turbinas_hidráulicas_cap3 mataix

8/7/2019 Turbinas_Hidrulicas_cap3 mataix

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TURBINAS HIDRULICAS 85

CAPTULO III

TURBINAS HIDRULICAS

3.1 DEFINICINLa turbina hidrulica es una turbo mquina motora, y por tanto

esencialmente es una bomba roto dinmica que trabaja a la inversa1. As

como una bomba absorbe energa mecnica y restituye energa al fluido;una turbina absorbe energa del fluido y restituye energa mecnica.

Una turbina hidrulica segn el grado de reaccin se clasifica en dosgrupos: turbinas de accin y turbinas de reaccin. El grado de reaccin deuna turbina Gr se define as:

Altura de presin absorbida por el rodeteGr =

Altura total absorbida por el rodete

Cuando el grado de reaccin es cero, la turbina se llama de accin. Si elgrado de reaccin es distinto de cero, la turbina se llama de reaccin.

En una turbina de accin, la presin del agua no vara en los labes. Elrodete no esta inundado, se encuentra a la presin atmosfrica. Las turbinas

de accin son de admisin parcial.

En una turbina de reaccin, la presin a la entrada del rodete es superior ala atmosfrica y a la salida inferior, el rodete est inundado. Las turbinas dereaccin son de admisin total.

3.2 RUEDA HIDRULICAEl tipo de turbina hidrulica ms antiguo y simple es la rueda hidrulica,usada por primera vez en Grecia y empleada durante siglos para moler

cereales. Constaba de un eje vertical con un conjunto de aspas o palasradiales sumergidas parcialmente en una corriente de agua a granvelocidad, que generaba una potencia de 0.5 caballos de vapor (CV).

1 MATAIX CARLOS, Mecnica de los Fluidos y Mquinas Hidrulicas Pg.418


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CENTRALES HIDROELCTRICAS86

Hacia el siglo II d. C. se empeza utilizar en las zonasmontaosas la rueda hidrulicade empuje superior, donde elagua se verta sobre las palasdesde arriba, aumentando supotencia hasta los 50 CV.

3.3 TURBINA FRANCIS

En 1826 Benoit Fourneyron desarroll una turbina de flujo externo de altaeficiencia (80%). El agua era dirigida tangencialmente a travs del rodetede la turbina provocando su giro. Alrededor de 1820 Jean V. Ponceletdise una turbina de flujo interno que usaba los mismos principios, y S. B.Howd obtuvo en 1838 una patente en los EE.UU. para un diseo similar.

En 1848 James B. Francis mejor estos diseos y desarroll una turbinacon el 90% de eficiencia. Aplic principios y mtodos de prueba cientficospara producir la turbina ms eficiente elaborada hasta la fecha. Msimportante, sus mtodos matemticos y grficos de clculo mejoraron elestado del arte en lo referente al diseo e ingeniera de turbinas. Susmtodos analticos permitieron diseos seguros de turbinas de altaeficiencia.

La Francis es una turbina de reaccin de flujo radial axial. Lleva estenombre en honor del Ing. James Bichano Francis (1815-1892), trabaja concargas de 30 a 550 metros y caudales de 200 a 10 m3/seg, es la msgeneralizada del mundo. De acuerdo con la ponderacin de la carga sobre

el caudal o viceversa, se originan particulares caractersticas de la mquina,que dan lugar a dos tipos, no siempre definidos, la Francis pura y la Francismixta.

En la Francis puramente radial (Figs. 3.1 y 3.2), prcticamente toda latransferencia energtica de fluido a rotor se efecta mientras el agua pasa atravs de los labes, casi todo el tiempo en direccin radial y de afuerahacia adentro, con un aprovechamiento mximo de la accin centrpeta,
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para lo cual se procura siempre dar al agua un recorrido radialrelativamente largo.

Fig. 3.1 Turbina Francis Pura

Fig. 3.2 Rodete de Turbina Francis Pura (Chojlla)

Se justifica el uso de la Francis pura en los saltos de agua con cargas

relativamente grandes y caudales relativamente reducidos.En la Francis mixta (Fig.3.3), el agua recorre los labes en direccin radialy de afuera hacia adentro slo en una parte de los mismos, terminando elagua su recorrido en direccin axial en cuya fase trabaja como turbinaaxial. La ponderacin de la accin radial y de la axial puede establecerse enforma gradual segn las exigencias de la carga y el caudal disponible. La


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Francis mixta tiene aplicacin en saltos de agua de cargas medianas y bajas,con caudales medianos y relativamente grandes.

Fig. 3.3 Turbina Francis Mixta

3.2.1 RGANOS PRINCIPALES DE LA TURBINA FRANCISEn el orden de paso del agua son: el caracol, el distribuidor, el rodetemvil, y el tubo de desfogue.

La carcasa, caja espiral o caracol (Fig. 3.4), es un ducto alimentador, deseccin circular y dimetro decreciente, que circunda el rotor, procurandoel fluido necesario para la operacin de la turbina.

Fig. 3.4 Caracol


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El distribuidor lo constituye una serie de labes directores en forma depersiana circular (Fig. 3.5), cuyo paso se puede modificar con la ayuda deun servomotor, lo que permite imponer al fluido la direccin de ataqueexigida por el rodete mvil y adems regular el gasto de acuerdo con lapotencia pedida a la turbina, desde valores mximos hasta un valor cero. Enel distribuidor se transforma parcialmente la energa de presin en energacintica.

El rodete mvil o rotor est conformado por los propios labes, los cualesestn engastados en un plato perpendicular al eje de la mquina, de cuyoplato arranca siguiendo la direccin axial, tomando en forma progresiva unalabeo y abrindose hacia la direccin radial, con lo que el conjuntopresenta forma abocardada, tanto ms acentuada cuanto mayor sea laaccin axial exigida a la turbina.

Los alabes se cien por su extremo final a un zuncho en forma de anillo.

Fig. 3.5Distribuidor de una turbina Francis (Yanacachi)

El tubo de desfogue o difusor da salida al agua de la tubera y al mismotiempo procura una ganancia en carga esttica hasta el valor de la presinatmosfrica, debido a su forma divergente. Se tiene as a la salida del rotor


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una presin ms baja que la atmosfrica y, por tanto, una gradiente depresin dinmica ms alta a travs del rodete. Su forma puede sersimplemente cnica (tubo Moddy) o ms compleja cuando es acodada(cnico, elptica, cuadrangular), esta ltima permite colocar el rodete mvilms prximo al nivel de aguas abajo, exigencia que se tiene especialmenteen las mquinas de velocidad especfica alta (Francis mixtas).

Fig. 3.10 Descripcin general de una turbina Francis

Fig. 3.11Esquema general de turbina Francis con tubo de salida a contrapresin


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3.22 GRADO DE REACCINEl grado de reaccin cuantifica la proporcin de carga esttica aprovechadasobre la carga efectiva total, viene dado por la expresin:

2 2 2 2

1 2 2 1

2 2 2 2 2 2

1 2 1 2 2 1

2 2

2 2 2

r r

R

r r

U U V V g g

GV V U U V V

g g g

2 2 2 2

1 2 2 1

2 2 2 2 2 2

1 2 1 2 2 1

r rR

r r

U U V V G

V V U U V V

En la turbina Francis el grado de reaccin est siempre comprendido entrecero y uno y, por lo general, prximo a un medio. Para la Francis pura lavelocidad especfica es baja y relativamente es bajo el grado de reaccin.La carga dinmica es alta por ser relativamente alta la carga en este tipo deturbinas, dando lugar a velocidades absolutas de entrada altas, ya que estasson proporcionales a la carga. En la Francis mixta sucede lo contrario, lascargas son proporcionalmente ms bajas, las velocidades especficas msaltas y el grado de reaccin ms alto.2

3.2.3 DIAGRAMAS DE VELOCIDADES A LA ENTRADA YSALIDA DEL ROTOR

En la figura 3.12 se muestra el diagrama de velocidades mencionado.La ecuacin de Euler de la transferencia es:

1 1 2 2

1U U

E U V U V g

La velocidad relativa a la entrada Vr1 queda definida por el vector V1 de lavelocidad absoluta y el vector U1 de la velocidad de arrastre, de acuerdocon la ecuacin vectorial:

111 rVUV

2 POLO ENCINAS MANUEL, Turbomquinas Hidrulicas, Edit. Limusa 1975


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A la salida del agua del rotor, la velocidad V2 conviene que sea radial o casiradial, para evitar circulacin del fluido innecesaria y prdidas de energa.Para ello los valores de la velocidad de arrastre U2 y la relativa Vr2 quecondiciona el labe deben ser de la magnitud y direccin que exige laecuacin vectorial.

Fig. 3.12 Diagrama de velocidades a la entrada y salida del rotor de una turbinaFrancis.

222 rVUV

Esto se logra con un diseo adecuado del labe que ha de girar a unavelocidad determinada.

Las dimensiones de D1 y D2 se relacionan con la carga y con la velocidadde giro a travs de los coeficientes 1 y 2 de la velocidad tangencial paracondiciones a la entrada y salida del rotor o sea:

1 1

1

2 2

U ND

gH gH


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2 2

2

2 2

U ND

gH gH

Valores de estos coeficientes son obtenidos en funcin de la velocidadespecfica los mismos que se dan en la Fig. 3.13. Estos coeficientes sonmuy importantes por que permiten la determinacin de los dimetrosbuscados.

1 2

1 1

0.5 0,5

0 100 200 300 400 500 0 100 200 300 400500

(Fig 3.13)Valores de 1 en funcin de NS Valores de 2 en funcin de NS

El distribuidor de las turbinas de reaccin est constituido por una serie delabes pivotantes que circunda el rotor y que tiene las siguientes funciones:

Regula el gasto segn las exigencias de la potencia, convierte parcialmentela energa esttica en dinmica para que as el lquido pueda atacar loslabes del rotor y tenga lugar una transferencia energtica, dirige lavelocidad absoluta del fluido V1 segn las exigencias del gasto segn unadireccin determinada 1 que da lugar a una componente radial Vr1 de

acuerdo con las exigencias del gasto, y a una Vu1 tangencial necesaria parala transferencia de energa del agua al rotor. El ngulo 1 es menor en lasfrancis puras y mayor en las mixtas.

En la Fig. 3.14 se muestran los diagramas de velocidades a la entrada ysalida del rotor considerando variaciones en el ngulo de ataque a loslabes por efectos de regulacin.


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Fig. 3.14 Modificacin de los diagramas a la entrada y salida del rotor, con laregulacin

Si la demanda de energa se reduce, el generador debe disminuir laproduccin disminuyendo la potencia de la turbina, es entonces cuandoentra en servicio el gobernador que mediante un servomotor mueve eldistribuidor de la turbina actuando de modo que reduce el ngulo 1 a unnuevo valor '1 con lo cual se modifica la velocidad absoluta V1 endireccin (aunque no en magnitud, pues esta depende de Hque permanececonstante) dando lugar a una reduccin de la componente radial V'R1 y, portanto, a una reduccin del gasto y por ende de la potencia de la turbina. Lavelocidad de giro del grupo turbina generador se conserva, esto es, U1

permanece constante. Pero, como puede observarse en el grfico de ladireccin de V'r1 ya no responde al ngulo del labe 1 sino, a un nguloinferior, con lo que se produce una separacin del agua del contorno dellabe dando lugar a turbulencias y a prdidas de energa que reducen elrendimiento. Este efecto se hace tanto ms notable en las turbinas dereaccin de alta velocidad especfica con labes fijos, como la Francismixta y la de Hlice.

Si trabajando con potencia parcial se produce separacin, operando con

sobrecargas se originan choques contra el labe, que dan lugar avibraciones perjudiciales, en la figura se advierte que al exigir ms potenciaa la turbina por alguna sobrecarga del generador, el gasto de agua debeaumentarse, o lo que es igual, la velocidad radial debe aumentar a un valorV"R1; lo cual se logra aumentando el ngulo del distribuidor a un valor "1,con objeto de variar la direccin de la velocidad absoluta de entrada a unvalor V"1. Al permanecer U1 constante, la velocidad relativa viene dirigidaahora bajo un ngulo mayor que 1, produciendo un choque del agua


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contra el labe y dando lugar a una reduccin del rendimiento. Lassobrecargas toleradas en la turbina Francis son del orden del 15 al 20 %sobre las condiciones de diseo.

A la salida los efectos son menos nocivos que a la entrada, pues como setrata de velocidades subsnicas, el labe manda al agua y la velocidadrelativa sale siempre en la misma direccin. Sin embargo, como U2permanece constante para cualquier gasto y la velocidad radial vara sumagnitud en la misma proporcin que el gasto, al ser VR1 = VR2 = VR,resulta que la velocidad absoluta de salida V2 se sale de la direccin radialque de ordinario tiene en las condiciones de diseo, apareciendo valoressensibles de Vu2, que modifican la transferencia de energa; aunque loms perjudicial son los efectos de recirculacin del agua, que perturban ladescarga y reducen la recuperacin de energa en el ducto de desfogue,

disminuyendo el rendimiento global de la turbina.

3.2.4 TUBO DE DESFOGUESirve para la descarga del agua de una turbina de reaccin hasta el socaz,satisface adems una funcin muy importante como rgano de recuperacinde energa, debido a su forma divergente, produce una desaceleracin delagua que sale de la turbina, su altura fsica debe ser menor que el de lacolumna de agua real equivalente a la presin atmosfrica, para impedirque la vena lquida se rompa en el ducto.

Para la turbina Francis veloz y la Kaplan se utiliza con preferencia lainstalacin con eje vertical, debido a que mejora el rendimiento y laregularidad del flujo, y en la posibilidad de obtener mayor recuperacin deenerga cintica a la salida del rodete. Tambin influye favorablemente enel fenmeno de cavitacin, que queda aminorado por el hecho de serposible la colocacin del rodete a muy pequea altura sobre el nivel delagua del socaz y en algn caso bajo el nivel del mismo, como es necesariopara las turbinas de alta revolucin especfica.

3.3 TURBINAS KAPLAN La Kaplan es una turbina hlice de labesajustables (Figs. 3.15 y 3.16), de manera que la incidencia del agua en elborde de ataque del labe pueda producirse en las condiciones de mximaaccin, cualesquiera sean los requisitos del caudal y la carga.

Las turbinas hlice que tienen labe fijo justifican su instalacin en loscasos en que las variaciones de potencia no sean considerables. Victor


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Kaplan (1876-1934) concibi la idea de corregir el paso de los labesautomticamente con las variaciones de potencia.

Una tcnica constructiva de las turbinas hidrulicas poco desarrollada acomienzo de siglo, haca concebir la idea de Kaplan como irrealizable.Pero, con el avance del siglo avanzaba el desarrollo tecnolgico y la idea deKaplan fue imponindose en el mundo entero. La turbina Kaplan encuentraaplicacin en una gama de cargas que vara aproximadamente de 1 a 90 m.si se incluyen a las turbinas tubulares o de bulbo, que tambin son de hlicecon paso variable.

Fig. 3.15 Alabes ajustables Fig.3.16 Alabes Directores

Fig. 3.17 Alabes de una turbina Kaplan


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3.3.1 RGANOS PRINCIPALES DE UNA TURBINA KAPLANAl igual que en la Francis son: el caracol, distribuidor, rodete mvil y tubode desfogue; las funciones de stos rganos son las mismas que sedescribieron para la turbina Francis.

La cmara de alimentacin suele ser de concreto en muchos casos, debido ala gran capacidad de gasto que admite la turbina Kaplan. La seccintoroidal puede ser circular o rectangular como el mostrado en la figura 3.18

El distribuidor, que sigue a la cmara de alimentacin, regula el gasto yadems imprime al agua el giro necesario para el ataque adecuado del aguaa los labes. Los labes del distribuidor se ajustan automticamente deacuerdo a las necesidades de la potencia.

El rotor de la turbina, de forma de hlice, est constituido por un robustocubo, cuyo dimetro es del orden del 40 al 50 % del dimetro total alextremo de los labes, en el cual van empotrados los mismos. Los labesdel rotor tienen perfil de ala de avin y desarrollo helicoidal. El perfil de alapermite obtener una accin til del agua sobre el labe en el movimientoque aquella tiene respecto a ste, la forma helicoidal o alabeo se justifica,en virtud de que la velocidad relativa del flujo vara en direccin ymagnitud con la distancia al eje de giro, debido a que la velocidad dearrastre (U1 = w R1), se modifica en magnitud con el radio. El tubo de

desfogue es casi siempre acodado y semejante al de una turbina francis.

Fig. 3.18 Cortelongitudinal de unaturbina Kaplan conseccin toroidalrectangular

3.3.2 ENERGIA TRANSFERIDADe fluido a rotor tiene la expresin:


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1 1 2 2

1U U

E U V U V g

3.3.3 GRADO DE REACCION

Queda expresado por:

2 2

1 2

2 2

2 1

1

1

R

r r

GV V

V V

3.3.4 FACTOR DE UTILIZACINSe define por:

2 2

1 2

2 2 22 1 2

2

R

V VE

V V G VE

g

3.3.5 DIAGRAMA DE VELOCIDADES A LA ENTRADA Y SALIDADEL ROTORLa figura 3.19 muestra el labe de una turbina Kaplan en seccin normal ala direccin radial. El agua procedente de la cmara de alimentacin yguiada por los labes del distribuidor, gira en vrtices libres en la zona

existente entre el distribuidor y el rotor, hasta alcanzar a este ltimo,atacando el labe con una velocidad absoluta V1, que es variable enmagnitud y direccin para cada punto del borde de ataque del labe. Si lavelocidad tangencial del labe en ese punto es U, la velocidad relativa delfluido respecto al labe ser Vr1, cerrando el tro vectorial correspondiente ala ecuacin vectorial.

11 rVUV

La Vr1 debe incidir sobre el labe de forma que se logre una mxima accin

del agua, evitando separacin o choques, que reduzcan el rendimiento. Elngulo de incidencia se fija por la velocidad media relativa Vmr y lacuerda.


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Fig. 3.19 Diagramas de velocidades a la entrada y salida del labe de una turbinakaplan.

La magnitud de la componente axial a la entrada Va generalmente seconserva a la salida de las mquinas axiales. La velocidad absoluta a lasalida V2 se procura que sea axial o con una componente giratoria mnima,a fin de tener un buen desfogue y para reducir su magnitud, aumentando elcoeficiente de utilizacin. Como la velocidad tangencial del labe Ues lamisma pues los dos puntos de entrada y salida estn a la misma distancia

del eje se tendr que disear el borde de fuga de forma que la componenterelativa Vr2cierre el tringulo vectorial correspondiente a la ecuacin

22 rVUV

Ya que en velocidades subsnicas, como es el caso del agua en las turbinashidrulicas, el labe manda al fluido en la salida y la Vr2 saldr tangente allabe.

La curvatura del labe definida por el ngulo para Va constante, hace queV2 < V1 y Vr2 > Vr1, con el fin de tener un aprovechamiento de la cargadinmica y de la carga esttica del agua.

El diseo de los labes suele hacerse para el 80% de la capacidad del gastode la turbina, ya que en estas condiciones se favorece el rendimiento globaldel labe en las diferentes condiciones de carga parcial o sobrecarga. Para


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las condiciones de diseo la apertura del ngulo del distribuidor suele serde 45, pudiendo variar entre 20 y 50 en trminos generales.

El alabeo de los bordes de ataque y de fuga se define por los valores de losngulos 1 y 2 a lo largo de dichos bordes.

Fig. 3.14 Diagramas de velocidades a la entrada y a la salida

1 2

1

tan ; tana a

u

V V

U V U

Siendo

;a

QV U ND

A

La componente giratoria Vu1 se calcula en cada punto de la zona de vrticeslibres, que precede al rotor, aplicando el principio de conservacin del

momento de la cantidad de movimiento.

En la seccin de salida del distribuidor se puede conocer la componente degiro Vuay el radio Ro. El momento de la cantidad de movimiento sobre launidad de masa ser Vuo Ro, que ser constante en toda la zona de vrticeslibres, pues no hay momento exterior en esta zona. Por lo tanto si sedesigna por el subndice 1 la seccin de ataque del agua al rotor se tendr:

Vuo Ro = Vu1 R1 = Constante

Donde R1 puede variar del cubo al extremo del labe y en consecuencia Vu1vara tambin, pero en forma opuesta a R1, para conservar el valorconstante del producto. Como Va es constante, resulta que tan 1 vara conUy con Vu1, o lo que es igual con el radio.

En el borde de fuga el cambio de tan 1 vara con U = ND el cual tienevalores diferentes a distintos dimetros, para una misma velocidad de giro.


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3.3.6 DIMETRO DE LA HLICEEn la turbina axial el dimetro es nico, cuyo valor se fija por laexperiencia a travs de frmulas empricas, entre ellas la siguiente

68 HPDH

3.3.7 VELOCIDAD DE GIROViene dada por

34950 H

NHP

La relacin entre la altura del distribuidor y el dimetro de la hlice B/D es

del orden de 0,4.

3.4 TURBINAS BULBO, TUBULARES Y DE POZO PARA CARGASMNIMAS Y GRANDES CAUDALESBuscando condiciones econmicas favorables para el aprovechamiento deenerga del agua, los ingenieros han fijado siempre su atencin en los saltosde mediana y gran altura. Se han desarrollado as potentes turbinas,tratando de concentrar cada da, mayor potencia en una sola unidad; lo queha obligado necesariamente, a proyectar mquinas de grandes dimensiones.

Se menospreciaban los aprovechamientos de pequeas cargas 5, 10 y hasta15 metros por resultar incosteables con el empleo de turbinasconvencionales Francis e incluso Hlice o Kaplan, debidofundamentalmente, a las profundas y costosas excavaciones.

Pero la creciente demanda de energa estaba obligando a pensar en todaclase de aprovechamientos. Si las mquinas convencionales no satisfacan,sera necesario idear otros tipos. Es as como aparecieron, en los pasadosaos, las turbinas bulbo, las tubulares y las de pozo, que permitanaprovechar cadas de 1 a 15 metros.

La particularidad fundamental en todas ellas, es que el eje se ha dispuestoen la direccin horizontal o casi horizontal, a fin de reducir las dimensionesen vertical y, por tanto, las excavaciones; circunstancia sta que se presentaen la turbina Kaplan de eje vertical, a la cual podra recurrirse en los casosde pequeas cargas.


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En estos nuevos tipos, desaparece la cmara espiral o caracol,practicndose la alimentacin directamente desde el embalse por medio deun tubo de aspiracin rectilneo, que manda el agua sobre el rotor de laturbina a travs de unas paletas directoras. El rotor tipo hlice con labesfijos o ajustables, tiene su eje en la misma direccin del ducto, facilitandoel paso de grandes caudales de agua, la descarga se logra por unacontinuidad del mismo ducto, en forma anloga al desfogue de una turbinade reaccin convencional. Slo en el tipo de turbina tubular se hacenecesario un cambio en la direccin del ducto en la descarga para dar salidaal eje del generador.

En la TURBINA TUBULAR (Fig 3.20), en efecto, el generador vainstalado al exterior, fuera del ducto del paso del agua. Esto reduce el costodel generador, que puede ser as de tipo convencional, aunque presente

algunos problemas de vibracin en el sellado de la flecha, por mayorlongitud de vibracin y de desfogue.

Fig.3.20 Turbina Tubular

En la TURBINA DE TIPO BULBO (Fig.3.21), el generador estencerrado en un recinto metlico estanco, que generalmente precede alrotor, apareciendo el conjunto como una pera o bulbo, de donde deriva su

nombre. Para el acceso al generador, as como para el paso de lasconducciones y servicios, se dispone de un ducto o chimenea que comunicacon el exterior. Este sistema es ligeramente ms costoso, pues requiere elempleo de generadores de diseo especial, pero tiene la ventaja de que sefacilita el desfogue, incrementndose la energa recuperada en el mismo.


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En el TIPO POZO, (Fig. 3.22) el generador se independiza del rotor de laturbina por medio de muros de concreto, mantenindolo en el mismo eje dela turbina o desplazndolo transversalmente.

Fig. 3.21 Turbina tipo Bulbo

En este ltimo caso la transmisin de la potencia se efecta por medio deun multiplicador, pudindose hacer uso de generadores ms econmicos.La obra de fbrica es un poco ms complicada y por ello su uso es mslimitado.El rendimiento de este tipo de turbinas es tan satisfactorio osuperior al de una turbina Kaplan, particularmente en aquellos casos en losque se disponen labes ajustables en el rotor y en los portillos de acceso del

agua al rotor. Adems el ducto rectilneo de alimentacin y de desfoguereduce al mnimo las prdidas de energa en el flujo. La curva derendimiento se mantiene as casi plana, a un nivel aproximado del 90%,para diferentes valores de potencia.

Fig. 322 Turbina tipo pozo


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3.5 TURBINA DE FLUJO CRUZADO (CROSS FLOW)

Fig. 3.23 Turbina de flujo cruzado (Cross Flow)

Fig. 3.24 Turbina deFlujo Cruzado


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La turbina Cross Flow es de construccin simple, esto le da, lacaracterstica muy importante de poder ser construida sin muchatecnologa. Las dos partes principales de una turbina Cross Flow son elrotor o rodeta y el conjunto de elementos que conforman la carcasa, ambaspiezas se hacen con lmina de acero soldada y requieren cierto fresado, lonico que se necesita es un equipo de soldar y un taller de mquinas comolos que se utilizan para reparar maquinaria agrcola y piezas automotrices.

La eficiencia de la turbina Cross Flow (Fig. 3.25) es del 80% y mayor, ypor ende es apropiada para pequeas centrales generadoras hidroelctricas.La regulacin del flujo y el control del regulador central del boquerel, serealiza mediante un mecanismo de cierre, en la forma de una compuerta.Los reguladores son costosos, pero resultan indispensables para hacer

funcionar un generador de corriente alterna.

Fig.3.25 Rendimiento de la turbina de Flujo Cruzado

Para cadas elevadas la turbina Cross Flow se conecta a una tubera decarga con una vlvula de entrada a la turbina. Esto requiere de un tipo dedisposicin diferente que el empleado para cadas bajas.


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La turbina es nica por que sus anchuras de boquerel y del rotor puedenajustarse a las condiciones de cada e ndices de flujo. Su adaptabilidad,simplicidad y bajo costo hacen que sea la ms apropiada de todas lasturbinas hidrulicas para pequeos sistemas de generacin. Puede aplicarsea cadas de 1 a 200 metros y caudales de 0,02 a 8 m3/seg.

Funciona eficientemente con cargas bajas de agua y su rendimiento essuperior al de una turbina Francis. Cuando dividimos la paleta de la turbinaen tres partes iguales, podemos hacer funcionar hasta con un 10% del factorde carga, y producir mayor energa en Kw que en las otras turbinas.

La rueda de la turbina de flujo cruzado no puede funcionar dentro del aguay debe colocarse tomando de 1 a 3 metros del eje de la turbina hasta elnivel del agua del canal de descarga. El flujo de agua de la turbina Cross

Flow se muestra en la Fig. 3.26

Fig. 3.26 Flujo de agua

El agua es accionada dos veces en las paletas de la rueda, la transferenciade energa es de 72% en la primera accin y 28% en la segunda. El flujo deagua cruza la rueda, de ah proviene el nombre de Cross Flow (fluir atravs).


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3.6 TURBINA TIPO PELTONLas turbinas de impulso oaccin tienen lapeculiaridad de aprovecharsolamente la energacintica del fluido; noexiste pues, gradiente depresin entre la entrada y lasalida de la mquina. Elgrado de reaccin es cero.

En la turbina Pelton laenerga cintica del agua,en forma de chorro libre, se

Fig.3.27 Alabe de Turbina Pelton

genera en una tobera colocada al final de la tubera de presin. La toberaest provista de una aguja de cierre para regular el gasto, constituyendo elconjunto el rgano de regulacin y alimentacin de la turbina.

Fig. 3.28 Ruedas Pelton

El labe tiene la forma de doble cuchara Figs.3.28 y 3.29, con una aristadiametral sobre la que incide el agua, producindose una desviacinsimtrica en direccin axial, buscando un equilibrio dinmico en estadireccin por ser el ataque del agua en sentido tangencial; por tener el


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fluido un recorrido axial en su paso por el labe, se clasifica entre lasmquinas de tipo axial.

Fig. 3.29 Ruedas de una Turbina Pelton (Propiedad Taller Ing. Mecnica)

Fig.3.30 Turbina Pelton de 4 chorros y eje vertical.

Las turbinas pueden tener eje horizontal o vertical; en la disposicin deEJE HORIZONTAL el nmero de chorros por rueda se reduce


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generalmente a uno o dos, por resultar complicada la instalacin en unplano vertical de las tuberas de alimentacin y las agujas de inyeccin. Larueda queda sin embargo ms accesible para su inspeccin, lo mismo quelos inyectores. Encuentra as aplicacin si se tienen aguas sucias queproducen deterioros o notable accin abrasiva, con esta disposicin se haceposible instalar turbinas gemelas.

La disposicin con EJE VERTICAL permite aumentar el nmero dechorros por rueda a cuatro o seis pudiendo incrementarse el caudal y tenermayor potencia por unidad, las excavaciones disminuyen pero la inspecciny reparaciones se hacen ms difciles por lo que se recomienda su uso conaguas limpias, con eje vertical se permiten mayores potencias. (Fig. 3.30).3

3.6.1 CARACTERSTICAS DEL RODETEEl rodete Pelton est constituido por un disco de acero con labesperifricos en forma de doble cuchara, estos pueden estar fundidos con eldisco en una sola pieza, o individualmente sujetndose despus al disco pormedio de bulones.

El material de los labes, debe resistir la fatiga, la corrosin y la erosin,utilizndose para tal efecto; grafito laminar, acero, carbono aliado connquel, aceros con cromo o aceros austeno ferrticos, materiales que

3 POLO ENCINAS MANUEL, Turbomquinas hidrulicas Edit. Limusa 1974 Pag. 197

Fig. 3.31Ruedas Pelton de cuatro yseis Chorros


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presentan gran resistencia a la cavitacin y abrasin. El material del discode la rueda es de acero fundido o forjado.

El NMERO DE LABES suele ser de 17 a 26 por rueda, para altavelocidad especfica el nmero de labes es menor, en cambio, si lavelocidad especfica es alta es que el gasto es grande, lo que exige labesmayores, y por tanto, caben menos en la misma periferia de la rueda. Dichonmero se calcula mediante la expresin:

Donde Na es el nmero de labes; D el dimetro de la rueda y del dimetrodel chorro.

La arista media del labe no es completamente radial, sino que estligeramente inclinada con relacin a la direccin del chorro.

El ancho de los labes b est comprendido entre 3,5 y 4 veces el dimetrodel chorro.

El ancho axial de la carcaza cerca de la tobera no debe ser menor que 15 d,de otra manera el agua rechazada impedira el movimiento de los labes

(cangilones).

3.5.2 FORMA Y DIMENSIONES DE LOS LABES

Las dimensiones del labe sonproporcionales al dimetro delchorro; este a su vez es funcin deldimetro de la rueda y la velocidadespecfica. El valor de d(dimetro

del chorro) est entre el 5% y 12%aproximadamente del valor de D(dimetro de la rueda), segn elautor Manuel Polo Encinas, deacuerdo a Viejo Zubicaray el valorD/d no debe ser menor

Fig. 3.32 ngulo del labe

152d

DNa


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a 12, excepcionalmente puede llegar a 7. Sin contradecir a ambos autorespodra tomarse el valor de 9 para efectos de solucionar problemasposteriores.

Se toma como dimetro de la turbina Pelton el dimetro de un crculo quepasa por el centro del labe y es tangente a la lnea de centros de la tobera.

El ngulo que forman las dos caras interiores del labe, (Fig. 3.32) debe serel mnimo posible, pero, para no debilitar demasiado el mismo, losconstructores recomiendan que sea del orden de 200. El ngulo de salida debe estar entre 8 y 12 grados en la parte media del labe, ya que dereducirse se presenta el peligro de recirculacin y de choque del aguacontra la cara posterior del labe siguiente.Como la energa cintica del agua del chorro decrece con la distancia al

orificio de salida, conviene colocar los inyectores lo mas cerca posible delrodete, para lo cual se produce en los labes una entalladura en la parteperifrica, la que adems impide que el agua salpique por el borde de lacuchara e incluso que la ataque por la parte posterior.

3.6.3 DIAGRAMAS DE VELOCIDADES Y ENERGIATRANSFERIDA EN FUNCION DEEn la figura 3.33 se presenta el corte de un labe de una turbina Pelton, enl se tienen: Vr1 velocidad relativa, U1 Velocidad tangencial del labe y V1

Velocidad absoluta, donde:

V1 = U1 + Vr1

Fig.3.33 Diagramas vectoriales a la entrada y salida de una turbina Pelton.


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A la salida, la direccin de la velocidad relativa esta definida por el ngulo(se toma como promedio 165 ; = 180- ). Ya que se trata de una

mquina axial, la ecuacin vectorial es:

3.7 TURBINA TURGO

La turbina Turgo es una turbina hidrulica de impulso diseada para saltosde desnivel medio. Fig. 3.34

Fig. 3.34 Turbina TurgoFue desarrollada por la compaa Gilkes en 1919 a partir de unamodificacin de la turbina Pelton; la Turgo tiene varias ventajas sobre laturbina Francis y la Pelton en determinadas aplicaciones.

222 rVUV

)180cos(222 ru VUV
http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_hidr%C3%A1ulicahttp://www.gilkes.com/home.htmhttp://es.wikipedia.org/wiki/1919http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Peltonhttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Francishttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Francishttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Peltonhttp://es.wikipedia.org/wiki/1919http://www.gilkes.com/home.htmhttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_hidr%C3%A1ulica


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En primer lugar, el rodete es ms barato de fabricar que el de una Pelton.En segundo lugar no necesita una carcasa hermtica como la Francis. Entercer lugar tiene una velocidad especfica ms elevada y puede manejar unmayor flujo para el mismo dimetro que una turbina Pelton, conllevandopor tanto una reduccin del costo del generador y de la instalacin.

Las Turgo operan en un rango de desniveles en el que se solapan lasturbinas Francis y Pelton. Aunque existen muchas grandes instalacionescon turbinas Turgo, estas son ms populares para pequeas instalacioneshidrulicas en donde el bajo coste es primordial.

La turbina Turgo es una turbina de tipo impulso. El agua no cambia depresin cuando pasa a travs de los labes de la turbina. La energapotencial del agua se convierte en energa cintica en la tobera de entrada o

inyector. El chorro de agua a alta velocidad es dirigido contra los labes dela turbina que lo desvan e invierten el flujo. El impulso resultante hacegirar el rodete de la turbina, comunicando la energa al eje de la turbina.Despus de todo esto el agua sale con muy poca energa. Los rodetes deuna turbina Turgo pueden tener un rendimiento por encima del 90%.

El rodete de una Turgo se parece a un rodete Pelton partido por la mitad.Para la misma potencia, el rodete Turgo tiene la mitad del dimetro que elde un rodete Pelton y dobla la velocidad especfica. El turgo puede manejarun mayor flujo de agua que el pelton debido a que el agua que sale nointerfiere con las paletas adyacentes.

La velocidad especfica de los rodetes Turgo se encuentra situada entre lade las turbinas Francis y Pelton. Se pueden usar una o varias toberas oinyectores. Incrementando el nmero de inyectores se incrementa lavelocidad especfica del rodete en la raz cuadrada del nmero de chorros(cuatro chorros rinden dos veces la velocidad especfica de un chorro parala misma turbina).

3.8 ELECCIN DEL TIPO DE TURBINALa turbina ms adecuada debe ser elegida en funcin de las caractersticastcnicas y econmicas que hagan que un tipo determinado resulte enventaja frente a otros. La velocidad especfica para una turbina dada es unafuncin del caudal que pasa por ella, segn el cual presentar diferentescaractersticas.
http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_potencialhttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_potencialhttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_cin%C3%A9ticahttp://es.wikipedia.org/wiki/Toberahttp://es.wikipedia.org/wiki/Toberahttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_cin%C3%A9ticahttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_potencialhttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_potencial


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Cuando se produce una variacin de carga en la turbina, es decir, cuando semodifica el par resistente que acta sobre la misma, segn se trate de unaumento o disminucin de dicho par, la turbina reducir o aumentar elnmero de revoluciones con que estuviese en funcionamiento antes deproducirse la variacin de carga. Es preciso, por consiguiente, adaptar eltrabajo motor al resistente graduando convenientemente la entrada de agua,para que subiendo o bajando el caudal utilizado se disponga en cadamomento de la potencia requerida y con ello se obtendr salvo ligeravariacin, el nmero de revoluciones de funcionamiento normal de laturbina.

Para la regulacin de las turbinas se utiliza el regulador centrfugo(Fig. 3.36) que recoge las variaciones de velocidad producidas y cuyo

desplazamiento del manguito puede actuar sobre el mecanismo de aperturay cierre de la entrada de agua. En los reguladores que actan por la fuerzacentrfuga, cuanto mayor es el nmero de revoluciones, ms elevada es laposicin del manguito, y por ello este, en su movimiento vertical, arrastra elmecanismo que actuar sobre la regulacin del agua que penetra en laturbina. Cuando a una situacin cada vez ms elevada del manguitocorresponde mayor nmero de revoluciones de la mquina se llamanREGULADORES ESTTICOS.

Los mecanismos de cierre

de las turbinas, exigen laactuacin de esfuerzos muysuperiores a los que puedenobtenerse con un reguladorcentrfugo, y por ello, esteacta sobre un ligeromecanismo de ladistribucin de unservomotor, que se mueve

a su vez por aceite apresin suministrado poruna bomba.

Fig. 3.36 Regulador centrfugo.Para obtener una regulacin estable, es necesario que el efecto delregulador sea tal que reaccione lo ms rpidamente posible al presentarse elefecto perturbador.


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Esto tiene lugar nicamente con el sistema de regulacin esttica, por queel trabajo absorbido o cedido durante la maniobra, tiene el efecto de reducirel desequilibrio de potencia y por ello de reaccionar contra la causaperturbadora.

El conjunto de la instalacin reguladora (Fig. 3.37) est formado por unabomba rotativa que enva aceite a presin a una vlvula distribuidora. Estavlvula es movida por un pndulo centrfugo y, segn sea en ste el nmerode revoluciones, la vlvula se mover en uno u otro sentido, enviando elaceite recibido de la bomba a una u otra cara del mbolo de un servomotorque acta sobre el distribuidor de la turbina abriendo o cerrando la entradade agua. En la figura, la palanca a,b,c tiene un extremo sobre el collar delpndulo y el otro en un punto fijo c. El punto b intermedio por apropiada

articulacin, une la palanca con el vstago de la vlvula distribuidora apalanca a-b-c, tiene el punto de giro c fijo, y al aumentar las revolucionesdel pndulo centrfugo a, tomar aquella una posicin inclinada, la vlvuladistribuidora se desplazar y permitir el ingreso del aceite a presin en laparte izquierda del cilindro del servomotor (y por el movimiento de este elcierre de la turbina) con lo cual las revoluciones disminuirn, volviendo aocupar nuevamente la palanca la posicin a-b-c y la vlvula su posicinmedia, a la que corresponde igual nmero de revoluciones de la mquina, ydespus de haber efectuado el cierre del distribuidor de la turbina a la

proporcin necesaria para equilibrar los trabajos motor y resistente.

Fig. 3.37 Esquema de funcionamiento del regulador de velocidad de una turbina.


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Con tal sistema la regulacin es isodrmica, (la velocidad permanececonstante para cualquier potencia) por que existe una sola posicin de a queasegure la posicin media de la vlvula distribuidora. pero con estadistribucin no es posible obtener una buena regulacin por que la vlvula ,al bajar, sobrepasa su posicin media, es decir, el manguito del tacmetrobaja con ms rapidez de la necesaria cuando tiene lugar el cierre porparalizacin del mbolo del servomotor. Entonces pasa el aceite a la partederecha del cilindro volviendo a abrir la turbina y repitindose el juego deforma que la turbina no alcanza la posicin de equilibrio estable.

En el grfico se muestra tambin las variaciones de potencia ( P) y develocidad ( V) en relacin con el tiempo (abcisas). Se observa en ella, queel paso de uno a otro rgimen se efecta con variaciones de velocidadpersistentes y por ello, el regulador es incapaz de alcanzar de modo estableel nuevo estado de rgimen. Este inconveniente se evita supeditando lasituacin del punto de giro c al movimiento de avance o retroceso delmbolo M. En estas condiciones, el punto de giro c tendr una altura quedepender del grado de apertura de la turbina, y como es natural, sta ya nopodr funcionar al mismo nmero de revoluciones desde vaco a plenacarga, porque, como se comprende, para que la vlvula ocupe su posicinmedia, con lo cual el mbolo queda parado, a diferente altura de ccorresponde tambin diferente altura del collar del pndulo a, y puesto que

este es esttico, su nmero de revoluciones ser diferente y, por tanto,tambin lo ser la velocidad de la turbina.

Fig. 3.38 Esquemas de un regulador con retorno rgido externo (Izquierda) y conretorno rgido interno (Derecha)


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La disposicin empleada con tal objeto es la de la Fig. 3.38. Como seaprecia en la figura la varilla c-d por intermedio de la cua A1 A2 montadaen el vstago del movimiento del servomotor, hace que se desplace el puntode giro c para cada posicin del mbolo del servomotor, y para que b ocupesu posicin normal se comprende que el punto a del collar deber estar msbajo al abrir el distribuidor que al cerrar ste.

La varilla c-d y el mecanismo que acciona, constituyen el dispositivo deretorno, con el cual la regulacin se efecta en perfectas condiciones. Conel sistema de regulacin esttico y con estatismo positivo, las oscilacionesde velocidad van gradualmente amortigundose, aprecindose el mismo enel diagrama del centro. Por efecto del dispositivo de retorno, a la faseinicial (t0 a t1) sigue la fase de sobreregulacin (t1 a t2) que se detiene antesde retornar a la velocidad inicial, por cuanto con un grado de apertura

menor se obtiene velocidad de rgimen mayor y por ello las oscilaciones seamortiguan, tanto ms rpidamente cuanto mayor es el estatismo.Este sistema, que tiene elevada estaticidad, no se presta a las exigencias delos reguladores de corriente alterna, que por la regularidad del servicioexigen una frecuencia invariable, o lo que es lo mismo, una velocidadconstante. Estos reguladores van provistos de rganos estabilizadores de lavelocidad que permiten obtener una elevada estaticidad al comenzar laregulacin que se reduce a cero al terminar la regulacin.

En la prctica se utilizan los reguladores (Fig.3.39) con estabilizacinaceleromtrica (izquierda) y la estabilizacin por medio de freno decatarata (derecha).

Fig. 3.39 Esquemas de un regulador con estabilizacin acelero-taquimtrica(Izquierda) y con estabilizacin por intervencin elstica (Derecha).


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En la figura de la izquierda, se utiliza adems del tacmetro, un aparatosensible a la aceleracin angular cuya accin es concordante con la deltacmetro durante la primera fase de la regulacin (t0 a t1) y es contrariadurante la fase de contraregulacin (t1 a t2). El aparato aceleromtricopuede ser aplicado al punto de giro c de la palanca de maniobra, o tambin,con un solo aparato que comprende asimismo el tacmetro, denominadopndulo acelerotaquimtrico. La accin aceleromtrica es mxima aliniciarse la regulacin, cuando la taquimtrica est prcticamente inactiva,y el afecto antagonista de la misma, es tanto ms enrgico, cuanto mselevada es la variacin de carga; este sistema es muy eficaz para obteneruna rpida estabilizacin.

En el sistema de la derecha, se inserta una varilla del dispositivo de retorno,

un freno-catarata contrastado por un muelle helicoidal; este freno nointerviene durante la fase inicial, por lo cual el punto c est obligado aseguir el movimiento a que da origen el de la cua, venciendo de este modola accin antagonista del muelle. Seguidamente el aceite de la cataratatrasvasa a travs de la llave r que presenta una resistencia y que puedegraduarse, y el mbolo del freno de catarata se mueve hasta el momento enque el muelle antagonista recobra su posicin de equilibrio, es decir,cuando el punto c alcanza nuevamente su posicin inicial correspondiente ala velocidad de rgimen. La accin de este dispositivo de retorno, flexible,

es constantemente reactiva, esto es, en sentido contrario de la taquimtrica,y depende del tipo de maniobra que tenga lugar. En el diagrama del centrose observa que las variaciones de velocidad en forma de oscilaciones, coneste sistema son fuertemente amortiguadas.

3.10 REGULADOR DE TURBINAS FRANCIS.- La Fig. 3.40 representaun corte del regulador donde aparecen numerados los elementos que locomponen:

Est formado por un carter 1 que contiene aceite y sobre el cual se halla labomba 2 movida desde el eje de la turbina por la polea 3. La bomba envael aceite a presin a la vlvula de distribucin 4, que por apropiadosconductos, establece la comunicacin con los dos cilindros 5 y 6 delservomotor. Dentro de estos cilindros se mueven los mbolos 7, que actansobre el rbol de regulacin 8, por medio de una manivela 9. La vlvula dedistribucin 4 se desplaza en el sentido del cierre de la turbina obligada porun muelle 10, y en el sentido de la apertura por un servomotor a presin de


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aceite 11, alimentado por una pequea bomba 12, arrastrada por el rbolvertical del taqumetro 13. Este rbol es a su vez accionado por el engranaje14 y la polea 15 que recibe por correa el movimiento, desde el rbol de laturbina. El esfuerzo del muelle 10, viene en parte compensado por elcontrapeso 40.

Fig. 3.40 Regulador automtico de velocidad de una turbina Francis

En la vlvula de distribucin se encuentran insertas dos vlvulas deseguridad 16 y 17; la ms grande 16, comunica con la cmara central, lacual recibe directamente el aceite de la bomba 2; la otra 17, comunica conel conducto de aceite a presin de la pequea bomba 12. Estas dos vlvulas

de seguridad pueden abrirse por las manivelas 18 y 19 respectivamente, yen este caso, las bombas, grande y pequea no pueden generar presin.

Las oscilaciones pendulares de continuo cierre y apertura de la turbina seevitan por medio del freno de aceite catarata 20, cuyo cilindro esta unido auna biela 42, a la palanca fijada sobre el rbol de regulacin 8. El mbolode dicho freno se encuentra a su vez articulado en la palanca 21 del pnduloy por intermedio de un muelle; el paso del aceite a travs del mbolo del


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manera puede salir el aceite de la cmara 108 (del mbolo de la aguja) y atravs de la vlvula de distribucin 24, evacundose aquel por el conducto109 que enlaza con la vlvula 24. El resorte impele a la aguja hacia laposicin de cierre y con ello disminuye la potencia generada por la turbina.

Con el movimiento de la aguja 5, se desplaza la palanca de retorno 21, ygira la rueda de levas 27, por el punto 107. De este modo la vlvula dedistribucin 24 vuelve a su posicin media e interrumpe la entrada de aceiteen la cmara 108.

El resorte 105 que evita la deformacin del varillaje es presionado cuandola vlvula de distribucin 24 llega a su posicin final, y el vstago 104 seacorta si la palanca 105 sigue su movimiento giratorio.

3.12 REGULADORES PARA TURBINAS KAPLANLa regulacin de estas turbinas exige que las palas del rodete puedanmoverse para recibir la inclinacin conveniente para tal objeto. Por otraparte, tambin es necesario, como en las turbinas Francis, abrir o cerrar eldistribuidor para aumentar o disminuir el caudal que pasa por el rodete ycede a la turbina su energa potencial. El regulador deber actuar porconsiguiente sobre las palas del distribuidor y sobre los labes del rodete.

El movimiento del distribuidor (Fig.3.42) se realiza por medio de los ejesde regulacin 230 y 230 y por la barra 250, que mueven el anillo y con llas palas distribuidoras. Estos ejes y barras son movidos por el servomotordel regulador. Por lo que respecta al movimiento de los labes del rodete, elaceite es enviado por la distribucin del regulador, mediante apropiadastuberas, a una caperuza dispuesta en la parte superior del eje vertical quees hueco, y en el cual se hallan dos cmaras 441 y 442, la primera del ladode apertura y la segunda del lado de cierre. En el propio rbol citado ydebajo del alternador se halla situado el servomotor para movimiento de las

palas del rodete y cuyo mecanismo de giro de los labes se acciona por labarra 46. Los nmeros 421 y 422 representan respectivamente los cilindrosde apertura y de cierre.

Se trata pues de una regulacin doble y con ella se logra el objetoperseguido.


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3.13 REGULADORES ELCTRICOS PARA LAS TURBINASEn reguladores de turbinas, los grandes caudales necesarios alfuncionamiento de stas llevan consigo ciertas dificultades en susrespectivos reguladores, ya que los rganos de estabilizacin deben cumplircondiciones especiales. Por otra parte, la regulacin frecuencia-potencia,cuya importancia va aumentando a medida que se desarrolla lainterconexin de centrales, tiene para los reguladores nuevas exigencias.

Fig. 3.43 Reguladores elctricos para turbinas.

En la actualidad se emplean los pndulos movidos por medio de un motorsncrono, que es alimentado por un alternador especial. El conjunto motoralternador forma como un rbol elctrico; por ello el pndulo accionado

elctricamente es en realidad un frecuencmetro y de aqu naci la idea demedir directamente la frecuencia por medios puramente elctricos.

La casa Brown-Boveri ha construido (Fig. 3.43) recientemente unregulador elctrico para turbinas, que puede ser utilizado lo mismo comoregulador de estatismo transitorio que como regulador acelero-taquimtrico. Lo que se sustituye pues, es el pndulo, permaneciendo igualel resto del regulador mecnico. Se evita con ello la transmisin elctrica o


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mecnica, y se cumplen todas las exigencias que precisa la instalacin decentrales.

Los reguladores elctricos se hallan dotados de gran sensibilidad ypermiten el funcionamiento en paralelo de varias mquinas con estatismoreducido. Funcionan correctamente con la regulacin frecuencia potencia.No se gastan ni envejecen elementos importantes y trabajan con todaseguridad.

El regulador elctrico de estatismo transitorio est representadoesquemticamente en la figura 3.43 (izquierda) en ella son: 1 turbina, 2alternador, 3 alternador piloto, 4 armario para el aparellaje, 5a bobinamvil, 5b amplificador hidrulico, 6 vlvula de distribucin piloto, 7servomotor, 8 vlvula de distribucin de mando, 9 servomotor principal, 10

vlvula de cierre para el paso del agua al rodete, 11 dispositivo de ajuste dela frecuencia, 12 dispositivo de ajuste de la carga, 13 varimetro para elcircuito proporcional, 14 varimetro para el estatismo, 15 varimetro parael estatismo transitorio, y 16 condensador diferenciador.

En este regulador elctrico la velocidad viene representada por unamagnitud proporcional a la frecuencia del alternador piloto y medida en uncircuito sensible a la potencia. Despus de la amplificacin la magnitudmedida alimenta un arrollamiento de la bobina mvil 5a, del regulador, la

cual acciona el dispositivo piloto del amplificador hidrulico 5b, que actaa su vez sobre la vlvula piloto 6. En lugar del retorno mecnico transitorio,de los reguladores ordinarios, existe un varimetro 15, colocado a la salidadel servomotor 7. Este varimetro suministra una tensin proporcional a laposicin que ocupa. Desde que el servomotor 7 se mueve, aparece en elcircuito del condensador una corriente transitoria que se anula y crea porello un retorno transitorio.

Para el dispositivo de retorno permanente, existe igualmente un varimetro

14, sobre el servomotor principal. La tensin de salida en este varimetrose compara con la tensin suministrada por el varimetro 12, que sirve parael ajuste de la carga. La diferencia de estas dos tensiones viene aplicada aotro arrollamiento de la bobina mvil.

La figura 3.43 (derecha) muestra esquemticamente la estructura delregulador acelero taquimtrico y en ella los nmeros de los diversoselementos, tienen la misma significacin que los de la figura 44. Por no


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emplearse para la medida de la aceleracin ningn dispositivo mecnico, laaccin aceleromtrica se puede manifestar de modo irreprochable, aun paralentas variaciones de frecuencia. Una limitacin de esta accin como parael retorno transitorio, no es necesaria en este caso. Para la estabilizacin, lafrecuencia del alternador piloto puede diferenciarse, antes que se transmitaal arrollamiento del amplificador situado en el armario de aparellaje 4.

En la actualidad se han desarrollado reguladores electrnicos que; bajo losmismos principios expuestos anteriormente efectan las labores deregulacin con bastante eficiencia.

3.14 CAVITACIN4Durante el periodo experimental de las turbinas Hlice y Kaplan seencontr que al aumentar la velocidad especfica de la turbina se producan

fenmenos en un principio inexplicables que se hacan patentes, aun en elcaso de turbinas de menor velocidad especfica, pero a las cuales se hacatrabajar con grandes cargas y considerable altura de aspiracin.

La forma como se manifestaban tales fenmenos consista en una reduccinde la potencia y, por tanto, de la eficiencia de la turbina, as como envibraciones y fuertes ruidos provocados por golpes en el interior del tubo.

Despus de muchas dificultades y experiencias infructuosas se encontr

que todo era debido a la formacin de hoyos o cavidades que tenan lugarsobre la cara inferior de los labes o aspas del rodete mvil. Dichascavidades dieron origen al nombre con el cual se conoce el fenmeno antesdicho, llamado fenmeno de cavitacin; la formacin de cavidades en elseno del lquido, definidas por burbujas de vapor dentro de la masa lquiday producidas por una vaporizacin local a causa de ciertas condicionesdinmicas, como la alta velocidad especfica y consecuentemente lareduccin de la presin local hasta el valor de la tensin del vapor a latemperatura actual del lquido, se producen en general, en todo punto en el

que se produzca una aceleracin local suficiente para reducir la presin alvalor de vaporizacin.

La cavitacin disminuye el rendimiento hidrulico, pero el efecto masgrave es la erosin de los labes, que se acenta ms y ms una vez

4 VIEJO Z.ALONSO R. Energa Hidroelctrica 1997 Limusa Mxico. Pag 282


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iniciada, obligando a revisiones peridicas de la mquina y reparacin de laparte afectada.

Una burbuja de vapor formada por una reduccin local de la presin,eventualmente se destruye cuando es arrastrada a una zona de ms altapresin y este colapso instantneo de la burbuja produce una onda depresin que se transmite a travs del lquido, alcanzando la superficie delmaterial del labe. Ntese adems, que la mayor velocidad relativa se tieneprecisamente en la proximidad de los contornos. Asociada con la altapresin de impacto se tiene una temperatura local elevada, la combinacinde las cuales puede ser suficiente para deteriorar el material. La accinqumica se ha querido sealar como causa del ataque metlico, pero aunquepuede ser un factor que contribuye a la erosin del labe, se ha observadoque los efectos de cavitacin se presentan en materiales neutros como

plomo y vidrio.

La cavitacin es esencialmente un proceso inestable, ya que la onda depresin debida al colapso de la burbuja eleva momentneamente el nivel dela presin local, con lo que la cavitacin cesa. El ciclo se repite y lafrecuencia puede ser muy alta (hasta por encima de 25000 ciclos porsegundo). Se entiende que bajo tales condiciones de fluctuacin, el lquidoes sacudido y empujado hacia los poros del metal, produciendocompresiones locales que sobrepasan la resistencia del material y daan las

reas afectadas.

Fig. 3.44Regulador de

Watt(Choquetanga)

turbinas_hidráulicas_cap3 mataix

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