T!B"MA#I$A%& T!B"MA #I$A%& 'I%E(" 'E T!BI$A PELT"$
DOCENTE:
Ms. Ing. Luis Julca Verástegui INTEGRANTES:
Aguilar Miranda Juan Julio Angulo Castillo Eric Glenn Castillo Burgos Alejandro Gavidia Juarez Pita Pita Adler Ivan Ivan
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
INTRODUCCIÓN
En la actualida actualidad d es imposibl imposible e imaginar imaginar la vida sin energía energía eléctrica, eléctrica, estamos 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 centra centrales les genera generador doras as son las hidroe hidroelé léctri ctricas cas,, éstas éstas son plant plantas as encar encargad gadas as de conver convertir tir la energí energía a del agua agua en energ energía ía eléct eléctric rica, a, pero pero más especí específic ficame amente nte,, 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 proyecto estudiaremos las turbinas pelton. 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 traba!o táctico de ingenieros, o labores estratégicas desarrolladas desarrolladas por te"ricos o creadores de ciencia, surge el interés de crear una herramienta que facilite la elaboraci"n del dise#o y cálculo de turbinas $elton.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
RESUMEN
El presente traba!o describe el traba!o de investigaci"n realizado a una turbina $elton en el cual vamos a describir su funcionamiento, partes, el desarrollo del algoritmo de dise#o dise#o de esta turbina, turbina, regulaci regulaci"n "n y finalment finalmente e se establece establecen n las conclusiones conclusiones y recomendaciones a las que se han llegado después de realizar el proyecto %na turbina $elton es uno de los tipos más eficientes de turbina hidráulica. Es una turbo máquina motora, de flu!o trasversal, admisi"n parcial y de acci"n. Consiste en una rueda rueda &rode &rodete te o rotor' rotor' dotada dotada de cuchar cucharas as en su perif periferi eria, a, las las cuale cuales s están están especialmente realizadas para convertir la energía de un chorro de agua que incide sobre las cucharas. (as turbinas $elton están dise#adas para e)plotar grandes saltos hidráulicos de ba!o cauda caudal. l. (as centra centrale les s hidro hidroelé eléctr ctrica icas s dotad dotadas as de este este tipo tipo de turbin turbina a cuenta cuentan, n, la mayoría de las veces, con una larga tubería llamada galería de presi"n para trasportar al fluido desde grandes alturas. l final de la galería de presi"n se suministra el agua a la turbina por medio de una o varias válvulas de agu!a, también llamadas inyectores, los cuales tienen forma de tobera para aumentar la velocidad del flu!o que incide sobre las cucharas. *tro de los puntos por el cual se toca el análisis del dise#o del rodete y sus cucharas &cazoletas', es debido al desgaste de material que estos tienen, por parte de la erosi"n a lo largo del tiempo.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
ÍNDICE ANALÍTICO I.
Generalidades: +.+. +.+. *b!eti *b!etivos vos +.. -mportancia yo !ustificaci"n +./. 0eferencias yo requisitos requisitos de dise#o +./.+. +./.+. ntecede ntecedentes ntes.. Criterios. Criterios. plic plicacio aciones1 nes1 +./.. +./.. Caracterí Característica sticas s de funcionamie funcionamiento. nto. Especificac Especificacione iones s +././. +././. Esquemas Esquemas.. $lanos $lanos de instalaci instalaciones ones reales reales..
II II..
Marco arco e! e!rico rico " #eo #eodo dolo lo$% $%a: a: .+. lgoritmo de dise#o del rodete pelton. pelton. .. lgoritmo de dise#o de las cucharas. cucharas. ./. lgoritmo de dise#o de los inyectores. inyectores. .2. -nstalaciones complementarias complementarias al dise#o dise#o &monta!e, accesorio, accesorio, e!e, tornillos, co!inetes, carcasa, válvula, tuberías, etc .3. 0egulaci"n de las turbinas pelton. pelton. .4. nálisis de factibilidad factibilidad econ"mica de fabricaci"n, fabricaci"n, instalaci"n,usos,etc. instalaci"n,usos,etc. &costos'
II III. I.
&roc &roced edi# i#ie ien no de c'lc c'lc(l (lo o:
/.+. 5eterminaci"n 5eterminaci"n de los parámetros de dise#o dise#o de la instalaci"n de turbina turbina pelton1 ltura energética energética &6', caudal de operaci"n &7', velocidad velocidad de rotaci"n&n', rotaci"n&n', potencia efectiva&8', 0endimiento total, etc.
IV. IV.
&res &resen ena aci ci!n !n " dis disc( c(si si!n !n de de res( res(l lad ados os::
2.+. $arámetros de flu!o del fluido. fluido. 2.. 5imensiones 5imensiones de la turbina y accesorios.&planos accesorios.&planos 5,piezas y ensambles ensambles /5' 2./. 9elecci"n del generador generador eléctrico, co!inetes, co!inetes, e!es, sistema de regulaci"n, regulaci"n, etc &cálculos adicionales operacionales del sistema:
V. -.
Concl(siones: desfavorables a remediar Ideni)icaci!n de *+rdidas ener$+icas o factores desfavorables en el sistema para su "ptimo funcionamiento. funcionamiento. Criterios de soluci"n o tendencias de investigaci"n
VII II.. VIII VIII..
I. I. - .
S($e S($ere renc ncia ias s o reco reco#e #end ndac acio ione nes: s: Re)e Re )ere renc ncia ias s ,i,li ,i,lio$ o$r' r')i )ica cas: s:
GENERALIDADES OJETIVOS. generales de una turbina $elton. 5escribir las características y componentes generales 5escribir e -dentificar el funcionamiento del sistema mecánico de una turbina
$elton 5escr 5escribi ibirr el algori algoritmo tmo de dise#o dise#o de una turbin turbina a $elton $elton,, así como como tambi también én -dentificar las variables dependientes &parámetros de dise#o' con la finalidad
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO de realizar un cálculo y hallar las configuraciones geométricas del modelo de la turbina $elton. mecanismo de regulaci"n regulaci"n de una turbina $elton. 5escribir el mecanismo Comprend Comprender er y evalu evaluar ar los los parámetr parámetros os de dise#o dise#o y funciona funcionamien miento to
de la
turbina pelton con la finalidad de realizar me!oras en su regulaci"n y reducir costos de fabricaci"n
I. I./. /.
IM& IM&ORT ORTANCIA NCIA 0 O JJUS UST TI1IC I1ICA ACIÓN CIÓN..
El desarrollo de este proyecto permitirá adquirir e)periencia sobre el estudio y dise#o de turbinas pelton, y a su vez beneficiará de una manera manera muy importante el desarrollo académico de los los interesados en el campo campo de las turbomáquinas. turbomáquinas. 5e tal manera manera una vez identificados los elementos componentes de las turbinas $elton, y conocidas las funciones respectivas, comprenderemos más fácilmente su funcionamiento en las micro centrales hidroeléctricas hidroeléctricas su vez podemos afirmar que gracias a los recursos hidroenergéticos hidroenergéticos en el $er< se pueden aprovechar, teniendo en cuenta las siguientes venta!as1 •
9on fuente de energía inagotable, siempre que no se altere el ciclo del agua.
•
=a!o costo de mantenimiento. mantenimiento.
•
>iene ba!o impacto ambiental y no contamina.
•
Es de alta fiabilidad.
•
>iene larga vida
•
9e puede usar tanto para peque#os consumos como para producci"n a nivel industrial.
? a estas venta!as le sumamos las venta!as que ofrece la >urbina $elton &estas unidades de generaci"n permitirían aprovechar el recurso hídrico en su totalidad' , podríamos obtener grandes fuentes de energía que podrían ser destinados a los lugares más ale!ados como por e!emplo nuestra selva peruana que es la que más cuenta con reservas hídricas en nuestro país, y que ir"nicamente es una de menos desarrolladas
-.2 RE1ERENCIAS 03O RE4UISITOS DEL DISE5O. -.2.- Anecedenes. Crierios. A*licaciones
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO (a turbina de chorro libre fue inventada alrededor de +@@A por (ester $elton quien después le dio su nombre. -nventor estadounidense que ide" las modernas turbinas usadas en la generaci"n de energía hidroeléctrica. 5urante su etapa como minero aprendi" las técnicas empleadas en la época para generar la energía necesaria en el proceso de trituraci"n del mineral y en el bombeo de aire al interior de la mina. El primer mecanismo utilizado fueron las ruedas de agua, similares al molino de cereal convencional, y después las máquinas de vapor, pero los inconvenientes que presentaban ambos métodos llev" a la introducci"n de turbinas, consistentes en unas ruedas hidráulicas con álabes o paletas sobre las que incidía un chorro de agua lanzado a gran velocidad. *bservando el funcionamiento de una de estas turbinas, $elton dio por casualidad con un método que hacía mucho más eficaz el mecanismo de la turbina1 si el chorro, en vez de golpear en el centro de las paletas, lo hacía en su borde, el flu!o de agua salía de nuevo en direcci"n inversa y hacía que la turbina
adquiriese
mayor
velocidad.
DE1INICIÓN: Es una turbo máquina motora, de flu!o trasversal, admisi"n parcial y de acci"n. 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. (as turbinas $elton están dise#adas para e)plotar grandes saltos hidráulicos de ba!o caudal. (as centrales hidroeléctricas dotadas de este tipo de turbina cuentan, la mayoría de las veces, con una larga tubería llamada galería de presi"n para trasportar al fluido desde grandes alturas, a veces de hasta más de doscientos metros.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
(as posibilidades de monta!e son m
MICRO TURINAS &ELTON 9e usan en zonas rurales aisladas donde se aprovechan los recursos hidroenergéticos que e)isten en peque#os ríos o quebradas para transformarlos en energía mecánica o eléctrica. $ara hacer posible este proceso se tiene que hacer un grupo de obras así como obtener equipos especiales, estos se dividen normalmente en tres grupos1 obras civiles, equipo electromecánico y redes eléctricas.
CLASI1ICACIÓN DE LAS MICRO TURINAS &ELTON
T(r,inas &elon de E6e Verical: En este tipo de turbinas $elton el n
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO instalar
turbinas
gemelas
para
un solo generador
colocado entre
ambas,
contrarrestando empu!es a)iales.
T(r,inas &elon de E6e 7ori8onal: En este tipo de turbinas $elton se facilita la colocaci"n del sistema de alimentaci"n en un plano horizontal, lo que permite aumentar el n
Co#*onenes de (na (r,ina &elon de e6e 9ori8onal
A&LICACIONES DE LA TURINA &ELTON E)isten turbinas $elton de todos los tama#os. 6ay turbinas de varias toneladas montadas en forma vertical sobre co!inetes hidráulicos en las centrales hidroeléctricas. En general, a medida que la altura de la caída de agua aumenta, menor volumen de agua puede generar la misma potencia. (a energía es la fuerza por la distancia, y, por lo tanto, presiones más altas pueden aplicar la misma fuerza con menor caudal másico. Cada instalaci"n tiene, por lo tanto, su propia combinaci"n de presi"n, velocidad y volumen de funcionamiento más eficiente. %sualmente, las peque#as instalaciones usan paletas estandarizadas y adaptan la turbina a una de las familias de generadores y ruedas, adecuando para ello las canalizaciones. (as peque#as turbinas se pueden
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO a!ustar algo variando el n
urbinas $elton descritas pueden construirse localmente con buenos resultados. 9e describen métodos diferentes y materiales diversos para la construcci"n de las cucharas en las ruedas así como para diferentes modelos de toberas y del mecanismo regulador. arios impedimentos limitan el nivel de aplicaci"n para >urbinas $elton de fabricaci"n local. $or e!emplo, con caídas muy altas pueden surgir problemas en la poza de abastecimiento. quí, no s"lo es importante la presi"n estática, pues, pueden presentarse ondas de presi"n cuando se lleva el conducto, o cuando la turbina arranca " es regulada. Esto puede traer consecuencias desastrosas, caídas altas también implican alta velocidad de rotaci"n que puede causar problemas en el rotor debido a fuerzas centrífugas aunadas a fuerzas dinámicas. (as ruedas más grandes se hacen para mayores niveles de descarga usualmente, lo que requiere toberas y cucharas más grandes. Estos límites no son obligatorios; pero, pueden ser tomados como sugerencias teniendo en cuenta las condiciones locales para fabricaci"n, tales como disponibilidad de materiales y fundiciones, equipos de prueba y otros. En comparaci"n con lo dicho sobre las urbinas $elton, estos límites restringen considerablemente el nivel de aplicaci"n de las >urbinas $elton. $ero, a
VENTAJAS DE LA TURINAS &ELTON $odemos mencionar las siguientes1
ás robustas. enos peligro de erosi"n de los alabes. 0eparaciones más sencillas. 0egulaci"n de presi"n y velocidad más fácil. e!ores rendimientos a cargas parciales. -nfraestructura más sencilla. Dira con alta velocidad, entonces se puede conectar el generador en forma
directa, sin pérdidas de transmisi"n mecánica. Con el e!e horizontal se es posible instalar turbinas gemelas para un solo generador colocado entre ambas, contrarrestando empu!es a)iales Con el e!e vertical se permite aumentar el n
DESVENTAJAS:
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
ltura mínima para su funcionamiento1 A etros. Costo de instalaci"n inicial. El impacto ambiental es grande en caso de grandes centrales hidroeléctricas. 0equiere de m
-.2./ Caracer%sicas de )(nciona#ieno. Es*eci)icaciones. %na vez identificados los elementos componentes de las turbinas $elton, y conocidas las funciones respectivas, se comprende fácilmente el funcionamiento de las mismas. (a tobera o inyector lanza directamente el chorro de agua contra la serie de paletas en forma de cuchara montadas alrededor del borde de una rueda. El agua acciona sobre las cucharas intercambiando energía con la rueda en virtud de su cambio de cantidad de movimiento. 9e dispone de la má)ima energía cinética en el momento en que el agua incide tangencialmente sobre el rodete, empu!ando a los alabes que lo forman, obteniéndose el traba!o mecánico deseado. (as formas c"ncavas de los alabes hacen cambiar la direcci"n del chorro de agua, saliendo éste, ya sin energía apreciable, por los bordes laterales, sin ninguna incidencia posterior sobre los alabes sucesivos. 5e este modo, el chorro de agua transmite su energía cinética al rodete, donde queda transformada instantáneamente en energía mecánica. (a válvula de agu!a, gobernada por el regulador de velocidad, cierra más o menos el orificio de salida de la tobera, consiguiendo modificar el caudal de agua que fluye por ésta, al ob!etivo de mantener constante la velocidad del rodete, evitándose reducci"n del n
CONDICIONES &ARA LA ELECCIÓN DE LA TURINA &ELTON (a
turbina,
su
geometría
y
sus
dimensiones
son
factores
que
condicionados por una serie de aspectos que se describen a continuaci"n.
vienen
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO 9alto neto1 9eg
que son
posteriormente causa
de
colapsarán.
corrosi"n
y
5ichos colapsos
da#os
en
sostenidos
en
el
la maquinaria, y se producen
principalmente a la salida del rodete y en el tubo de aspiraci"n, donde se dan las presiones más ba!as. 9e deberá calcular la altura má)ima a la que se puede instalar la turbina respecto del canal de desagHe para que no se produzca este fen"meno.
RENDIMIENTO DE LA TURINA En la figura se representa el rendimiento frente al caudal de los diferentes tipos de turbina1
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO El rendimiento de la turbina varía tanto con cambios de caudal como de salto. l ale!arse de las condiciones de traba!o se producen caídas de rendimiento importantes que es necesario cuantificar. 9e define el rendimiento como el cociente entre la potencia que se entrega al alternador y la potencia que el agua es capaz de entregar a la entrada de la turbina. (a potencia se pierde sobre todo en la fricci"n que tiene lugar en la cámara espiral, los álabes directrices, el rodete y el tubo de aspiraci"n.
(a ausencia de tubo de aspiraci"n puede acarrear una pérdida de
rendimiento del 3AI en las turbinas con rodetes de alta velocidad específica.
-.2.2 Es(e#as. &lanos de Insalaciones Reales. T(r,inas &elon ;
T(r,inas &elon ; 9ori8onal
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
T(r,ina &elon de dos in"ecores: &oencia de la insalaci!n /== >?. Características Drupo 6idroeléctrico $elton monobloc totalmente montado en taller y preparado para su instalaci"n. onta!e en conducci"n forzada. Concepci"n semiBestándar que permite la adaptaci"n a las características especificas de cada instalaci"n. E!e vertical y horizontal. 8
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
II. MARCO TEÓRICO 0 METODOLOGÍA 0ecordemos que las >urbinas $elton son >urbinas de cci"n, y son apropiadas para grandes saltos y peque#os caudales, por lo cual sus n
2
P e C e H n= Z e −Z s + + γ 2 g
sí mismo el 8
n √ N n s= 5 / 4 H n
>0-8D%(* 5E E(*C-55E9.
En la turbina $elton, el chorro con velocidad absoluta c + golpea simétricamente a la arista mediana de la cazoleta, dividiéndose en dos partes iguales y deslizándose sobre las dos mitades de la misma, saliendo desviados con una velocidad relativa K L MK+, y ángulo de salida N L +@AO.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
W 1=C 1−u1
&+'
C u 1= C 1
&'
En las relaciones anteriores se han despreciado la componente de choque, al considerar nulo el ángulo
α 1 &en la práctica no es rigurosamente nulo'.
la salida, la direcci"n de la velocidad relativa &
β 2
w2
' está definida por el ángulo
, luego se tiene1
C u 2=u 2− w 2 cos β 2
5e la figura se observa que la velocidad de entrada &
&/'
C 1
' es igual a la del chorro1
C 1 =C 0= k c √ 2 g H n
&2'
0
5onde1
k c = ¿ 0
A.:3 P A.:@, 9e le acostumbra denominar coeficiente de tobera.
En términos del coeficiente de velocidad, u puede e)presarse como1
u= k u √ 2 g H n
5onde
de
ns
K u
se determina de la siguiente gráfica de valores de para
&3'
K u
en funci"n
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
Gigura &' demás1
u ¿ u1=u2
&4'
G%E0Q 5E( C6*00*, $*>E8C-, ? 0E85--E8>* 5e acuerdo al principio del cambio de la cantidad de movimiento, la fuerza del chorro está dada por1
5onde
k m
F ch = ρ . Q . ( w1 + w 2 cos β 2 )
&R'
w 2=k m . w1
&@'
se denomina coeficiente de cazoleta &depende del espesor de la capa
de agua, terminaci"n de la cazoleta, tipo de material'. 9u valor varía entre A.@@ y A.:. 5e esta forma, la fuerza del chorro quedará e)presada por1
F ch = ρ . Q. w 1( 1+ k m cos β 2)
&:'
Combinando &+' y &2' con &:' se obtiene1
F ch = ρ . Q. ( K c √ 2 g H n + u )( 1 + k m cos β 2 ) 0
&+A'
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO (a e)presi"n &+A' representa la fuerza e!ercida por el chorro sobre la rueda, a cual gira con velocidad &u'. 5e esta forma, la fuerza será má)ima cuando u L A &en la partida' y
C 0
mínima cuando
tiende a &u'.
(a potencia está definida por la fuerza y la velocidad, entonces tenemos1
N = F ch .u = ρ . Q. ( k c √ 2 g H n + u ) ( 1 + k m cos β 2 ) .u 0
&++'
-ntroduciendo &3' en &++' y ordenando se obtiene1
N =2. γ .Q. k u . H n ( k c −k u ) . ( 1 + k m cos β2 ) 0
&+'
Con la potencia, altura neta y el caudal se obtiene el rendimiento, Cabe hacer notar que en este análisis te"rico se han considerado s"lo las pérdidas hidráulicas, de esta forma el rendi#ieno (e se deer#inar' es el #ano#+rico &hidráulico'.
η=
N γ . Q . H n
&+/'
0emplazando &+' en &+3' se obtiene1
η= 2. k u . ( k c −k u ) . ( 1 + k m cos β 2 ) 0
&+2'
$ara el rendimiento má)imo se tiene1
ηmax →
k c ∂ η m =0 →k u= 2 ∂ k u
0
&+3'
(a relaci"n &+3' indica que el rendimiento &también la potencia' es má)ima, cuando1
u=
C 0 &+4'
2
9in embargo; la practica indica que la velocidad "ptima es algo menor, comprendida entre A.2+ y A.3
C 0
&valor práctico
resumen en las curvas de la figura A/.
u= 0.45 . C 0
'. (os resultados te"ricos se
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO 5el gráfico se observa que la velocidad de embalamiento te"rica es igual a la velocidad del chorro, es decir,
k u =k c
0
, sin embargo, la práctica demuestra que es1
ηembalamen!" ¿ 1.8 . n"#!m"
C(r
/.- Al$ori#o de diseBo del rodee &elon. H n
Deneralmente son datos el caudal &7', la altura neta &
&n'; y se desea conocer el n
para un
ns
ns
' y la velocidad de rotaci"n
' y definir el n
convenientemente ba!o.
La
$=
1/ 2
( ) 4Q
%& c 0
&+R'
5onde1
$ =¿ 5iámetro del chorro.
& L n
La
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO $ '(me!)" $e ch"))" = ' '(me!)" Pel!"n 9e en encuentra en el rango1 1 80
$ '
< <
1 6
&+@'
( ) 1
En los ere#os el )(nciona#ieno es de)ec(oso1 en el primero
80
, el agua
tiene un camino largo que recorre antes de entrar en contacto con las cazoletas.
( ) 1
En el segundo
16
, la e)periencia demuestra que aumentan las pérdidas en las
cazoletas. (os me!ores rendimientos se obtienen para un diámetro de la rueda de @ a
+3 veces el del chorro. nteriormente se demostr" que
está relacionado con
ns
$ '(me!)" $e ch"))" = ' '(me!)" Pel!"n
, apro)imadamente por1
ns $ = ( 19 ) ' 288. √ k c . η 0
/./ Al$ori#o de diseBo de las ca8oleas (as dimensiones de la cazoleta son proporcionales al diámetro del chorro, la figura &a' muestra las proporciones habituales. $ara evitar una destrucci"n rápida de la arista media el ángulo
a^ no debe ser inferior a AS. El ángulo
a^ tiene que ser de @ a
+S; no puede ser más peque#o pues el agua que sale de una cazoleta no debe golpear la siguiente. 5e la misma forma, al comienzo del ataque, el agua que sale de la cazoleta debe ser desviada al e)terior para no tocar la rueda. (os diámetros de las circunferencias e)teriores
'e
y de puntas
' #
dependen de las proporciones de
la cazoleta. Cada fabricante dispone de relaciones empíricas para estos diámetros; para un primer cálculo se pueden utilizar las relaciones dadas por . >enot.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ' #= ' + 2.
( )
'e = ' # + $
7. $ 6
&A'
&+'
1i$(ra @a: &ro*orciones de las ca8oleas re)eridas al Di'#ero del c9orro @dl 5e acuerdo a las tendencias modernas, en la fabricaci"n de este tipo de turbinas, el diámetro e)terior &
'e
' esta relacionado con &5' y &n', por.
'e =( 1.028 + 0.013 . ns ) . '
&'
NF#ero de ca8oleas El n
El trazado de una trayectoria relativa se ilustra en la figura &b'.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
1i$(ra @,: Tra8ado de ra"ecorias relai
' #
* 1 a1=u # . +,
' en un punto
y
* 1
w . Esta trayectoria corta a ⃗
, tal que1
* 1 a1=C " . + ,
$ues la partícula que parte de recorre el segmento
&/'
*´a1 , en el mismo tiempo que
el punto de la circunferencia de puntas, que deben rencontrarse en &a' describe el arco
* 1´ a1 , de donde1
* 1 α 1 * a1
=
u # C "
=
k u# k C
( 24 )
"
Esta trayectoria corta al círculo $elton en dos puntos y 8 definidos por1
-m Nn k u# = = (25 ) *m *n k C "
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO (a trayectoria relativa perteneciente a la generatriz inferior del chorro se e)tiende de = a
1
. >odas las trayectorias relativas se encuentran, de esta forma, comprendidas
entre las de y =. El paso de la cazoleta es, a lo más, igual al arco
1
.
9in embargo; en la práctica, el n
1
, de manera que asegura que, al tomar en cuenta el escote de
la cazoleta, la parte del chorro que no toca la cazoleta atrapará la siguiente. %n aumento de n
ns¿
conduce a una disminuci"n del n
cazoletas &z'. En la práctica se obtienen buenos resultados haciendo uso de la relaci"n dada por . 0ibau).
/ =15 +
' ( 26 ) 2$
/.2 Al$ori#o de diseBo de los in"ecores. (os inyectores de la turbina $elton están formados por un codo de secci"n circular el cual decrece en forma progresiva, un tramo recto de secci"n circular donde se monta una agu!a con cabeza en forma de bulbo y una boquilla que orienta el flu!o de agua en forma tangencial al rodete. demás de la regulaci"n con agua, generalmente se considera la regulaci"n de caudal mediante un deflector. Esta regulaci"n permite evitar riesgos de golpe de ariete, producto de un cierre brusco de la agu!a. En la tobera se da lugar una fuerte aceleraci"n, porque la velocidad del agua en la tubería que termina en el inyector suele ser del orden de + ms para nuestro caso esta velocidad alcanza un valor de +.+: ms y la altura de presi"n en los saltos de gran altura característicos de las turbinas $elton, la cual se transforma totalmente en altura dinámica en el inyector, suele ser muy elevada. $or lo que transporta arena y se produce erosi"n en la cabeza de la tobera y la punta de la válvula puede deteriorarse rápidamente. 5e aquí que se !ustifica la construcci"n de la tobera y la punta de la válvula de agu!a en unidades separadas, para su fácil recambio, los materiales suelen ser de bronce o acero ino)idable.
Di'#ero de salida de la o,era.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO $ara facilitar la regulaci"n es conveniente dise#ar el inyector de manera que e)ista proporcionalidad entre la turbina y la traslaci"n &)' de la agu!a medida a partir de la obturaci"n total de la tobera. 9uponiendo, 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 secci"n de paso de la tobera normal al flu!o. >enemos que &)' es el avance de la agu!a para que se cumpla la proporcionalidad deseada. (as dimensiones de la tobera están en funci"n del diámetro del chorro, el cual se determina utilizando la f"rmula1
$=
√
4.Q
% . k c √ 2. g . H n 0
5onde1
$ L Es el diámetro de la secci"n del chorro e)presado en m 3
Q L Es caudal que fluirá por la tobera de la turbina k c
m s
L Coeficiente de velocidad de la tobera estimado &mencionado
0
anterior mente' 2
g L celeraci"n de la gravedad H m
m s
L 9alto neto con que operará la turbina, en metros.
Entonces el caudal nominal de la turbina $elton será1
Q N =
% . $ . C " 4
? el diámetro de la salida de la tobera será1
$ s = 1.25 . $
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
1i$(ra @c: To,era de (na T(r,ina &elon
Radio de c(r
b = 1.25 . $ s
1i$(ra @d: (l,o de la a$(6a del in"ecor .
El diámetro
del chorro
l=
$s 2
$s
$s
de salida de la tobera se dise#a, de manera que el diámetro má)imo
se alcance cuando
l sea1
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO (os valores ordinarios o comunes que se construye el bulbo son
20 0 1 γ 1 30 0
(a carrera del vástago de la válvula de agu!a suele hacerse mayor que la necesaria para obtener el diámetro má)imo del chorro, esto con el fin de obtener una reserva de potencia.
1(er8a necesaria *ara #o
F h = ρ .Q . H n
( )( % 4
$s
2
5onde los valores de
2
−c ) H n
corresponden a la altura bruta del salto. l abrirse el
inyector con el desplazamiento de la agu!a la fuerza hidrodinámica va disminuyendo paulatinamente porque disminuye la presi"n alrededor del bulbo. El valor e)acto de la fuerza hidrodinámica en este caso solo puede obtenerse mediante e)perimento valiéndose de un dinam"metro de resorte intercalado entre el vástago de la válvula y su mando. *btenida dicha fuerza es posible crear mediante un resorte una fuerza elástica, de manera que combinando el diámetro del embolo de la prensaestopa y la constante k del resorte, permita conseguir reducir a su mínimo la f uerza total y hacerla prácticamente constante.
1i$(ra @e: 1(er8as e6ercidas en el in"ecor.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO >razando el esquema de fuerzas del inyector en funci"n de la apertura del mismo. En el esquema con el inyector cerrado la fuerza sobre la agu!a
Fa
es má)imo y decrece
linealmente a medida que el inyector se abre, y siempre es una fuerza de cierre. (a fuerza sobre el embolo de la prensaestopa
Fe
es constante y siempre es una fuerza
de apertura. El resorte e!erce una fuerza nula cuando el inyector permanece cerrado, y una fuerza de cierre
Fk ,
creciente con la apertura del inyector. (a resultante R de las
tres fuerzas es muy peque#a y apro)imadamente constante, con lo que estaremos consiguiendo nuestro ob!etivo de reducir al mínimo la fuerza total e!ercida sobre el inyector y lograr que dicha fuerza sea lo más constante posible.
Rendi#ieno del in"ecor. El rendimiento del inyector depende de la velocidad del chorro de agua a la salida del la tobera o inyector, de la fuerza de gravedad y la caída de agua o altura neta, el rozamiento del agua en las paredes del inyector es un parámetro que está presente en disminuci"n del rendimiento del inyector. 2
c1 η$ =
2. g
H
/.2 Insalaciones co#*le#enarias al diseBo. El elemento principal de toda turbina hidráulica es el rodete mismo. 9in embargo, el rodete por sí solo no puede hacer mucho, requiere de ciertos accesorios, ya sea para la distribuci"n, direccionamiento, control etc.
&ARTES DE UNA TURINA &ELTON (a figura muestra las secciones transversal y longitudinal de una central hidráulica equipada con una turbina $elton y las partes que la componen
Cenral 9idr'(lica con (r,ina &elon
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO +. 9ervomotor encargado de mover la válvula de agu!a . >ubería forzada /. Codo de entrada 2. -nyector 3. álvula de agu!a ®ula el flu!o de agua que llega a los álabes' 4. >obera R. 5eflector &se encarga de desviar el chorro mientras la válvula de agu!a se está cerrando, o para evitar el golpe de ariete que produciría un cierre de ésta si se quiere impedir que se embale la máquina ante una descone)i"n del alternador' @. 0odete :. Canal de salida o cámara de descarga. +A. lternador ++. Carcasa (as turbinas $elton carecen de tubo de aspiraci"n, por lo que no cuentan con la ganancia de rendimiento que éste produce. continuaci"n hablaremos brevemente de algunas de ellas
a. RODETE Consta de una rueda con cucharas alrededor, a las que podemos llamar también alabes, sobre las que act
Rodee &elon
,. DISTRIUIDOR DE LA TURINA
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO Está constituido por uno o varios equipos de inyecci"n de agua. Cada uno de dichos equipos, formado por determinados elementos mecánicos, tiene como misi"n dirigir, convenientemente, un chorro de agua, cilíndrico y de secci"n uniforme, que se proyecta sobre el rodete, así como también, regular el caudal preciso que ha de fluir hacia dicho rodete.
c. IN0ECTOR El inyector es una tobera dise#ada para reducir hasta los valores deseados el caudal, y con ello las pérdidas de carga en la conducci"n. (as pérdidas de carga se producen por la fricci"n &rozamiento' del fluido con la superficie de la tubería de conducci"n forzada. (as pérdidas de carga dependen de la naturaleza de las paredes internas de dicha conducci"n, del caudal, de la secci"n y de la longitud de las mimas.
Está
compuesto por / partes1 >obera, gu!a, 5eflector1
>obera1 9e entiende como tal, una boquilla, normalmente con orificio de secci"n circular &puede tratarse de otra secci"n', de un diámetro apro)imado entre 3 y /A cm, instalada en la terminaci"n de la cámara de distribuci"n gu!a1 Está formada por un vástago situado concéntricamente en el interior del cuerpo de la tobera, guiado mediante co!inetes sobre los cuales tiene un libre movimiento de desplazamiento longitudinal en dos sentidos 5eflector1 Es un dispositivo mecánico que, a modo de pala o pantalla, puede ser intercalado con mayor o menor incidencia en la trayectoria del chorro de agua, entre la tobera y el rodete, presentando la parte c"ncava hacia el orificio de tobera
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
Co#*onenes del in"ecor
d. CARCASA DE LA TURINA Es la envoltura metálica que cubre los inyectores, rodete y otros elementos mecánicos de la turbina. 9u misi"n consiste en evitar que el agua salpique al e)terior ya que después de incidir sobre los alabes, abandona a éstos.
Carcasa de (na (r,ina &elon 5ispone de un equipo de sellado, en las zonas de salida del e!e, a fin de eliminar fugas de agua. $uede estar formado por un laberinto metálico dotado de drena!es, o bien por !untas de estanqueidad, prensaestopas, etc.
e. CMARA DE DESCARGA 9e entiende como tal la zona por donde cae el agua libremente hacia el desagHe, después de haber movido al rodete. >ambién se conoce como tubería de descarga.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
). EJE DE LA TURINA 0ígidamente unido al rodete, y situado adecuadamente sobre co!inetes debidamente lubricados, transmite el movimiento de rotaci"n al e!e del generador. El n
G. SISTEMA 7IDRULICO DE 1RENADO: Consiste en un circuito de agua derivado de la cámara de distribuci"n. El agua, proyectada a gran velocidad sobre la zona conve)a de los cangilones, favorece el rápido frenado del rodete, cuando las circunstancias lo e)igen
/.H. REGULACIÓN DE LAS TURINAS &ELTON. (a regulaci"n de la turbina $elton se realiza a través de la agu!a la cual avanza y retrocede en el orificio de salida de la tobera y reduce o aumenta la secci"n de paso, por lo cual, el caudal que impacta la rueda en forma de chorro disminuye o crece y lo mismo ocurre con la potencia y el salto neto, en el supuesto de
aquel
permanezca
constante;
pero
que la altura neta
los fen"menos debidos al cierre del
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO distribuidor dependen del tiempo empleado en esta operaci"n, por lo que conviene que éste sea largo para evitar las sobre presiones debidas al golpe de ariete; sin embargo, la duraci"n del cierre lleva consigo un aumento de velocidad en el rotor del alternador y esto presenta un inconveniente. $ara evitarlo se utiliza con este tipo de turbina la doble regulaci"n, que consiste en desviar parte o la totalidad del chorro hacia el socaz y esto con suficiente rapidez para impedir la aceleraci"n e)cesiva de las masas giratorias, realizado lo cual se va cerrando la agu!a con mayor lentitud, para evitar las sobre presiones producidas por un golpe de ariete de importancia (os inyectores, los deflectores y la válvula de globo ubicada en la tubería de presi"n son accionados en algunos casos por un servomotor y en otros manualmente. El servo motor que acciona la agu!a funciona por medio de la presi"n de una bomba destinada e)clusivamente a este ob!eto, y provista de un dep"sito de aire; en las turbinas de poca potencia las bombas de aceite para la agu!a y para el deflector se maniobran con!untamente.
Sise#a de re$(laci!n de (r,ina &elon
/. ANLISIS DE 1ACTIILIDAD ECONÓMICA DE 1ARICACIÓN INSTALACIÓN USOS ETC. @COSTOS ANLISIS DE COSTOS EN LA TURINA &ELTON. $ara tener un conocimiento acerca del costo que representa la >urbina $elton en base al dise#o establecido por la aplicaci"n, se realizará un análisis de costos unitarios en la fabricaci"n de los elementos
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO $ara tener un conocimiento acerca del costo que representa la >urbina $elton en base al dise#o establecido por la aplicaci"n, se realizará un análisis de costos unitarios en la fabricaci"n de los elementos que desarrolla micro(*0G v+.A. Con la ayuda del sistema .$.%. &softKare' $ara el análisis del costo apro)imado de la >urbina $elton validada &3AA FK', se tomará en cuenta los elementos que el sistema dise#a y se ha clasificado por partes para obtener el costo de cada elemento, es así que los elementos son1
-nyector. gu!a =oquilla álvula checT
0odete. E!e principal.
IN0ECTOR:
1ARICACIÓN DE LA AGUJA
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
1ARICACIÓN DE LA O4UILLA
1ARICACIÓN DE LA VLVULA C7EC
RODETE:
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
1ARICACIÓN DEL RODETE
EJE &RINCI&AL TURINA:
1ARICACIÓN EJE &RINCI&AL TURINA 6aciendo uso del aplicativo .$.% entonces, se desarrolla el costo de los elementos
de
la >urbina $elton considerando un costo indirecto del /AI.
continuaci"n el reporte1
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
LISTA DE E4UI&OS
LISTA DE MATERIALES
LISTA DE MANO DE ORA
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
TRANS&ORTE DE MATERIALES
&RESU&UESTO 1INAL
Como se puede observar, el costo A&ROKIMADO de la elaboraci"n de la >urbina $elton de la validaci"n corresponde a %95. /+,+3.24. 6ay que tomar en cuenta que no están dise#ados todos los elementos constitutivos finales, ni tableros de control, ni carcaza, ni bancada, por lo que su valor real es superior. Es así que para el análisis de costos se empleará referencias de fabricantes de >urbinas $elton debido a que éstos definen sus costos por medio del proceso que éstos empleen y de los accesorios con que los fabricantes utilicen, que no son necesariamente iguales para cada una de las piezas que constituyen la >urbina $elton y por ende de las que se hace referencia en el presente traba!o. %na empresa fabricante de >urbinas en (atinoamérica presentan los costos dependiendo de la capacidad de generaci"n. (a empresa Tecnolo$%a
E.I.R.L @&erF *resena s(s cosos con )ec9a 9asa No
D(al
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
COSTO DE TURINAS 7IDRULICAS &OR ? DE GENERACIÓN
III &ROCEDIMIENTO DE CLCULO 2.- Deer#inaci!n de los *ar'#eros de diseBo de la insalaci!n de la T(r,ina &elon. DATOS OTENIDOS &ARA EL DISE5O (*0 %8-55 SÍMOLO +AAAA FK & 4AA m 7n A +A C Ta$(a 3 ns η
@A P :I
&asumido'
8
+ 2
-nyector $ares de polos
)
4A
6z
$
:.@+
m s
2
&ro*iedades del a$(a. $eso específico1 es la relaci"n que e)iste entre su peso y el volumen que ocupa.
γ =
Pes" 2"lumen
$ara una temperara >L +ASC se obtiene la densidad del agua de tablas.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ρ= 999.46
Entonces.
γ = ρ . g =999.46 ∗9.81 =9804.7026
-RA ITERACIÓN:
&ara (n
kg m
3
kg 2
m .s
2
η= ¿ P/Q =.P/.
Al(ra nea del salo Con la siguiente f"rmula se obtiene la ltura neta de dise#o, ya que se tiene como dato de dise#o al caudal y al rendimiento total de la turbina.
P= γ . Q . H n .η
∗
10000 10
3
m Q=2.07 s
=9804.7026∗Q∗600∗0.82
3
n s=25 k u
(uego encontramos el coeficiente de velocidad
ns
de la figura &' en funci"n de
.
k u =0.490
C'lc(lo de
C 0 =k c √ 2 g H n 0
5onde1
)
C 0
)
k c
, es la velocidad el chorro. 0
, es el coeficiente de tobera. P se asume
k c
0
L A.:R
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO )
H n
)
g , es la aceleraci"n de la gravedad.
Entonces1
, es la altura neta.
C 0 =0.97 √ 2∗9.81∗600=105.24
m s
$ara determinar la
u= k u √ 2 g H n 5onde1
)
u, es la velocidad tangencial.
)
k u
)
H n
)
g , es la aceleraci"n de la gravedad.
, es el coeficiente de velocidad. , es la altura neta.
u= 0.490 √ 2∗9.81∗600 =53.16 m / s
Calc(lo de 1(er8a Tor(e &oencia Rendi#ieno $ara determinar la 1(er8a del c9orro utilizamos las ecuaci"n &+A'1
F ch = ρ . Q. ( k c √ 2 g H n−u )( 1+ k m cos β 2) 0
5onde1
)
F ch
)
ρ , es la densidad del agua.
)
Q , es el caudal.
)
k c
)
k m
)
u , velocidad tangencial.
)
H n , altura neta.
)
g , aceleraci"n de la gravedad.
)
β2
0
, Es la fuerza del Chorro.
, coeficiente de tobera. se elige
k c = 0.97
, coeficiente de cazoleta. 9e elige
0
k m =0.9
, ángulo de salida. Esta entre &@S a+S', se elige
β 2=12 0
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
∴ F ch
=999.46∗ 2.07∗(0.97 √ 2∗9.81∗600 −53.16)( 1 + 0.9∗cos12 0 )
F ch =202598.7952 N $ara determinar la &oencia de dise#o utilizamos la ecuaci"n &+'1
N =2. γ .Q. k u . H n ( k c −k u ) . ( 1 + k m cos β2 ) 0
5onde1
)
Q , es el caudal.
)
k c
)
k m
, coeficiente de cazoleta &cuchara'. 9e elige
)
H n
, altura neta.
)
γ , peso específico del agua
)
β2
, ángulo de salida. Esta entre &@S a+S', se elige
)
k u
, es el coeficiente de velocidad.
0
, coeficiente de tobera.
k m =0.9
β 2=12 0
N = 2∗9804.7026∗2.07∗0.490∗600∗( 0.97 −0.490 ) . (1 + 0.9∗cos12 0 )
N =10771 KW
&ara
N γ . Q . H n
5onde1
)
Q , es el caudal.
)
H n
)
γ , peso específico del agua
)
N , $otencia.
, altura neta.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO 3
10771∗10 N = η= γ . Q . H n 9804.7026∗2.07∗600
η= ¿ @@.3I 5ebido a que no coincide con el rendimiento asumido se procede a una segunda iteraci"n.
/DA ITERACIÓN:
A9ora *ara (n
η= ¿ PP.HQ =.P
Al(ra nea del salo P= γ . Q . H n .η
∗
10000 10
3
=9804.7026 ∗Q∗600∗0.89
3
m Q=1.91 s
k u
(uego encontramos el coeficiente de velocidad
ns
de la figura &' en funci"n de
.
k u =0.49
C'lc(lo de
Velocidad del c9orro C 0 =k c √ 2 g H n 0
C 0 = 0.97 √ 2∗9.81 ∗600=105.24
Velocidad an$encial
m s
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO u= k u √ 2 g H n
u= 0.49 √ 2∗ 9.81∗600 = 53.16
m s
Calc(lo de 1(er8a Tor(e &oencia " Rendi#ieno 1(er8a del c9orro F ch = ρ . Q. ( k c √ 2 g H n−u )( 1+ k m cos β 2) 0
∴ F ch
=999.46∗1.91∗( 0.97 √ 2∗9.81∗600−53.16 )( 1 + 0.9∗cos12 0)
F ch = 186940.97 N
&oencia N =2. γ .Q. k u . H n ( k c −k u ) . ( 1 + k m cos β2 ) 0
=2∗ 9804.7026∗1.91∗0.49∗ 600∗( 0.97 −0.49 ) . (1 + 0.9∗cos12 0 )
∴ N
N = 9938.51 KW
&ara
N γ . Q . H n 3
9938.51 ∗10 N = =88.5 η= γ . Q . H n 9804.7026∗1.91∗600
Ginalmente se puede observar que de las dos iteraciones en lo que se refiere al rendimiento asumido y el rendimiento verificado en la da iteraci"n es la más pr")ima al rendimiento asumido. Con un error menor del 3I debido a que no se toman todos los decimales en las ecuaciones. $or lo tanto se toma como datos de dise#o a los cálculos hechos en la segunda iteraci"n.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO 2./ Deer#inaci!n de los *ar'#eros di#ensionales del rodee c(c9ara in"ecor carcasa ec. C'lc(los de los di'#eros *rinci*ales
RODETE $ara determinar el Di'#ero del C9orro utilizamos la ecuaci"n
$=
(
) ( 1/ 2
4. Q
% . & . C 0 .
=
4. Q
% . & . k c" . √ 2. g . H n
)
1 /2
5onde1
)
Q , caudal.
)
C 0
)
$ , diámetro del chorro.
)
& , n
, velocidad del chorro.
$=
(
4∗1.91
% ∗0.97∗√ 2∗9.81∗600
)
1 /2
$ =0.15 m
$ara determinar el 5iámetro $elton utilizamos la ecuaci"n &+:'
ns $ = ' 288. √ k c . η 0
5onde1
)
ns
)
k c
)
$ , diámetro del chorro.
)
η , rendimiento. 5e acuerdo a la -teraci"n
, n
, coeficiente de tobera. se elige
k c = 0.97 0
η= 89
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO 0.15
'
=
25
∗√ 0.97∗0.89
288
'=1.61 m
$ara determinar el di'#ero de la circ(n)erencia eerior " a#,i+n el de las
*(nas se utilizan las f"rmulas &A' y &+'. ' #= ' + 2.
( ) 7. $ 6
'e = ' # + $ 5onde1
)
ns
)
k c
)
$ , diámetro del chorro.
)
η , rendimiento. 5e acuerdo a la -teraci"n
, n
k c = 0.97
, coeficiente de tobera. se elige
0
( ∗ )=
' #=1.61 + 2∗
7
0.15 6
η= 87
1.96 m
'e = 1.96 + 0.15 = 2.11 m $ara determinar el nF#ero de ca8oleas &cucharas' utilizamos la ecuaci"n &4'
/ =15 +
' 2$
5onde1
) )
z, n
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO )
$ , diámetro del chorro.
∴ /
=15 +
1.61
∗0.15
2
=20.37 =20
CUC7ARAS $ara obtener los rangos de las medidas remplazaremos el valor del diámetro del chorro con lo que podemos obtener el rango para la al(ra de la c(c9ara @A el lar$o
de la c(c9ara @ el anc9o del )ilo de aa(e @C " el anc9o de la c(c9ara @D
A.@Ud V V +Ud
A.@UA.+3 V V + U A. +3
A.+ m V V A.+3 m
.3Ud V = V .@Ud
.3UA.+3 V = V .@UA. +3
A.//R3 m V = V A.2 m
+.Ud V C V +.3Ud
+.UA.+3 V C V +.3UA.+3
A.+@ m V C V A.+@R3 m
.4Ud V 5 V /Ud
.4UA.+3 V 5 V /UA.+3
A./: m V 5 V A.23 m
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
Ran$o de #edidas *rinci*ales de la c(c9ara del Rodee &elon
RENDIMIENTO TOTAL:
η!"!al= η H ∗η2 ∗ηm 5*85E1
η2 =1
ηm =0.89 ( asum$" )
H e η H = H '
ALTURA DE EULER:
1
( H e )
H e = ∗( 1 + 3c"s β 2 ) ( C −u ) ( u ) g
( η!"!al ) :
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO 3 =c"e4cen !e $e 5el"ca$$ )ela!5a ⟹ 0.88 1
H e =
∗(1 + 0.88 cos 12 0 )
m
9.81
seg
(
105.25
m −53.16 m seg seg
)(
53.16
2
H e =526.145 m
H e 526.145 = =0.875 η H = 600 H '
$or lo tanto1
η!"!al= 0.875∗1∗0.89=0.778
&OTENCIA E1ECTIVA REAL : P el6c!)ca ηm∗η¿
= N
5*85E1
Pel6 c!)ca =10000 KW η¿ =)en$men!" gene)a$" elec!)c":
η¿ =0.98 7 7 0.985 *
$or lo tanto1
N =
10000 Kw
∗0.98
0.89
=11441.90 KW
&OTENCIA ELCTRICA REAL
Pelec!)ca = N e&e∗η¿ )eal
( P
elec!)ca )eal
)
η¿ =0.98
m seg
)
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO 5*85E1
N e&e = η!"!al∗ N N e&e =0.788∗( 11441.90 Kw ) N e&e =8919.972 Kw $or lo tanto1
Pelec!)ca=( 8919.972 Kw )∗( 0 . 98 ) )eal
Pelec!)ca =8741.57 Kw )eal
IV. &RESENTACIÓN 0 DISCUSIÓN DE RESULTADOS. I.2.
&ar'#eros del )l(6o del )l(ido
Ma$ni(des
$arámetros C 0
105.24
u
53.16
F ch
m s
186940.97 N
β 2
12 0
H n
600 m
N
m s
9938.51 KW
=.P
η
ns
./ Di#ensiones de la
25
γ
T(r,ina " Accesorios.
9804.7026
Ver *lanos en CD del
kg 2
m .s
RODETE
in)or#e
Di#ensiones
$
'
2
0.15 m 1.61 m
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ' #
1.96 m
'e
/
2.11 m 20
CUC7ARAS
Di#ensiones
=
A.+ m B A.+3 m A.//R3 m B A.2 m
C
A.+@ m B A.+@R3 m
5
A./: m B A.23 m
.2 Selecci!n del $enerador el+crico sise#as de re$(laci!n
%e deter+in, utilizar una +á-uina sncrona tri/ásica del /a0ricante Ba+0ozzi Ltda. de 12 3olos 4 /recuencia de generaci,n 56 78z9 ti3o A!T .
Sise#as de re$(laci!n (a regulaci"n de la turbina, se realiza por intermedio del inyector el cual posee en su interior una agu!a que al desplazarse en forma a)ial reduce la secci"n de paso del flu!o de agua, permitiendo de esta forma regular el caudal que fluye por la tobera y en consecuencia la velocidad de la turbina Cuando se desea evitar el riesgo de golpe de ariete derivado de un cierre brusco de la agu!a en la tobera, se incluye en el dise#o un deflector. El cual permite una me!or regulaci"n de la velocidad de la turbina al desviar o regular el chorro de agua dirigido hacia el rodete.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
Sise#a de re$(laci!n de la (r,ina &elon
V. CONCLUSIONES. 9e logr" comprender y evaluar los parámetros de dise#o, pudiendo ahora identificar las fallas que se podría presentar en la turbina, o en todo caso me!orar el dise#o para me!ores rendimiento en su funci"n. provechar los recursos naturales e)istentes en el $er< a favor de la generaci"n de energía eléctrica, a partir de la turbina $elton, teniendo como
parámetros
fundamentales de dise#o, el caudal, potencia hidráulica, altura neta, rpm. (as turbinas $elton son turbinas que cuenta con alabes de doble cuchara y teniendo en cuenta que son de me!or eficiencia respecto a los otros t ipos de turbina. (a turbina $elton es uno de los tipos más eficientes de turbina hidráulica, consiguiendo rendimientos má)imos del orden del :AI. 9i se realizara un análisis más detallado sobre el perfil hidráulico y ángulos de los filos de ataque y nervio
central se podría tener un me!or aprovechamiento de la energía hidráulica. $ueden ser instaladas con el e!e en posici"n vertical u horizontal, siendo esta
disposici"n la más adecuada. Cuando se realiza el dise#o de los elementos constitutivos de la turbina $elton. 6ay que tener en cuenta el tipo de material con sus características que se va a utilizar para la fabricaci"n de los mismos, el factor de seguridad que para el caso de turbinas hidráulicas es alto. Cuando se calcula y construye una turbina $elton, se
debe realizar pruebas
para verificar las curvas con diferentes
aperturas de la válvula de la agu!a del inyector, para saber si se parecen a las curvas típicas de turbinas $elton .
VI.
IDENTI1ICACIÓN
DE
&RDIDAS
ENERGTICAS
O
1ACTORES
DES1AVORALES A REMEDIAR EN EL SISTEMA &ARA SU Ó&TIMO 1UNCIONAMIENTO. (os factores desfavorables que se presentan en este tipo de turbinas debido a su continuo uso a lo largo de los a#os provocando desgaste en todo su perfil hidráulico son1
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO )
9e originan profundas erosiones, debido a que la distancia de la punta del filo de ataque, con el paso del tiempo llega a cortar apro)imadamente el RAI del chorro, por consiguiente parte del chorro impacta por deba!o del filo.
)
El recorrido del agua en la parte interna de la cuchara se torna anormal a consecuencia del desgaste por el impacto del agua, originando erosiones severas.
)
(os ángulos de salida de la cuchara se abren con el paso del tiempo, esto origina pérdidas de eficiencia del rodete, no se aprovecha al má)imo la potencia hidráulica.
&ara (n ,(en
)(nciona#ieno
de
la
#a(ina
se reco#ienda
reali8ar:
ALANCEO DE LA TURINA alanceo din'#ico El balanceo del e!e es un fen"meno vibratorio autoe)itado al cual potencialmente son sometidas todas las flechas, para tener un buen funcionamiento de la maquina se recomienda
realizar
un
balanceo
dinámico
&si
se
operan
a
elevadas
velocidades' Cualquier balanceo residual de un elemento en rotaci"n hace que el centro verdadero de masa quede e)céntrico del e!e de rotaci"n de la flecha. Esta e)centricidad genera una fuerza centrifuga que tiene tendencia a fle)ionar la flecha en direcci"n de la e)centricidad, incrementando y aumentando la fuerza centrifuga. (a
Mo
7ueda claro que la rotaci"n de un sistema a su frecuencia crítica o cercana a ella debe estrictamente evitarse. (a frecuencia crítica para balanceo del e!e es igual que para la vibraci"n lateral. Esta raz"n de amplitud de vibraci"n de balanceo del e!e empieza en cero en vez de empezar en uno &vibraciones forzadas'. 9i se conserva la velocidad de operaci"n deba!o de más o menos la mitad de la frecuencia crítica de balanceo del e!e. El balanceo de las flechas es una vibraci"n autoe)itada, causada por la rotaci"n del e!e, que act
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO alanceo es'ico El balanceo de la turbina se puede realizar en diferentes etapas • • •
8ivelaci"n de la mesa para balancear. onta!e y se#alamiento de la turbina en los puntos críticos. 9e quita peso en las cucharas seg
•
T(r,ina &elon ,alanceada
VII. SUGERENCIAS 0 RECOMENDACIONES. 9e debe realizar inspecciones visuales y de partículas magnéticas cada cierto tiempo ¶ verificar la e)istencia de discontinuidades lineales o poros', tanto en el rodete como en las cucharas. 9emestralmente se deben realizar un mantenimiento correctivo de rectificado y pulido de las cucharas.
>ener cuidado en el acabado superficiales de la parte interna de la cuchara, así como en la parte posterior a la punta de la arista.
(a carcaza de la turbina $elton debe ser sometida a un proceso de galvanizado en caliente o pintarla con pintura resistente a la erosi"n.
$ara reducir costos hay que incursionar en el uso de otros materiales para elaborar modelos tales como, polímetros, espumas, etc. =rindar planos de fabricaci"n de los elementos totales de la turbina $elton para fabricaci"n en nuestro entorno haciendo uso de normas
VIII ILIOGRA1ÍA.
UCC7I G.>urbomáquinasW,
Edit. C->EC +::4 %.8.>. >ru!illo B$er<
?il)redo Jara T. áquinas 6idráulicas. -nstituto de investigaci"n de la Gacultad de -ngeniería ecánica &-8-G-' +::@
