RUEDA PELTON
PRESENTADO POR:
Diana Carolina Jiménez Casallas
Cod_201321002602
DOCENTE:
Ing. Carlos Mendoza
FUNDACIÓN UNIVERSITARIA LOS
LIBERTADORES
FACULTAD DE
TURBO MAQUINAS
BOGOTA D.C. 05 de Mayo de 2015
INTRODUCCIÓN
En el campo de la ingeniería mecánica es
importante conocer el funcionamiento y las aplicaciones de una turbina, sus utilidades
y los sectores industriales en los que más se utilizan de acuerdo a su clasificación
y necesidad, siendo esta uno de los tipos más eficientes de turbina Hidráulica,
analizaremos todos sus componentes en cuanto a la producción de los distintos
sectores en la actualidad.
En la siguiente práctica de
laboratorio vamos a determinar y analizar las curvas características de una
rueda Pelton por medio de las gráficas resultantes a raíz de datos obtenidos
durante el procedimiento realizado.
Destacamos que el ensayo se realizó en
el laboratorio de hidráulica de la facultad de ingeniería, utilizando un equipo
de aprendizaje de turbina Pelton, el cual contiene una bomba.
El presente informe realiza una
descripción de los equipos y materiales utilizados incluyendo la turbina,
cuenta también con un procedimiento detallado ejercido durante el laboratorio. Y
finalmente establece las conclusiones a las que se llegó después de realizar la totalidad del procedimiento y visualizar los resultados obtenidos.
OBJETIVOS
- Analizar y evaluar las curvas resultantes de acuerdo a los datos tomados en la práctica.
- Determinar los valores de los diferentes potenciales presentados según las distintas fuerzas aplicadas de 2, 4 , 6 Newtons.
- Aprender el funcionamiento de una rueda pelton mediante el equipo que nos brinda la universidad en el laboratorio de hidráulica.
MARCO TEORICO
La turbina hidráulica es una
turbomaquina motora, y por tanto esencialmente es una bomba rotodinamica que
trabaja a la inversa.
Así como una bomba absorbe energía
mecánica y restituye energía al fluido, una turbina absorbe energía energía del
fluido y restituye energía mecánica. Teóricamente suministrando energía
hidráulica a la máquina, e invirtiendo el flujo, una bomba podría trabajar como
turbina. Prácticamente el rendimiento sería muy bajo, y a veces nulo,
exceptuando las maquinas especialmente diseñadas para trabajar como bomba y
como turbina, como es el caso de la maquina doble bomba-turbina de las
centrales de bombeo.
ELEMENTOS
CONSTITUTIVOS
Los elementos constitutivos de una turbina
son análogos a los de una bomba; pero dispuestos en orden inverso, como se
observa en la figura 1.
Figura 1.
-Canal de llegada (Lamina libre) o
tubería forzada (flujo a presión N °1) Detrás de la válvula está la entrada en
la tubería (sección E).
-Caja Espiral (N° 2) Transforma
presión en velocidad; en una bomba velocidad en presión.
-Distribuidor. Corresponde a la corona
directriz en una bomba; pero en una turbina transforma presión en velocidad y
actúa como tobera; en una bomba, por el contrario actúa como difusor.
-Rodete. A las bombas centrifugas con
flujo en el rodete hacia el exterior corresponde el tipo de turbinas
centrípetas, con flujo en el rodete hacia el interior.
-Tubo de aspiración (N°3) corresponde
a la tubería de aspiración de una bomba.
CLASIFICACIÓN DE LAS TURBINAS
Clasificación
según el grado de Reacción
Las turbinas hidráulicas, según el
grado de reacción, se clasifican en dos grupos: turbinas de acción y turbinas de reacción.
El grado de reacción de una bomba de
define así:
Análogamente,
el grado de reacción de una turbina se define así:
-Las
turbinas de acción son de admisión parcial.
-Las
turbinas de reacción son de admisión total.
En la figura 2 (a) es un esquema
relacionado con una turbina de acción, y en (b) es un esquema relacionado con
una turbina de reacción.
En ambos esquemas se emplean los
subíndices siguientes, que se refieren a las secciones características de la
turbina:
E_ Entrada de la Turbina
0_ Entrada del distribuidor
1_ Entrada del rodete
2_ Salida del rodete
S_ Salida de la turbina
Figura 2
TIPOS DE
TURBINAS ACTUALES
Antes de 1900 las turbinas hidráulicas
más empleadas fueron las de Fourneyron, Jonval y Fontaine. Su rendimiento era
bajo, sobre todo a cargas reducidas y su velocidad pequeña.
A comienzo de siglo se emplearon mucho
e Europa las turbinas Girard y la centrípeta de acción.
TURBINAS DE ACCIÓN: TURBINA PELTON
Figura 3. Turbina Pelton doble de dos
rodetes montados en el mismo eje.
Una instalación típica de turbinas Pelton
consta de los siguientes elementos: (Los números están reflejados en la figura 3.
1.
Codo
de entrada
2.
Inyector
3.
Tobera
4.
Válvula
de aguja
5.
Servomotor
6.
Regulador
7.
Mando
del deflector
8.
Deflector
o pantalla deflectora
9.
Chorro
10. Rodete
11. Alabes o cucharas
12. Freno de la turbina por
chorro de agua
13. Blindaje
14. Destructor de energía
Figura 4. (a) Rodete Pelton Rapido_ se
adapta a caudales relativamente grandes; y a alturas de salto relativamente
pequeñas. (b) rodete Pelton Lento se adapta a caudales muy pequenos y a alturas
de salto elevadas.
La Turbina Pelton tiene la
peculiaridad de aprovechar solamente la energía cinética del fluido, pues no
existe gradiente de presión entre la entrada y la salida de la máquina.
La energía cinética del agua, en forma
de chorro libre, se genera en una tobera colocada al final de la tubería a
presión. La tobera está provista de una aguja de cierre para regular el gasto,
constituyendo el conjunto el órgano de alimentación y de regulación de la
turbina.
Las turbinas Pelton aumentan la
velocidad del fluido mediante esta tobera, produciendo un chorro de agua
dirigido a gran velocidad hacia las paletas. Debido a la forma de éstas, el
chorro gira en casi 180º, con lo cual se produce un cambio de momentum que se
traspasa al eje.
Una turbina Pelton es uno de los tipos
más eficientes de turbina hidráulica. Es una turbomáquina motora, de flujo
radial, admisión parcial y de acción. Consiste en una rueda (rodete o rotor)
dotada de cucharas en su periferia, las cuales están especialmente realizadas
para convertir la energía de un chorro de agua que incide sobre las cucharas.
Las turbinas Pelton están diseñadas
para explotar grandes saltos hidráulicos de bajo caudal. Las centrales
hidroeléctricas dotadas de este tipo de turbina cuentan, la mayoría de las
veces, con una larga tubería llamada galería de presión para trasportar al
fluido desde grandes alturas, a veces de hasta más de doscientos metros. Al
final de la galería de presión se suministra el agua a la turbina por medio de
una o varias válvulas de aguja, también llamadas inyectores, los cuales tienen
forma de tobera para aumentar la velocidad del flujo que incide sobre las
cucharas.
Figura 5. Turbina Pelton de eje
vertical de 4 chorros de 7.350 Kw para un salto neto de 394m. construida por la
casa Escher Wyss
FUNCIONAMIENTO
La tobera o inyector lanza
directamente el chorro de agua contra la serie de paletas en forma de cuchara
montadas alrededor del borde de una rueda, el doble de la distancia entre el
eje de la rueda y el centro del chorro de agua se denomina diámetro Pelton.
El
agua acciona sobre las cucharas intercambiando energía con la rueda en virtud
de su cambio de cantidad de movimiento, que es casi de 180°. Obsérvese en la
figura anexa un corte de una pala en el diámetro Pelton; el chorro de agua
impacta sobre la pala en el medio, es dividido en dos, los cuales salen de la
pala en sentido casi opuesto al que entraron, pero jamás puede salir el chorro
de agua en dirección de 180° ya que si fuese así el chorro golpearía a la pala
sucesiva y habría un efecto frenante.
La sección de entrada del fluido a la
cuchara se denomina 1, así como 2 a la sección de salida.
El estudio analítico de la interacción
agua-pala puede ser sumamente complicado debido al desplazamiento relativo
entre la pala y el chorro de agua. Por otro lado se simplifica el estudio de
las turbinas Pelton a la sección cilíndrica del diámetro Faubert.
Así la energía convertida por unidad
de masa de agua está dada por la ley de Euler de las turbo máquinas:
Dónde:
L es la energía específica convertida.
u1 y
u2 es la velocidad tangencial de la cuchara en los puntos donde el agua
llega y sale de la misma respectivamente.
C {u1} y c {u2} son, respectivamente,
las proyecciones de la velocidad absoluta del fluido sobre la velocidad
tangencial de la cuchara en los puntos de llegada y salida de la misma.
Como la velocidad tangencial de
rotación de la rueda Pelton es la misma en todos los puntos del diámetro pelton
(recuérdese la fórmula de la velocidad angular u=\omega r) las velocidades u1 y
u2 son iguales.
Entonces la fórmula de Euler se puede simplificar:
La turbina Pelton es un tipo de
turbina de impulso, y es la más eficiente en aplicaciones donde se cuenta con un
salto de agua de gran altura.
Dado que el agua no es un fluido
compresible, casi toda la energía disponible se extrae en la primera etapa de
la turbina. Por lo tanto, la turbina Pelton tiene una sola rueda, al contrario
que las turbinas que operan con fluidos compresibles.
APLICACIONES
Existen turbinas Pelton de muy
diversos tamaños. Hay turbinas de varias toneladas montadas en vertical sobre
cojinetes hidráulicos en las centrales hidroeléctricas. Las turbinas Pelton más
pequeñas, solo de unos pocos centímetros, se usan en equipamientos domésticos.
En general, a medida que la altura de
la caída de agua aumenta, se necesita menor caudal de agua para generar la
misma potencia. La energía es la fuerza por la distancia, y, por lo tanto, una
presión más alta puede generar la misma fuerza con menor caudal.
Cada instalación tiene, por lo tanto,
su propia combinación de presión, velocidad y volumen de funcionamiento más
eficiente. Usualmente, las pequeñas instalaciones usan paletas estandarizadas y
adaptan la turbina a una de las familias de generadores y ruedas, adecuando
para ello las canalizaciones. Las pequeñas turbinas se pueden ajustar algo
variando el número de toberas y paletas por rueda, y escogiendo diferentes
diámetros por rueda. Las grandes instalaciones de encargo diseñan el par torsor
y volumen de la turbina para hacer girar un generador estándar.
También se pueden usar las turbinas de
acción, tipo Pelton en Micro Centrales, cuando existen pequeñas caídas de agua
siendo mínimo 1.5 m-. En este caso se pueden usar turbinas de acción de 1: 2;
3; 4; y 5 ruedas tipo PELTON montadas en un eje horizontal con diferentes
diámetros de las cañerías de entrada, diferentes medidas de las cucharas e
inyectores.
Existen 7 modelos de cucharas y los inyectores tienen para cada caso un diámetro diferente.
DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA
ELEMENTOS
E INSTRUMENTOS UTILIZADOS
- Bomba centrifuga
- Manómetro
- Tobera
- Tanque
- Dinamómetro
- Rueda pelton
- Cronometro
- Agua
Para el desarrollo gradual de la
práctica se tuvieron en cuenta los siguientes pasos:
Se
enciende la bomba que simula una altura de caída del agua.
Se
gradúa el Dinàmometro de acuerdo a los Newtons a evaluar, conectado a la polea de la turbina,
simulando la carga que tendría que hacer girar la rueda Pelton.
Procedemos
a la toma de datos en el momento en que inicia el funcionamiento de la Rueda
Pelton.
Se
toma la presión de salida de chorro de agua por medio del manómetro instalado
en la tobera.
Se
toma la lectura del dinamómetro (F1 y F2) en cada Fuerza graduada
Se
cuentan el número de vueltas realizadas por la polea durante un periodo de 20
segundos para así multiplicarlo y determinar las RPM de la polea
Estos
anteriores datos se toman cada vez que se aumenta el área de salida de agua en
la tobera. Cada media vuelta una lista de datos.
Por
último se realiza una tabla de datos que contiene:
¨
Numero
de vueltas de la tobera
¨
Fuerza
1 y 2 en Newtons
¨
RPM
¨
Presión
de salida en PSI
Todo el procedimiento realizado
determina las curvas resultantes características de la rueda Pelton, estos
datos experimentales nos acercan más, a conocer las aplicaciones en las cuales
entra este tipo de Turbinas y de manera convencional cuáles son sus ventajas en
los diferentes campos de acción.
DATOS
OBTENIDOS EN LA PRÁCTICA
Tabla # 1 de registro de datos para 2
Newtons
Radio =0.025
Caudal =30
Gráficas
Tabla # 2 de registro de datos para
2,5 Newtons
Radio =0.025
Caudal =30
Gráficas
Tabla # 3 de registro de datos para 3
Newtons
Radio =0.025
Caudal =30
Gráficas
Tabla # 4 de registro de datos para 4
Newtons
Radio =0.025
Caudal =30
Gráficas
Tabla # 5 de registro de datos para 6
Newtons
Radio =0.025
Caudal =30
Gráficas
CONCLUSIONES
- Las gráficas evidencian de manera clara las resultantes en la toma de datos, lo cual permitió un análisis más detallado de la práctica. Estas curvas nos indican en que forma está trabajando la turbina bajo diferentes revoluciones.
- Como se puede ver en la gráfica el Torque es inversamente proporcional a las revoluciones, esto debido a que cuanto más peso se colocaban en el dinamómetro la fuerza de fricción era mayor, esta fricción conlleva a frenar la polea que va unida a la turbina.
- Se conoció más detalladamente según investigaciones la funcionalidad de la rueda Pelton y donde es mayormente aprovechada su utilidad para generar mayores fuentes de energía.
- Se pudieron evidenciar las gráficas características de la rueda Pelton
BIBLIOGRAFIA
- Mecánica de Fluidos y Maquinas Hidráulicas_ Segunda Edición, Claudio Mataix
