116611046 pico hidraulica

7/28/2019 116611046 Pico Hidraulica

1/191

UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID

ESCUELA POLITCNICA SUPERIOR

Ingeniera Tcnica Industrial: Electricidad

PROYECTO FIN DE CARRERA

ENSAYO DE MICROTURBINAS HIDRULICAS

PARA LA GENERACIN DE ENERGA ELCTRICA

EN ZONAS DESABASTECIDAS (II)

DEPARTAMENTO DE INGENIERA TRMICA Y DE FLUIDOS

Autor: Juan Manuel Mascas de la Rica

Tutor: Ulpiano Ruiz-Rivas Hernando

Julio 2012


2/191

Ensayo de microturbinas hidrulicas para la generacin de energa elctrica en zonas

desabastecidas (II) 2012

Juan Manuel Mascas de la Rica Universidad Carlos III de Madrid 2

DEDICATORIA

Agradezco la ayuda prestada para llevar a cabo este proyecto a mi tutor Ulpiano Ruiz-RivasHernando, primero por ofrecernos la oportunidad de trabajar en este proyecto de final de carrera, y

segundo por estar dispuesto a resolver las dudas que nos han ido surgiendo y explicarnos las cosaslas veces que hicieran falta, que han sido muchas.

Mencionar tambin la ayuda prestada por Jaime Martnez Alonso, tutor del proyecto de AlbertoGregoris con quien he tenido trato debido a la naturaleza de este proyecto y que tambin ha estadodispuesto siempre que ha sido posible a ayudarnos.

Agradezco la ayuda y consejos prestados por los tcnicos del taller de fluidos de la Universidad CarlosIII, en especial a Manolo y Carlos que tanto nos ayudaron en la construccin del banco de pruebasdel proyecto.

Quiero agradecer especialmente el apoyo de mi familia, que ha estado encima ma en los momentosdifciles al inicio de la carrera y cuyos consejos y sermones me han ayudado y me ayudarnsiempre.

Quiero agradecer tambin a mis amigos de siempre el apoyo durante todos estos aos de amistad yjunto a los cuales, espero no hacerme nunca mayor.

Quiero agradecer a mis compaeros de clase lvaro Maldonado, Sergio Cano, Ral Blazquez, EliseoVirseda, Sebastin Fernndez, Sergio Martnez y Raul Rodriguez la ayuda prestada en el paso por launiversidad y sin los que sinceramente, no estaras leyendo este documento.

Claro est, y para lo ltimo siempre queda lo mejor, quiero agradecer a Alberto Gregoris, amigodesde los inicios de la universidad con el que tenido la suerte de compartir este proyecto, el empeoy ganas que ha puesto en sacar adelante el proyecto, soportndome y arrimando el hombro en losmomentos difciles del proyecto; que para que nos vamos a engaar, tambin ha tenido muchosbuenos.


3/191




NDICE

1 INTRODUCCIN 14

1.1 Objetivos del proyecto 14

1.2 Organizacin del documento 14

1.3 Organizacin del proyecto 15

2 ENERGA PICO-HIDRULICA 16

3 BASE TERICA 17

3.1 CIRCUITO HIDRALICO 173.1.1 PROPIEDADES Y CONCEPTOS BSICOS DE FLUIDOS 17

3.1.1.1 PROPIEDADES 173.1.1.2 TEOREMAS 18

3.1.2 TEORA DE PERDIDAS EN TUBERAS 213.1.2.1 CIRCULACIN DE AGUA EN CONDUCTOS 213.1.2.2 PRDIDA DE CARGA POR FRICCIN 243.1.2.3 TEORA DE PRDIDA DE CARGA LOCALIZADA 27

3.2 Bombas, funcionamiento y sistemas 363.2.1 PARMETROS DE BOMBAS CENTRFUGAS E INSTALACIONES 36

3.2.1.1 CAUDAL 363.2.1.2 Altura de la bomba 373.2.1.3

VELOCIDAD DEL FLUIDO 39

3.2.1.4 PRESIN 403.2.1.5 NPSH en bombas centrfugas 40

3.2.2 Caractersticas de funcionamiento de las bombas centrfugas 413.2.2.1 Curvas caractersticas de las bombas 413.2.2.2 Curva caracterstica del sistema 423.2.2.3 Relacin entre la curva de la bomba y la del sistema 43

3.2.3 Ajuste para diferentes condiciones de funcionamiento 45

3.3 Vlvulas 483.3.1 Tipos De Vlvulas 48

3.3.1.1 Vlvulas tipo compuerta 483.3.1.2 Vlvulas de bola 49

3.4 Turbinas hidrulicas 513.4.1 Tipos de turbinas hidrulicas 51

3.4.1.1 TURBINAS DE REACCIN 513.4.1.2 TURBINAS DE ACCIN 53

4 INSTALACIN 68

4.1 DISEO DE LA INSTALACIN Y DE SUS COMPONENTES 694.1.1 BOMBA CENTRFUGA 694.1.2 DEPSITO DE AGUA 714.1.3 ESTRUCTURA 74

4.1.4 CPULA Y ESTRUCTURA DEL ALTERNADOR 774.1.5 EJE TURBINA - ALTERNADOR 82


4/191




4.1.6 TUBERAS Y VLVULAS 85SISTEMA DE TUBERAS 894.1.7 TURBINAS 93

5 NALISIS PREVIO DE LA INSTALACIN 105

5.1 Clculo de prdidas de presin por friccin en la instalacin 105

5.2 Clculo de prdidas de presin localizadas conocidas de la instalacin 1105.2.1 Calculo de factores K 110

5.3 Caracterizacin previa de la instalacin 120

6 EXPERIMENTOS Y RESULTADOS 124

6.1 Organizacin de los experimentos 1246.1.1 EXPLICACIN DEL PROCEDIMIENTO DE LOS DIFERENTES EXPERIMENTOS 126

6.1.1.1 VARIACIN DE CAUDAL Y PRESIN 1266.1.1.2 VARIACIN DE APERTURA DE LA TOBERA 1316.1.1.3 VARIACIN DE EXCITACIN Y TIPOLOGA DE EXCITACIN DEL ALTERNADOR 1336.1.1.4 Variacin de carga en el alternador 136

6.2 Caracterizacin de la instalacin 1386.2.1 Curvas P-Q del sistema 1386.2.2 Curvas de Potencia hidralica 1396.2.3 Calculo factor K de la tobera 141

6.2.3.1 Calculo de factor K segn Crane 1416.2.3.2 CALCULO DEL FACTOR K SEGN IDDLECHICK 1466.2.3.3 CALCULOS FACTOR K USANDO DATOS PRCTICOS 148

6.3 Caracterizacin de la turbina pelton 1596.3.1 PRUEBAS EN VACIO 1596.3.2 PRUEBAS CON REGULADOR 163

6.3.2.1 PRUEBAS PARA 4,5 MM DE DIAMETRO 1646.3.2.2 PRUEBAS PARA 5,5 MM DE DIAMETRO 1686.3.2.3 PRUEBAS PARA 6,5 MM DE DIAMETRO 172

6.3.3 PRUEBAS CON EXCITACIN INDEPENDIENTE 1766.3.3.1 PRUEBAS PARA 5,5 MM DE DIAMETRO 1766.3.3.2 PRUEBAS PARA 6,5 MM DE DIAMETRO 187

7 CONCLUSIONES Y PROYECTOS FUTUROS 188

8 BIBLIOGRAFA 191


5/191




INDICE DE FIGURAS

DISTRIBUCIN DE VELOCIDADES EN UNA TUBERA (SACADO DE ESHA) 21FIGURA 1.

21FIGURA 2.

DIAGRAMA DE MOODY 26FIGURA 3.

REPRESENTACIN TPICA DE LA PRDIDA DE CARGA DE UNA CONDUCCIN 28FIGURA 4.

GRFICO DE FACTORES K PARA EXPANSIN Y CONTRACCIN SBITAS 29FIGURA 5.

COEFICIENTES K PARA LOS DISTINTOS TIPOS DE ENTRADAS O SALIDAS AFIGURA 6.ESCAPE LIBRE O DEPSITOS 33

DISTRIBUCIN DE PRESIONES EN UN TRAMO CURVO DE TUBERA 34FIGURA 7.

DISTRIBUCIN DE PRESIONES EN SECCIN TRANSVERSAL DE TRAMO CURVOFIGURA 8.DE TUBERA 34

COEFICIENTES K DE CODOS EN FUNCION DEL PARMETRO 35FIGURA 9. COEFICIENTES K PARA DIFERENTES TIPOS DE VLVULA 35FIGURA 10.

CURVAS TPICAS H(Q) PARA BOMBAS CENTRFUGAS 41FIGURA 11.

VARIACIN DEL CAUDAL DEBIDO A LA VARIACIN DE LA CURVA REALFIGURA 12.SOBRE LA CURVA PREVIAMENTE CALCULADA 43

RELACIN ENTRE CURVAS HA(Q) INESTABLES Y ALTURAS VARIABLES DEFIGURA 13.INSTALACIN 44

VARIACIN DEL CAUDAL POR ESTRANGULACIN 45FIGURA 14.

PRDIDAS POR REGULACIN EN CURVAS H(Q) PLANAS Y DE PENDIENTEFIGURA 15.PRONUNCIADA 46

CONTROL DEL CAUDAL MEDIANTE BYPASS 47FIGURA 16.

DETALLE DE VLVULAS DE COMPUERTA 48FIGURA 17.

DETALLE DE VLVULA DE BOLA 49FIGURA 18.


6/191




TURBINA FRANCIS 52FIGURA 19.

TURBINA KAPLAN 52FIGURA 20.

TURBINA TURGO 53FIGURA 21.

ESQUEMA DE TURBINA DE FLUJO CRUZADO 54FIGURA 22.

RODETE Y CUCHARAS DE UNA TURBINA PELTON 55FIGURA 23.

EJEMPLO DE PELTON CON 6 INYECTORES 56FIGURA 24.

ESQUEMA DEL INYECTOR DE UNA TURBINA PELTON 56FIGURA 25.

EJEMPLO DE INCIDENCIA EN UN LABE DE PELTON 56FIGURA 26.

CAZOLETAS DE PELTON 57FIGURA 27.

VALOR DE EN FUNCIN DEL GRADO DE APERTURA DEL INYECTOR 59FIGURA 28. TRIANGULO DE VELOCIDADES 59FIGURA 29.

CURVAS CARACTERSTICAS TERICAS DE LA TURBINA PELTON 61FIGURA 30.

PROPORCIONES DE LAS CAZOLETAS 63FIGURA 31.

TRAYECTORIA DE UNA CAZOLETA DESDE EL PRIMER IMPACTO 64FIGURA 32.

GRFICO OPERACIONAL CAUDAL/SALTO PARA LOS TIPOS DE TURBINAS 66FIGURA 33.

INSTALACIN HIDRALICA 68FIGURA 34.

DIMENSIONES DE LA BOMBA 69FIGURA 35.

ENTRADA LATERAL AL DEPSITO 73FIGURA 36.

ENTRADA INFERIOR AL DEPSITO 73FIGURA 37.

ESTRUCTURA DE APOYO DEL DEPSITO 74FIGURA 38.

DETALLE DE ESTRUCTURA DE SOPORTE DE CPULA 75FIGURA 39.


7/191




LAMINA DE APOYO DE LA CPULA VISTA DESDE ARRIBA (IZQUIERDA) YFIGURA 40.DESDE ABAJO (DERECHA) DONDE SE APRECIA LA UNIN AL DEPSITO Y A LA ESTRUCTURAMEDIANTE SILICONA 75

DIBUJO DE LMINA DE APOYO DE LA CPULA 76FIGURA 41.

BOCETOS DE LA CPULA 77FIGURA 42.

LMINA DE LA CARA DE APOYO DE LA TURBINA PELTON 79FIGURA 43.

LMINA DE LA CARA DE APOYO DE LA TURBINA TURGO 79FIGURA 44.

LMINA SUPERIOR DE CIERRE DE LA CPULA 80FIGURA 45.

IMAGEN DE LA CPULA 80FIGURA 46.

FOTOGRAFA DE SUJECIONES DEL ALTERNADOR 81FIGURA 47.

PIEZAS SOBRE EL EJE DEL ALTERNADOR 82FIGURA 48.

FOTOGRAFA DEL RODETE TURGO 83FIGURA 49.

DIBUJO DEL EJE DE UNIN ENTRE TURBINA Y ALTERNADOR 84FIGURA 50.

IMAGEN DE PIEZA DE UNIN ENTRE EJE Y RODETE DE LA TURBINA ERROR!FIGURA 51.MARCADOR NO DEFINIDO.

IMAGEN DEL CONJUNTO ERROR! MARCADOR NO DEFINIDO.FIGURA 52.

DETALLE DE LA VLVULA DE TRES VAS 85FIGURA 53.

VLVULA DE COMPUERTA 86FIGURA 54.

DIFERENTES POSICIONES DE LA VLVULA DE COMPUERTA DONDE SEFIGURA 55.APRECIA EL ESTRECHAMIENTO DEL REA DE PASO. 87

VLVULAS MONTADAS EN LAS INSTALACIN 88FIGURA 56.

DISEO INICIAL DEL SISTEMA DE TUBERAS 89FIGURA 57.

SISTEMA DE PURGA DEL DEPSITO Y TOMA DE PRESIN EN LA BOCA DEFIGURA 58.

ASPIRACIN DE LA BOMBA 90


8/191




IMAGEN DE LA CONEXIN EN T 91FIGURA 59.

FOTOGRAFA DE LA CONEXIN PARA EL MONTAJE DE LA TURBINA TURGO 92FIGURA 60.

FOTOGRAFA DE LA CONEXIN PARA EL MONTAJE DE LA TURBINA PELTON 92FIGURA 61.

IMAGEN DE TURBINA TURGO 93FIGURA 62.

DETALLE DE LA TOBERA SECCIONADA 94FIGURA 63.

PRIMERA PASO EN LA CONSTRUCCIN DE LAS CAZOLETAS 98FIGURA 64.

PIEZA INICIAL DE LAS CAZOLETAS 98FIGURA 65.

CORTES EN LA PIEZA PRINCIPAL 99FIGURA 66.

DESPIECE DE LA CAZOLETA DE LA TURBINA 99FIGURA 67.

PEGADO DE PIEZAS DE LA CAZOLETA 100FIGURA 68.

CAZOLETA PEGADA 100FIGURA 69.

UNIN DE PIEZA DE REFUERZO 101FIGURA 70.

DETALLE DE LA MELLA DE LAS CAZOLETAS 101FIGURA 71.

AGUJEROS DE UNIN CON EL RODETE 102FIGURA 72.

PIEZA CENTRAL DE LA CAZOLETA DONDE SE PUEDE OBSERVAR LAFIGURA 73.OPERACIN DE FRESADO SOBRE LA TUBERA. 102

FOTOGRAFA DE LA CAZOLETA COMPLETAMENTE MONTADA DONDEFIGURA 74.

PODEMOS OBSERVAR LA MELLA EN SU EXTREMO Y EL CORTE EN SU PARTE INFERIOR QUESIRVE DE ACOPLE ENTRE PALAS 103

EN ESTA FOTOGRAFA VEMOS LA PALA ANTES DE PRACTICARLE EL AGUJEROFIGURA 75.DE LA MELLA Y DONDE VEMOS TAMBIN EL REFUERZO EN SU PARTE TRASERA 103

TURBINA PELTON MONTADA 104FIGURA 76.

CURVAS H-Q DE LAS BOMBAS FACILITADAS POR EL FABRICANTE 105FIGURA 77.

DIAGRAMA DE MOODY MARCADO PARA NUESTRO CASO CONCRETO 109FIGURA 78.


9/191




PRDIDAS DE PRESIN TOTALES CONOCIDAS FRENTE A LA CURVA H(Q) 119FIGURA 79.

REPRESENTACIN GRFICA DE LA CURVA DE CARACTERIZACIN DE LAFIGURA 80.BOMBA 123

GRAFICA DE PRESIONES CON VLVULA DE PRESIN DE K VARIABLE FICTICIAFIGURA 81.127

EXPLICACIN DE CURVAS DE PUNTO DE TRABAJO 128FIGURA 82.

EXPLICACIN DE MEDIDAS DE PRESIN 129FIGURA 83.

FOTOGRAFA DE LA TOBERA SIN APERTURA 131FIGURA 84.

FOTOGRAFA DE LA TOBERA TRAS REALIZAR LA PRIMERA OPERACIN DEFIGURA 85.APERTURA DE 4,5 MM DE DIMETRO DE SALIDA 132

ESQUEMA ELCTRICO DE LA INSTALACIN (OBTENIDO DEL PFC DE ALBERTOFIGURA 86.GREGORIS BRAA) 133

FIGURA X. MONTAJE USADO EN LOS EXPERIMENTOS CONFIGURA 87.REGULADOR(OBTENIDO DEL PFC DE ALBERTO GREGORIS BRAA) 134

MONTAJE USADO EN LOS EXPERIMENTOS CON EXCITACIN INDEPENDIENTEFIGURA 88.(OBTENIDO DEL PFC DE ALBERTO GREGORIS BRAA) 135

RESISTENCIAS VARIABLES UTILIZADAS EN LA INSTALACIN 136FIGURA 89.

CURVAS DE PRESIN EN LA ENTRADA DE LA TOBERA PARA LOS DISTINTOSFIGURA 90.DIMETROS DE APERTURA 138

CURVAS DE POTENCIA EN LA SALIDA DE LA TOBERA PARA LOS DISTINTOSFIGURA 91.DIMETROS DE APERTURA 140

APROXIMACIN TERICA DEL FACTOR K PARA UN ESTRECHAMIENTOFIGURA 92.BRUSCO Y GRADUAL 141

EXPRESIONES PARA EL CLCULO DEL FACTOR K DE UN ESTRECHAMIENTOFIGURA 93.GRADUAL 141

DIBUJO DEL INYECTOR PROPORCIONADO POR EL FABRICANTE 142FIGURA 94.

DIBUJO CON MEDIDAS DEL INYECTOR 142FIGURA 95.


10/191




DIVISIN DEL CONO EN TRINGULOS 142FIGURA 96.

IMAGEN DEL LIBRO IDDLECHICK 146FIGURA 97.

VALORES DE FACTOR K OBTENIDOS USANDO LOS DATOS DE LOS CONJUNTOSFIGURA 98.DE EXPERIMENTOS DE 4,5 MM (PELTON) 150

VALORES DE FACTOR K OBTENIDOS USANDO LOS DATOS DE LOS CONJUNTOSFIGURA 99.DE EXPERIMENTOS DE 5,5 MM (TURGO) 151

VALORES DE FACTOR K OBTENIDOS USANDO LOS DATOS DE LOSFIGURA 100.CONJUNTOS DE EXPERIMENTOS DE 5,5 MM (PELTON) 152

VALORES DE FACTOR K OBTENIDOS USANDO LOS DATOS DE LOSFIGURA 101.

CONJUNTOS DE EXPERIMENTOS DE 6,5 MM (TURGO) 152

VALORES DE FACTOR K OBTENIDOS USANDO LOS DATOS DE LOSFIGURA 102.CONJUNTOS DE EXPERIMENTOS DE 6,5 MM (PELTON) 153

VALORES DE FACTOR K OBTENIDOS MEDIANTE EXPRESIONES TERICAS YFIGURA 103.DATOS PRCTICOS 154

ESTRECHAMIENTO DE LA VENA LQUIDA 156FIGURA 104.

GRFICA DONDE SE MUESTRAN LOS FACTORES K OBTENIDOS A PARTIR DEFIGURA 105.LA VARIACIN DEL DIMETRO DE APERTURA 158

REVOLUCIONES ADQUIRIDAS POR LA TURBINA PARA LOS DISTINTOSFIGURA 106.DIMETROS DE APERTURA 159

RELACIN DE VELOCIDADES EN LA TURBINA PARA LOS DISTINTOSFIGURA 107.DIMETROS DE APERTURA 161

DETALLE DE TURBINA PELTON 162FIGURA 108.

POTENCIA GENERADA EN FUNCIN DE LA VELOCIDAD DE GIRO (4,5 MMFIGURA 109.CON REGULADOR) 164

POTENCIAS GENERADAS POR EL ALTERNADOR ACOMPAADAS DE LAFIGURA 110.POTENCIA HIDRULICA (4,5 MM CON REGULADOR) 165

RENDIMIENTO DEL CONJUNTOS EN FUNCIN DE LA VELOCIDAD DE SALIDAFIGURA 111.

(4,5 MM CON REGULADOR) 166


11/191




VELOCIDAD DE GIRO DE LA TURBINA EN FUNCIN DE LA VELOCIDAD DEFIGURA 112.SALIDA DEL FLUIDO (4,5 MM CON REGULADOR) 167

COMPARATIVA DE VELOCIDADES DE GIRO ENTRE EXPERIMENTOS DE VACOFIGURA 113.Y REGULADOR 167

POTENCIA GENERADA EN FUNCIN DE LA VELOCIDAD DE SALIDA DELFIGURA 114.FLUIDO (5,5 MM CON REGULADOR) 168


POTENCIAS GENERADAS POR EL ALTERNADOR ACOMPAADAS DE LAFIGURA 116.POTENCIA HIDRULICA (5,5 MM CON REGULADOR) 169

RENDIMIENTO DEL CONJUNTOS EN FUNCIN DE LA VELOCIDAD DE SALIDAFIGURA 117.(5,5 MM CON REGULADOR) 170

VELOCIDAD DE GIRO DE LA TURBINA EN FUNCIN DE LA VELOCIDAD DEFIGURA 118.SALIDA DEL FLUIDO (5,5 MM CON REGULADOR) 170

COMPARATIVA DE VELOCIDADES DE GIRO ENTRE EXPERIMENTOS DE VACOFIGURA 119.Y REGULADOR 171


POTENCIA GENERADA ACOMPAADA DE LA POTENCIA HIDRULICA (6,5FIGURA 121.MM) 172

RENDIMIENTO DEL CONJUNTO EN FUNCIN DE LA VELOCIDAD DEL FLUIDOFIGURA 122.(6,5 MM) 173

VELOCIDAD DE GIRO EN FUNCIN DE LA VELOCIDAD DEL FLUIDO (6,5 MM)FIGURA 123.173

VELOCIDAD DE GIRO DE LA TURBINA EN FUNCIN DE LA VELOCIDAD DEFIGURA 124.SALIDA DEL FLUIDO (6,5 MM) 174

TENSIN DE SALIDA EN BORNES DEL ALTERNADOR PARA CADA DIMETROFIGURA 125.DE APERTURA 175


12/191




VELOCIDAD DE GIRO DE LA TURBINA FRENTE A LA VELOCIDAD DE SALIDAFIGURA 126.DEL FLUIDO PARA LOS DISTINTOS VALORES DE EXCITACIN Y RESISTENCIA DE 6 OHMNIOS.

176

POTENCIA GENERADA EN EL ALTERNADOR FRENTE A LA VELOCIDAD DEFIGURA 127.GIRO DE LA TURBINA PARA LOS DISTINTOS VALORES DE EXCITACIN Y RESISTENCIA DE 6OHMNIOS. 177

RENDIMIENTO FRENTE A LA VELOCIDAD DE GIRO DE LA TURBINA PARA LOSFIGURA 128.DISTINTOS VALORES DE EXCITACIN Y RESISTENCIA DE 6 OHMNIOS (5,5 MM) 178

VELOCIDAD DE GIRO DE LA TURBINA FRENTE A LA VELOCIDAD DE SALIDAFIGURA 129.DEL FLUIDO PARA LOS DISTINTOS VALORES DE EXCITACIN Y RESISTENCIA DE 10OHMNIOS. 179


RENDIMIENTO FRENTE A LA VELOCIDAD DE GIRO DE LA TURBINA PARA LOSFIGURA 131.DISTINTOS VALORES DE EXCITACIN Y RESISTENCIA DE 10 OHMNIOS. 181

VELOCIDAD DE GIRO DE LA TURBINA FRENTE A LA VELOCIDAD DE SALIDAFIGURA 132.DEL FLUIDO PARA LOS DISTINTOS VALORES DE EXCITACIN Y RESISTENCIA DE 20

OHMNIOS 182


RENDIMIENTO FRENTE A LA VELOCIDAD DE GIRO DE LA TURBINA PARA LOSFIGURA 134.DISTINTOS VALORES DE EXCITACIN Y RESISTENCIA DE 20 OHMNIOS. 183

VELOCIDAD DE GIRO DE LA TURBINA FRENTE A LA VELOCIDAD DE SALIDAFIGURA 135.DEL FLUIDO PARA LOS DISTINTOS VALORES DE EXCITACIN SIN RESISTENCIA EN LA SALIDADEL ALTERNADOR. 184

TENSIN EN BORNES DEL ALTERNADOR OBTENIDA EN LOS EXPERIMENTOSFIGURA 136.DE EXCITACIN INDEPENDIENTE PARA TURBINA PELTON. 185

GRFICA DE EXPERIMENTOS CON UN MAYOR RENDIMIENTO 185FIGURA 137.

POTENCIAS MXIMAS OBTENIDAS CON EXCITACIN INDEPENDIENTE PARAFIGURA 138.TURBINA PELTON 186


13/191




MUESCAS CAUSADAS POR EL USO EN LA TURBINA PELTON 189FIGURA 139.

INDICE DE TABLAS

TABLA 1. RANGO DE ALTURAS DE TURBINAS 65

TABLA 2. DATOS DE LA CURVA H(Q) DE NUESTRA BOMBA 106

TABLA 3. DATOS TCNICOS DE LAS TUBERAS DE LA INSTALACIN 107

TABLA 4. PUNTOS DE ESTUDIO DE LA BOMBA 116

TABLA 5. PERDIDAS TOTALES CONOCIDAS DE AMBOS CIRCUITO 117

TABLA 6. CURVA H(Q) DE LA BOMBA FRENTE A PRDIDAS TOTALES 118

TABLA 7. EXPERIMENTO DE DISMINUCIN DE CAUDAL PARA CARACTERIZACIN DE LABOMBA 122

TABLA 8. CONJUNTO DE PRUEBAS REALIZADA 125

TABLA 9. CONJUNTO DE VARIABLES A MEDIR EN LAS DISTINTAS PRUEBA 125

TABLA 10. FACTORES TERICOS SEGN CRANE 145

TABLA 11. FACTORES TERICOS SEGN IDDLECHICK 148

TABLA 12. VALORES PROMEDIO, VARIANZA Y DESVIACIN DE VALORES DE K PRCTICOS153

TABLA 13. EFECTO DE LA VARIACIN DEL DIMETRO DE SALIDA SOBRE EL FACTOR K 157

TABLA 14. LISTADO DE GRFICAS DE EXPERIMENTO CON REGULADOR Y 4.5 MM DEDIMETRO 163


14/191




1 Introduccin1.1 Objetivos del proyectoEste proyecto se engloba dentro del campo de las Tecnologas Apropiadas, que pretenden ofreceruna solucin econmica y tcnicamente viable para abastecer de energa elctrica a zonas

desabastecidas de pases en vas de desarrollo mediante la explotacin de recursos energticos

renovables.

Uno de los objetivos de este proyecto es el diseo y construccin de un banco de pruebas que simulecondiciones de caudal y presin a modo de ser una simulacin de las condiciones de unaprovechamiento hdrico como un pequeo ro; y que permita identificar la viabilidad de parejas deturbina y alternador a fin de encontrar una solucin econmica y tcnicamente viable para seraplicada en el campo de las tecnologas apropiadas.

Otro objetivo marcado en este proyecto es el diseo, construccin y caracterizacin de una turbinatipo Pelton fabricada con materiales de bajo costo y accesibles en pases no industrializados.

1.2 Organizacin del documentoEl proyecto est organizado segn el ndice presentado al inicio del documento. Se adjunta con el

documento un anexo con los archivos Excel donde estn todos los datos obtenidos en los ensayos

realizados en el proyecto, as como fotografas y videos de la instalacin y sus componentes.

A continuacin se realiza una breve descripcin del contenido de cada apartado.

Apartado 1.Introduccin: Se citan los objetivos del proyecto y su organizacin

Apartado 2.Energa pico-hidrulica: Muy breve introduccin acerca de la energa pico-hidrulica

Apartado 3. Base terica: En este apartado se cita la teora consultada para llevar a cabo esteproyecto y que sirve como base de para comprender los clculos realizados en el proyecto.

Apartado 4.Instalacin: En este apartado se describe el proceso de diseo de un banco de pruebas

para simulacin de condiciones de altura y caudal. Se describe adems el proceso seguido para eldiseo y construccin de una turbina tipo Pelton a partir de materiales de coste reducido pensadopara ser utilizado en la instalacin de Tecnologas Apropiadas.

Apartado 5. Anlisis previo: En este apartado se realizan los clculos de prdidas de presin en lainstalacin as como una caracterizacin previa de la curva de funcionamiento de la bomba

Apartado 6. Experimentos y resultados: A lo largo de este apartado se describen los experimentosllevados a cabo en este proyecto, as como los resultados obtenidos en stos.

Apartado 7. Conclusiones y proyectos futuros: En este apartado se reflexiona acerca de los resultados

obtenidos y sobre posibles proyectos futuros del banco de pruebas.


15/191




1.3 Organizacin del proyectoEste proyecto forma parte de un conjunto de dos proyectos denominados Ensayo de microturbinas

hidrulicas para la generacin de energa en zonas desabastecidas (I y II) formados por los proyectosllevados a cabo simultneamente por Alberto Gregoris Braa y Juan Manuel Mascas de la Rica.

En el proyecto de Alberto Gregoris Braa (se trata con mayor profundidad el apartado elctrico de lainstalacin, as como los datos obtenidos en el banco de pruebas con la turbina Turgo.

Cabe destacar que todo el proceso de diseo y montaje del banco de pruebas, as como la toma dedatos de todos y cada uno de los experimentos llevados a cabo en el proyecto se ha realizado demanera conjunta en todo momento, quedando como trabajo individual en mi caso el diseo yconstruccin de una turbina Pelton fabricada en taller (aunque Alberto me ayuda en suconstruccin).

Por motivos de extensin y carga de trabajo de ambos proyectos se decide dividir la redaccin de la

siguiente manera:

Alberto Gregoris Braa:

Energa hidrulica Instalacin elctrica Sensorizacin Turbina Turgo

Juan Manuel Mascas de la Rica:

Instalacin hidrulica, diseo Instalacin hidrulica, caracterizacin Caracterizacin factor K de la tobera Turbina Pelton

Si se desea obtener informacin concerniente a los temas que no se tratan en este documentopuede acudirse al proyecto de Alberto Gregoris.


16/191




2 ENERGA PICO-HIDRULICAEn la actualidad una gran parte de la energa elctrica que se genera es de origen hidroelctrico, lo

que ayuda sobremanera a la conservacin del medioambiente evitando el uso de otras energas

contaminantes. Aun as la energa hidrulica tiene un lado oscuro a causa de la importancia de la

obra civil que conlleva la construccin de estas stas centrales y que en ocasiones provoca la

inundacin de grandes reas para realizar el embalse de agua, lo que provoca grandes impactos en el

entorno. Claro est esto ocurre siempre y cuando hablamos de grandes aprovechamientos

energticos con enormes embalses que generan GW de energa para alimentar nuestra industria y

sociedad en general.

Es entonces cuando, los pequeos aprovechamientos de energa, con potencias instaladas nosuperiores a los 10 MW, se integran fcilmente en el ecosistema y se evita ese gran impacto sobre elmedioambiente. Estos pequeos aprovechamientos no necesitan necesariamente para funcionar degrandes presas o embalses, siendo la gran mayora de estas pequeas centrales hidrulicas del tipode agua fluyente.

La Pico-Hidroenerga (Pico-Hidro) es la energa elctrica generada mediante el uso de turbinashidrulicas con una potencia no mayor a los 5 KW. Esta tecnologa permite el aprovechamiento depequeas fuentes de agua, as, hasta un riachuelo puede suministrar energa elctrica a variasviviendas rurales. Adems, tpicamente constituye la tecnologa de ms bajo costo paraelectrificacin en zonas alejadas de la red de energa.

La pico-hidrulica posee varia ventajas; a diferencia de las hidroelctricas de gran tamao comohemos dicho no requiere represas o embalses, de forma que el impacto ambiental es mnimo. La

turbina utilizada en la pequea central puede ser fabricada en un taller (como veremos en esteproyecto) y como generador pueden usarse alternadores de coche relativamente baratos, deconstruccin robusta y de fcil acceso. Siendo as que, como punto a favor, basta con un pequeoarroyo que suministre el caudal, lo que conlleva sumado a un buen diseo de la instalacin un costepor la generacin de energa considerablemente menor que otros sistemas.

Como desventaja pueden citarse las dificultades debido a variaciones estacionales que modifican eltranscurso o caudal del ro. Sin embargo, estudindolo de manera global, parece ser una tecnologaeconmicamente viable, con futuro prometedor y que puede brindar autosuficiencia energtica azonas desabastecidas de pases en vas de desarrollo que posean recursos hdricos.

Una tpica instalacin de pico-hidrulica consta bsicamente de los siguientes componentes:

Bocatoma y Reservorio: toma el agua del riachuelo y mantiene una reserva de agua. Tubera descendente: lleva el agua colina abajo hasta la turbina Turbina y Generador: el agua sale por un inyector como un chorro a alta presin que hace

girar la turbina del generador haciendo que la potencia mecnica debida al giro de la turbinase convierta en potencia elctrica.

Controlador electrnico de potencia que conectado al generador hace que la potenciaelctrica generada pueda ser conectada con las cargas elctricas de consumo.

Sistema de distribucin elctrica que distribuya la energa elctrica hasta las casas.


17/191




3 BASE TERICA3.1 CIRCUITO HIDRALICO3.1.1 PROPIEDADES Y CONCEPTOS BSICOS DE FLUIDOS3.1.1.1 PROPIEDADESDEFINICION DE FLUIDO

Los fluidos son sustancias capaces de fluir y que se adaptan a la forma de los recipientes que los

contienen. Cuando se encuentran en equilibrio, los fluidos no pueden soportar fuerzas tangenciales o

cortantes. Todos los fluidos son compresibles en cierto grado y ofrecen poca resistencia a los

cambios de forma.

Los fluidos pueden dividirse en lquidos y gases. Las diferencias esenciales entre lquidos y gases son;

en primer lugar, que los lquidos son prcticamente incompresibles a diferencia de los gases que son

compresibles; y en segundo lugar, los lquidos ocupan un volumen definido y tienen superficies libres

mientras que un gas se expande hasta ocupar todas las partes del recipiente que lo contiene.

PROPIEDADES

DensidadLa densidad de un cuerpo es la masa por unidad de volumen, y se denomina como .La densidad relativa de un cuerpo es un nmero adimensional que viene dado por la relacin del

peso del cuerpo y el peso de un volumen igual de una sustancia que se toma como referencia; los

slidos y lquidos se refieren al agua ( a ), mientras que los gases se refieren al aire libre de eH a y 1 atm de presin, como condiciones normales.

ViscosidadLa viscosidad de un fluido es aquella propiedad que determina la cantidad de resistencia opuesta alas fuerzas cortantes. La viscosidad se debe primordialmente a las interacciones entre las molculas

del fluido. Cabe distinguir entre viscosidad absoluta o dinmica y viscosidad cinemtica, cuyas

unidades son:

Viscosidad absoluta o dinmica, Viscosidad cinemtica,


18/191




Presin de un fluidoUn fluido sometido a presin produce una fuerza sobre las paredes del recipiente que lo contiene

equivalente a dicha presin por la superficie de la pared donde acta. La presin de un fluido se

transmite con igual intensidad en todas las direcciones y acta normalmente a cualquier superficie

plana. En el mismo plano horizontal, el valor de la presin en un lquido es igual en cualquier punto.

Las medidas de presin se realizan mediante el uso de manmetros; la presin puede medirse

tomando como referencia el vaco absoluto; denominndose entonces presin absoluta, o tambin

puede medirse tomando como referencia la presin ambiente en el punto de medida, en cuyo caso

recibe el nombre de presin manomtrica o relativa.El ambiente que rodea al punto de medidasuele ser en la mayora de los casos la atmsfera local, cuya presin absoluta es la presin

baromtrica.

La presin viene expresada por una fuerza dividida por una superficie, o lo que es lo mismo, es lafuerza por unidad de superficie. En general;

3.1.1.2 TEOREMASTEOREMA DE CONTINUIDAD

Este teorema es la expresin de la conservacin de la masa de fluido en su movimiento, y su

expresin general es la siguiente:

Donde:

- es la densidad- A la seccin transversal- V la velocidad del flujo.

Para fluidos incompresibles (densidad constante) la expresin se reduce a:

donde es el caudal o masa por unidad de tiempo de fluido que atraviesa dicha seccin transversal,cuyas unidades son generalmente .


19/191




ECUACIN DE BERNOULLI

La ecuacin de Bernoulli expresa la conservacin de la energa de un fluido en su movimiento.

La ecuacin de Bernoulli se puede expresar de tres formas diferentes:

, esta expresin representa la energa por unidad de peso. , esta expresin representa la energa por unidad de masa.

, esta expresin representa la energa por unidad de volumen.

donde:

- , es el peso especfico de fluido- , es la densidad del fluido- p, es la presin- V, es la velocidad del fluido- z, es la cota o altura de referencia

Al calcular el Bernoulli en un punto de un conducto se adoptan los valores medios de cada seccin; y

al considerar dos secciones distintas del conducto se escribir, por ejemplo:

En la mayora de los casos no puede suponerse que la energa de un fluido se conserva, pues en su

desplazamiento hay prdidas de energa, llamadas prdidas de carga, y aportes o extracciones de

energa por parte de bombas o de turbinas; dichas prdidas de energa se explicarn con ms

detalladamente en apartados posteriores (apartado 3.1.2).

En este caso es preciso recurrir a la ecuacin de Bernoulli generalizada, que expresa el balance de

energa del fluido en su movimiento entre dos puntos.


20/191




donde expresa la prdida de energa entre los dos puntos considerados y que se transforman encalor; la energa aportada al fluido por las bombas y la energa absorbida por la turbina, si lashubiese. En esta expresin todo esta expresado en unidades de longitud (metros de columna del

lquido circulante), es decir, en energa por unidad de peso. De igual manera se podra haber

expresado en las otras dos formas, es decir por unidad de volumen o por unidad de masa.

En todo caso si se quisiera hallar la energa total habra que multiplicar la energa por unidad de peso,

masa o volumen por el peso, masa o volumen circulante respectivamente.


21/191




3.1.2 TEORA DE PERDIDAS EN TUBERAS3.1.2.1 CIRCULACIN DE AGUA EN CONDUCTOSLa energa contenida en un fluido incompresible que circula por el interior de un tubo, viene dada

por la ecuacin de Bernoulli:

Donde:

- , es la energa total-

, es la elevacin de la lnea de corriente sobre un plano de referencia

- , es la presin- , es el peso especfico del fluido- , es la aceleracin de la gravedad

La energa total en el punto i, , es entonces la suma de la energa potencial , la energa depresin

y la energa cintica .

Osborne Reynolds observ que, si se hace circular agua con un hilo de tinta en un tubo de cristal, conuna velocidad suficientemente baja, el flujo muestra un comportamiento tpicamente laminar. El

agua fluye en forma de tubos mltiples concntricos, de pared muy delgada. El tubo virtual exterior

se adhiere a la pared del tubo real, mientras que cada uno de los siguientes se desplaza a una

velocidad ligeramente mayor que el anterior, hasta alcanzar un mximo en el centro del tubo. La

distribucin de la velocidad toma la forma de un paraboloide de revolucin cuya velocidad media

(Figura 1) es el 50% del valor mximo en el eje del tubo.

Distribucin de velocidades en una tuberaFigura 1.


22/191




Si la velocidad aumente llega un momento en el que el hilo de tinta se rompe bruscamente y las

partculas cercanas a la pared, frenan a las que circulan a mayor velocidad por el interior; es en ese

momento cuando el flujo pasa a ser turbulento, y se tiene una distribucin de velocidad ms plana

como puede apreciarse en la figura anterior (Figura 1).

Un flujo viscoso por tanto puede ser clasificado como flujo laminar o turbulento; donde un flujo

laminar es aquel en el cual el fluido fluye sin mezclado significativo de sus partculas prximas entre

s, y un flujo turbulento es aquel en el que los movimientos del fluido varan irregularmente de

manera que velocidad y presin muestran una variacin aleatoria con el tiempo y coordenadas

espaciales.

Reynolds encontr que el punto de transicin de flujo laminar a flujo turbulento vena determinado

por un nmero adimensional, (nmero de Reynolds) que, en el caso de un tubo de seccincircular, viene dado por la siguiente ecuacin:

Donde:

- , es la densidad del fluido - , es el dimetro del tubo (m)- , es la velocidad media en el tubo ( )- , es el coeficiente de viscosidad del liquido - , es la viscosidad cinemtica del fluido ( )

En un fluido que circula por un tubo de seccin circular y paredes lisas, la transicin de flujo laminar a

flujo turbulento ocurre aproximadamente cuando

, a este valor se le denomina nmero

de Reynolds crtico, . Esta transicin no siempre ocurre de manera exacta para ,sino que vara dependiendo de las condiciones en que se realiza el experimento, de forma que msque un punto de transicin lo que realmente existe es una llamada zona de transicin.

Si la pared es extremadamente lisa y libre de vibraciones, el nmero de Reynolds crtico se

incrementa a medida que disminuye el nivel de fluctuacin en el flujo; llegando a tomar valores de

hasta . El flujo puede variar entre turbulento y laminar; en ese caso se le denominacomo flujo intermitente, fenmeno que puede ocurrir cuando el nmero de Reynolds se aproxima a


23/191




Respecto a las tuberas, pueden comportarse como lisa, semilisa o rugosa. Se dice que se comporta

y no que es, porque en ello no interviene nicamente la rugosidad de la tubera, sino tambin las

caractersticas del flujo, por lo que una misma tubera puede comportarse como lisa, semilisa y

rugosa, segn el caudal que transporte en su interior.

Una tubera se comporta como lisa cuando , y se comportar como rugosacuando , siendo semilisa semirrugosa en los valores intermedios.La viscosidad hace que el agua, circulando por el interior de un tubo, experimente una prdida de

energa que es debida a: La friccin contra las paredes del tubo La disipacin viscosa como consecuencia de la friccin interna del flujo

La friccin del fluido contra las paredes de la tubera est condicionada por la rugosidad de stas y

por el gradiente de velocidad ( ) en sus proximidades. En la Figura 1 se observa que el gradientede velocidad en las cercanas de la pared, es mayor en el flujo turbulento que en el laminar y por

tanto al aumentar el nmero de Reynolds cabe esperar un aumento de la friccin.

De la misma manera, al aumentar la turbulencia tambin aumenta la mezcla entre partculas, y por

tanto la disipacin viscosa en el flujo. Todo esto provoca que la perdida de carga en rgimen

turbulento sea siempre mayor que en un rgimen laminar.

Aplicando la ecuacin de Bernoulli a un fluido en dos posiciones de su recorrido se tiene que:

En el segundo trmino de la igualdad tenemos una cantidad que representa la energa perdidaentre los puntos 1 y 2 del tramo estudiado, estas prdidas son como consecuencia

fundamentalmente de la friccin del fluido contra las paredes del tubo y en menor medida de lafriccin interna en el fluido debida a la turbulencia.

En el apartado siguiente vamos e estudiar en mayor profundidad las prdidas de presin por

circulacin de agua en conductos.


24/191




3.1.2.2 PRDIDA DE CARGA POR FRICCINEn un cierto volumen de fluido en el interior del tubo, ubicado entre dos secciones perpendiculares a

su eje, al que se aplica el principio de conservacin de masa, Darcy y Weisbach obtuvieron la

siguiente ecuacin, vlida tanto para flujos laminares como turbulentos circulando en conductos de

seccin transversal arbitraria:

Donde:

- , es el factor de friccin -

, es la longitud de la tubera

- , es el dimetro del tubo - , es la velocidad media del fluido en las tuberas - , es la constante gravitacional

Si el flujo es laminar, el factor de friccin f puede calcularse matemticamente mediante la ecuacin:

Como se observa, el factor de friccin, en rgimen laminar, es independiente de la rugosidad de lasparedes, e inversamente proporcional a . El hecho de que disminuya al aumentar , no implicaque la friccin disminuye con la velocidad.

La prdida de carga se obtiene sustituyendo en la ecuacin de Darcy y Weisbach mostrada al iniciodel apartado.

En flujo laminar, la prdida de carga unitaria es proporcional a e inversamente proporcional alcuadrado del dimetro del tubo por el que circula el fluido.

En valores de con rgimen totalmente turbulento, en las paredes de la conduccin seencontramos una capa de fluido muy delgada que se conoce como subcapa laminar y cuyo espesor

es inversamente proporcional al nmero de Reynolds. Se dice entonces, que un tubo es

hidrulicamente liso cuando su rugosidad es inferior al espesor de la subcapa laminar.


25/191




En este tipo de tuberas hidrulicamente lisas el factor de friccin no esta afectado por la rugosidaddel tubo. Von Karman dedujo la siguiente expresin que permite calcular el factor de friccin encaso de encontrarse en este tipo de rgimen.

En valores muy altos de Reynolds, el espesor de esta subcapa disminuye significativamente, dndose

que cuando este espesor es muy bajo el factor de friccin es independiente de , y dependeexclusivamente de la rugosidad relativa . En este caso el tubo es hidrulicamente rugoso y VonKarman dedujo entonces que en este caso, el factor se poda expresar por la siguiente ecuacin:

Entre estas dos situaciones, el tubo no es ni completamente liso ni completamente rugoso, siendo

semilisa o semirugosa. Para cubrir esta zona de transicin, Colebrookcombin la ecuacin para tubos

lisos con la del flujo dominado por la rugosidad, obteniendo como resultado la siguiente expresin:

Estas frmulas son muy poco prcticas para clculos de ingeniera, por lo que Moodylas represent

grficamente en el diagrama de Moodyde perdida de carga (Figura 2).


26/191




Diagrama de MoodyFigura 2.

El diagrama de Moodyest representado en un papel doblemente logartmico, donde se representa

el nmero de Reynolds en el eje de abscisas, el coeficiente de rozamiento en el eje de ordenadas, ycomo parmetro fundamental figura la rugosidad relativa .En el diagrama se observan cinco zonas:1. Una zona laminar en la que es una funcin lineal del nmero de Reynolds2. Una zona crtica (sombreada) con definicin algo confusa, en la que el rgimen no es ni turbulento

ni laminar y en la que no se encuentran valores de.3. Una zona de transicin en la que depende del nmero de Reynolds y de la rugosidad 4. Una zona correspondiente al tubo hidrulicamente liso

5. Una zona plenamente turbulenta en la que depende solamente del valor de la rugosidadEl diagrama de Moody est representado en un papel doblemente logartmico, disponiendo el

nmero de Reynolds en abscisas, el coeficiente de rozamiento en ordenadas, y como parmetrofundamental figura la rugosidad relativa .


27/191




3.1.2.3 TEORA DE PRDIDA DE CARGA LOCALIZADA Prdida de carga por turbulencia

Un flujo circulando en rgimen turbulento por un sistema de tuberas, con sus entradas, codos,

vlvulas y dems accesorios, experimenta, adems de las prdidas por friccin, unas prdidas por

disipacin de la viscosidad que es necesario analizar.

Debido a la complejidad de la configuracin del flujo, en general, el clculo de las prdidas de carga

en estos puntos se puede realizar mediante dos procedimientos:

Mtodo de longitud equivalente Mediante coeficientes o factores de paso, adimensionales, obtenidos de manera

experimental como cocientes de la prdida de carga

y la altura cintica

.

LONGUITUD EQUIVALENTE

Se denomina longitud equivalente de una pieza especial a la longitud de tubera que produce la

misma prdida de carga que la pieza especial, considerando los dimetros iguales. Conocida dicha

longitud se calcula la prdida de carga de la pieza especial empleando la expresin de prdida de

carga por friccin en tuberas, la longitud equivalente correspondiente, quedando:

donde es la longitud equivalente de cada pieza especial, la cual se obtiene experimentalmente ypueden ser facilitadas por el fabricante.

El principal inconveniente de usar este procedimiento es que la longitud equivalente no dependedel tipo de tubera a la que est unida la pieza especial, con lo que la prdida de carga obtenida para

una pieza concreta es funcin de la rugosidad de aquella, lo cual evidentemente es incorrecto. La

ventaja del procedimiento es su facilidad de uso, pues basta con aadir a la longitud de la tubera la

suma de las longitudes equivalentes de las piezas especiales para hallar la prdida de carga del totalde la conduccin.


28/191




COEFICIENTE O FACTOR DE PASO El segundo procedimiento citado anteriormente para calcular las prdidas de carga en una pieza

especial es el denominado de factor de paso, en el cual dicha prdida es igual a un coeficiente

adimensional, comnmente denominado

, multiplicado por la energa cintica del fluido, es decir:

donde es el coeficiente o factor de paso de la pieza especial correspondiente.Estos coeficientes han de ser obtenidos experimentalmente para cada pieza especial, y bien han de

ser facilitados por el fabricante u obtenidos de los textos o manuales de hidrulica.

Existen excepciones; como por ejemplo la prdida de carga en una contraccin o expansin brusco ocurvatura de la vena, en los que el coeficiente puede ser deducido a travs de consideracionesanalticas y ecuaciones.

Retomando el procedimiento de clculo de prdidas mediante el uso del factor K; ste tiene la

ventaja de que la prdida de carga de la pieza especial no depende del material de la tubera a la que

va unida y, por tanto, proporciona resultados ms correctos y coherentes. Se observa adems que la

prdida de carga en una tubera no es normalmente proporcional al cuadrado de la velocidad,

mientras que s lo es en el caso de las piezas especiales, lo que da una idea de la importancia que

suponen en el cmputo de prdidas totales del sistema. De la expresin anterior se deduce que el

coeficiente de paso es adimensional.

Normalmente la prdida de carga de una conduccin se representa en funcin del caudal circulante

partiendo de la expresin analtica, disponiendo el caudal en abscisas y la prdida de carga en

ordenadas, como se muestra en la siguiente figura (Figura 3).

Representacin tpica de la prdida de carga de una conduccinFigura 3.


29/191




Como comentamos anteriormente, existen excepciones para las cuales el clculo del factor puedehallarse de manera analtica y no solo mediante datos ofrecidos por el fabricante. Para la realizacin

de este documento se han utilizado solo algunas de estas expresiones analticas excepcionales, por lo

que solo nombraremos las utilizadas para llevar a cabo los clculos necesarios en este proyecto y que

se explican a continuacin:

Prdida por contraccin o expansin de la venaContraccin brusca

Una contraccin brusca de la vena lquida genera una prdida de carga debida al aumento de

velocidad y a la prdida de energa a causa de la turbulencia. El modelo de flujo es tan complejo que

es imposible elaborar un anlisis matemtico del fenmeno. La prdida de carga adicional secalcula, en funcin de la velocidad

en el tramo con menor dimetro

, mediante la ecuacin.

Ecuacin en la que el coeficiente es funcin de , es experimental y, hasta un valor viene dado, aproximadamente, por la expresin:

A partir de dicha relacin, se comprueba que toma los mismos valores que , correspondiente alcaso de la expansin sbita, como aparece en el siguiente apartado.

Grfico de factores K para expansin y contraccin sbitasFigura 4.


30/191




Expansin brusca

En el caso de una expansin brusca, el esfuerzo cortante en la zona de aguas muertas es

despreciable, as que un anlisis del volumen de control entre la seccin de inicio del

ensanchamiento y el final de ste da una prdida,

en donde es la velocidad de la corriente en el dimetro menor y el coeficiente es el trminoque multiplica la energa cintica del agua en el tubo de menor dimetro.

La Figura 4 es una representacin grfica del valor de los coeficientes y , que se ajustan muybien a los datos obtenidos experimentalmente.

Contraccin o ensanchamiento gradual

Si la contraccin o ensanchamiento son graduales el clculo de su factor K ha de ser modificado

sustancialmente.

Unos de los objetivos del presente proyecto es determinar el coeficiente de prdidas de la tobera

utilizada para impulsar la turbina y comprobar si se ajustan a modelos tericos. La tobera del sistema

puede ser considerada como una contraccin gradual, para las cuales se han consultado distintos

modelos tericos que se detallan a continuacin.

Modelo terico de contraccin o ensanchamiento gradual segn CRANELas prdidas debidas a ensanchamientos graduales fueron estudiadas por A.H. Gibson, y se expresan

mediante un coeficiente corrector, , aplicado a la ecuacin de . Los valores medios aproximadosde los coeficientes de Gibson para los diferentes ngulos del cono de divergencia, se definenmediante las siguientes expresiones:


31/191




Las prdidas por estrechamientos graduales en tuberas se establecieron a partir del anlisis de los

datos de las pruebas realizadas por Crane, usando la misma base que Gibson para ensanchamientos

graduales, es decir, proporcionar un coeficiente de estrechamiento para aplicarlo en la ecuacinde . Los valores medios aproximados de estos coeficientes de los diferentes ngulos del cono, ,se definen con las siguientes expresiones:

Uniendo entonces las expresiones de los coeficientes correctores y las de los factores correspondientes a cada fenmeno, obtenemos las siguientes expresiones:Ensanchamiento gradual,

Estrechamiento gradual,

Respecto a estas expresiones mencionadas para estrechamiento y ensanchamientos ya sean

graduales o bruscos, y para el resto de ecuaciones y expresiones que las contengan en este

documento nos referiremos al dimetro de menor tamao como , y al dimetro de mayortamao como .


32/191




Hemos de aclarar adems, que las ecuaciones anteriormente mencionadas estn referidas al

dimetro de menor tamao; , y que en caso de requerir los factores de friccin referidos aldimetro de mayor tamao hemos de aplicar la siguiente conversin:

donde:

- - -

Modelo terico de contraccin o ensanchamiento gradual segn IDDLECHICK

donde:

- - - - -

Ambos modelos tericos vuelven a ser nombrados con posterioridad en el clculo del factor K de latobera incluida en la instalacin.


33/191




Entrada o salida desde depsito

La prdida de carga a la entrada de un tubo desde una cmara de carga es un caso especial de

prdida de carga por contraccin. Dado que la seccin transversal del depsito es suficientemente

grande comparada con la de la tubera, podemos considerar que la contraccin es inexistente.

Por ejemplo, en la Figura 5 b), que muestra una entrada a escuadra, tomando la relacin de

dimetros como cero, aplicando la ecuacin para contraccin brusca, la expresin toma el valor de la

figura (el cul ha sido aproximado a 0,5).

An si hacemos esta consideracin, la entrada desde un depsito puede darse de diferentes maneras

geomtricamente hablando, como se muestra en la siguiente figura (Figura 5) y para las cuales se

estiman unos valores aproximados dependiendo de las diferentes configuraciones de conexin del

tubo al depsito. (Figura 5 a) c) y d) )

Coeficientes K para los distintos tipos de entradas o salidas a escape libre o depsitosFigura 5.

Prdida por curvatura de vena

Cuando un fluido recorre un codo como el de la Figura 6, se produce un aumento de presin en la

pared externa y una disminucin de presin en la interna. Una vez el fluido atraviesa el tramo curvo,

y a una cierta distancia del mismo, la situacin vuelve a la normalidad, para lo que es necesario que

se estabilicen de nuevo las presiones y la velocidad vuelva a su valor original. Como consecuencia deesta situacin, el chorro de agua se separar de la pared interior (Figura 6).


34/191




Distribucin de presiones en un tramo curvo de tuberaFigura 6.

A su vez, la diferencia de presiones en una misma seccin del tubo, provocar una circulacin del tipo

de la sealada en la Figura 7. La combinacin de esta circulacin y de la axial del flujo, dar lugar a un

movimiento espiral que persiste, hasta disiparse por friccin viscosa, aproximadamente a una

longitud equivalente a 100 dimetros aguas abajo del final de la curvatura.

Distribucin de presiones en seccin transversal de tramo curvo de tuberaFigura 7.

En un codo de 90 grados, la prdida de carga adicional a la prdida por friccin en el tramo de tubo

equivalente, viene dado por la ecuacin de contraccin brusca en la que el coeficiente essubstituido por el obtenido de la Figura 8.


35/191




Coeficientes K de codos en funcion del parmetro Figura 8.

Como la perturbacin debida a una curvatura en las tuberas se extiende ms all del final del codo,

la prdida de carga debida a la presencia de una serie de codos muy cercanos entre s no debera

calcularse mediante una simple suma aritmtica y sera necesario un anlisis con mayor detalle.

Prdida a travs de las vlvulas

Las vlvulas se emplean, en general, para aislar determinados tramos a fin de poder intervenir en

operaciones de mantenimiento o reparaciones importantes, aunque en algunos casos, como es

nuestro caso en particular, existen vlvulas cuya misin fundamental es disipar energa.

Normalmente, salvo en los casos citados, las vlvulas estarn siempre completamente abiertas o

completamente cerradas, dejando la regulacin del caudal a las toberas o a los alabes distribuidores

del sistema de regulacin de la turbina. La prdida de carga generada por el paso del agua a travs

de una vlvula completamente abierta, depende del modelo de vlvula y se calcula aplicando la

misma ecuacin que para la contraccin brusca, en la que el coeficiente

se sustituye por el

correspondiente y que se muestran en la Figura 9.

Coeficientes K para diferentes tipos de vlvulaFigura 9.


36/191




3.2 Bombas, funcionamiento y sistemas3.2.1 PARMETROS DE BOMBAS CENTRFUGAS E INSTALACIONES

3.2.1.1

CAUDAL

El caudal, denominado Q, es el caudal til (volumen de lquido por unidad de tiempo) que sale de la

bomba a travs de su boca de impulsin.

Las unidades de medida ms empleadas son , y .El flujo extrado para otros propsitos (tomas de circulacin, lavado, etc.) antes de la boca de

impulsin de la bomba debe ser tenido en cuenta al determinar el caudal de la misma.

Podemos establecer los siguientes tipos de caudales:

Abreviatura Trmino Definicin

Caudal ptimo Caudal en el punto de mximo rendimiento Caudal requerido Caudal para el que se ha sido pedida la bombateniendo en cuenta las tolerancias oportunas

Caudal mximo Caudal mximo esperado

Caudal mnimo Caudal mnimo esperado Caudal de aspiracin Caudal que desde la planta entra por la boca de

aspiracin de la bomba

Caudal de impulsin Caudal entregado a la planta desde la boca deimpulsin de la bomba.

Caudal intermedio Caudal extrado del flujo principal a travs de una

derivacin


37/191




3.2.1.2 Altura de la bombaCuando hablamos de alturas en una instalacin hidrulica debemos matizar las siguientes

diferencias:

ALTURA TOTAL DE UNA BOMBA, Es el trabajo mecnico til transferido por la bomba al lquido bombeado y expresado en unidades de

energa potencial del lquido bombeado en las condiciones locales de gravedad.

Las alturas en referencia a la bomba se definen como sigue:


Altura optima Altura total en el punto de mximo rendimiento Altura requerida Altura total para la cual ha sido seleccionada la bomba Altura a vlvula cerrada Altura total a caudal cero Altura mxima Altura mxima en la curva caractersticaLa altura total se mide como el incremento de la energa mecnica til del caudal por unidadde pesoentre la entrada y la salida de la bomba.

Empleando como unidad de energa y de fuerza , la energa por unidad de peso y por lo tantola altura total est expresada en metros.

ALTURA TOTAL DEL SISTEMA, La altura total del sistema,

, es la alturarequerida en la bomba para mantener el caudal Q en la

instalacin. En condiciones de flujo continuo (estable) . Durante la puesta en marcha ; la diferencia proporciona la aceleracin del lquido en la tubera.ALTURA

En este apartado nos referimos a la altura como la diferencia de altitud entre el punto considerado

cualquiera y el nivel de referencia de nuestra instalacin. El nivel de referencia de la instalacin es

cualquier plano horizontal que servir como referencia para el establecimiento de las alturas. Por

motivos prcticos, se aconseja especificar con exactitud un nivel de referencia en la instalacin y

evitar niveles de referencia relacionados con las dimensiones de la bomba, por ejemplo, la lnea

central del eje o la brida de aspiracin.


38/191




La altura es medida en metros (m).

Las alturas se definen como sigue:


Altura Diferencia de altitud entre el punto considerado y el nivel dereferencia de la instalacin

Altura de la aspiracin de labomba Altura del punto central de la boca de aspiracin de la bomba Altura de la impulsin de labomba Altura del punto central de la boca de impulsin de la bomba Altura del punto de medicin enel lado de aspiracin Altura del punto de conexin del manmetro en la tubera deaspiracin Altura del punto de medicin enel lado de impulsin Altura del punto de conexin del manmetro en la tubera deimpulsin Altura de entrada en lainstalacin Altura del nivel de lquido a la entrada de la instalacin Altura de salida en la instalacin Altura del nivel de lquido de la descarga de la instalacin Altura de referencia del (NPSH) Diferencia de altitud entre el nivel de referencia de la instalacin y elnivel de referencia (NPSH)

Cuando quiere expresarse la diferencia de altura entre dos niveles los puntos quedan identificados y

separados por un guin ()SECCIN TRANSVERSAL

La seccin transversal se refiere al rea de las secciones de las tuberas. La unidad de medida ms

empleada es el .Se establecen los siguientes tipos de reas:


Seccin de entrada a labomba Seccin de paso libre del orifico de entrada de la tubera de entrada a labomba Altura de la aspiracin de labomba Seccin de paso libre del orifico de salida de la tubera de salida a la bomba


39/191




3.2.1.3 VELOCIDAD DEL FLUIDOLa velocidad media axial del fluido es la relacin entre el caudal en un punto definido y la seccin

transversal en ese punto:

donde:

Si la seccin transversal es la de una tubera con un dimetro nominal DN, la velocidad U se relaciona

con el caudal Q en m/h y con el dimetro nominal DN mediante la siguiente ecuacin:

donde:

En esta ecuacin el dimetro nominal en mm es generalmente tan prximo al dimetro real que el

resultado del clculo es suficientemente exacto.

La velocidad de fluido para varias secciones transversales seleccionadas se indican mediante los

siguientes ndices:

Abreviatura Definicin

Velocidad de fluido en la boca de aspiracin de la bomba Velocidad de fluido en la boca de impulsin de la bomba


40/191




3.2.1.4 PRESINLas presiones para varias secciones transversales seleccionadas se indican mediante los siguientes

ndices:


Presin a la entrada de la bomba Presin en la seccin de entrada de la bomba al nivelz1 Presin a la salida de la bomba Presin en la seccin de salida de la bomba al nivelz2 Presin de entrada de la instalacin Presin de entrada en la seccin A1. Si existe unnivel de lquido esa es la presin a tomar

Presin de salida de la instalacin

Presin de salida en la seccin A2. Si existe un nivel

de lquido, esa es la presin a tomar

La unidad de presin es el Pascal (Pa) siendo el bar, la ms empleada en bombas e instalaciones.

3.2.1.5 NPSH en bombas centrfugasEl trmino (NPSH) empleado en bombas centrfugas e instalaciones significa Altura Neta Positiva de

Aspiracin, y se define como la energa neta en la boca de aspiracin de la bomba.

El trmino cavitacin est estrechamente relacionado con (NPSH). La cavitacin es la formacin de

burbujas de vapor al descender la presin esttica por debajo de la tensin de vapor del lquido y su

posterior desaparicin (implosin) al subir la presin por encima de la tensin de vapor, lo que

produce golpes puntuales de alta presin. Si las burbujas estn junto o prximas a una superficie,

como la pared o labes del impulsor, los resultados de la implosin golpean la superficie de la pared

labe del impulsor a alta velocidad causando un fuerte desgaste, lo que explica la estructura porosa

tan caracterstica de los materiales sometidos a cavitacin.

La principal causa de cavitacin en bombas centrfugas es la bajada local de la presin en la entrada

de los pasos formados por los labes del impulsor debido al aumento de la velocidad del lquido en la

entrada del impulsor y a la transmisin de energa del impulsor al lquido, adems de aparecer

tambin en otros puntos de la bomba donde ocurran cadas locales de presin.

Normalmente se produce debido a una elevada temperatura del fluido bombeado, a la reduccin de

presin en la aspiracin de la bomba, al incremento de la altura esttica de elevacin en la aspiracin

o a la reduccin en la altura esttica de carga en la aspiracin.


41/191




Algunos efectos de la cavitacin son:

Formacin de burbujas aisladas o reas de burbujas de vapor Cada e incluso desplome de la altura total Cada del rendimiento Mayor ruido, vibraciones y en general un funcionamiento brusco e irregular comparado al

funcionamiento habitual

3.2.2 Caractersticas de funcionamiento de las bombas centrfugas3.2.2.1 Curvas caractersticas de las bombasPara una bomba centrfuga a una velocidad de giro constante, la altura H, la potencia absorbida P y el

rendimiento , son funcin del caudal Q. La relacin entre estos diferentes valores se representamediante las curvas caractersticas.CURVA DE ALTURA EN FUNCION DEL CAUDAL

La curva de altura en funcin del caudal H(Q) ,tambin conocida como curva de regulacin,

representa la relacin entre la altura de una bomba centrfuga y su caudal. En general para este tipo

de bombas la altura disminuye al aumentar el caudal. La medida de esta cada en la altura viene dada

en la prctica por la relacin llamada pendiente, determinada por el tipo de bomba y la forma de

su impulsor.

Las curvas H(Q), en las que la altura disminuye al aumentar el caudal se denominan estables;

adems, en una curva H(Q) estable, para cualquier valor de altura le corresponde un valor del caudal

nico.

Por el contrario, las curvas H(Q) inestables son aquellas en las que se dan caudales para los cuales la

altura aumenta cuando aumenta el caudal. En una curva H(Q) inestable se pueden asociar dos o ms

valores del caudal con un solo valor de altura. Los valores pico en una curva inestable son conocidos

como y .

Curvas tpicas H(Q) para bombas centrfugasFigura 10.


42/191




CURVA DE POTENCIA ABSORBIDA EN FUNCIN DEL CAUDAL

La forma de la curva de potencia absorbida P(Q) de una bomba centrfuga es funcin de la velocidad

especfica. En el caso de bombas de canal lateral, la mxima potencia absorbida se da para Q = 0. En

las bombas de flujo radial, la potencia absorbida aumenta al aumentar el caudal. La mxima potencia

absorbida por las bombas de flujo mixto se produce aproximadamente para volviendo a caer acaudales mayores. En el caso de bombas de flujo axial, la mxima potencia absorbida se producecuando Q = 0, cayendo al ir aumentando el caudal.

Debido a estas diferencias, las bombas de flujo radial se arrancan generalmente con la vlvula de

impulsin cerrada, mientras que las de canal lateral y flujo axial son arrancadas con la vlvula de

impulsin abierta para evitar la sobrecarga del motor de accionamiento de la bomba durante el

arranque.

CURVA DE RENDIMIENTO EN FUNCIN DEL CAUDAL

La curva de rendimiento aumenta inicialmente desde cero al aumentar el caudal hasta llegar alpunto mximo () para caer despus al seguir aumentando el caudal. A menos que haya quetener en cuenta otras consideraciones, ha de elegirse la bomba de tal manera que el rendimiento

ptimo se acerque lo ms posible al caudal requerido , es decir .3.2.2.2 Curva caracterstica del sistemaLa curva de caractersticas del sistema , tambin conocida como la curva de altura de lainstalacin o de la tubera, representa la altura total requerida de un sistema en funcin del caudal.

La altura total del sistema es generalmente la suma de un componente, altura esttica,

independiente del caudal,

y un componente que aumenta con el cuadrado del caudal, la altura dinmica.

En algunos casos la altura esttica puede ser cero.

La curva caracterstica del sistema quedar determinado entonces por la siguiente expresin:


43/191




3.2.2.3 Relacin entre la curva de la bomba y la del sistemaEl punto de trabajo de la bomba es aquel en el cual la altura total generada por la bomba es igual a la

altura necesaria de la instalacin; dicho de otra manera, el lugar donde se cruzan la curva H(Q) de la

bomba y la del sistema

Esto determina el caudal Q que puede ser suministrado por la bomba a travs del sistema as como

los valores de potencia absorbida P, de rendimiento y de NPSH requerido (NPSHR) de la bomba.El caudal requerido es normalmente el parmetro principal a la hora de seleccionar una bomba para

un sistema determinado; la altura total del sistema (altura de la bomba) se calcula despus, sobre la

base de unas condiciones de funcionamiento previamente dadas.

Variacin del caudal debido a la variacin de la curva real sobre la curvaFigura 11.previamente calculada

Si este clculo se basa en algunas suposiciones (p.e. sobre la rugosidad de la superficie al calcular las

prdidas de carga en las tuberas) o bien si se toman factores de seguridad amplios, el punto de

trabajo real puede diferir del valor calculado.

En las curvas de gran pendiente, la variacin entre caudales es menor que en las curvasplanas. Por el contrario, las curvas planas tienen ciertas ventajas sobre las de pendientepronunciada si el punto de trabajo es modificado por estrangulacin en impulsin.

Las bombas centrfugas con curvas inestables pueden funcionar satisfactoriamente en sistemas de

caractersticas fijas a velocidad de giro constante, con tal que la altura a caudal cero ( )sea mayorque el componente esttico de la altura del sistema . En estos casos, como en el caso debombas con curvas estables, solo hay un punto de interseccin entre la curva de altura de la bomba y

la curva de altura del sistema.


44/191




La forma de las curvas HA(Q) inestables se tienen en cuenta si existe un componente elstico en el

sistema, p.e. un recipiente a presin y vara el componente esttico de la altura del sistema. Si por

ejemplo la altura esttica se incrementa, entonces la curva caracterstica del sistema variarcomo muestra la Figura 12 desde HAI a HAII, HAIII etc. El caudal disminuye hasta que en QIVel flujo

se interrumpe repentinamente. A vlvula cerrada (Q = 0) la bomba continua funcionando con la

vlvula de retencin en impulsin cerrada y a una altura H0. Si la altura esttica vuelve a serinferior a H0, el funcionamiento se inicia de nuevo con un caudal correspondiente a la interseccinde H(Q) y HA(Q).

Este proceso contina con mayor o menor frecuencia segn las variaciones de y en ciertascondiciones pueden producirse variaciones de caudal y golpes de ariete no deseables

Relacin entre curvas HA(Q) inestables y alturas variables de instalacinFigura 12.

Cuando las bombas con curvas de altura inestable hayan de bombear en paralelo o con motores de

velocidad variable, debe hacerse un cuidadoso estudio de las condiciones de funcionamiento.


45/191




3.2.3 Ajuste para diferentes condiciones de funcionamientoSi la instalacin requiere distintos caudales, existen diferentes maneras posibles de adaptar una

bomba para cubrir las necesidades del sistema correspondiente. Estas posibilidades se basan en la

variacin de la curva del sistema

, p.e.:

- por estrangulamiento (mediante vlvula de control)- por un bypass (mediante vlvula bypass)

AJUSTES DE LAS CARACTERSTICAS DEL SISTEMA

Regulando el sistema por una vlvula de control de impulsin aumenta la resistencia del flujo y por lo

tanto la prdida de carga del sistema y la prdida de altura dinmica

.

La pendiente de la curva caracterstica del sistema aumenta producindose la interseccin con la

curva caracterstica de la bomba a caudales ms bajos.

Variacin del caudal por estrangulacinFigura 13.

La vlvula de regulacin causa prdidas de energa, por lo tanto, es ineficaz el funcionamiento

continuo con una vlvula de control. Las prdidas mnimas por regulacin se producen cuando la

curva caracterstica H(Q) de la bomba es plana. Por esta razn, el control por regulacin se aplica

fundamentalmente a las bombas de flujo radial, ya que en ellas la potencia absorbida disminuye al

disminuir el caudal.

Incluso donde parezca que el control por regulacin es el ms atractivo en cuanto al costo inicial del

sistema de control, debe examinarse la rentabilidad del mtodo ya que los costes de funcionamiento,

especialmente con potencias absorbidas elevadas, pueden ser muy altos.


46/191




Prdidas por regulacin en curvas H(Q) planas y de pendiente pronunciadaFigura 14.

Para bombas de canal lateral, de flujo mixto desde y de flujo axial, debe tenerse encuenta que la potencia absorbida aumenta al disminuir el caudal. Adems, debido al proceso de

regulacin, las bombas de flujo axial pueden funcionar en inestabilidad. Esto supondra un

funcionamiento brusco con alto nivel de ruidos, siendo ambas circunstancias inherentes a las bombas

de alta velocidad especfica.

Esta forma de trabajo ha de ser evitada en lo que respecta a un funcionamiento continuo. Por

principio, la regulacin debe efectuarse en el lado de impulsin de la bomba. Hacer la regulacin en

el lado de aspiracin significara una reduccin del (NPSH) disponible del sistema (NPSHD), por lo que

podra producirse cavitacin.

En el control con bypass se monta, en paralelo con la bomba, una lnea de recirculacin a travs de la

cual parte del caudal de impulsin pasa al de aspiracin. Dependiendo de la curva caracterstica del

bypass, la curva caracterstica del sistema se desplaza hacia caudales mayores.

Como consecuencia de ello, el caudal de la bomba aumenta desde a , y el caudal til a travsdel sistema decrece de a .En los casos de grandes caudales en bypass y para prevenir un excesivo calentamiento del lquido

bombeado, el lquido debe ser recirculado y vertido al depsito de aspiracin y no al conducto de

aspiracin.


47/191




Control del caudal mediante bypassFigura 15.

El control del caudal mediante bypass es especialmente recomendado para bombas de canal lateral y

de flujo axial ya que la potencia absorbida por la bomba disminuye al aumentar el caudal.


48/191




3.3 VlvulasUna vlvula es un dispositivo instalado en una tubera para controlar la magnitud y/o la direccin del

flujo y consiste esencialmente en un cuerpo y un disco o tapn ajustado a dicho cuerpo. La seleccin

de una vlvula para usarse en un sistema de tuberas depende de su aplicacin. El espaciamiento delas vlvulas y su tamao depender de razones econmicas. Regularmente, las vlvulas se

dimensionan ligeramente ms pequeas que el dimetro de la tubera y se instalan con un reductor a

ambos lados. Al escoger el tamao, el costo de la vlvula deber sopesarse contra el costo de la

prdida de carga a travs de ella, aunque en ciertas circunstancias, sera deseable mantener libre

todo el dimetro de la tubera para evitar la erosin o bloqueo

3.3.1 Tipos De VlvulasExiste una gran variedad de vlvulas pero en este documento tan solo hablaremos sobre los tipos

utilizados en el proyecto:

3.3.1.1 Vlvulas tipo compuertaEs utilizada para el flujo de fluidos limpios y sin interrupcin, este tipo de vlvula no la ms

recomendable para estrangulamiento debido a que posee un disco que se alterna en el cuerpo lo que

causara una erosin arruinando su funcionamiento.

En las vlvulas de compuerta el rea mxima del flujo es el rea del circulo formado por el dimetro

nominal de la vlvula, debido a esto es que se recomienda el uso en posiciones extremas, o sea,

completamente abierta o completamente cerrada, ya que de ser as ofrecen la mnima resistencia al

paso del fluido y as su cada de presin es muy pequea.

Detalle de vlvulas de compuertaFigura 16.


49/191




Existen diferentes tipos de vlvulas de compuerta, que se diferencian bsicamente por el tipo

de disco usando para el cierre, stas son:

Vlvula de compuerta tipo cua slida Vlvula de compuerta tipo flexible Vlvula de compuerta tipo abierta Vlvulas de guillotina Vlvulas de cierre rpido

Normalmente este tipo de vlvulas son construidas en su cuerpo de latn, bronce, hierro,

acero fundido. En su interior normalmente son de bronce, acero inoxidable, acero aleado,

cromo, estelita o molibdeno. Dependiendo del uso al que se vea sometido la vlvula y el tipo

de fluido, cambia el material de construccin. Otro cambio que surge es el tipo de unin, a

veces es con hilo, otras para soldadura, otras es con bridas, etc.

3.3.1.2 Vlvulas de bolaComo su nombre lo dice este tipo de vlvulas posee un macho esfrico que controla la

circulacin del lquido. Estas vlvulas son vlvulas de macho modificadas, y su uso estaba

limitado debido al asentamiento de metal con metal, el que no permita el debido cierre.

Ahora producto de los avances en la fabricacin de plsticos se han sustituido los asientos

metlicos por plastmeros modernos. Consisten en un cuerpo con orificio de venturi y anillos

de asientos, una bola para producir el cierre y una jaula con vstago para desplazar la bola en

relacin con el orificio. Son rpidas para operarlas, de mantenimiento fcil y su cada de

presin es funcin del tamao del orificio.

La vlvula de bola est limitada a las temperaturas y presiones que permite el material del

asiento. Se puede emplear para vapor, agua, aceite, gas, aire, fluidos corrosivos, pastas

aguadas y materiales pulverizados secos. Los principales componentes de estas vlvulas son el

cuerpo, el asiento y la bola.

Detalle de vlvula de bolaFigura 17.


50/191




Hay dos tipos principales de cuerpos para vlvulas de bola:

Cuerpo dividido: la bola y asientos se instalan desde los extremos. Entrada superior: aqu la bola y los asientos se instalan por la parte superior.

Las vlvulas de bola no requieren lubricacin y funcionan con un mnimo de torsin. Casi

siempre la bola es flotante y el sellamiento se logra con la presin de corriente hacia arriba

que empuja la bola contra el anillo de asiento.


51/191




3.4 Turbinas hidrulicas3.4.1 Tipos de turbinas hidrulicasDurante este apartado nombraremos y describiremos brevemente las caractersticas de lasprincipales turbinas (excepto en turbina Pelton que explicaremos ms detalladamente) usadas

en centrales hidrulicas.

La turbina hidrulica uno de los componentes principales de una central hidroelctrica y tiene

como misin transformar la energa potencial y cintica del agua en energa mecnica de

rotacin, que puede ser a su vez transformada en energa elctrica mediante un grupo

generador. Existen diferentes tipos de turbina con caracterstica constructivas y de

funcionamiento muy diferentes, la eleccin del tipo apropiado para cada central depende de

factores como las condiciones topogrficas e hidrulicas del aprovechamiento de agua, siendo

el caudal y la cada de ste lo ms restrictivo. La energa potencial del agua se convierte en

energa motriz en la turbina con arreglo a dos tipos de mecanismo de turbina, turbinas de

accin y turbinas de reaccin.

3.4.1.1 TURBINAS DE REACCINLas turbinas de reaccin son aquellas en las que el elemento de rotacin est totalmente

sumergido en el agua y encerrado en una carcasa a presin, la presin del agua acta

directamente sobre los labes del rodete disminuyendo de valor a medida que avanza en surecorrido. Al estar el rodete completamente sumergido y sometido a la presin del agua, la

carcasa en la que est envuelta ha der ser robusta para resistirlo.

Turbina FrancisLa turbina Francis es un tipo de turbina de reaccin de flujo radial muy utilizadas en saltos de

altura media, equipadas con un distribuidor de labes regulables y un rodete de labes fijos y

que se caracteriza por recibir el flujo de agua en direccin radial, orientndolo en la salida con

direccin axial. En este tipo de turbina el agua encauzada por una conduccin forzada, pasa

por el distribuidor hasta el rodete, donde cede toda su energa sin entrar en contacto en

ningn momento con la atmsfera.

Las turbinas pueden ser de cmara abierta; en caso de salto con poca altura, o de cmara en

espiral. En las turbinas con cmara en espiral la carcasa suele construirse en hormign armado,

acero soldado o hierro fundido. En la siguiente imagen podemos apreciar una turbina Francis

de eje horizontal donde se aprecia especialmente la carcasa en forma de caracol tpica de este

tipo de turbinas.


52/191




Turbina FrancisFigura 18.

Turbina KaplanLa turbina Kaplan es una turbina de reaccin de flujo axial, cuyos labes son siempre

regulables y con distribuidores de ejes regulables o fijos, de manera que si solo son regulables

los labes del rodete se la denomina como turbina Semi-Kaplan. Para su regulacin, los labes

del rodete giran alrededor de su eje, accionados por manivelas unidas a bielas articuladas y

que son accionadas por un servomotor hidrulico.

Turbina KaplanFigura 19.


53/191




3.4.1.2 TURBINAS DE ACCINLas turbinas de accin son aquellas en la que la energa potencial se transforma en energa

cintica mediante el impacto de un chorro de agua a gran velocidad proyectado sobre unas

cazoletas o palas fijas en la periferia de un disco o rodete. El agua, tras impactar en las palascae al canal o depsito de descarga con muy poca energa, por lo que la carcasa que envuelve

a este tipo de turbinas suele ser ms bien para evitar accidentes e impedir salpicaduras del

agua. Dentro de este tipo de turbinas encontramos tambin distintos tipos constructivos,

principalmente los siguientes:

Turbinas TurgoAl igual que la Pelton, la Turgo es una turbina de accin con la particularidad de que sus labes

tienen distinta forma y posicin en la periferia. En este caso el chorro incide con un ngulo de

20 grados respecto al plano diametral del rodete, impactando por un lado del disco,

116611046 pico hidraulica

Documents