RUEDA PELTON

PRESENTADO POR:

Diana Carolina Jiménez Casallas

Cod_201321002602

DOCENTE: Ing. Carlos Mendoza

FUNDACIÓN UNIVERSITARIA LOS LIBERTADORES

FACULTAD DE INGENIERÍA

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 HIDRÁULICAS

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