UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
LA RUEDA HIDRAULICA
ALUMNO
Badillo BolanAzhyade Chama Ramírez Isaac Hernandez Pitalua Laura Mariella Lopez Lopez Alexis Martínez Hernandez Manuel Antonio Máquinas Hidráulicas y Fenómenos Transitorios
Ing. Francisco Agüeros Yáñez
Xalapa, ver. Febrero - Mayo 2012
La Rueda Hidráulica
INDICE Introducción....................................................................................................................................... 4 HISTORIA DE LA RUEDA HIDRÁULICA............................................................................................ 6 La máquina hidráulica del renacimiento de Esztergom ................................................................ 11 La Edad Media ............................................................................................................................... 12 RUEDAS HIDRAULICAS ................................................................................................................... 15 LAS RUEDAS HIDRÁULICAS............................................................................................................ 17 TIPOS DE RUEDAS HIDRÁULICAS .................................................................................................. 20 Ruedas hidráulicas comunes ...................................................................................................... 20 Ruedas Hidráulicas comunes, de alimentación por arriba ....................................................... 21 Análisis ......................................................................................................................................... 21 Rueda de alimentación lateral o de costado .............................................................................. 24 Trabajo y eficiencia...................................................................................................................... 25 Ruedas de vertedero ................................................................................................................... 27 Ruedas de alimentación por debajo ........................................................................................... 27 FUNCIONAMIENTO DE LA RUEDA HIDRÁULICA.......................................................................... 29 Dependiendo de su funcionamiento y al mecanismo de llegada del agua, las ruedas hidráulicas verticales se clasifican en las siguientes: ....................................................................................... 30 Rueda hidráulica con canal de alimentación superior ............................................................. 30 Ruedas hidráulica con canal de alimentación en la altura del eje ........................................... 30 Rueda hidráulica con canal de alimentación inferior ........................................................... 30 Rueda hidráulica reversible .................................................................................................... 31 RUEDAS DE IMPULSO ..................................................................................................................... 31 Subdivisión de las ruedas de impulso ........................................................................................... 32 Condiciones para una eficiencia hidráulica máxima. .................................................................... 32 Rueda de impulso Girard............................................................................................................... 33 Ruedas de impulso axiales o paralelas .......................................................................................... 33 Ruedas de impulso tangenciales ................................................................................................... 34 Forma de las aspas curvas ............................................................................................................. 35 CARACTERÍSTICAS DE LAS RUEDAS DE IMPULSO TANGENCIALES (RUEDAS PELTON) ........ 36 Análisis de una rueda Pelton ......................................................................................................... 37
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La Rueda Hidráulica Ruedas Pelton alimentadas por chiflones o boquillas .................................................................. 39 Regulación de potencia y velocidad de rotación en las ruedas Pelton ......................................... 39 Servo motor para la regulación automática de las ruedas Pelton ................................................ 41 Velocidad de vacío en una Pelton ................................................................................................. 43 BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................................. 43
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La Rueda Hidráulica
Introducción La historia juega un rol bastante importante en nuestra vida, con ella logramos reflexionar y aprender de los aciertos y errores de las personas que se han enfrentado a retos inimaginables, de la misma manera en la evolución de la tecnología se ha avanzado considerablemente hasta hoy pleno siglo XXI, en la siguiente investigación nos enfocamos al desarrollo que han tenido las herramientas para aprovechar la energía que proporcionan los cauces de agua (ríos) y hablamos de la historia que ha transcurrido desde las ruedas hidráulicas que aparecieron ya hace mas de 2000 años hasta la aparición de las turbinas que hoy conocemos. Los primeros asentamientos humanos siempre buscaban la proximidad de cauces de agua para poder llevar a cabo las distintas actividades que precisan de ella, además de facilitarle la vida. La relación del hombre primitivo con el agua era por tanto muy rudimentaria, y aprovechaba solamente los cauces naturales de agua, sin aprovisionarse todavía por falta de técnicas y conocimientos de los cauces subterráneos, y sin desviarla ni elevarla. Durante siglos el hombre apenas contó con otro tipo de energía que no fuera su propia energía muscular, las que podíamos considerar como actividades predominantes, como la molienda, la confección de tejidos, la forja de los metales, etc., requerían de grandes esfuerzos humanos para su desarrollo, por lo que se recurría con demasiada frecuencia al empleo de esclavos. En la actualidad estamos acostumbrados a poder utilizar grandes cantidades de energía, procedente de diversas fuentes, con el simple esfuerzo de apretar una pequeña palanca o un interruptor, pero para llegar hasta este punto, la técnica ha tenido que recorrer un largo camino de forma gradual y escalonada. El primer paso fue la utilización de los animales domésticos para aprovechar su energía muscular en las pesadas faenas del campo. Posteriormente el hombre fue conociendo e incorporando otras fuentes de energía como: la dinámica del agua, la cólica del viento, la de los combustibles como el carbón y el petróleo, la eléctrica y la del átomo, que les Ingeniería Civil
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La Rueda Hidráulica permitieron disponer cada vez de mayores cantidades de energía y por consiguiente de mayores producciones.
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La Rueda Hidráulica
HISTORIA DE LA RUEDA HIDRÁULICA
El más antiguo de los motores hidráulicos es la rueda hidráulica que está constituida por una serie de palas dispuestas en forma de rueda; en la cual el agua, al caer, choca contra las palas e impulsa a éstas con lo que se consigue el movimiento de la rueda. Las ruedas más antiguas que se conocen fueron construidas en la Civilización Mesopotámica, alrededor de 3000 años antes de Cristo. Un milenio después aparecieron las ruedas con radios. Al principio se la utilizó movida por animales o por hombres, como en el caso de la noria, y posteriormente se aplicaron mecanismos para suplantar estas fuerzas de tracción a sangre. La rueda logró un uso más eficiente de la fuerza animal aplicado a la agricultura, fue la base para controlar la dirección de la fuerza; y fue empleada por las civilizaciones antiguas para los usos más diversos: rueda de carros, rueda con manivela para ascender baldes con agua de pozo, rueda de torno de alfarero, rueda de rueca, y la que comienza a utilizar la energía de la naturaleza: la rueda hidráulica, que consigue energía extraída de una corriente de agua, río o cascada. Esta última se utilizó para moler harina. También se remplazaron las palas por baldes para extraer agua para riego. Parent (1666 - 1716), físico y matemático de París estudió por primera vez el funcionamiento de la rueda hidráulica, en su trabajo nos dice que existe una relación optima entra la velocidad de la rueda y la velocidad de la corriente de agua, con esta conclusión las mejoras no se hicieron esperar, se presenta la primer gran evolución ya que después del estudio se dio como resultado la construcción de las ruedas de Ingeniería Civil
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La Rueda Hidráulica impulso y de reacción que aprovechan la energía cinética y además son de menor tamaño. La utilización de la energía hidráulica data de la época de los griegos, quienes empleaban la rueda hidráulica llamada noria, que inventó Filón de Bizancio en el siglo III a.C, para bombear agua. Sin embargo, las primeras referencias detalladas de la rueda hidráulica, así como sus aplicaciones son desde los tiempos del imperio romano, cuando aparece la rueda hidráulica horizontal, también llamada “molino romano” y el molino de rueda vertical de paletas, que generalmente es denominado “molino tipo vitruviano”, llamado así en honor al Ingeniero romano Vitruvio quien estudió y documentó este tipo de rueda, que desarrollaron los romanos ante la insatisfacción con la rueda horizontal de los griegos debido a su baja eficiencia. Este tipo de molino descrito por Vitruvio fue el más común por muchos siglos, no solo en Europa sino también en América, principalmente en el norte del continente.Se conocía como "rota
aquaría" y consistía en una llanta donde se fijaban unos cangilones con una serie de radios que le otorgaban rigidez. Los griegos y romanos aplicaron la rueda hidráulica ampliamente. Y un ejemplo lo da la construcción por parte de estos, dos siglos antes de la era cristiana, de una usina hidráulica en el sur de Francia combinando 16 ruedas entre sí, las que hacían trabajar a 32 molinos, que producían casi una tonelada de harina cada uno.
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La Rueda Hidráulica Los árabes también emplearon la ruedan hidráulica en tareas agrícolas. En provincias como Hispania (península Ibérica), que ha sido reconocida como parte importante en la producción y exportación de granos para Roma, prácticamente la totalidad del grano era molido para obtener harina, materia prima básica en la fabricación de pan, que constituía el principal pilar de la dieta de la época. Para esto, la mayoría de los molinos de grano estaban constituidos por dos muelas (una fija llamada solera y otra móvil o corredera), estas eran poco peraltadas y de pequeño diámetro, y podían moverse gracias al movimiento de la rueda producida por el agua, y en algunas ocasiones con la ayuda de por un hombre, a través de un taladro en el que se encajaba un mango de madera que se empuñaba con una mano. Con
menor
frecuencia
han
aparecido en otras provincias romanas molinos de muelas muy
peraltadas,
llamados
molinos pompeyanos -por los magníficos ejemplares de este tipo hallados en la ciudad de Pompeya. Estos molinos requerían, por su tamaño mucho mayor, ser tirados por asnos y tenían naturalmente una capacidad de molienda bastante mayor. Además de los griegos y los romanos, en la antigüedad los egipcios emplearon la Sakia, (rueda hidráulica de compartimientos o cubos) para elevar agua. Se piensa que quizá también los sumerios emplearon la rueda hidráulica con otros fines.
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La Rueda Hidráulica La hidroelectricidad tuvo mucha importancia durante la Revolución Industrial. Impulsó las industrias textiles y del cuero y los talleres de construcción de máquinas a principios del siglo XIX. Para esta época ya se encontraban por lo menos medio millón de ruedas en Europa, en minas e industrias. Aunque las máquinas de vapor ya estaban perfeccionadas, el carbón era escaso y la madera poco satisfactoria como combustible.
La
energía
hidráulica
ayudó
al
crecimiento de las nuevas ciudades industriales que se crearon en Europa y América hasta la construcción de canales a mediados del siglo XIX, que proporcionaron carbón a bajo precio. Estas ruedas hidráulicas continuaron aplicándose en diversos campos durante mucho tiempo. Por ejemplo, en el siglo XIX se construyeron ingenios hidráulicos para elevar el agua a cierta altura sin necesidad de utilizar ruedas hidráulicas, aprovechando el fenómeno conocido como golpe de ariete. En general, aunque estas últimas ruedas hidráulicas sufrieron pocas modificaciones, no se presentaron cambios significativos hasta que en 1848 apareció la turbina a reacción de Francis, en 1880 la de impulsión de Pelton y en 1906 la de Kaplan. Todo esto permitió que las ruedas hidráulicas se transformaron en las modernas turbinas, ruedas rápidas y de buen rendimiento, que
abren
colaboración
un
nuevo
en
el
campo
campo
de
de
la
producción de energía motriz, gracias al descubrimiento electromagnética
de
la
inducción
que
permite
transformar la energía del agua en electricidad.
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La Rueda Hidráulica A pesar de la aparición de las turbinas de acero, de mayor potencia y más eficientes que las ruedas hidráulicas, en algunos países como Inglaterra estos molinos continuaron siendo útiles durante mucho tiempo. Esto se debió principalmente a que podían se construidos con materiales disponibles en la región (como madera y bambú), y con esto se podía bombear agua o realizar una gran variedad de tareas relacionadas con el procesamiento de granos, lo que favoreció inmensamente a los pequeños productores. Los existentes canales de irrigación y pequeñas corrientes ofrecían muchos sitios potenciales en los cuales se podían realizar estos trabajos a muy bajos costos. Por ejemplo, para 1850, los británicos habían construido un gran número de ruedas hidráulicas para uso industrial, que producían de 65kW a 190kW, con diámetros entre 7 y 12 metros. Algunas de estas ruedas fueron dejadas en funcionamiento por más de 100 años. La construcción de tales máquinas sería muy costosa ahora; pero ruedas más pequeñas (en un rango de 0.3 a 0.5kW) todavía son consideradas económicamente viables en algunos lugares del sur de ese país. En Colombia algunos de los registros sobre las primeras ruedas hidráulicas
tienen
que
ver
principalmente con el desarrollo en las grandes
haciendas
en
la
época
republicana. Hacia 1853 había en la hacienda de La Puerta, abajo de Fusagasugá, un Trapiche hidráulico, y otro en Arroyohondo(Bolivar, Colombia) cerca de Cali. Fue mucho más tarde cuando en La Manuelita se instaló el primer trapiche accionado por rueda Pelton. En la hacienda "El Buque", cerca de Villavicencio, en 1870 estaba recién instalada una piladora de arroz con rueda hidroeléctrica.
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La Rueda Hidráulica
La máquina hidráulica del renacimiento de Esztergom La
ciudad de Esztergom se
encuentra a la rivera del tramo húngaro del río Danubio.
Según
apuntes de viaje y documentos históricos en algún periodo del siglo XV, una máquina de tipo molino hacía subir el agua hasta la población que vivía en el
castillo
Esztergom, forma
de
de esta
tenían
disposición
a agua
potable e higiene. Por consecuencia, esta máquina descrita como asombrosa tenía que superar un desnivel de unos 60 metros para poder llevar el agua limpia desde el nivel del Danubio hasta el castillo situado en lo alto. Sobre el principio de funcionamiento de esta máquina existen varias teorías. Las siguientes imágenes ilustran algunas de ellas.
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La Rueda Hidráulica
La Edad Media Más adelante, la rueda hidráulica se transformó en la gran máquina de la Edad Media, utilizándose en molinos harineros, en aserraderos, martillos y bombas, para accionar fuelles, para la batanadura de la lana, para exprimir la caña dulce, primer paso para la fabricación del azúcar; incluso fueron usadas ruedas hidráulicas para ayudar en el proceso de extracción de los minerales en la famosa mina del Potosí, en Bolivia. Las grandes ruedas hidráulicas medievales de madera desarrollaban una potencia máxima de cincuenta caballos de fuerza. En este tiempo se las empleó tanto en posición vertical, como en posición horizontal para mover directamente una estructura vertical. Siendo una máquina de tan diversa aplicabilidad, a lo largo de la historia muchos se interesaron en el desarrollo de la rueda hidráulica. Hasta el famoso Leonardo da Vinci diseñó una rueda que era capaz de llenar una torre de agua, quizás para suplir las necesidades de este recurso a un pueblo. La energía hidroeléctrica posterior debe su mayor desarrollo al ingeniero civil británico John Smeaton, que construyó por vez primera grandes ruedas hidráulicas de hierro colado.La rueda da lugar a la invención del molino, que se trata en otro de los apartados de este sitio. En la Edad M|edia, la rueda hidráulica fue ampliamente utilizada en Europa para una gran variedad de usos industriales. El Domesday
Book, el catastro inglés(también conocido como Ingeniería Civil
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La Rueda Hidráulica
Domesday, Doomsday, o Libro de Winchester), fue el principal registro de Inglaterra, completado en 1086 bajo las órdenes del reyGuillermo I de Inglaterra. Uno de los principales propósitos del registro era conocer quien poseía bienes que podrían pagar tributos, por lo que el juicio de los asesores era decisorio, pues lo que quedaba registrado en el libro (las propiedades y su valor) era la ley, y no había apelación posible.El Domesday Book fue escrito en latín. El nombre "Domesday" proviene de la palabra del inglés antiguodom, que significa "cuenta" o "reconocimiento". Así, "domesday" quería decir literalmente "día de cuentas", queriendo significar que un lord tomaba reconocimiento contable de lo que poseía cada sujeto, por ejemplo reporta molinos de agua, todos del tipo vitruviano. Estos molinos fueron usados para accionar aserraderos, molinos de cereales y para minerales, molinos con martillos para trabajar el metal o para batanes, para accionar fuelles de fundiciones y para una variedad de otras aplicaciones. De este modo tuvieron también un papel importante en
la
redistribución
territorial
de
la
actividad industrial. Otra forma de energía desarrollada en la Edad Media fue el molino de viento. Desarrollado originalmente en Persia en el siglo VII, parece que tuvo su origen en las antiguas ruedas de oraciones accionadas por el viento utilizadas en Asia central. Otra hipótesis plausible pero no demostrada, es la de que el molino de viento se derivaría de las velas de los navíos. Durante el siglo X estos molinos eólicos fueron ampliamente utilizados en Persia, para bombear agua. Los molinos persas estaban
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La Rueda Hidráulica constituidos por edificios de dos pisos, en el piso inferior se encontraba una rueda horizontal accionada por 10 a 12 alas adaptadas para captar el viento, conectadas a
un
eje
vertical
que
transmitía
el
movimiento a la máquina situada en el piso superior, con una disposición que recuerda los molinos de agua griegos. Los molinos de viento de ejes horizontales se desarrollaron en Europa del norte entorno al siglo XIII. Molino de rodezno –llamado en Murcia de rodete–. Su rueda, de una sola pieza, permitía ahorrar algunas ruedas dentadas. La especial disposición de sus álabes, en forma de cuchara, permitía aprovechar mejor la corriente. Los molinos Nuevos de la Segura son de este tipo. En la Edad Media el Islam contribuyó en forma importante al desarrollo de la hidráulica. Se realizaron importantes obras hidráulicas como canales de distribución de agua, con un uso frecuente de sifones, casi desconocidos anteriormente. El funcionamiento básico de la rueda hidráulica consiste en aprovechar la energía cinética
del
agua
almacenada, de modo que
accione
las
turbinas hidráulicas. Se construyen presas para regular el caudal en función de la época del año. Las ruedas
grandes hidráulicas
medievales de madera
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La Rueda Hidráulica desarrollaban una potencia máxima de cincuenta caballos de fuerza. Y tanto se las empleó en posición vertical, como también en posición horizontal, para mover directamente una estructura vertical.
RUEDAS HIDRAULICAS Las primeras máquinas hidráulicas, construidas muchas veces al menos en gran parte de madera, se desarrollaron mediante tanteos meramente empíricos, y muestran la ignorancia total de la teoría existente en aquellos años. La sencilla rueda hidráulica con paletas modernas
precursora turbinas
de
las
para
la
utilización de la energía del agua, con fines de riego y drenaje, desarrollo
parece en
que
se
Egipto,
Mesopotamia y China mil años antes de la Era Cristiana. Por aquella
época
aparecieron
también en Persia los primeros molinos de viento; que fueron instalados con profusión en el mundo islámico en el siglo VII de nuestra era, los cuales emplean la energía eólica o cinética del aire para producir trabajo. He aquí un invento simple y antiquísimo. Sin embargo fue algo esencial para la evolución de maquinarias de todo tipo. La rueda es un elemento necesario en infinidad de inventos, tanto antiguos como actuales, desde los primitivos molinos, hasta la bicicleta, motocicleta, automóvil, avión, cosechadora, tractor, silla de ruedas, etc.
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La Rueda Hidráulica Para llegar a ciertos inventos, hubo que basarse en anteriores, que no por simples y primitivos son menos importantes. No se conocen nombres de inventores de la antigüedad, pero se lograron en esa época mecanismos e instrumentos que todavía se utilizan en ciertas actividades, como las máquinas agrícolas, las de la construcción, las comunes domésticas, etc. Y es así como desde milenios se utilizaron aparejos, poleas, el engranaje, ruedas, que posibilitaron la aparición de otras herramientas y cuyo principio de la física fue resumido por Arquímedes en el siglo III antes de Cristo:" Cuanto más largo es el brazo de la palanca, tanto menor será la fuerza necesaria para mover un objeto". El concepto de palanca, unido a la rueda dan estas posibilidades de ahorrar esfuerzos. Las maquinas volumétricas transforman la energía mecánica, producto de una fuerza por un desplazamiento, directamente en energía de presión o viceversa. La potencia específica de las maquinas volumétricas es proporcional a su presión. Por tanto, no son económicas si las presiones son bajas. Estos motores son máquinas de desplazamiento positivo. Hay, pues, en todos ellos una o varias cámaras, cuyo volumen aumenta y disminuye periódicamente gracias al movimiento alternativo o rotativo de un órgano denominado desplazador; la diferencia entre el volumen máximo y mínimo total se denomina volumen desplazado o cilindrada. En los motores el desplazamiento es provocado por el líquido a presión. El motor hidráulico volumétrico se utiliza, lo mismo que las bombas volumétricas, en el campo importantísimo de las transmisiones y controles hidráulicos, cada vez mas empleados en la automatización de la industria. Las bombas y motores volumétricos son fundamentalmente máquinas reversibles (funcionan igualmente como motor, que como bomba, salvo que el control del flujo de fluido se realice con válvulas de antirretorno), y revisten infinidad de formas.
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LAS RUEDAS HIDRÁULICAS Los motores gravimétricos, por ser los mas elementales y obvios, fueron también los primeros que invento el hombre. Las norias de rosario para elevar el agua, aún en uso en algunas regiones, son bombas gravimétricas. Que tienen su contrapartida en los motores gravimétricos y se incluyen en la categoría más general de las ruedas hidráulicas. Las primeras ruedas hidráulicas se construyeron en Asia, China y la India, hace unos 2200 años; de Asia pasaron a Egipto y de allí a Europa(unos 600 años después que en Asia) y América. Leonardo de Vinci, Galileo y Descartes, entre otros, realizaron estudios teóricos y matemáticos sobre las ruedas hidráulicas. Las ruedas hidráulicas en la actualidad: a) Siguen funcionando en algunos sitios, como molinos de grano, etc. b) Siguen construyéndose y reparándose en alguno que otro taller de artesanía; las primitivas eran de madera, incluso el eje (madera de encina); pero actualmente se construyen también de acero. c) En algunos casos, tales como en los molinos de grano, pueden aún hoy día ser rentables. d) A veces son sustituidas por turbinas, transformándose el molino antiguo en una pequeña central hidroeléctrica. Las figurassiguientespresentan los tipos principales de ruedas hidráulicas. Solo la primera figura es una máquina puramente gravimétrica. Las diferentes ruedas que se esquematizan en esta figura nos conducen gradualmente hasta la turbina Banki:
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La Rueda Hidráulica
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La Rueda Hidráulica
Alimentación superior (rueda gravimétrica): El efecto cinético de la corriente es despreciable. Alimentación lateral: Rueda hidráulica de alimentación lateral. El agua fluye por el canal de alimentación con la velocidad Co; el diámetro de la rueda d es mayor que la altura disponible H. Se emplean con ventaja donde tanto como el caudal como la altura disponible esta sujeto a grandes variaciones. El rendimiento permanece casi constante a pesar de las variaciones de carga, gracias a que el canal de alimentación termina en unas compuertas móviles. Si el nivel del agua es alto la admisión se hace por las aperturas superiores, y si el nivel es bajo por las inferiores. Estas ruedas, en las que junto con la energía gravitatoria del agua entra en juego la variación de la cantidad de movimiento constituyen los primeros balbuceos de la turbina. Con estas ruedas se lograron rendimientos hasta del 80% y caudales por rueda hasta de 4 m³/s. De paletas planas: Rueda hidráulica con álabes rectos. De impulsión inferior: Es el extremo opuesto a la de alimentación superior. Estas ruedas no son ya motores gravimétricos, ya que en la transmisión de energía solo entra en juego la variación de la cantidad de movimiento. En la figura se ha dibujado el triángulo de velocidades de entrada. Las alturas aprovechables son mínimas, inferiores a 0.5m. Los caudales aprovechables oscilan entre 200÷500.000l/s. Se han construido ruedas de este tipo hasta de 9m de diámetro. Su rendimiento es elevado si los álabes están bien fuselados (rueda hidráulica de Poncelet). De ahí la importancia que estas ruedas hidráulicas adquirieron en su tiempo. Rueda de paletas de alimentación inferior: Funciona con las paletas parcialmente sumergidas en el agua; rueda de impulsión, que aprovecha solo la energía cinética del agua, porque el desnivel geodésico es prácticamente nulo. Turbina Banki: En ella el salto se realiza en dos etapas, como se vió en la imagen. Es una T radial-centípeta-centífuga (de flujo cruzado o “crossflow”) Ingeniería Civil
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La Rueda Hidráulica destinada, según su inventor (DonátBánki, Hungría, 1859-1922), a reemplazar a la TP; pero que, a pesar de su buen rendimiento, ha alcanzado solo una difusión.
TIPOS DE RUEDAS HIDRÁULICAS Los motores hidráulicos llamados ruedas, pueden considerarse subdivididos, según la forma en que principalmente acciona el agua, en:
Ruedas hidráulicas comunes
Ruedas de impulso
Ruedas de reacción.
En las ruedas hidráulicas comunes el agua obra principalmente por su propio peso, llenando unos cubos o cajones que al moverse hacia abajo ponen en movimiento la rueda. Otra característica de las ruedas hidráulicas comunes es que el agua deja los cubos por el mismo sitio por donde entró, mientras que en el resto de los motores hidráulicos no sucede así. En las ruedas de reacción y las turbinas, el agua tiene una circulación constante a través de unos canales curvos de que están provistas. Aparte de lo anterior tienen diferentes características propias, tales como su forma de construcción, su número de revoluciones, etc., según se irá indicando en lo que sigue. Por existir todavía en trabajo a pesar de su antigüedad, numerosas instalaciones de ruedas hidráulicas comunes, daremos a continuación una breve descripción de las mismas, deduciendo a la vez los valores aproximados de sus eficiencias.
Ruedas hidráulicas comunes
Entre las ruedas hidráulicas comunes pueden distinguirse tres formas distintas que se diferencian entre si por el lugar donde se hace la alimentación o admisión del agua que las mueve, originándose en esta forma las ruedas de alimentación por arriba; las
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La Rueda Hidráulica ruedas de alimentación lateral o de costado y por último, las ruedas de alimentación por abajo.
Ruedas Hidráulicas comunes, de alimentación por arriba
En esta forma de ruedas el agua entra por la parte superior y obra principalmente por su peso; sin embargo, en la mayor parte de ellas un valor apreciable de energía cinética es entregado también a la rueda. La
figura
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muestra
esquemáticamente una rueda de este tipo. Los cubos están formados por aspas o divisiones hechas en dos partes, una A, en dirección radial y otra B, inclinada en dirección
conveniente
definida
por
el
proyecto diseño; el fondo del cubo esta formado por una superficie cilíndrica o piso F; los costados son hechos por dos cubiertas o cachetes laterales E. El total esta atornillado a una serie de brazos radiales fijos a los cubos y soportados por el eje.
Análisis
Sea h, la caída total desde la superficie del agua en el canal de llegada hasta la superficie del libre del agua en el canal de desfogue; sea W el peso del agua entregada a la rueda por cada segundo de tiempo. La energía teórica del agua será igual Whkgm/s. La caída total h, puede considerarse divida en tres partes: ho que es la altura de carga media por la cual se llena los cubos; (h-ho-h1) que es la altura media a lo largo de la cual descienden llenos de agua los
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La Rueda Hidráulica cubos y h1 que es la parte de la altura que queda entre el punto donde se vacían los cubos y el nivel de la superficie libre de las aguas en el canal de desfogue. El agua golpea el cubo con una velocidad vo, aproximadamente igual a √
; los
cubos se mueven con una velocidad periférica u, aproximadamente en la misma dirección de vo; esto trae consigo una perdida de carga por choque: )
El agua entonces desciende la altura media (h-ho-h1) accionando la rueda por su propio peso; finalmente se vacia el cubo y el agua alcanza el nivel de desfogue animada de una velocidad absoluta v1 que da lugar a que una parte de energía disponible se ha desperdiciada. Por consecuencia la eficiencia de la rueda estará expresada por: )
Puesto que el agua al empezar a dejar el cubo tiene una velocidad u y luego desciende de una altura h1, su velocidad al llegar al desfogue será: √ Los cubos son hondos a fin de retener el agua lo más posible y además tienen una forma semejante a la de la trayectoria del agua a la salida del canal alimentador, evitando el choque que se produce. Ruedas como la descrita, han sido construidas hasta de 15 m de diámetro. En estos casos la potencia estimada por un eje mediante un pequeño piñón que engrana a una rueda dentada fija en la circunferencia de la rueda. En otras ocasiones la
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La Rueda Hidráulica potencia se toma directamente de la flecha misma de la rueda mediante una transmisión de engranes la velocidad teórica mas ventajosa, es
pero
prácticamente se encuentra que u=.4 v0 llegando a ser la eficiencia de un 70 a un 85%. Una gran ventaja de las ruedas de alimentación por arriba es que su eficiencia es mas alta en épocas de estiaje, cuando la alimentación disminuye, puesto que los cubos se llenan tan solo parcialmente y no empiezan a vaciarse sino hasta llega r a un punto mas bajo que cuan están completamente llenos; por tanto h1 se vuelve mas corta y aumenta la eficiencia. La principal desventaja de estas ruedas esta en su tamaño y costo de construcción. Su velocidad siendo fija, comúnmente entre 1 a 2 m/s de velocidad periférica, hacen necesaria la instalación de una compuerta y de una transmisión de engranes costosa a fin de mover la maquina a una velocidad conveniente. Se emplean para cargas de 3 a 12 m aunque se llegan a utilizar para mayores alturas también. Una velocidad periférica mayor que la comúnmente empleada trae consigo un desperdicio de agua que sale de los tubos obligada por la fuerza centrifuga. El numero de cubos y su profundidad es determinada a veces por formulas, pero ello mas bien materia de experiencia. El ancho de la rueda, paralelo al eje, es gobernado por la cantidad de agua que actúa sobre la rueda y debe ser tan grande que el cubo no se llene completamente a fin de reducir el valor de h1. Si el nivel del desfogue es constante, la parte mas baja de la rueda debe quedar limitada a este nivel, pero si es variable debe darse la holgura necesaria para evitar interferencias y resistencia en época de máximo nivel. Estas preocupaciones son necesarias en la tensión a que la dirección del movimiento de los cubos, en la porción inferior de la rueda, es opuesta ala corriente en el canal de desfogue y una ligera inmersión ofrecerá una gran resistencia adicional. Esta dificultad algunas veces es compensada, por alguna razón que queda ahogada la rueda de 10 a 12 cm, adaptando un dispositivo que haga que el agua de alimentación entre en sentido contrario, mediante lo cual esta es introducida en la parte posterior en vez
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La Rueda Hidráulica de serlo en la parte anterior, obligando a la rueda a girar en sentido contrario, de tal manera que los cubos se mueven a la dirección de la corriente en el desfogue.
Rueda de alimentación lateral o de costado
Este tipo de rueda esta proyectado para recibir el agua por un costado mas o menos al nivel de su diámetro horizontal. Su posición inferior se mueve en dirección de la corriente de desfogue, por esta razón la rueda puede quedar ahogada una profundidad de 10 a 15 cm por lo cual su empleo es conveniente para nivel variable en el canal alimentador y en el desfogue. Es evidente por la manera o disposición de al admisión, que este tipo sea aplicado solo para pequeñas caídas de 2.5 a 4.5 m puesto que para mayores caídas el tamaño de la rueda lo hace impracticable. Es claro que el agua obra tanto por efecto del impulso como por gravedad, por lo cual para evitar la salida del agua de los cubos antes de que llegue a su posición mas baja, el cuadrante inferior de la rueda esta cubierto, obligando así prácticamente a que toda, o casi toda el agua, se conserve dentro del cubo hasta llegar al punto inferior de su recorrido. Este tipo de rueda esta proyectada para recibir el agua por un costado poco más o menos al nivel de su diámetro horizontal, su porción inferior por consecuencia
se mueve en
dirección de la corriente de desfogue, razón por la cual la rueda puede quedar ahogada a una profundidad de 10 a 15 centímetros lo que hace
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La Rueda Hidráulica que su empleo se conveniente para niel variable en el canal alimentador y en el desfogue. Por la manera o disposición de la admisión, que este tipo sea aplicado solo para pequeñas caídas de 2.5 a 4.5 metros; puesto que para mayores caídas del tamaño de la rueda lo hace impracticable. Es claro que el agua obra tanto por efecto de impulso como por gravedad, por lo cual para evitar la salida del agua de los cubos antes de que lleguen a su posición mas baja, el cuadrante inferior de la rueda esta cubierto, obligando así prácticamente a que toda, o casi toda el agua, se conserve dentro del cubo hasta llegar al punto inferior de su recorrido. En la figura 16, el agua es conducida desde su derivación por medio de un canal, llegando al extremo del cual se le hace pasar por un orificio A que controla la admisión mediante
la
regulación
del
tamaño del orificio.
En la figura 17, el control de la admisión es hecho mediante una compuerta de deslizamiento que cubre una serie de aberturas A, en la extremidad inclinada del canal, una o más de las cuales pueden cerrarse deslizando la compuerta. Los canales directrices tienen por objeto obligar al agua a entrar al cubo en la dirección más favorable para una buena eficiencia. En el dispositivo indicado en la figura 17, observamos la manera con la que el agua entra al cubo, encontrando que las entradas de los cubos prácticamente están cubiertas por la extensión de los canales guías, siendo evidente por tanto la necesidad de orificios por donde pueda escapar el aire desalojado y los cuales se encuentran en la placa que forma el piso, tal como se indica en B.
Trabajo y eficiencia
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La Rueda Hidráulica En las figuras 16 y 17 se indica que el agua entra a través de los orificios A bajo una carga hₒ que produce una velocidad teóricamente igual a C₁ √ ghₒ en la cual C₁ expresa el valor del coeficiente de velocidad del orificio A. El agua estando confinada entre las aspas y la superficie curva del costado, accionará por su propio peso a lo largo de la altura h2 que es aproximadamente igual a (h-h0), finalmente, el agua saldrá al nivel del desfogue con una velocidad u o sea la velocidad de la circunferencia de la rueda. El razonamiento empleado para las ruedas de admisión por arriba, puede aplicarse a este caso, haciendo la caída h1 = 0 obteniendo conclusiones que podrían considerarse aplicables aproximadamente al caso de las ruedas de admisión por un costado.
Por tanto las siguientes relaciones serán ciertas aproximadamente;
U=
√
(teórica)
)
Las fórmulas anteriores, claro que no se ven realizadas exactamente en la práctica, puesto que de ningún modo podrán ser expresadas algebráicamente las pérdidas por choque, espuma y fugas a lo largo de la superficie curva del costado. Si con objeto de evitar las fugas entre la rueda y el costado se diera a la hoguera un valor menor de 4.5 a 5 mm, resultaría un aumento considerable en la fricción y también si la rueda, por
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La Rueda Hidráulica cualquier circunstancia estuviera ligeramente excéntrica tendría lugar choques repetidos. Por las razones antes dichas, la eficiencia de las ruedas de costado es menor que la de las ruedas de admisión por arriba, siendo sus valores usuales de un 50% para ruedas pequeñas y aproximadamente de un 75% para ruedas grandes bien proyectadas.
Ruedas de vertedero Cuando la caída no es grande, las ruedas algunas veces son proyectadas para recibir agua en un punto apreciablemente debajo del diámetro horizontal, en cuyo caso, frecuentemente
se
les
designa como ruedas de vertedero, no siendo ésta otra cosa que una rueda de costado con admisión baja. La eficiencia de esta rueda es mucho menor que las que
tienen
las
ruedas
regulares de costado. Las mejores ruedas de vertedero se han construido con diámetros comprendidos entre 3.5 y 7 m, girando con velocidades periféricas de 2 a 3 m/s.
Ruedas de alimentación por debajo Estas ruedas, estánprovistas de aspas planas radiales, colocadas en tal forma, que el agua choca solamente contra las aspas inferiores y
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La Rueda Hidráulica en una dirección aproximadamente horizontal; pudiendo por tanto y en cierto sentido, considerar que las ruedas de alimentación por debajo son un caso especial de las ruedas de costado, operadas totalmente por el impulso del agua en movimiento. Tanto en este tipo de ruedas, como en el anterior y por las razones antes expresadas, se encuentra en la practica que la eficiencia y el trabajo máximo son menores que los calculados empleados con algunas formulas, así por ejemplo, para las ruedas de alimentación por debajo, en la práctica se encuentran eficiencias comprendidas entre 20 y 40%, correspondiendo la eficiencia menor para el caso de ruedas colocadas en una corriente de agua no confinada; como es el caso de una rueda instalada sobre un lanchón anclado en la corriente de un río, pudiendo esperarse las mas altas eficiencias prácticas para las ruedas bien construidas, en las cuales la corriente de agua accione de tal manera que no tenga lugar un escurrimiento lateral. La figura anteriores un tipo de rueda de admisión por debajo, con aspas planas radiales, trabajando bajo una carga de agua. Observando la figura se ve que la rueda esta instalada en un canal cuya plantilla es circular y cuyo radio es un poco mayor que el de la circunferencia exterior de la rueda. La compuerta de deslizamiento que sirve para regular la admisión esta inclinada unos 45° a fin de que su arista inferior quede lo más cerca posible de la circunferencia de la rueda. Por este medio las aspas son mantenidas fuera del contacto del agua en movimiento hasta que casi se encuentran en posición vertical. La ligera caída en el canal, después de la rueda, compensa algo las pérdidas por fricción en el paso por el orificio de la entrada. El canal circular es seguido de un tramo de plantilla ligeramente inclinado, con el fin que el agua conserve su velocidad uniforme después de haber dejado la rueda, hasta llegar a un punto mas retirado, en donde el lecho del canal tiene una brusca inclinación en forma de escalón. La altura de la abertura del orificio de alimentación tiene generalmente entre 0.2 m como mínimo a 0.5 m en época de crecientes. La rueda de alimentación por debajo es relativamente de alta velocidad, por tanto puede hacerse más compacta que los tipos antes descritos; su construcción e Ingeniería Civil
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La Rueda Hidráulica instalación son extremadamente simples y desde este punto de vista es económica; pero su eficiencia, como se ha dicho, es más baja que la de los otros tipos. Es conveniente solo para instalaciones muy sencillas, para mover de relativa alta velocidad, donde se disponga de un amplio gasto y baja carga. El campo de acción de las ruedas hidráulicas comunes antes descritas queda resumido en la tabla que sigue, en donde se han puesto las principales características de ellas, tales como el diámetro, el numero de revoluciones admisible y el rendimiento normal, pudiendo reducirse en conclusión que el empleo de esta clase de ruedas hidráulicas debe ser muy reducido en la actualidad
FUNCIONAMIENTO DE LA RUEDA HIDRÁULICA Existen muchos tipos de ruedas hidráulicas, pero en cualquier caso el funcionamiento es siempre el mismo: mediante un canal se desvía cierta cantidad de agua del río, la cual se hace entrar a gran velocidad y en cantidad suficiente en el molino. Al llegar, el agua choca contra las palas de una rueda hidráulica que transmite a lo largo de su eje Ingeniería Civil
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La Rueda Hidráulica el movimiento a otras piezas tales como poleas, engranajes o bielas que comunican el giro de la rueda hidráulica a las muelas, los martinetes o cualquier otro mecanismo que gire u oscile. Dependiendo de su funcionamiento y al mecanismo de llegada del agua, las ruedas hidráulicas verticales se clasifican en las siguientes:
Rueda hidráulica con canal de alimentación superior Las ruedas se deslizan empujada por el agua que llega desde arriba, permitiendo una mayor explotación del agua disponible debido a que esta cae y la fuerza de gravedad realiza todo el efecto. Se usa en lugares donde hay alturas suficientes y el caudal es muy poco. El rendimiento es bastante alto (80 a 90 %). La rueda es trabajosa en su fabricación (impermeabilidad)
Ruedas hidráulica con canal de alimentación en la altura del eje El agua entra en la rueda en la altura del eje. Su eficiencia e menor que en el caso de las ruedas con canal de alimentación superior. Se necesita un empaque entre la rueda y canal de alimentación. Se usa este tipo de rueda en casos donde hay muchos cambios en el nivel del agua de entrada y de salida. Rueda hidráulica con canal de alimentación inferior
Este es el tipo de rueda más simple. Estas, aprovechan solo la impulsión de la corriente del agua, aunque el problema de esta consiste en que no hace uso del peso del agua que cae y, en lugar de eso, depende del flujo de la fuente de agua. Su rendimiento es muy bajo (15 a 20 %) en el caso de un canal de alimentación forzado.
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La Rueda Hidráulica En los molinos de barco el rendimiento es aún más bajo porque el agua tiende a desviarse a los lados de la rueda. Rueda hidráulica reversible
Es una rueda hidráulica con canal de alimentación superior con la posibilidad de cambiar el sentido de rotación, esto permite que sea utilizada para levantar cargas. Durante la historia, se desarrollaron varios mecanismos para encender y apagar maquinarias independientes movidas por las ruedas hidráulicas. Para detener las operaciones en los molinos frecuentemente se pueden encontrar compuertas que controlan el flujo del agua que va a las aspas. Para desacoplar algunas maquinarias, las correas de los engranajes son empujadas hacia poleas que rotan libremente, para que así estos no sean empujados por el eje principal de la rueda. Con todo lo expuesto anteriormente, es posible darse cuenta que estas ruedas hidráulicas aunque han sido remplazadas por maquinaria mucho más eficiente, que los han convertido en obsoletos; los que aún se conservan son una prueba viviente de una importante era tecnológica y con suerte serán conservados para el deleite de futuras generaciones.
RUEDAS DE IMPULSO EL nombre de las ruedas de impulso es usado algunas veces, comprendido únicamente aquellas formas especiales de motores hidráulicos accionados por un chorro de agua que sale de un chiflón y choca contra aspas o paletas de forma especial que se encuentran fijas en la circunferencia de la rueda. Esta definición excluye impropiamente motores tales como la rueda hidráulica común de alimentación por debajo, antes vista, que es una verdadera rueda de impulso, puesto que es
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La Rueda Hidráulica accionada por el impulso de una ancha corriente de agua.
Subdivisión de las ruedas de impulso Las ruedas de impulso pueden subdividirse según la dirección general que sigue el agua al ejercer su acción sobre las aspas o cangilones, en: radiales; axiales o paralelas y en tangenciales. Ruedas de impulso radiales.- Las ruedas de impulso radiales pueden ser a su vez, centrífugas o centrípetas, según que el agua salga hacia la periferia o hacia el centro de la rueda. Para deducir las relaciones que deben existir entre los elementos que forman estas ruedas, a fin de obtener la eficiencia máxima, en la cual ambos tipos pueden quedar considerados, de tal manera que el análisis y conclusiones a que se llegue en ella, serán aplicables a ambos casos.
Condiciones para una eficiencia hidráulica máxima. Antes ya se había deducido que las condiciones suficientes y necesarias para obtener de un motor hidráulico su eficiencia hidráulica o teórica máxima son dos: Primera: que el agua entre sin choque Segunda: que el agua salga sin velocidad. Para que pueda verificarse la primera condición, es decir, para lograr que el agua entre sin choque se hace necesario, como ya se ha dicho, que la dirección de la velocidad relativa o sea la dirección de una de las velocidades en que se descompone la velocidad absoluta al entrar al motor, sea tangente al aspa, lo cual tiene verificativo si la velocidad relativa forma con la dirección de la velocidad de arrastre o periférica un ángulo igual al ángulo constructivo. Respecto a la segunda condición, o sea que el agua salga sin velocidad, debemos decir que, para que esto se verifique se hace necesario que las velocidades sean iguales y directamente opuestas, a fin de que la velocidad absoluta de salida del agua sea nula.
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La Rueda Hidráulica Esto significa que el agua al salir de un aspa chocará contra la parte posterior de la inmediata siguiente, produciendo con ello una contrapresión y dificultando además la salida libre del agua después de haber accionado esta. Cuando una rueda ha sido construida satisfaciendo las condiciones anteriores y se le hace trabajar a su velocidad mas ventajosa, la velocidad absoluta de salida y la eficiencia teórica máxima, nos indicara por medio de un análisis que para obtener una alta eficiencia, los ángulos de entrada y de salida deberán ser pequeños, sin llegar a ser nulos, puesto que entonces el agua no podría entrar a la rueda ni tampoco salir ni ser desalojada. En la práctica se encuentra comúnmente valores de ángulos comprendidos entre 15 y 30 °. La forma práctica de la curva del aspa entre los puntos donde entra y donde sale el agua no es de importancia, con tal de que esta sea una curva suave y gradual.
Rueda de impulso Girard La rueda Girard, corresponde al tipo de rueda de impulso radial centrifuga, y consiste esencialmente de dos coronas planas y delgadas entre las cuales van unidas las aspas curvas, estando el conjunto ligado rígidamente a un eje, formándose así la rueda propiamente dicha o rodete móvil. La alimentación se hace mediante un chiflón colocado dentro de la rueda, lo cual da origen a que la rueda sea radial centrífuga. Si el chiflón fuera colocado por la parte exterior, la rueda seria radial centrípeta. Pueden ponerse varios chiflones localizados simétricamente alrededor de la circunferencia. El análisis y las conclusiones a que se llega en el anterior apartado son aplicables a estos casos.
Ruedas de impulso axiales o paralelas
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La Rueda Hidráulica
En este tipo de motores, la rueda o rodete móvil, es horizontal, siendo accionada por un chiflón dirigido hacia abajo e inclinado según un ángulo conveniente, como en la siguiente figura que muestra la planta y una parte desarrollada de la sección cilíndrica de la rueda. El agua al pasar a través de la rueda, ni se acerca ni se aleja del eje de rotación, siendo éste el motivo por el cual a este tipo se designa como rueda de impulso axial o paralela. La corriente de agua entra en A y pasa sobre el aspa hacia abajo, con una velocidad relativa, manteniéndose siempre a la misma distancia del eje, saliendo por B con la misma velocidad (suponiendo nulos los efectos de la fricción y de la gravedad). Como en los casos anteriores para evitar las perdidas por choque en la entrada en A, la dirección de la velocidad debe ser tangente al aspa en ese punto y a fin de que la eficiencia sea la máxima, la velocidad absoluta de salida, debe buscarse que sea lo penor posible lo cual se consigue haciendo que sean iguales en el punto de salida B. En lo anterior no se ha tenido en cuenta la acción e la gravedad que obra sobre el agua, cuando esta desciende la distancia vertical entre A y B, lo cual haría aumentar como es natural los valores de velocidades. Cuando el gasto lo requiera, es evidente que pueden emplearse en este tipo de ruedas varios chiflones para accionarla.
Ruedas de impulso tangenciales De este tipo de ruedas existen varias formas que han sido
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La Rueda Hidráulica ampliamente desarrolladas y que difieren únicamente en detalles, estas son conocidas por distintos nombres comerciales, tales como la Pelton,Cascada, etc. Esencialmente este tipo consiste de una rueda montada sobre una flecha que transmite la potencia recibida de uno o varios chiflones de agua que entra en dirección tangencial y que acciona una serie de aspas elipsoidales de doble cazoleta fijas en la periferia de la misma. La forma mas sencilla de un motor de este tipo sería una rueda provista de aspas planas y radiales tal como la considerada al estudiar el caso de la corriente que choca contra una serie de aspas planas y radiales de una rueda que gira; pero ya sabemos que esta forma solo da una eficiencia de un 50% como máximo, por lo cual en la práctica tendrán que emplearse invariablemente ruedas provistas de aspas curvas.
Forma de las aspas curvas La figura anterior muestra una forma defectuosa de aspa curva, puesto que el agua después de golpear el labio exterior, es obligada a cambiar bruscamente
de
dirección, produciéndose
el
choque
la
y
pérdida de energía correspondiente, es
defectuosa
además, porque la corriente de agua después de dejar el aspa golpea la parte posterior del aspa siguiente, produciéndose por este motivo una contrapresión con su pérdida de energía relativa.
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La Rueda Hidráulica
Esta razón ha hecho que las aspas o cangilones sean construidos tal como se ve en la siguiente figura, para ser empleados en ruedas Pelton, que representa la mejor forma de este tipo de motores. Las
aspas
curvas
o
cangilones,
mostrados en la figura anterior están formados por una doble taza o cazoleta de forma elipsoidal, con un partidor central proyectado para dividir y desviar la corriente
lateralmente,
obligándola
al
mismo tiempo a cambiar de dirección en sentido
opuesto
a
la
dirección
del
movimiento. Las aspas o cangilones están ligados a la rueda por medio de las dos orejas que tienen y se fijan a la misma mediante pernos, como se ve en la siguiente figura, lo cual permite que fácil y rápidamente sean quitados y remplazados los cangilones cuando por motivo de desgaste o ruptura esto se haga necesario.
CARACTERÍSTICAS DE LAS RUEDAS DE IMPULSO TANGENCIALES (RUEDAS PELTON)
El análisis y conclusión a que se llego al analizar el caso del chorro que choca tangencialmente sobre las aspas curvas de una rueda, es aplicable exactamente al caso
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La Rueda Hidráulica que las ruedas de impulso tangenciales, principalmente en lo relativo a la velocidad mas ventajosa, y que en su eficiencia puede ser igual a un 100% si se consigue que la corriente salga, después de accionar, en sentido totalmente opuesto a la dirección del movimiento del aspa. En la práctica no puede conseguirse, ya que el ángulo no puede ser nulo sin que exista una interferencia entre el agua que sale y la parte posterior del aspa que sigue, siendo esto igualmente cierto cuando la corriente es desviada lateralmente. Por tanto, los cangilones son hechos de tal forma que pueden arrojar la corriente desviada, salvando el cangilón siguiente, lo cual exige que el ángulo tenga un cierto valor y por consecuencia que la eficiencia no llegue, ni aun teóricamente a un 100% de eficiencia. Sin embargo, las ruedas Pelton alcanzan probablemente, más que ninguna otra, a realizar las condiciones teóricas de máxima eficiencia.
Análisis de una rueda Pelton Las conclusiones teóricas obtenidas de análisis, no pueden ser satisfechas o alcanzadas en la práctica, requiriéndose por tanto, el que sean hechas algunas modificaciones
para
compensar
principalmente, el efecto de la fricción del agua en el chiflón y en los cangilones, la fricción entre el eje principal y los cojinetes, la resistencia del aire y la del agua que salpica contra las partes móviles y finalmente el hecho de que el ángulo no puede ser nulo. Las relaciones empíricas que tienen en
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La Rueda Hidráulica consideración en las ruedas Pelton, los factores antes dichos, de acuerdo con los fabricantes de este tipo de motores, pueden resumirse como sigue: 1) El coeficiente de velocidad del chiflón varía entre 0.95 y 0.99 pudiendo considerarse 0.97 como valor medio. 2) La velocidad periférica de arrastre de la extremidad del radio puede considerarse igual a 0.47v, siendo llamado el coeficiente numérico de v, relación de velocidad y siendo representado por φ cuyo valor teórico es de 0.50 . 3) El ángulo con el que el agua es desviada por el cangilón, tiene un valor medio de 5°. 4) El ancho axial del cangilón B, es igual a 3.5 a 4 veces el diámetro del chorro. 5) La relación entre el diámetro de la rueda y el diámetro del chiflón “comercialmente” es obligada a quedar entre
y
6 siendo sus límites
prácticos de 9 y 20. 6) El ancho axial de la envoltura metálica, cercana al chorro, no debe ser menor de 15 veces el diámetro de éste, con el fin de evitar que el agua que ha chocado contra la envoltura sea salpicada contra los cangilones y presente una resistencia al movimiento de los mismos. 7) La colocación de los cangilones sobre la periferia de la rueda, así como la situación de las boquillas, debe hacerse como sigue: Los cangilones no deben ser colocados exactamente en sentido radial, sino en forma tal, que cuando el chorro alcance de lleno el cangilón, la arista del partidor se encuentre normal a la dirección del chorro, quedando los cangilones separados de la boquilla por el espacio de una división. El chorro debe atacar lo más cerca posible la periferia de la rueda, a la cual se unen los cangilones a fin de que las pérdidas de salida sean lo menor posible, haciéndose para ello que la circunferencia del centro del chorro, corte a los cangilones a los 2/5 de la altura. 8) La eficiencia práctica de una Pelton puede llegar a un 90%, en grandes unidades, o a un 85%, en condiciones ordinarias. Para calcular la eficiencia
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La Rueda Hidráulica práctica, los caballos de agua estarán basados en la carga neta efectiva a la entrada del motor y no en la carga total.
Ruedas Pelton alimentadas por chiflones o boquillas Si a causa de las restricciones 1), 2) y 5) antes dichas, una sola boquilla o chiflón no es suficientemente grande para desarrollar la potencia deseada a la velocidad de rotación estipulada, puede emplearse un dispositivo de chiflones múltiples. Estos podrán ser 2, 3 o 4 espaciados alrededor de la rueda, o bien pueden emplearse 2 o 3 ruedas montadas sobre la misma flecha. En algunos casos una combinación de ambos sistemas es preferible, empleando por ejemplo dos boquillas en cada una de las ruedas gemelas. Las ruedas sencillas que tienen 3 y 4 chiflones, son montadas generalmente en un eje vertical, pero en cualquier caso 4 chiflones es el máximo que puede emplearse por la rueda o 6 por unidad.
Regulación de potencia y velocidad de rotación en las ruedas Pelton Los motores hidráulicos por lo general son acoplados directamente a generadores eléctricos, los cuales alimentan un sistema de distribución sujeto a cambios de toma o carga, motivando este hecho que el motor hidráulico tienda a variar su velocidad de rotación cuando cambia la potencia que este deba desarrollar. Esto como es natural no es debido que suceda, puesto que tanto el motor como el generador, deben invariablemente trabajar a una velocidad constante. A fin de conseguir, no obstante la existencia de variaciones de potencia por desarrollar antes dichas, que el motor hidráulico trabaje a una velocidad constante (su velocidad mas ventajosa), es indispensable adaptar al motor hidráulico un dispositivo que pueda regular fácil y eficientemente la admisión del agua al motor a fin de que este pueda desarrollar una mayor o menor potencia.
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La Rueda Hidráulica Para ese objeto, una simple válvula de compuerta instalada en la tubería de llegada serviría de un modo tosco para ajustar la salida del agua a la demanda de energía, pero dicha válvula presenta graves inconvenientes que la hacen inadmisible, por el hecho de que al ser disminuido el escurrimiento por reducción brusca de sección, se destruye directamente energía, puesto que la válvula no puede disminuir el gasto sin reducir la carga simultáneamente; en segundo lugar, la reducción de carga en la boquilla trae consigo una menor velocidad del agua en el chiflón y por tanto una perturbación en la relación de la velocidad, y como resultado una reducción en el valor de eficiencia del motor. Una
manera más efectiva, en el caso particular de las ruedas Pelton, de reducir la alimentación sin destruir la energía y que es la forma actualmente empleada, consiste en adaptar al chiflón una válvula de ajuste, como se ve en la siguiente figura, formada por un punzón o aguja que corre longitudinalmente dentro del chiflón y cuya cabeza o extremidad tiene una forma especial. A medida que la aguja entra más y más en la abertura de la boquilla, de la posición A a la B, va quedando un espacio anular menor y menor a través de un chorro circular. Por consecuencia el efecto del dispositivo consiste simplemente en variar la sección del chorro. El único inconveniente que presenta el uso de la válvula de aguja, es que al cerrarse rápidamente la boquilla (por la acción de un regulador automático), se corre el riesgo de producir fuertes presiones dinámicas o de inercia dentro de la tubería forzada, especialmente cuando esta trabaja a una gran presión. Debe por
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La Rueda Hidráulica tanto, ser completado el dispositivo anterior con un deflector, el cual en caso de una reducción brusca de la carga mecánica desvía el chorro total o parcialmente hacia afuera de los cangilones, desperdiciándose necesariamente el agua por el momento. Teniendo ya la velocidad de la Pelton bien controlada, la aguja puede ser movida lentamente hacia adelante al mismo tiempo que el deflector regresa a su posición primitiva. Servo motor para la regulación automática de las ruedas Pelton Un sistema típico de regulación automática para las ruedas Pelton, esta indicado esquemáticamente en las siguientes figuras El dispositivo, que por su sensibilidad responde perfectamente a las variaciones de velocidad, iniciando el movimiento descrito anteriormente, consiste de un regulador de fuerza centrífuga, ligado por bandas o engranes a la flecha motora de la Pelton. Todo lo que este regulador tiene que hacer, es operar una pequeña válvula de tipo pistón; el trabajo efectivo de mover la aguja, o el deflector y la aguja, es hecho por un servo-motor de aceite a presión que consiste esencialmente, de un pistón que se desaloja dentro de un cilindro. Existen casos en que se emplean servo-motores separados, uno para mover la aguja y otro para mover el deflector, pero hay otros en los cuales un solo servo-motor opera tanto la aguja como el deflector. La energía que el servo-motor utiliza es tomada de una bomba de aceite movida por la flecha motora de la Pelton, existiendo parte de esta energía en la cámara de presión que esta sobre la bomba.
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La Rueda Hidráulica En
esquema
anterior
se
considera la posición de las partes
constitutivas,
suponiendo una velocidad establecida correspondiente aproximadamente
a
una
carga mecánica media. Si ahora
se
supone
una
reducción rápida en la carga mecánica de la pelton, esta aumentará su velocidad de rotación, haciendo que el regulador levante la válvula de control y sea abierto el conducto a, entrado el aceite a presión al cilindro del servo-motor, obrando por la cara A y haciendo bajar el émbolo,
con
lo
cual
la
palanca P bajara también girando
alrededor
de
su
punto fijo y el deflector cortara el chorro desviando una parte del agua. La aguja que estaba detenida por la palanca P no avanza ahora solidariamente con dicha palanca debido a la hendidura h, sino que es empujada lentamente por el agua a presión que pasa por un orificio reducido O y que obra sobre el émbolo C. La aguja en su avance, lega a encontrarse de nuevo con el tope de la hendidura que le impide seguir cerrando. Si por el contrario sobreviene una carga brusca, el émbolo A, funciona en sentido contrario y tira rápidamente la aguja hacia atrás (lo que sucede fácilmente gracias a una válvula que tiene el émbolo C que da salida rápida al agua que hay encima de él). En los reguladores Ingeniería Civil
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La Rueda Hidráulica bien construidos, los movimientos están determinados con tal precisión, que el deflector permanece en casi todas las posiciones casi rozando el chorro.
Velocidad de vacío en una Pelton En el caso de una falla del mecanismo que regula la velocidad de la Pelton, la rueda aumenta su velocidad por la falta de carga mecánica, hasta alcanzar un valor mucho mayor de su velocidad normal. Esta velocidad límite, la máxima que la Pelton en cualquier circunstancia puede alcanzar, es llamada la velocidad de rotación en vacío y puede llegar a ser hasta de un 80 o un 90% mayor que la velocidad normal. La Pelton y el generador al cual esta acoplado, deben invariablemente, estar proyectados para resistir el aumento del esfuerzo producido por la fuerza centrífuga desarrollada en el caso poco probable, pero posible, de que el motor trabaje en vacío.
BIBLIOGRAFIA
De parres, L. Maquinas Hidráulica. 1966. Editorial Tesis Resendiz, México D.F http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/maquinashidraulicas/rueda_hidrauli ca/rueda_hidraulica.html http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/maquinashidraulicas/rueda_hidrauli ca/rueda_hidraulica.html http://www.cje.org/inice/Per/HIDRA/H02I.htm
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La Rueda Hidráulica http://recuperaragua.blogspot.com/2010/12/la-rueda-hidraulica-en-la-edadmedia.html http://www.buenastareas.com/ensayos/Rueda-Hidraulica/1872263.html http://upcommons.upc.edu/revistes/bitstream/2099/3320/1/24article2.pdf
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