ingenieria mecanica diseÑo real

7/27/2019 INGENIERIA MECANICA DISEO REAL

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FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA,

ELECTRICA, ELECTRONICA Y MINAS

CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA

ASIGNATURA : TURBOMAQUINAS IIDOCENTE : ING. SAMANIEGO PEREZ Jos

Carlos.ALUMNOS : QUILLA CJUNO RalCODIGO : 073206-jSEMESTRE : 2012-1

CUSCO-PERU

2012

DISEO DE UNA MINICENTRAL

HIDROELECTRICA


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Diseo de una minicentral hidroelctrica UNSAAC

Ingeniera Mecnica 1

INDICE

CAPITULO I

Objetivo general.

CAPITULO II

Objetivos especficos.

CAPITULO III

Hidrologa.

CAPITULO IV

Topografa. CAPITULO V

Caractersticas de la energa elctrica.

CAPITULO VI

Tipos de minicentrales.

CAPITULO VII

Diseo de aprovechamiento.

CAPITULO VIII Obras civiles.

CAPITULO IX

Equipamiento electromecnico.

CAPITULO X

Factores econmicos.

CAPITULO XI

Factores ambientales. CAPITULO XII

Conclusiones y recomendaciones.

CAPITULO XIII

Referencias bibliogrficas.


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CAPITULO I

OBJETIVO GENERAL.

Disearemos un perfil proyecto mecnico hidrulico y automatizacin deuna PCH, basado en parmetros existentes como son: Altura, Caudal y

Potencia. Para su respectivo diseo, seleccin y automatizacin de

equipos.

Minicentral hidroelctrica de Pampamarca

CAPITULO II

OBJETIVOS ESPECIFICOS.

Determinar el tipo de grupo hidroelctrico, su diseo, viabilidad

tcnica, econmica y ambiental para el desarrollo de pequeas

centrales hidroelctricas.

Lograr el mximo rendimiento de un grupo hidroelctrico ya que

tendr incidencia en la rentabilidad de la generacin.

Concientizar y difundir la construccin de PCH ya que son menos

contaminantes y no generan impacto ecolgico y ambiental.

CAPITULO III

HIDROLOGIA.

La cuenca Alta del ro Vilcanota se encuentra ubicada entre las

coordenadas UTM WGS84 Norte 8380388 a 8440036 y UTM WGS84

Este 234255 a 2288616, polticamente se ubica en el departamento de

Cusco, provincias de Canchis, Acomayo y Canas, distritos de Layo,

Langui, Marangan, Sicuani, San Pablo, San Pedro, Tinta, Combapata,

Mosocllacta, Pampamarca, Tungasuca, Yanaoca.

La cuenca Alta del ro Vilcanota abarca 1,593.5 Km., y representa el

7.4% de la cuenca Vilcanota de cdigo 49949 con 21,524.5 Km..


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La cuenca es de forma rectangular alargada con caractersticas

geomorfolgicas definidas por la existencia de abundantes lagunas y

deshielos que garantizan un caudal constante durante el ao.

RECURSOS NATURALES

o Precipitacin Promedio : 755.9 mm/ao

o pocas de lluvia : Empieza en enero y concluye en abril, la

mayor precipitacin es en enero.

o poca de esto : Empieza en mayo y concluye en setiembre

o Temperatura Promedio : Promedio Anual 10.6 CMxima 12.6 C.

o Humedad Relativa : Media Anual 58%

o Evaporacin de la laguna : 66.164 m3/da en julio.

La Cuenca alta del ro Vilcanota tiene 90 lagunas altoandinas, una de las

ms grandes e importante es la Laguna de Pampamarca, que se ubica

en la provincia de Canas, en el distrito Pampamarca,La laguna tiene un efecto termorregulador, atena el clima severo del

piso quechua alto y configura el paisaje de la subcuenta de

Pampamarca, caracteriza esta zona la presencia de totora en el borde

de la laguna y de los rboles y arbustos en los cerros circundantes.

El agua es potencialmente pesquera, por el alto contenido de zoo y

fitoplancton en sus aguas, que permite la vida del pejerrey y variada

fauna acutica.

El rea de espejo de agua es de 2,050 hectreas, y por incidencia

directa del sol, evapora (humedad en el aire) 2,000 litros por segundo

(lts./seg),

En la temporada de lluvias es un gran afluente del Ro Vilcanota, por el

Ro Cebadapata descarga caudales que varan de 4.00 a 10.00 m3/seg.

En la temporada de esto la descarga se reduce considerablemente

hasta un mnimo de 50 lts./seg.


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La humedad presente en el aire, permite el crecimiento de maz en este

piso ecolgico, pero en poca escala, adems de los cultivos

tradicionales de la zona como la papa, haba, cebada, trigo y otros.

CAPITULO IV

TOPOGRAFIA.

En la zona homognea de pampa, las tierras se caracterizan por ser

profundas, fertilidad media, aptas para cultivos, con presencia de

heladas a excepcin de bofedales que estn al borde de las lagunas.

En la zona homognea de ladera, las tierras son superficiales, defertilidad baja, con aptitud de pastizal natural y pequeas reas de

forestacin (quebradas). Los diferentes tipos y grados de erosin estn

en esta zona.

DATOS GEOGRAFICOS.

UBICACIN

DEPARTAMENTO : CUSCO

PROVINCIA : CANAS

DISTRITO : PAMPAMARCA

COORDENADAS : 1406'45.35" S 7127'14.51" O

ELEVACION : 3801 MSNM

CAPITULO V

CARACTERISTICAS DE LA ENERGIA ELECTRICA.

La superficie terrestre est cubierta en un 71% de agua. La energa

hidroelctrica proviene indirectamente de la energa del sol, responsable

del ciclo hidrolgico natural. La radiacin que procede de las fusiones

nucleares que se producen en el sol calienta la superficie terrestre, ros,

lagos y ocanos, provocando la evaporacin del agua. El aire caliente

transporta el agua evaporada en forma de nubes y niebla a distintos

puntos del planeta, donde cae nuevamente en forma de lluvia y nieve.


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Una parte de la energa solar permanece almacenada en el agua de los

ros, los lagos y los glaciares.

Las centrales y minicentrales hidroelctricas transforman esa energa en

electricidad, aprovechando la diferencia de desnivel existente entre dos

puntos. La energa se transforma primero en energa mecnica en la

turbina hidrulica, sta activa el generador, que transforma en un

segundo paso la energa mecnica en energa elctrica.


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CAPITULO VI

TIPOS DE MINICENTRALES.

Las centrales hidroelctricas, y dentro de ellas las minicentrales

hidroelctricas, estn muy condicionadas por las peculiaridades y

caractersticas que presente el lugar donde vayan a ser ubicadas.

Cuando se vaya a poner en marcha una instalacin de este tipo hay que

tener en cuenta que la topografa del terreno va a influir tanto en la obra

civil como en la seleccin de la maquinaria.

Segn el emplazamiento de la central hidroelctrica se realiza lasiguiente clasificacin general:

Centrales d e agua f luyente :Captan una parte del caudal del

ro, lo trasladan hacia la central y una vez utilizado, se devuelve al

ro.

Centrales de pie de presa :Se sitan debajo de los embalses

destinados a usos hidroelctricos o a otros usos, aprovechando el

desnivel creado por la propia presa. Centrales en canal de riego o de abastecimiento.

En este caso nosotros hablaremos de las centrales de agua fluyentes

por ser el tipo de minicentral que disearemos.

CENTRALES DE AGUA FLUYENTE

Es aquel aprovechamiento en el que se desva parte del agua del ro

mediante una toma, y a travs de canales o conducciones se lleva hasta

la central donde ser turbinada. Una vez obtenida la energa elctrica el

agua desviada es devuelta nuevamente al cauce del ro.

Dependiendo del emplazamiento donde se site la central ser

necesaria la construccin de todos o slo algunos de los siguientes

elementos:


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Azud.

Toma.

Canal de derivacin.

Cmara de carga.

Tubera forzada.

Edificio central y equipamiento electro-mecnico.

Canal de descarga.

Subestacin y lnea elctrica.


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Dentro de este grupo hay diversas formas de realizar el proceso de

generacin de energa. La caracterstica comn a todas las centrales de

agua fluyente es que dependen directamente de la hidrologa, ya que no

tienen capacidad de regulacin del caudal turbinado y ste es muy

variable. Estas centrales cuentan con un salto til prcticamente

constante y su potencia depende directamente del caudal que pasa por

el ro.

En algunos casos se construye una pequea presa en la toma de agua

para elevar el plano de sta y facilitar su entrada al canal o tubera dederivacin. El agua desviada se conduce hasta la cmara de carga, de

donde sale la tubera forzada por la que pasa el agua para ser turbina-da

en el punto ms bajo de la central.

Para que las prdidas de carga sean pequeas y poder mantener la

altura hidrulica, los conductos por los que circula el agua desviada se

construyen con pequea pendiente, provocando que la velocidad decirculacin del agua sea baja, puesto que la prdida de carga es

proporcional al cuadrado de la velocidad. Esto implica que en algunos

casos, dependiendo de la orografa, la mejor solucin sea optar por

construir un tnel, acortando el recorrido horizontal.

CAPITULO VII

DISEO DE APROVECHAMIENTO.

La potencia de una central hidroelctrica es proporcional a la altura del

salto y al caudal turbinado, por lo que es muy importante determinar

correctamente estas variables para el diseo de las instalaciones y el

dimensionamiento de los equipos.


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Determinacin del caudal de aprovechamiento.

Es fundamental la eleccin de un caudal de diseo adecuado

para definir el equipamiento a instalar, de forma que la energa

producida sea la mxima posible en funcin de la hidrologa. Por

tanto, el conocimiento del rgimen de caudales del ro en la zona

prxima a la toma de agua es imprescindible para la

determinacin del caudal de diseo del aprovechamiento.

La medicin de los caudales del ro se realiza en las estaciones

de aforo, donde se registran los caudales instantneos quecirculan por el tramo del ro donde est ubicada la estacin y a

partir de estos se determinan los caudales mximos, medios y

mnimos diarios correspondientes a un gran nmero de aos, con

los que se elaboran series temporales agrupadas por aos

hidrolgicos.

En este caso obtuvimos el caudal a partir de una publicacin del:INSTITUTO DE MANEJO DE AGUA Y MEDIO AMB IENTE (IMA)

ING. CARLOS SALAZAR HERRERA

Caudal:

En tiempo de lluvia ser de 4 a 10 m3/s

En tiempo de esto ser de 0.050 m3/s

- El caudal que usaremos en tiempo de lluvia ser de 4 m3/s del

cual tendremos que restarle el caudal ecolgico que es el 10%

del total y ser aproximadamente 0.4 m3/s de tal manera que

el caudal quedara reducido a 3.6 m3/s.

- El caudal que usaremos en tiempo de estiaje ser de


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0.05 m3/s del cual tendremos que restarle el caudal ecolgico

que es el 10% del total y ser aproximadamente 0.005 m3/s

de tal manera que el caudal quedara reducido a 0.045 m3/s.

Determinacin del salto neto.

El salto es la otra magnitud fundamental para el diseo de una

minicentral hidroelctrica. Deber ser el mximo permitido por la

topografa del terreno, teniendo en cuenta los lmites que marcan

la afeccin al medio ambiente y la viabilidad econmica de la

inversin.

Estos datos los obtuvimos con la ayuda del goo gle eartha

travs de las curvas de nivel obtenidas.

Salto bruto (Hb):Altura existente entre el punto de la

toma de agua desde la captacin del agua y el punto de

descarga del caudal turbinado al ro.

En este caso ser de 186 m.

Salto til (Hu ):Desnivel existente entre la superficie

libre del agua en la cmara de carga y el nivel de

desage en la turbina.

En este caso ser de 182 m.

Prd id as de carga (Hp ):Son las prdidas por friccindel agua contra las paredes del canal y sobre todo en la

tubera forzada, ms las prdidas ocasionadas por

turbulencia, al cambiar de direccin el flujo, al pasar a

travs de una rejilla o de una vlvula, etc. Se miden

como prdidas de presin (o altura de salto) y se

calculan mediante frmulas derivadas de la dinmica de

fluidos.


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Se puede suponer que las prdidas de carga son del

orden del 5% al 10% del salto bruto.

Tomaremos un valor del 7.5% resultando asi las

perdidas un valor de 14 m.

Salto neto (Hn):Es la diferencia entre el salto til y las

prdidas de carga producidas a lo largo de todas las

conducciones. Representa la mxima energa que se

podr transformar en trabajo en el eje de la turbina.

En este caso resulta 168 m.


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Potencia a instalar.

La minicentral hidroelctrica cuenta con una potencia disponible

que vara en funcin del caudal de agua disponible para ser

turbinado y el salto existente en cada instante.

La expresin que nos proporciona la potencia instalada es la

siguiente: P = Potencia en kW

Q = Caudal de equipamiento en m3/s

Hn = Salto neto existente en metros

= Factor de eficiencia de la central, que es igual alproducto de los rendimientos de los diferentes equipos

que intervienen en la produccin de la energa:

= Rt * Rg * RsRt = Rendimiento de la turbina

Rg = Rendimiento del generadorRs = Rendimiento del transformador de salida

El rendimiento de la maquinaria vara, pero a efectos de una

primera aproximacin, se puede tomar como factor de eficiencia

para una minicentral hidroelctrica moderna el valor de 0,85.

o La potencia en tiempo de lluvia ser:

o La potencia en tiempo de estiaje ser:

CAPITULO VIII

OBRAS CIVILES.


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CAPITULO IX

EQUIPAMIENTO ELECTROMECANICO.

Turbinas hidrulicas.

Aprovecha la energa cintica y potencial que contiene el agua,

transformndola en un movimiento de rotacin, que transferido mediante

un eje al generador produce energa elctrica. Las turbinas hidrulicas

se clasifican en dos grupos:

Turbinas d e accin:Son aquellas que aprovechan nicamentela velocidad del flujo de agua para hacerlas girar. En una turbina

de accin la presin del agua se convierte primero en energa

cintica.

o Pelton:Esta turbina se emplea en saltos elevados que

tienen poco caudal.

o Banki-Michel l : Turbina de flujo cruzado, tambin

conocida como de doble impulsin. Est constituida porun inyector de seccin rectangular provisto de un labe

longitudinal que regula y orienta el caudal que entra en

la turbina, y un rodete de forma cilndrica, con sus

mltiples palas dispuestas como generatrices y

soldadas por los extremos a discos terminales.

Turbinas d e reaccin:Este tipo de turbinas cuentan con un

diseo de rotor que permite aprovechar la presin que an le

queda al agua a su entrada para convertirla en energa cintica.

Esto hace que el agua al salir del rotor tenga una presin por

debajo de la atmosfrica.

o Francis:Esta turbina se adapta muy bien a todo tipo

de saltos y caudales, y cuenta con un rango de

utilizacin muy grande. Se caracteriza por recibir el


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fluido de agua en direccin radial, y a medida que sta

recorre la mquina hacia la salida se convierte en

direccin axial.

o Tur bi nas Hlic e, Semik aplan y K apl an: Las

instalaciones con turbina hlice se componen

bsicamente de una cmara de entrada abierta o

cerrada, un distribuidor fijo, un rodete con 4 5 palas

fijas en forma de hlice de barco y un tubo de

aspiracin.

SELECCIN DE LA TURBINA.Seleccionaremos de acuerdo al siguiente grafico usando los

caudales y el respectivo salto neto


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Las dos turbinas sern del tipo PELTON.

DIMENSIONAMIENTO DE LAS TURBINAS.

Las dimensiones principales dela turbina son las que se muestran

en la figura.

- Turbina Pelton de Velocidad del chorro a la salida del inyector.

Siendo Perdidas en el inyector asumimos un valor de 0.97


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Dimetro del chorro.

- La longitud total de este rio hasta su confluencia con el rio Vilcanota es

de 4.20 km

- El trayecto de diseo ser desde el kilometro 0.904 hasta el kilometro

2.5

- Nuestra longitud de diseo ser de 1596 metros

- Nuestro salto o cada ser : 229m

- Caudal

En tiempo de lluvia ser de 4 10 m3/s

En tiempo de estio ser de 0.025 m3/s

Todos estos datos fueron obtenidos de la respectiva curva de nivel del sistema

hidrogrfico que a continuacin veremos.

SELECCIN DE LA TURBINA

La seleccionamos segn a la siguiente tabla con el caudal y la respectiva altura

De la cual elegimos una turbina PELTON


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HALLAMOS EL POTENCIAL HIDROELECTRICO

Lo hallamos de la siguiente manera:

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