisiones de las cucharas estén centradas al eje de los chorros. Esto puede hacerse visualmente con la ayuda de alambres cruzados sobre las bridas de los inyectores de la turbina. Al mirar la línea media de las cucharas desde los alambres, el conjunto de la rueda y el eje se mueven para colocarse en una sola línea. Entonces, las chumaceras se colocan en la correcta posición lateral y angular. Es mejor ajustar con pines la posición de la tobera entre la brida y la carcasa así como también la posición de las chumaceras. Esto se hace en el taller al probar el montaje de toda la turbina. La tobera también se puede alinear insertando un pin en punta en el asiento de la misma. El pin se centra en el orificio y el asiento para el elemento regulador. Eventualmente, la posición de la rueda se ajusta hasta que la punta del pin señale la línea media de las cucharas. Si fuera necesario, la dirección del chorro se puede ajustar calentando la tobera con un soplete de soldar para doblarlo a la posición correcta.

d.

Diseño e implementación de sistemas o bancos de ensayo para su estudio experimental. (propuesta de construcción con tecnología actualizada)

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Plan de mantenimiento El plan de mantenimiento está previsto para conocer el estado actual y la evolución futura de los equipos principales de la central, obteniendo la máxima información de cómo el funcionamiento afecta a la vida de la turbina, del generador y del transformador, con el objetivo de detectar cualquier anomalía antes de que origine un grave daño y una parada no programada. Este plan de mantenimiento, complementado con el ordinario, se ha convertido en una herramienta fiable para asegurar la disponibilidad de los grupos. Básicamente consiste en la aplicación de las técnicas siguientes: Vibraciones y pulsaciones: Durante el funcionamiento de una central eléctrica el grupo turbina - generador está sometido a la acción de diferentes fuerzas perturbadoras; el identificar y evaluar las vibraciones y pulsaciones presentes en la unidad, separando aquellas que son propias del funcionamiento de la misma, de aquellas otras que tienen su origen en el funcionamiento anómalo de alguno de sus elementos se realiza mediante el estudio y el análisis de dichas vibraciones y pulsaciones. El proceso de seguimiento y diagnóstico se realiza en las fases siguientes:

Documentación: Se incluye el espectro base como punto de partida para determinar la aparición de problemas en el grupo, así como los planos y una hoja con los datos más significativos de la unidad. INGENIERIA MECANICA

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Conocimiento de la máquina: Las características constructivas y de funcionamiento determinan el tipo de posibles defectos y la vibración resultante de los mismos, lo cual hace necesario el conocimiento profundo de la máquina, de sus condiciones de funcionamiento y de los fenómenos asociados al mismo. Criterios de valoración: Una vez que un defecto ha sido localizado e identificado, se determina su grado de importancia; para la valoración se considera tanto el nivel como las características del mismo. El criterio para la evaluación se basa en la existencia de un banco de datos representativo así como en las medidas históricas de la unidad. Descripción del funcionamiento La operación y control de una turbina se realiza por medio de un control electrónico que se divide en las siguientes partes: abastecimiento de energía (protecciones de sobrecarga y distribución), controles y señales de supervisión de la bomba de aceite, botones de modo operacional, controles de apagado de emergencia y válvulas de seguridad, controles manuales y conexiones de seguridad para la válvula esférica y válvulas principales, así como para freno de emergencia y apagado del generador, y comandos y señales del generador de las bombas de aceite.

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Desde el panel se realiza toda la operación comenzando por el control de las bombas de aceite indispensables para el correcto funcionamiento de la turbina, esta siempre debe estar encendida así como la bomba de aceite auxiliar mientras el modo operacional se encuentre en supervisión remota, en este caso la bomba auxiliar se encuentra conectada a un medidor de presión de respuesta. El modo operacional en que se encuentre todo el sistema se puede determinar al seleccionar mediante un interruptor una de las tres posiciones: manual, local o supervisión remota. El sistema al detectar cualquier anomalía puede causar un apagado de emergencia ya sea total o parcial, las condiciones son: nivel bajo de aceite en cualquier bomba, velocidad alta en la turbina, fallas en los controles electrónicos o falta de energía en el sistema de medición de velocidad. En estos casos se dan ordenas automáticas que cierran las válvulas de paso, la esférica, la de cierre hidráulico y los cierres de emergencia, resetea la velocidad y los limitantes de aperturas; también es posible realizar un apagado rápido mediante un botón manual que imparte similares ordenes.

Mantenimiento de la turbina Trabajos de lubricación Las partes móviles de una turbina son muchas y por eso algunas necesitan lubricación para disminuir su desgaste, entre ellas están las toberas y la válvula de tobera de freno son lubricados por la operación y no requieren lubricación adicional, los cojinetes articulados del varillaje de regulación y el pistón de guía del servomotor del deflector deben engrasarse una ves por mes, y los órganos de cierre si es necesario deben engrasare trimestralmente. Los deflectores están guiados en cojinetes de teflón reforzados con fibra de vidrio exentos

de

mantenimiento y no requieren lubricación.

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Controles funcionales Mensualmente deben controlarse el funcionamiento de los sistemas de seguridad, como

interruptores

limites,

presostatos,

medición

de

velocidad,

etc.

Trimestralmente se debe controlar el funcionamiento de los empaques por medio del caudal de aceite y de agua de fuga. Anualmente debe controlarse el funcionamiento y el hermetismo de todas las válvulas y grifos. Trabajo de mantenimiento resultante del servicio Con el fin de eliminar sedimentos de arena en la tubería anular se debe lavar la tubería abriendo la válvula de vaciado. La limpieza de cilindro de agua del servomotor del deflector de cuerpos extraños se realiza cerrando la alimentación de agua, retirar el tornillo de vaciado del cilindro de agua y lavar la tubería y el cilindro abriendo la válvula. La manutención de los filtros de los filtros de aceite y de agua debe hacerse de acuerdo a las instrucciones del fabricante, la frecuencia de estos trabajos de mantenimiento se rige de acuerdo al grado de ensuciamiento de cada componente.

Revisiones Cada 8000 horas de servicio hay que someter la turbina a una revisión completa. Para ello es necesario realizar los siguientes trabajos:  Control del rodete a fisuras y superficies desgastadas. Especial atención hay que dedicar a los cangilones y el pasaje cangelón-cubo de rodete. Si se encuentran fisuras no se debe continuar usando el rodete. Montar un rodete de reserva y reparar el rodete defectuoso según instrucciones para soldaduras de reparación. 

Controlar a desgaste las puntas de aguja, asientos y cuchillas de deflector de las toberas. Si se encuentran fallas cambiar la pieza con una de repuesto.

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

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Controlar el llenado y el estado del aceite, de ser necesario cambiarlo o filtrarlo. Antes de poner aceite nuevo es necesario filtrarlo. Fineza 5 лm.

 Controlar a asiento firme uniones de tornillos, pernos y seguros en toda la turbina.  Controlar si el pintado tiene fallas y/o corrosión en la superficie en contacto con agua en especial la superficie de la tubería anular y del foso de la turbina. Partes falladas hay que desoxidar y proteger con pintura de acuerdo a las instrucciones de conservación. 

Durante la revisión es necesario realizar todos los trabajos descritos anteriormente.

V.

Investigación 4.4 Consideraciones desfavorables o fallas que se presentan durante el funcionamiento.

Diseño incorrecto Materiales inadecuados Fabricación incorrecta de piezas Ensamble mal hecho Operación errónea de la máquina Mantenimiento incorrecto Las primeras 4 causas son de responsabilidad del fabricante de la máquina y están afecta a garantía si la falla ocurre al inicio de la operación de la máquina. Las dos últimas corresponden al usuario de la máquina.

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Durante el análisis de la falla se debe encontrar cual es la causa general que originó la falla. El diseño incorrecto se refiere a que el elemento de máquina fallado fue mal diseñado, por ejemplo, por resistencia mecánica deficiente y se especificó mal un material de una pieza. Los materiales inadecuados corresponde al material con el cual se construyen lo elementos de máquina, los cuales deben quedar bien especificados en el diseño y deben ser los mejores. Por ejemplo, un desgaste temprano de una tolva de un camión minero que fue reparada con planchas con dureza baja, por ejemplo 200 BH. Todos saben que es importante la resistencia mecánica y dureza de la plancha para estos camiones, debido a la fuerte abrasión que está sometido. La fabricación incorrecta de las piezas pueden ser causas de fallas tempranas en una máquina y se refiere a los procesos de fabricación mismos. La pieza puede fallar por mal mecanizado, tratamiento térmico incorrecto, soldadura deficiente, conformado por deformación mal hecho, fundición deficiente con porosidades en las piezas, etc. El ensamble mal efectuado de elementos de máquinas bien fabricados puede ocasionar fallas en las máquinas. Por ejemplo, en el ensamble de un motor de auto, el apriete de los pernos que unen la culata al block del motor fue hecho con el torque incorrecto, ocasionando la rotura de esta al operar el motor. Las máquinas en general deben cumplir exigencias de ensamble muy precisas. La operación errónea de la máquina es una gran causa de fallas de máquinas y muchas de ellas catastróficas. En general corresponde en colocar a la máquina en un ambiente y condiciones de operación para la cual no está diseñada. Por ejemplo, viajar en un auto se dán en caminos de montañas no pavimentados, es obvio que los sistemas de amortiguación fallarán primero. Lo adecuado es ir a esos caminos con un vehículo todo terreno, por ejemplo un jeep. Esta causa, es de responsabilidad del operador y por eso, ellos deben estar capacitados para conducir, operar estas máquinas. Finalmente el mantenimiento incorrecto puede ser causa de fallas de elementos de máquina. Por ejemplo, no realizar los cambios de aceites cuando se requieren. Efectuar montajes de máquinas malos. Dejar piezas, herramientas sueltas. Se supone que el mantenimiento es para reparar la máquina no para dañarla, pero debido a falta de capacitación de los mantenedores estas cosas suceden. Causas Específicas o raíces

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La causa específica de la falla se genera a partir de una o combinación de las fallas generales indicadas pero corresponde a un aspecto técnico específico relacionado con el modo de falla del componente de la máquina. A modo de ejemplo, la rotura de una biela de un motor de combustión interna de auto al entrar al cilindro agua, debido a que el auto fue introducido en una poza de agua profunda. La causa general operación incorrecta al colocar el vehículo en un ambiente para el cual no está diseñado. La causa específica ingreso de agua en los cilindros del motor, haciéndolo trabajar como compresor de líquido, lo que es altamente peligroso si este líquido no tiene salida, lo que sucede cuando las válvulas están cerradas. Las causas específicas son las que activan los mecanismos de fallas y estos los síntomas, terminando al final en el modo de falla entre otras tenemos:

 Inundaciones catastróficas provoca que las turbinas presenten graves problemas de funcionamiento, impidiendo su operación confiable, lo cual se manifestaba mediante vibraciones mecánicas excesivas y calentamiento en zona de chumaceras.  Se observan problemas fuertes de desalineamiento del rotor respecto a sus chumaceras y al caracol de la turbina.  Se muestra que dichos rozamientos no son la causa del problema sino sólo una manifestación del mismo.  Las turbinas hidráulicas llegan a operar durante períodos largos sin problemas importantes. Sin embargo, en ocasiones puede haber problemas difíciles de resolver, sobre todo en casos de rehabilitación de unidades generadoras, cuyos componentes han envejecido o quizás han sido reparados inadecuadamente.  El desequilibrio de un rotor es el resultado de una distribución másica desigual en el mismo, lo cual produce vibraciones. Estas vibraciones, que se deben a la interacción entre la componente másica desequilibrada y la aceleración radial debida al giro, las cuales conjuntamente generan una fuerza centrípeta, se transmiten a los cojinetes del rotor, de tal forma que cualquier punto de los mismos experimenta una fuerza radial por revolución.  En un grupo hidroeléctrico los componentes susceptibles de presentar desequilibrio másico son: el rodete de la turbina hidráulica, el rotor del alternador y el cuerpo de la excitatriz. El desequilibrio puede deberse a posibles defectos en la construcción, fabricación, montaje y operación del grupo hidroeléctrico.  El equilibrado es de aplicación tanto en turbinas de acción como de reacción, así como en turbinas-bombas y bombas acopladas a un generador o motor eléctrico. Se basa en los criterios que permiten la realización del equilibrado dinámico in situ

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del rotor de un grupo turbina-generador por el método de los coeficientes de influencia.  El análisis del aceite lubricante o del aceite de regulación complementa el diagnóstico mecánico del estado de la unidad, los análisis que se realizan sobre la muestra del aceite incluyen las determinaciones de viscosidad cinemática, oxidación, acidez, contenido en agua, aditivos y contenido en metales de desgaste y de contaminación.  El análisis de los resultados obtenidos de los ensayos realizados sobre una muestra del aceite, tomada según un procedimiento adecuado, sobre la base de la experiencia y la existencia de un banco de datos amplio y representativo, conduce al diagnóstico del estado del mismo, detectando la existencia o no de un defecto, identificando el mismo y evaluando su importancia.

4.5

Metodología de tratamiento de las variables o parámetros de operación a ser investigados para optimización de la máquina o solución de las posibles fallas.

Normalmente las condiciones hidráulicas de un proyecto fijan solamente dos de los tres parámetros característicos: Altura de caída (H), Caudal (Q) y Potencia (P). Casi siempre el salto neto es una premisa y le queda por definir al proyectista ya sea el caudal o la potencia, dejándose el último a criterio del fabricante de la máquina. Conocidos los parámetros H y P ó H y Q se puede seleccionar en forma rápida un tipo determinado de turbina a través de la utilización del diagrama de la figura mostrada en el Anexo 01, en las que aparecen las diversas turbinas que se usan en la actualidad ubicadas por zonas de aplicación referidas al salto neto, caudal potencia y una eficiencia promedio. CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN DE TURBINAS HIDRÁULICAS También se puede seleccionar un tipo determinado de turbina a través del conocimiento de los parámetros característicos de diseño o selección como son: Los Números Específicos de Revoluciones. El diseño y construcción de turbomáquinas y en particular las Turbinas hidráulicas requieren de la solución de una serie de problemas que no siempre pueden afrontarse matemáticamente y deben resolverse más bien en forma experimental mediante la utilización de modelos. De este modo se obtiene una reducción en el costo de los ensayos experimentales y mucho mayor control y precisión en la conducción de estos. Como fluido de ensayo se puede usar agua o aire.

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El modelo permitirá verificar los cálculos teóricos antes de construir el prototipo (turbina real), y señalar las mejoras necesarias para obtener el comportamiento deseado. Las relaciones entre el modelo y el prototipo requieren del establecimiento de las leyes de semejanza (Geométrica, cinemática y dinámica) de cuyo análisis se obtienen una serie de cifras características; entre ellas, los llamados NÚMEROS ESPECÍFICOS DE REVOLUCIONES son los que mejor expresan la semejanza entre el modelo y el prototipo. Ambos números pueden usarse indistintamente pero para el caso de las turbinas hidráulicas aún se prefiere continuar usando el número Ns, a pesar del inconveniente de que depende de la eficiencia de la turbina. La importancia de los números específicos radica en su utilidad como criterio de clasificación de turbinas en forma cuantitativa. Estableciendo una secuencia de valores que definen una cierta forma geométrica del rodete, cuando se reemplazan los valores reales de N, Q o P y H para el punto de máxima eficiencia de la turbina. Todas las turbinas hidráulicas geométricamente semejantes tienen un mismo Número Específico de Revoluciones Ns. Las turbinas Pelton cuyo Ns es pequeño se llaman lentas y aquellos cuyo Ns es grande se llaman rápidas. 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 RPM 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 P, la turbina llamada lenta (aunque en este caso gira al mismo RPM que la rápida) requerirá un salto mayor (para óptimo rendimiento) que la turbina llamada rápida. 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. Cuando se utilizan turbinas una de las preocupaciones más importantes es la de utilizar al máximo la energía del fluido, para ello es necesario reducir las pérdidas que pueden ser de diferente naturaleza siendo las principales: PÉRDIDAS INTERNAS.

PÉRDIDAS VOLUMÉTRICAS.- Originadas por fugas del fluido antes de entrar al rotor; para reducir éstas pérdidas se usan prensaestopas, retenes, etc.



PÉRDIDAS HIDRÁULICAS.- Se presentan en el rotor y se deben principalmente a la fricción y al torbellino, desprendimiento o choque.

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PÉRDIDAS EXTERNAS.Ocurren fuera de la máquina pero que se relacionan con la eficiencia total de la turbomáquina. Entre ellas podemos citar a las pérdidas por fricción en los cojinetes que sostiene al eje del rotor. CAUSAS QUE INFLUYAN EN EL RENDIMIENTO DE LAS TURBINAS Debido a que las turbinas trabajan en condiciones variables de salto, velocidades y potencia, es preciso estudiar el efecto que sobre el rendimiento producen las variaciones de aquellos elementos que en la práctica es difícil de hacerlas constantes. LA ALTURA DE CARGA sobre la turbina puede variar y con ella la potencia desarrollada, pero puede regularse convenientemente la velocidad de modo que no se altere el rendimiento, permaneciendo constante la altura de la compuerta. Pueden ser constantes la altura de carga y la velocidad y variarse la potencia moviendo las directrices o el punzón regulador. Son muy corrientes las variaciones de la relación entre la carga y velocidad, sobre todo en las turbinas de poco salto. Así como la velocidad sólo debe variarse entre límites muy próximos uno del otro, la altura de carga puede experimentar alteraciones entre 50% y más aún. Para una carga hidráulica y una abertura de directrices dadas puede variarse la velocidad regulando la potencia de la turbina.

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4.6

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Curvas de ensayo o resultados de investigaciones experimentales o simulación.

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DESCRIPCION DEL ENSAYO EN LAS CENTRALES HIDROELECTRICAS DEL COMPLEJO HIDROELECTRICO MANTARO METODOLOGIA DE ENSAYO La metodología del ensayo de los grupos hidráulicos se ha realizado siguiendo el procedimiento N° 18 del COES SINAC y las recomendaciones de la publicación 41 de la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI). Se midieron los principales parámetros eléctricos, hidráulicos y térmicos. A continuación se detallan cada una de estos parámetros y sus variables correspondientes.

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Magnitudes medidas Los parámetros principales medidos fueron los siguientes: Parámetros eléctricos, hidráulicos y térmicos. A continuación se detallan cada uno de estos parámetros y sus variables correspondientes: Parámetros eléctricos Los parámetros eléctricos medidos en la generación y en los servicios auxiliares durante el desarrollo del ensayo fueron los siguientes:  Potencia activa en bornes kW, MW  Factor de potencia, fp  Tensión eléctrica, V, kW El periodo de integración de los analizadores electrónicos para cada toma de lectura fue de 15 minutos. Parámetros hidráulicos Los parámetros hidráulicos medidos y controlados durante el desarrollo de los ensayos fueron:  La presión en cada tubería forzada, a la entrada de la turbina (Antes de las válvulas esféricas)  El nivel de embalse aguas arriba.  El nivel del pozo de oscilación. Parámetros Térmicos Los parámetros térmicos medidos en el desarrollo del ensayo fueron:  Temperatura de los cojinetes, que fue medido utilizado los RTD (Resistence Temperature Detector) permanentes de cada grupo.  La temperatura de los devanados del estator del generador se registró a través de los RTD permanentes de cada unidad. Instrumental de la central y equipos de medición Sistemas de medición de parámetros eléctricos La central hidroeléctrica Santiago Antúnez de Mayolo y Restitución, cuentan con medidores electrónicos multifunción marca Schlumberger; tipo Quantum ST-Q121 – IEC, 3 fases con una precisión de 0.2%, para cada grupo de generación; los mismos que miden la potencia entregada a la red en bornes de generación a 13.8 kV. Estos equipos se utilizaron para la medición de potencia en bornes de generación, las lecturas se registraron cada 15 minutos durante el periodo de ensayo; la medición de la potencia en auxiliares ha sido efectuada mediante tres registradores portátiles de CENERGIA que se instalaron en forma rotativa en todas las unidades ensayadas las características se muestran en el cuadro N° 02, estos fueron: un analizador electrónico de variables eléctricas (Potencia activa y reactiva) con interface – DRANETZ modelo PP1 (Power Plataform), con clase de precisión del equipo de 0.2. Este equipo se conectó a través de pinzas amperimetricas de precisión 0.5.

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Las variables eléctricas registradas fueron las siguientes: potencia activa (kW), factor de potencia, tensiones (V) por fase y frecuencia. El periodo de registro fue de 10:30 hasta las 15:30 horas. Los registros se muestran en el Anexo N° 01: Acta de Ensayo. Cuadro N°02 Relación de Instrumentos de Medición Utilizados EQUIPO CANTIDAD MEDICION DE RANGO CLASE DE VARIABLES PRECISION Analizador 1 Potencia (MW), Todos los <0.2 electrónico de energía (MWh), rangos demanda y Voltaje (V), energía corriente (A)y Marca: factor de DRANETZ potencia (f.p.) Modelo: PP1 1 Potencia (MW), <0.2 Analizador energía (MWh), Todos los electrónico de Voltaje(V), rangos demanda y corriente (A) y energía Factor de Marca: potencia (f.p) DRANETZ 1 Potencia (MW), <0.2 Modelo: energía (MWh), PP4300 Voltaje (V), Todos los Analizador corriente (A) y rangos electrónico de Factor de demanda y potencia (f.p) energía Marca: Reliable Power Meter (RPM) PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO Actividades previas al ensayo Las actividades previas al ensayo se detallan a continuación: 1. Se realizó un recorrido de la central donde se verifico el estado operativo de los principales equipos y se ubicó físicamente los puntos de medición. 2. Se verifico la operatividad de los instrumentos portátiles de medición a ser utilizados por CENERGIA y de los instrumentos fijos de la central. 3. Se identificaron los circuitos eléctricos que alimentan a los equipos auxiliares. 4. Se elaboró los esquemas de conexión de los registradores de parámetros eléctricos marca Dranetz. 5. Se verifico los medidores electrónicos de parámetros eléctricos de los sistemas de medición de potencia activa de cada unidad de generación.

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6. Se instalaron los equipos de medición de parámetros eléctricos en los alimentadores, principales de los servicios auxiliares de cada unidad de generación. 7. Se instalaron los transductores de presión en los puntos de medición ubicados agua arriba de la válvula mariposa de cada tubería de presión, en los grupos N° 01, N°03, N°05 de SAM y en los grupos N° 01 y N° 02 de RON, adicionalmente se conectó las sondas de adquisición de datos al equipo DAS 8000. Y DESIN INSTRUMENT donde se registraron las lecturas cada 15 minutos. 8. Se ubicó el personal para la toma de datos de temperatura de cojinetes y devanados de estator. 9. Se identificó los puntos de medición del nivel de embalse, pozo de oscilación en C.H. SAM y Pulmón en la C.H. RON. 10. Finalmente, se ubicaron las personas encargadas de las tomas de datos en el embalse, pozo de oscilación, y casa de máquinas de SAM, y de la C.H. RON. Ejecución de los ensayos Desde las 7:30 a las 8:30 horas del día 22 de Junio, se realizó una reunión de coordinación entre los representantes del COES-SINAC, ELECTROPERU y CENERGIA, para definir todos los detalles referidos a los ensayos de la C. H. SAM Y RON, tales como: la hora de inicio, duración del ensayo, puntos de medición, ubicación del personal a cargo de tomar los datos durante las pruebas de potencia efectiva. Desde las 8:30 a las 9:30 horas del día 22 de Junio, se verifico el cero de los transductores de presión, se instalaron en los puntos de medición identificados con anterioridad, aguas arriba de las válvulas principales y se verificaron todas las instalaciones. El periodo de estabilización de los grupos fue realizado desde las 08:00 a las 09:00 horas. A las 10:00 horas, el personal de CENERGIA se ubicó en los puntos de medición. A las 10:30 horas, se dio inicio a los ensayos de potencia efectiva y se finalizó a las 15:30 horas. A las 16:45 horas, se retiraron los transductores y se verifico el cero de estos; también fueron retirados todos los equipos utilizados. Se realizó la lectura de los datos cada 15 minutos, durante 5 horas de funcionamiento continuo a máxima generación sin sobrecargas. Concluido la toma de datos y revisión de los mismos, se suscribió las actas de ensayo de ambas Centrales Hidroeléctricas.

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VI. Conclusiones.  En este trabajo se ha elaborado una herramienta que soporta el diseño y cálculo de turbinas Pelton que generan entre 133 MW y 150MW. Lo anterior, orientado a satisfacer la necesidad del desarrollo virtual de la turbina tipo Pelton.  Lo obtenido en el diseño de la turbina Pelton son planos generales: del inyector, el rodete, el eje del rodete, eje del volante, el volante, las cucharas y sus respectivos perfiles.  Para el diseño de la turbina se requiere definir el número de revoluciones con que va a girar, el cual está relacionado con el diámetro del rodete, llamado diámetro de paso. Esta velocidad de giro en este trabajo se obtiene buscando siempre una de las velocidades síncronas de los generadores, ya que la turbina va en acople directo con el generador.  Es factible diseñar y evaluar una Turbina Pelton bajo consideraciones teóricas.  Se determinaron los parámetros de entrada y salida convenientes para la Turbina Pelton a diseñar: un caudal de 16.64 m3/s, una altura de 850m, con 450 rpm.  Para determinar el número de cucharas se emplearon el método científico y el empírico y de la comparación de los resultados se eligió el método empírico ya que arroja un número mayor de cucharas igual a 21.

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VII.

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ANEXOS. ANEXO No. 01 Diagrama de selección de turbinas hidráulicas caudal/altura

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TURBOMAQUINAS

ANEXO No. 02 Clasificación de las Turbinas Hidráulicas según el Ns.

A C C I Ó N

R E A C C I Ó N

CARATERÍSTICAS PRINCIPALES DE TURBINAS HIDRÁULICAS Ns Inventor y (rpm, HP, Q H P ηmax TURBINA año de m) m3/s m Kw % patente rpm 1 Ch: 30 2 Ch: 30Lester 50 Pelton 2PELTON 4 Ch: 30- 0.05-50 30-1800 91 (EE.UU) 300000 50 1880 6 Ch: 5070 Eroc Crewdson TURGO 60-260 0.025-10 15-300 5-8000 85 (G.Bretaña) 1920 A.G. Michell (Australia) MÍCHAELL 1903 D. 1 50 40 160 0.025-5 1-750 85 BANKIN Bankin 82009 (Hungría) 1917-1919 Dionisio Bomba Papin 30-170 0.05-0.25 10-250 5-500 80 Rotodinámica (Francia) 1968 James L: 60-150 Francis N: 1502FRANCIS 1-500 2-750 92 (G.Bretaña) 250 R: 750000 1848 250-400 P. Deriaz DERIAZ (Suiza) 60-400 500 30-130 100000 92 1956 V. Kaplan KAPLAN y de 2(Austria) 300-800 1000 5-80 93 hélice 200000 1912

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AXIALES: - Kuhne-1930 Tubular -Bulbo Hugenin300 800 -Generador 1993 periférico Harza-1919

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600

5-30

100000

93

ANEXO No 3 SISTEMA DE BALANCEO ESTÁTICO

1

2

4 5 3

12345-

ROTOR DE TURBINA EJE DEL ROTOR BASE PLATINAS DE BALANCEO PERNOS Y TUERCAS

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TURBOMAQUINAS

ANEXO No. 04 Cuadro 2.1: Propiedades Mecánicas de diversos materiales PROPIEDADES MECÁNICAS DE DIVERSOS MATERIALES PARA FUNDICIÓN Material Fuerza Modulo de Fatiga/Tensión Dureza de Tensión Elasticidad Razón Brinell 2 2 N/mm KN/mm (HB) Fierro Fundido 150-400 Fundición de 300-600 acero maleable Carbono, Baja 580-900 y mediana aleación de acero 750-850 Acero inoxidable

75-145 169-176

0.45-0.38 0.60-0.40

135-300 120-240

200-215

0.40-0.50

160-310

195-205

0.40-0.50

250-290

Aluminio aleaciones Aleación cobre

50-90

0.30-0.40

30-80

100-120

0.30-0.40

45-160

y 90-250 de 220-540

ANEXO No. 05 Cuadro 2.2: Diámetro del Chorro y Ancho de la Cuchara DIÁMETRO DEL CHORRO Y ANCHO DE LA CUCHARA Diámetro del chorro d: Ancho de la cuchara b: [mm] [mm] 3a6 19 6a 10 30 10 a 15 45 15 a 20 60 20 a 25 75 25 a 30 90 Fuente: SKAP, pág. 20, tabla 3

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VIII.

TURBOMAQUINAS

Referencias Bibliográficas. (citar libros, textos, artículos, páginas web, blog spot, etc.)

LIBROS: 

 

CAICEDO C., Jorge A. Diseño de elementos de máquinas: teoría y práctica. Tomo III, primera edición, 1916 páginas, Universidad del Valle, Santiago de Cali 1985. CAÑON S., Guillermo et al. Mechanical Desktop Power Pack, primera edición, 193 páginas, Los autores, Medellín, 2000. ZUCCHI G."Turbomáquinas", Edit. CITEC 1996 U.N.T. Trujillo -Perú

MANUALES: 

 

ECUADOR. Organización latinoamericana de energía (OLADE). Apuntes para un manual técnico de diseño, estandarización y fabricación de equipos para pequeñas centrales hidroeléctricas. Turbinas Pelton, primera edición, 70 páginas, OLADE, Quito, 1994. ITDG "Manual de la Mini y Micro centrales 1996 Hidráulicas: Una guía para el desarrollo de proyectos." Lima SKAT "Micro Pelton Turbines", Harnessing water 1991Power on a small scale, Volumen 9.

PAGINAS WEB Y BLOGSPOT:  http://gesmant.blogspot.com/2007/11/aspectos-cadena-de-falla.html  http://www.asing.es/p3.htm 

http://www.turbinas3hc.com/Pagina2.html



http://www.isagen.com.co



http://www.redproteger.com.ar/Legal/decreto_351_79.htm



http://www.irchile.com/spgener/annual/1997/acro/10.pdf



http://www.asing.es/p2.htm



http://www.iie.org.mx/publica/bolmaju99/dosde_mj.htm



http://www.hidroagoyan.com/Pucara/Pucara_introduccion.htm



http://www.eluniversal.com/2001/05/07/07201AA.shtml



http://www.megalink.com/ihh/programa.html



http://www.reivax.com.br/proe0300.html



http://www.todo-argentina.net/Geografia/provincias/Corrientes/yacireta.htm



http://www.semapi.com.ar/productos/ultraprobe.htm

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g

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Informe de Proyecto de Turbina Pelton

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