Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Mecánica

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1 Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Mecánica Docente : Luis Julca Verastegui Curso : Maquina Hidraulicas Ciclo : VI Trujillo Perú MAQUINAS HIDRAULICAS Página 1

2 DISEÑO Y CALCULO DE TURBINA PELTON RESUMEN Las turbinas hidráulicas no pueden fabricarse en serie. Cada salto (H, Q) requiere un diseño concreto. La velocidad especifica salto es el parámetro clave para fijar en primer lugar el tipo de turbina y en segundo lugar la forma y el dimensionamiento correspondientes. MAQUINAS HIDRAULICAS Página 2

3 Los datos que necesitamos para el diseño son la potencia eléctrica, el caudal, la velocidad de rotación el rendimiento total estimado y la temperatura del agua para poder definir otros parámetros. En el siguiente informe se han realizado cálculos siguiendo un algoritmo determinado de formulas para poder determinar una serie de parámetros en el análisis y diseño de turbinas Pelton, también se ha logrado hacer el desarrollo de los planos de la turbina pelton, para ello se ha utilizado el programa solidworks. Se determino parámetros como la potencia real en el eje, la potencia eléctrica real, el numero de cucharas, el numero de chorros, el diámetro del chorro, el diámetro del rodete, la altura disponible del sistema, la longitud de arco entre cuchara y cuchara, el numero de inyectores, las velocidades de entrada en los inyectores, las dimensiones de la cuchara (diámetro de punta y diámetro exterior) y cálculos internos en la cuchara. INTRODUCCIÓN MAQUINAS HIDRAULICAS Página 3

4 En la actualidad es imposible imaginar la vida sin energía eléctrica, 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 HIDROELÉCTRICAS, éstas son plantas encargadas de convertir la energía del agua en energía eléctrica, pero mas específicamente, la TURBINA es la encargada de transformar esa energía hidráulica en energía mecánica, para posteriormente convertirla en energía eléctrica con un generador. Como decía La turbina es el alma de una central hidroeléctrica y dependiendo de la turbina que se use es la cantidad de electricidad que se produzca. En este capítulo hablaremos de las turbinas de impulso, y específicamente de la turbina PELTON. El presente proyecto trata de los cálculos que se deben seguir para poder fabricar una turbina Pelton, se dieron a conocer por el profesor las siguientes características para su elaboración mediante el cálculo. POTENCIA ELÉCTRICA : Kw CAUDAL : 2.5 VELOCIDAD DE ROTACIÓN : 1000 rpm RENDIMIENTO TOTAL ESTIMADO : 0.85 TEMPERATURA DEL AGUA : 20 C Consideramos que la información contenida en este proyecto será de mucha ayuda para diferentes estudios realizados en clases para el desarrollo de turbinas Pelton. MAQUINAS HIDRAULICAS Página 4

5 CAPITULO I GENERALIDADES MAQUINAS HIDRAULICAS Página 5

6 1.1. OBJETIVOS. Desarrollar cálculos para la turbina Pelton buscando así básicamente poner en práctica los conocimientos adquiridos mediante el desarrollo del curso. Elaborar el diseño de la turbina pelton, utilizando los parámetros obtenidos en el cálculo, para ello se ha utilizado el programa de diseño soliworks 1.2. IMPORTANCIA. La importancia de este proyecto se basa en que a través de este se pueden dar a conocer las diferentes dimensiones de una turbina pelton, en la cual nos servirán para el desarrollo de los planos en cualquier software CAD, para este desarrollo se ha utilizado un algoritmo deducido a partir de formulas establecidas en el desarrollo del curso. Es importante por que nos permite conocer más a fondo en forma práctica- teórica un análisis real de una turbina muy usada en la ingeniería de fluidos, como es la turbina pelton. MAQUINAS HIDRAULICAS Página 6

7 1.3. REQUISITOS DEL DISEÑO. Par a la elaboración del diseño se nos brindaron los siguientes datos. POTENCIA ELÉCTRICA (KW) CAUDAL SUMINISTRADO (m3/s) VELOCIDAD DE ROTACIÓN (rpm) RENDIMIENTO TOTAL ESTIMADO TEMPERATURA AGUA C ANTECEDENTES. En lo que concierne en el análisis de este tipo de turbinas se puede encontrar una amplia información, como proyectos realizados en centrales hidroeléctricas, informes monografías, tesis que han realizado diferentes grupos de estudiantes e ingenieros en varias universidades u empresas especializadas en este rubro. Pero lo que nos llamo más la atención en la búsqueda de antecedentes o información acerca de este tema fue una tesis presentada por la UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN MARCOS aplicada a una turbina pelton que se encontraba en actividad ubicada en la central hidroeléctrica de Huayanga localizada en Cajabamba en el departamento de Cajamarca a 3082 msnm, donde su informe está dirigido principalmente a los controles de calidad que se deben efectuar durante los diferentes procesos en la fabricación de un rodete pelton de una sola pieza, la cual fue la solución para poda poder erradicar el problema de las erosiones en la parte posteior del filo de ataque. MAQUINAS HIDRAULICAS Página 7

8 CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIENTO. TURBINA PELTON. FUNCIONAMIENTO Las turbinas Pelton son turbinas de chorro libre que se acomodan a la utilización de saltos de agua con mucho desnivel y caudales relativamente pequeños, con márgenes de empleo entre 60 y 1500 metros, consiguiéndose rendimientos máximos del orden del 90%. CAZOLETAS En una rueda Pelton la dirección del chorro no es ni axial ni radial, sino tangencial; el elemento constructivo más 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 ángulo de 180º, contrarrestándose así los empujes axiales por cambio de dirección 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 órgano regulador del caudal del chorro; consta de una válvula de aguja cuya carrera determina el grado de apertura del mismo; para poder asegurar el cierre, el diámetro máximo de la aguja tiene que ser superior al de salida del chorro cuyo diámetro d se mide en la sección contraída, situada aguas abajo de la salida del inyector y en donde se puede considerar que la presión exterior es igual a la atmosférica. El chorro está constituido por un núcleo central convergente de agua y una sección anular creciente que contiene una emulsión de agua y aire. Con el fin de asegurar una buena regulación, conviene diseñar 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 éste, a su vez, a la sección de paso normal al flujo. MAQUINAS HIDRAULICAS Página 8

9 La variación del caudal del chorro para regular la potencia se consigue mediante una aguja de forma especial, con cuyo accionamiento se puede estrangular la sección de salida de la boquilla; su regulación puede ser manual o automática mediante un servomotor. Tiene además otro sistema de regulación por desviación del chorro, que consiste en una superficie metálica llamada deflector, que se introduce en medio del chorro, dividiéndolo y desviando una parte del mismo, de forma que en vez de dirigirse contra las cazoletas, sale lateralmente sin producir ningún efecto útil. De esta forma se evitan sobrepresiones en la tubería, por cuanto el caudal que circula por ésta 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 diámetro se denomina diámetro Pelton, cayendo el agua a la salida de las cucharas al fondo de la turbina, sin interferir el giro de la rueda. Cuando el número de inyectores es dos, la turbina puede ser también de eje horizontal, disponiéndose los chorros según dos tangentes inferiores a la circunferencia Pelton, inclinadas un mismo 30º, saliendo el agua de las cucharas sin interferir a la rueda. Para un número superior de inyectores, la rueda Pelton es de eje vertical ya que de ser horizontal, sería imposible evitar que el agua cayera sobre la rueda a la salida de las cucharas. Un chorro bien diseñado no debe tener un diámetro d superior a 27 cm, por lo que para establecer el número de inyectores hay que partir de la condición de que su diámetro no sea superior a este límite, teniendo en cuenta a su vez, el límite superior impuesto por la velocidad específica por chorro, en función del salto. El hecho de sustituir un número de inyectores de unas dimensiones determinadas, por un mayor número de inyectores de dimensiones más pequeñas, permite construir turbinas de mayor diámetro, girando a una velocidad mayor; sin embargo no se deben sobrepasar ciertos límites impuestos por la necesidad de evacuar el agua convenientemente, así como la fatiga del material de las cucharas sometidas a esfuerzos repetidos, tanto más frecuentes cuanto mayor sea el número de chorros. MAQUINAS HIDRAULICAS Página 9

10 REGULACIÓN 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 posición del inyector tiene que ajustarse mediante un regulador que actúa según la velocidad de la turbina y en el caso más general, en forma automática. Si se supone que la turbina se ha acelerado, el regulador 7 levantará la válvula 1 y el aceite a presión entrará en el cilindro grande haciendo bajar el émbolo 8, con lo que la palanca 2 bajará y el deflector 6 cortará al chorro desviando una parte del mismo. MAQUINAS HIDRAULICAS Página 10

11 ESQUEMAS. Fig.01 Inyector MAQUINAS HIDRAULICAS Página 11

12 CAPITULO II METODOLOGIA Y PROCEDIMIENTO DE CALCULO MAQUINAS HIDRAULICAS Página 12

13 2.1. ALGORITMO DE CÁLCULO RENDIMIENTO MECANICO: RENDIMIENTO GENERADO ELECTRICO O ALTERNADOR ELECTRICO: POTENCIA IDEAL: ( * ( * MAQUINAS HIDRAULICAS Página 13

14 NUMERO ESPECÍFICO IDEAL: ( ) NUMERO DE CHORROS: ( * Se toma como recomendación: Coeficiente de la velocidad absoluta = Coeficiente de velocidad de arrastre = DESPEJANDO Z: ( ) ( * AHORA DETERMINAREMOS LA FRICCIÓN REAL PARA LA TURBINA: MAQUINAS HIDRAULICAS Página 14

15 DIAMETRO DEL CHORRO: * ( ) + ( * ( ( * ) [ ] DIAMETRO DEL RODETE: REEMPLAZANDO EN (A) DIAMETRO EXTERIOR: MAQUINAS HIDRAULICAS Página 15

16 DIAMETRO INTERIOR: LONGITUD DE ARCO ENTRE CUCHARA Y CUCHARA: d MAQUINAS HIDRAULICAS Página 16

17 ( * ( * ( * ARCO LONGITUD O SEGMENTO : ( * ( * ( * ( * ARCO MAQUINAS HIDRAULICAS Página 17

18 LONGITUD DE ARCO : POR LO TANTO: NUMERO DE CUCHARAS ( ( *) ( ( *+ POR LO TANTO: RECALCULANDO MAQUINAS HIDRAULICAS Página 18

19 ANALISIS DE VELOCIDADES: ( * ( * ( * MAQUINAS HIDRAULICAS Página 19

20 ANGULO SE SALIDA: COEFICIENTE DE VELOCIDAD RELATIVA: ALTURA DE EULER: ( * ( * RENDIMIENTO HIDRAULICO: RENDIMIENTO TOTAL REAL: ( * MAQUINAS HIDRAULICAS Página 20

21 POTENCIA REAL EN EL EJE: POTENCIA ELECTRICA REAL: ( * 3. DIMENSIONES DE LA TURBINA PELTON o DIMENSIONES DEL INYECTOR Y CARCAZA I =NUMERO DE INYECTORES: 3.1. NUMERO ESPECIFICO IDELA POR CADA INYECTOR: MAQUINAS HIDRAULICAS Página 21

22 3.2. CALCULO DEL DIAMETRO: ( ) ( ) ( ) ALTURA: ( * ( ( *, 3.3. DISTANCIA * + * + MAQUINAS HIDRAULICAS Página 22

23 3.4. DISTANCIA * + * DIAMETRO ( ) ( ) 3.6. DIMENSIONES MAQUINAS HIDRAULICAS Página 23

24 4. ANALISIS DE LA VELOCIDAD DE ENTRADA A LOS INYECTORES 5. ANALISIS DEL AREA DE ENTRADA A LOS INYECTORES MAQUINAS HIDRAULICAS Página 24

25 6. AGUJA c d1 da 2β 2α db d L 7. DIMENSIONES DE LA CUCHARA 7.1. DIAMETRO DE LA PUNTA: [ ( * ] [ ( * ] MAQUINAS HIDRAULICAS Página 25

26 7.2. DIAMETRO EXTERIOR: 7.3. CALCULOS INTERNOS EN LA CUCHARA: 8. ANGULOS DE CORTE CORTE I: MAQUINAS HIDRAULICAS Página 26

27 CORTE II: CORTE III: CORTE IV: 9. FUERZA DE CHORRO 10. TORQUE ( * MAQUINAS HIDRAULICAS Página 27

28 CAPITULO III RESULTADOS MAQUINAS HIDRAULICAS Página 28

29 INFORME TECNICO DE DISEÑO A la presente van adjuntadas las vistas y plano del diseño según datos proporcionados: MAQUINAS HIDRAULICAS Página 29

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34 VI. CONCLUSIONES. La turbina pelton por su diseño y funcionamiento es la más apropiada para altas caídas y caudales pequeños, entonces por lo anterior dicho optimiza y aumenta la potencia en la turbina. Al determinar la potencia electrica real nos dio como resultado un valor diferente menor a propuesto para el calculo. VI. RECOMENDACIONES. Hay diversas perdidas por el rendimiento volumétrico, pero en este caso se está considerando al 100% lo recomendables es hacer un cálculo para encontrar dichas pérdidas. MAQUINAS HIDRAULICAS Página 34

35 V. ANEXOS. ECUACIONES 1. gqht Ni 1000 kw 1CV=0.735kw 2. ( n s ) i n( Ni) ( Ht) d D n s) i 576*( ) 1 *( z) * kp ( 2 d D γ = coeficiente Velocidad absoluta. 0,97 γ 0,98 Kp = coeficiente Velocidad periférica 0,44 kp 0,46 4. d 4* Q * * z * 1 2* g * Ht MAQUINAS HIDRAULICAS Página 35

36 5. = D +2d 6. = D - 2d D d 8. D d cos 2 De 9. A B' * D 10. AB' De* Sen kp De BB' * * AB' D 12. AB AB' BB' 13. S 0.8* AB 14. = 15. V i 2gH MAQUINAS HIDRAULICAS Página 36

37 16. =γv i 17. U kp* Vi 18. Altura de Euler (He): He 1 (1 *cos )( V 1 U) U g 19. Eficiencias: (η) He i Ht 20. ; = 0,9: 0, Potencia en el eje: MAQUINAS HIDRAULICAS Página 37

38 VI. BIBLIOGRAFIA - CLAUDIO MATAIX TURBO Maquinas 2da Edición - Jara Tirapegui Maquinas Hidráulicas 2da Edición MAQUINAS HIDRAULICAS Página 38