CLCULO Y DISEO DE UNA TURBINA PELTON

Introduccin:

En la actualidad es imposible imaginar la vida sin energa elctrica, estamos tan

acostumbrados a encender y apagar el interruptor de la luz y otros aparatos que muy rara

vez nos ponemos a pensar de donde viene esta electricidad; pues bien, un tipo de centrales

generadoras son las HIDROELCTRICAS, stas son plantas encargadas de convertir la energa

del agua en energa elctrica, pero ms especficamente, la TURBINA es la encargada de

transformar esa energa hidrulica en energa mecnica, para posteriormente convertirla en

energa elctrica con un generador. Como deca La turbina es el alma de una central

hidroelctrica y dependiendo de la turbina que se use es la cantidad de electricidad que se

produzca. En este captulo hablaremos de las turbinas de impulso, y especficamente de la

turbina PELTON.

El presente proyecto trata de los clculos que se deben seguir para poder fabricar una

turbina Pelton, se dieron a conocer por el profesor las siguientes caractersticas para su

elaboracin mediante el clculo.

Altura =1400 m

Caudal = 1m3/s

Velocidad de rotacin = 1200 rpm

Objetivos:

- Desarrollar el clculo para la turbina Pelton con los datos dados anteriormente

utilizando todos los conocimientos obtenidos en el desarrollo del curso

- Utilizando el programa de solidwork, elaborar el diseo de la turbina con los datos

de los clculos obtenidos.

TURBINA PELTON

FUNCIONAMIENTO

Las turbinas Pelton son turbinas de chorro libre que se acomodan a la utilizacin de saltos

de agua con mucho desnivel y caudales relativamente pequeos, con mrgenes de empleo

entre 60 y 1500 metros, consiguindose rendimientos mximos del orden del 90%.

CAZOLETAS

En una rueda Pelton la direccin del chorro no es ni axial ni radial, sino tangencial; el

elemento constructivo ms importante es la cazoleta en forma de doble cuchara, que recibe

el chorro exactamente en su arista media donde se divide en dos, circulando por su cavidad

y recorriendo hasta la salida casi un ngulo de 180, contrarrestndose as los empujes

axiales por cambio de direccin de los dos chorros.

El agua una vez sale de la cazoleta, cae libremente una cierta altura, pasando al cauce

inferior.

INYECTOR

El inyector es el rgano regulador del caudal del chorro; consta de una vlvula de aguja cuya

carrera determina el grado de apertura del mismo; para poder asegurar el cierre, el

dimetro mximo de la aguja tiene que ser superior al de salida del chorro cuyo dimetro d

se mide en la seccin contrada, situada aguas abajo de la salida del inyector y en donde se

puede considerar que la presin exterior es igual a la atmosfrica.

El chorro est constituido por un ncleo central convergente de agua y una seccin anular

creciente que contiene una emulsin de agua y aire.

Con el fin de asegurar una buena regulacin, conviene disear el inyector de forma que

exista una proporcionalidad entre la potencia de la turbina y la carrera x de la aguja, por

cuanto la potencia es proporcional al caudal y ste, a su vez, a la seccin de paso normal al

flujo. La variacin del caudal del chorro para regular la potencia se consigue mediante una

aguja de forma especial, con cuyo accionamiento se puede estrangular la seccin de salida

de la boquilla; su regulacin puede ser manual o automtica mediante un servomotor.

Tiene adems otro sistema de regulacin por desviacin del chorro, que consiste en una

superficie metlica llamada deflector, que se introduce en medio del chorro, dividindolo y

desviando una parte del mismo, de forma que en vez de dirigirse contra las cazoletas, sale

lateralmente sin producir ningn efecto til.

De esta forma se evitan sobrepresiones en la tubera, por cuanto el caudal que circula por

sta continua siendo el mismo.

Cuando se dispone de un solo inyector, el rodete tiene el eje de giro horizontal y el eje de

salida del chorro es tangente horizontal, inferior a la circunferencia del rodete, cuyo

dimetro se denomina dimetro Pelton, cayendo el agua a la salida de las cucharas al fondo

de la turbina, sin interferir el giro de la rueda.

Cuando el nmero de inyectores es dos, la turbina puede ser tambin de eje horizontal,

disponindose los chorros segn dos tangentes inferiores a la circunferencia Pelton,

inclinadas un mismo ngulo @ 30, saliendo el agua de las cucharas sin interferir a la rueda.

Para un nmero superior de inyectores, la rueda Pelton es de eje vertical ya que de ser

horizontal, sera imposible evitar que el agua cayera sobre la rueda a la salida de las

cucharas. Un chorro bien diseado no debe tener un dimetro d superior a 27 cm, por lo

que para establecer el nmero de inyectores hay que partir de la condicin de que su

dimetro no sea superior a este lmite, teniendo en cuenta a su vez, el lmite superior

impuesto por la velocidad especfica por chorro, en funcin del salto.

El hecho de sustituir un nmero de inyectores de unas dimensiones determinadas, por un

mayor nmero de inyectores de dimensiones ms pequeas, permite construir turbinas de

mayor dimetro, girando a una velocidad mayor; sin embargo no se deben sobrepasar

ciertos lmites impuestos por la necesidad de evacuar el agua convenientemente, as como

la fatiga del material de las cucharas sometidas a esfuerzos repetidos, tanto ms frecuentes

cuanto mayor sea el nmero de chorros.

REGULACIN

Para mantener constante la velocidad de la turbina, el caudal inyectado tiene que adaptarse

en cada instante al valor de la carga, por lo que la posicin del inyector tiene que ajustarse

mediante un regulador que acta segn la velocidad de la turbina y en el caso ms general,

en forma automtica.

Si se supone que la turbina se ha acelerado, el regulador 7 levantar la vlvula 1 y el aceite

a presin entrar en el cilindro grande haciendo bajar el mbolo 8, con lo que la palanca 2

bajar y el deflector 6 cortar al chorro desviando una parte del mismo.

ESQUEMAS

Fig.01 Inyector

FRMULAS PARA CALCULAR TURBINA PELTON

1. CLCULO DE Ni:

=. . .

75

2. CLCULO DE (ns)i:

() =()

12

5

4

3. CLCULO DEL N DE CHORROS z:

() = 576 . ()1

2 . ()1

2 . . (

)

=0.44 0.46

=0.87 0.98

=0.86 0.89

=

=1

=21

= 2. .

= .

2 = (

2 .

60) . (

2)

< 0.1

4. CLCULO DEL DIAMETRO DEL CHORRO d:

= 4

.

.

1

2

=

0.09

5. CLCULO DEL N DE CUCHARAS: Ncu

1er)

= 12 + 0.74 (

)

2da)

= .

= (0.75 .0.85)

=

= .

=

+

= 2 (

2+ ) . (

2)

=

.

.

2= (

2+ )

2

( +

2)

2

6. CLCULO DE LA ALTURA DE EULER He:

= (1

8) . (1 + . 2) . (1 ) .

= 2

= .

1 = .

7. CLCULO DE RENDIMIENTOS:

1 =

= .

8. CLCULO DE NEJE (potencia efectiva):

= .

TURBINA PELTON

H=1400 m Q= 1m3/s N= 1200 rpm

a) CLCULO DE POTENCIA IDEAL: (Ni)

=...

75 =

(1000)(1)(1400)

75 = 18666.66 . .

b) CLCULO DE LA VELOCIDAD ESPECFICA (ns):

() =()

12

5

4

() =(1200)(18666.66)

12

14005

4

() = 19.24

c) CLCULO DE Z: (chorros)

() = 576 . ()1

2 . ()1

2 . . (

)

=045

=0.925

= 0.1

19.24 = 576 . (0.925)1

2 . ()1

2 . (0.45). (0.1)

= 0.5956

Z = 1 chorro

19.24 = 576 . (0.925)1

2 . (1)1

2 . (0.45). (

)

(

) = 0.07718

d) CLCULO DIMETRO DE CHORRO (d):

= 4

.

.

1

2

= 4

.

1

1 .

1

(0.925)2(9.81)(1400)

= 0.0911

e) CLCULO DEL DIMETRO DE RODETE (D):

=

0.07718

= 1.18

f) CLCULO DEL NMERO DE CUCHARAS Ncu:

1er) = 12 + 0.74 (

)

= 12 + 0.74 (1

0.07718)

= 21.588

= 22

2da) = .

Dext= D + 2.d= 1.3682 m

Dint= D 2.d= 1.0038m

= (0.75 .0.85) S = (0.8)

= (

2+ )

2

( +

2)

2

2= (

1.186

2+ 0.0911)

2

(1.186 + 0.0911

2)

2

2= 0.2454

= 0.491

=

.

.

=0.45

0.925 .

1.3682

1.186 . (0.491)

= 0.2755

=

+

=0.491

1.186 + 0.0911

= 21.03 0.367 rad

= .

= (0.367) . (1.186)

= 0.435

=

= 0.435 0.2755

= 0.1595

S = (0.8)

S = (0.8)(0.1595)

S = 0.1276

= .

= . (1.3682)

0.1276

= 33.686

= 34

= 4 12 = 8

= 0.86 0.89 = 0.86

g) CLCULO DE He:

= (1

8) . (1 + . 2) . (1 ) .

Para V1:

1 = . 1 = (165.73)(0.925) 1 =

153.3/

Para Vi:

= 2 = 2(9.81)(1400) = 165.73 /

Para U:

= .

= (165.73). (0.45)

= 74.58 /

= (1

8) . (1 + . 2) . (1 ) .

= (1

8) . (1 + 0.875 . 8) . (153.3 74.58) . (74.58)

=11117.02

h) CLCULO DE RENDIMIENTO HIDRAULICO (ni):

1 =

1 =11117.02

1400

1 = 0.798

CLCULO DE nt:

Para un: 0.9 0.97 un= 0.935

= .

= (0.798). (0.935)

= 0.746

i) CLCULO DE LA POTENCIA EN EL EJE:

= .

= (0.746). (18666.66)

= 13925.33 . .

= (13925.33 . . ) (0.735

. .)

= 10235.11

DIMENSIONAMIENTO DE LA CUCHARA:

1. DIMETRODE LA PUNTA:

= + (2) (7

6) ()

= 1.186 + (2) (7

6) (0.0911)

= 1.398

2. DIMETRO EXTERIOR DEL RODETE:

= +

= 1.398 + 0.0911

= 1.4891

3. CLCULO INTERIORES DE LA CUCHARA:

r=100.5

B=0.2733 m

b= 0.31885 m

L=0.232305 m

T= 0.068325 m

S= 0.104765 m

m1=0.01731 m

m= 0.0911 m

2 = 12.5

Corte I: 35

Corte II: 25

= Corte III: 15

Corte IV: 7.5

Lb=2.9 do = 0.26419 m 0.30061 m

b1= 0.049195 m

FICHA TECNICA DEL GENERADOR:

Generador Caterpillar SR4

CONCLUSIONES.

La turbina Pelton por su diseo y funcionamiento es la ms apropiada para altas cadas y caudales pequeos, entonces por lo anterior dicho optimiza y

aumenta la potencia en la turbina.

Al determinar la potencia elctrica real nos dio como resultado un valor diferente menor a propuesto para el clculo.