Diseño de Una Turbina Pelton

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA ELECTRICA

DISEÑO DE UNA TURBINA PELTON BALBIN REYNOSO,

HUARHUACHI

BRAYAN

PILLACA, KILDER

RUIZ ARCHENTI, GIAN CARLO ANDRE MENDOZA

GUARDIA

BONIFACIO,

VILCARIMAC,

MARIO NICOLAS

HENRRY PABLO

CURSO: TURBOMÁQUINAS

GH: 01T

PROFESOR: ING. GARCIA PEREZ MARIO ALBERTO CICLO: 2017-B

BELLAVISTA – CALLAO 21/11/17

INDICE:

Pag.

INTRODUCCIÓN………………………………………………………………….

2

OBJETIVOS……………………………………………………………………….

4

MARCO TEORICO ………………………………………………………………

5

DESARROLLO…………………………………………………………………..

16

CUADRO DE RESULTADOS…………………………………………………..

20

APRECIACION CRITICA ……………………………………………………….

22

CONCLUSIONES……………………………………………………………..…

22

BIBLIOGRAFIA………………………………………………………………..…

23

INTRODUCCIÓN La idea de transforma la energía hidráulica en energía mecánica es muy antigua. Las primeras máquinas fueron ruedas hidráulicas, que eran muy lentas y además trabajaban con bajas alturas (4 a 8 m). Ya por el siglo XIII personajes como Daniel Bernoulli y Leonhard Euler sientan las bases de la hidráulica y las turbomáquinas. Sin embargo, se tuvo que aguardar hasta el siglo XIX para ver la primera turbina; descrita por Claude Burdin en su obra titulada “Turbinas Hidráulicas o Máquinas Rotativas a gran velocidad”. En este informe abordaremos los cálculos de una turbina Pelton, que es uno de los tipos más eficientes de turbina hidráulica. Es una turbomáquina motora, de flujo tangencial (transversal), 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, en su mayoría, con una larga tubería llamada galería de presión para transportar al fluido desde grandes alturas, a veces de hasta más de 1500 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, inyectores, los cuales tienen ti enen forma de tobera para aumentar la velocidad v elocidad del flujo que incide sobre las cucharas. El inventor de la rueda Pelton; Lester Allen Pelton (1829-1908), f ue un buscador de oro frustrado, se ocupaba entre otras actividades de la construcción de ruedas hidráulicas con capachos de uso corriente por esa época en California. Ensaya diferentes formas de álabes y la forma mejorada de la rueda fue patentada en 1880.

OBJETIVO Determinar las características principales de un rodete tipo Pelton a partir de los datos proporcionados por la turbina que se encuentra en la FIEE-UNAC, comparar los resultados de los cálculos teóricos con las mediciones realizadas a la turbina.

RESEÑA HISTORICA HISTORICA LESTER ALLER PELTON: ✓ ✓

✓

✓

✓

Inventor estadounidense estadounidense que ideó las modernas turbinas turbinas usadas usadas en la generación de energía hidroeléctrica. En su etapa etapa como minero aprendió aprendió las técnicas técnicas empleadas empleadas en la época para generar la energía necesaria en el proceso de trituración del mineral y en el bombeo de aire al interior de la mina. El primer mecanismo utilizado fueron las ruedas de agua, similares al molino de cereal convencional, y después las máquinas de vapor, pero los inconvenientes inconvenientes que presentaban ambos métodos llevó a la introducción de turbinas, consistentes en unas ruedas hidráulicas con álabes o paletas sobre las que incidía un chorro de agua lanzado a gran velocidad. Observando el funcionamiento funcionamiento de una una de estas estas turbinas, Pelton Pelton dio por casualidad con un método que hacía mucho más eficaz el mecanismo de la turbina: si el chorro, en vez de golpear en el centro de las paletas, lo hacía en su borde, el flujo de agua salía de nuevo en dirección inversa y hacía que la turbina adquiriese mayor velocidad; v elocidad; este hecho se basaba en el principio por el cual toda la energía cinética producida por el chorro se conserva y puede ser utilizada después en la generación de electricidad. A partir de 1877 construyó construyó algunos modelos de de diversos tamaños, incluido uno para máquina de coser doméstica, y en 1880 obtuvo la patente. Aunque en un primer momento no encontró a nadie que se interesase por su invento, en 1883 lo presentó a un concurso organizado por la Idaho Mining Company de Grass Valley donde la "Turbina Pelton" demostró ser sensiblemente más eficaz que cualquier otro modelo, y desde entonces se convirtió en la más empleada en la industria minera, y posteriormente en las centrales hidroeléctricas. En 1888 fundó, con con otros socios, socios, la Pelton Pelton Water Wheel Company, empresa dedicada a la comercialización en todo el mundo de turbinas de diversos tipos. La rueda de mayor tamaño t amaño construida por la Pelton medía 30 pies de diámetro, y la más potente pesaba 15 toneladas y proporcionaba 18.000 caballos de potencia.

CENTRAL HIDROELECTRICA DE MOYOPAMPA Moyopampa es la única de las centrales ubicada en una zona urbana. Aunque fue construida en la década de 1950, su diseño y la tecnología que emplea fueron adaptándose para cubrir la gran demanda de energía que hoy existe.

CARACTERÍSTICAS CARACTERÍSTI CAS GENERALES: ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓

Capacidad instalada: 69.15 MW Potencia efectiva: 69.2 MW Generación anual media: media: 468 468 GWh (Gigavatio hora) Caudal de la central: 17.5 17.5 m3/seg. Altura bruta de caída: 468 m. Turbina tipo: Pelton; Eje Horizontal Número de unidades: 3 Puesta en servicio (1ra. unid.): unid.): 1951 1951 Ubicación: 40 km al este este de Lima. Distrito de de Lurigancho. Provincia Provincia de Lima. Departamento de Lima. Tipo: Hidroeléctrica de pasada, pasada, recibe aguas aguas de los los ríos Rímac y Santa Eulalia.

UNA TURBINA PELTON ✓

Es uno uno de los tipos más eficientes de turbina de turbina hidráulica. ✓ Consiste en una rueda rueda (rodete o rotor) dotada de cucharas cucharas en su periferia, las cuales están especialmente realizadas para convertir la energía la energía de un chorro de agua que incide sobre las cucharas. saltos ✓ Las turbinas Pelton están diseñadas para explotar grandes saltos hidráulicos de bajo caudal. ✓ Las centrales Las centrales hidroeléctricas dotadas de este tipo de turbina t urbina cuentan, en su mayoría, con una larga tubería llamada lla mada galería de presión para transportar al fluido desde grandes alturas, a v eces de hasta más de 1500 metros. Al final de la galería de presión se suministra el agua a la turbina por medio de una o varias válvulas varias válvulas de aguja, también llamadas inyectores, los cuales tienen forma de tobera de  tobera para aumentar la velocidad del flujo que incide sobre las cucharas.

CLASIFICACION DE LA TURBINA PELTON TURBINA PELTON DE EJE HORIZONTAL: ✓

En este tipo de turbinas Pelton Pelton solo se pueden pueden instalar turbinas turbinas de uno o dos chorros como máximo, debido a la complicada instalación y mantenimiento de los inyectores. Sin embargo, en esta posición, la inspección de la rueda en general es más sencilla, por lo que las reparaciones o desgastes se pueden solucionar sin necesidad de desmontar la turbina.

TURBINA PELTON DE EJE VERTICAL: ✓

En este tipo de turbinas Pelton Pelton se facilita la colocación colocación del sistema sistema de alimentación en un plano horizontal, lo que per mite aumentar el número de chorros por rueda (4 a 6); con esto se puede incrementar el caudal y tener mayor potencia por unidad. Se acorta la longitud del eje turbinagenerador; se puede disminuir el diámetro de rueda y aumentar la velocidad de giro, se reduce en fin el peso de la turbina por unidad de potencia. Esto hace que la utilización de esta e sta disposición en turbinas Pelton sea más ventajosa que la disposición horizontal. conveniente en aquellos casos donde se tienen aguas aguas ✓ Su aplicación es conveniente limpias que no produzcan gran efecto abrasivo sobre los alabes e inyectores, debido a que la inspección y las r eparaciones con este montaje se hacen más difíciles.

COMPONEN COMP ONENTES TES DE UNA TURBINA TURB INA PELTON: PEL TON: EL DISTRI DISTRIBUIDOR BUIDOR Está constituido por uno o varios equipos de in yección de agua, sus funciones son: ✓

Dirigir un chorro de agua agua (cilíndrico y de sección uniforme) uniforme) hacia el rodete. caudal que ha de fluir hacia dicho rodete, llegando a cortarlo ✓ Regular el caudal totalmente cuando proceda.

EL DIST DISTRIBUIDOR RIBUIDOR ESTÁ ESTÁ FORMADO POR LOS SIGUIENTES ELEMENTOS: LA CÁMARA DE DISTRIBUCIÓN DISTRIBUCIÓN ✓

Es la prolongación prolongación de la tubería forzada, forzada, acoplada a ésta por por una brida de unión entre la tubería forzada for zada y la cámara de distribución se localiza la válvula de entrada a la turbina, también es conocida como cámara de inyectores. como misión fundamental fundamental conducir conducir el agua agua hasta el el inyector ✓ Tiene como Igualmente sirve de soporte a los demás mecanismos que integran el distribuidor.

EL INYECTOR ✓

Es el elemento elemento mecánico destinado destinado a dirigir y regular el chorro de de agua.

✓

El inyector inyector está está formado por los siguientes elementos:

TOBERA: o

o

Constituye una boquilla, con orificio de sección circular de un diámetro entre 5 y 30cm., instalada al final de la cámara de distribución. Dirige el el chorro chorro de agua, tangencialmente hacia la periferia del rotor, de tal modo que la prolongación de la tobera forma un ángulo de 90º con los radios de rotor.

 AGUJA:  AGUJ A: ✓

Constituye una una pieza de metal situado situado concéntricamente concéntricamente en el interior del cuerpo de la tobera t obera con movimiento de desplazamiento desplazamiento longitudinal en dos sentidos.

DEFLECTOR: ✓

Es un dispositivo mecánico mecánico que, que, a modo de pala o pantalla, que que puede ser intercalado con mayor o menor incidencia en la trayectoria del chorro de agua, entre la tobera y el rotor a fin de desviar, total o parcialmente el agua, impidiendo i mpidiendo el embalamiento del rotor.

EL ROTOR O RODETE ✓

Es la pieza pieza clave donde se transforma la componente componente cinética de la energía del líquido en energía mecánica o, dicho de otra manera, en trabajo según la forma de movimiento de rotación. formado por los siguientes elementos: elementos: ✓ El rotor está formado

RUEDA: o

o

Está unida unida rígidamente rígidamente al eje por medio de chavetas y anclajes adecuados. Su periferia periferia está está mecanizada mecanizada apropiadamente para ser soporte soporte de los cangilones.

 ALAB  AL ABES: ES: o

o

Pueden ser piezas piezas independientes independientes o constituir una una pieza única, están diseñados para recibir el empuje directo del chorro de agua. Su forma es similar a la de una doble cuchara, con una arista interior afilada y situada centralmente en dirección perpendicular hacia el eje (divide al álabe en dos partes simétricas de gran concavidad). Esto permite compensar los empujes axiales. Cada álabe lleva en su extremo periférico una escotadura escotadura centrada en forma de W. Con ello se consigue que las cazoletas no reciban el chorro de agua hasta que su arista se encuentre en la posición perpendicular respecto al eje del chorro, aprovechando al máximo el caudal y el impulso que éste le proporciona al acompañarle durante un corto trayecto.

EJE: ✓

Rígidamente unido al rodete rodete y situado situado adecuadamente adecuadamente sobre sobre cojinetes debidamente lubricados, lubricados, transmite el movimiento de rotación al eje del alternador. En el mismo eje pueden estar unidas varias turbinas y un generador.

SISTEMA SISTE MA DE FRENADO: ✓

Además de intercalar totalmente el el deflector, se puede puede disponer disponer de un circuito derivado de la cámara de distribución que permite proyectar agua uno o varios contrachorros incidente sobre la zona convexa de los álabes, favoreciendo el rápido frenado del rodete.

CARCASA: ✓

Es la envoltura envoltura metálica que cubre cubre los inyectores, inyectores, el rotor y los otros elementos mecánicos de la turbina. Su principal objetivo es evitar que el agua salpique al exterior cuando, luego de abandonar los cangilones.

CÁMARA DE DESCARGA: ✓

Es la zona por donde cae el agua libremente libremente hacia el desagüe, desagüe, después de haber movido al rodete. También T ambién se conoce como tubería de descarga Para evitar deterioros debidos a la acción de los chorros de agua, especialmente de los originados por la intervención del deflector, se suele disponer en el fondo de la cámara de descarga de un colchón de agua de 2 a 3 m de espesor. Con el mismo fin, se instalan blindajes, bloques de granito o placas, situadas adecuadamente, que protegen la obra de hormigón.

BLINDAJE BL INDAJE Y DESTRUCTOR DESTRUCTOR DE ENERGÍA: ENERGÍA: ✓ Protegen la infraestructura contra el efecto destructor del chorro desviado.

DESARROLLO Datos otorgados por el profesor:

 ⁄     10   14241,6    2 2    •

• • • • •

➢

=460

=16,2 =514 =28,8 =0.97 =63.

Calculando Calculando velocid ad de chorro:

=

Por datos teóricos se conoce que

toma como

= (0.95 – (0.95 – 0.99),  0.99), pero para el diseño se

=0.97

=92,13 =92,13 m/s ➢

Calculando Calculando el di ámetro ámetro del chorro :

La central trabaja con 3 turbinas Pelton de dos chorros cada una.

  

    16,6 2   ,,  ⁄ ✓ ✓ ✓

= Caudal por cada turbina = Caudal total = Numero de chorros

Por lo tanto, tenemos:

Como estamos trabajando con un diseño usamos

  0√ ,544     0√ ,460456044  16,16,6 2   , ,  



=0.97

➢

Numero Numero de chorros o inyectores

 Analizaremos  Analizaremos solo una turbina por lo tanto el

  ⁄   02,1⁄93   , ,   ➢

 2

, por lo tanto:

Diámetro Diámetro del rod ete

Hallaremos el valor de



⁄     ∗ ⁄   63 ∗ 10  14241,6 ⁄ 14241, 6   51514 ∗ 460⁄  

Por conversiones hechas sabemos que  , reemplazando: reemplazando:

= 28,79

Para los siguientes cálculos usaremos esta tabla.

ns

9

13

18

22

27

31

Φ

0.47

0.46

0.45

0.44

0.43

0.425

K

39.76

39.91

38

37.22

36.34

36

 Ahora usaremos usaremos enterpolacion para hallar hallar los datos para nuestro

ns

27

28,79

31

Φ

0.43

x

0.425

28,3127 7927  0, 4250, 0,4343   . . 



:

➢

 Ahor  Ah or a determ det ermii naremo nar emoss el di ámetro ámet ro del ro dete det e

  84,6 Φ √    84,6 0.514428 √ 460460   , ,     2 + 16   2(0,  1,1536)1 + 16       [[2,3,28]3,∗ 0,61361]36  . .      [[1,1,4251,] ∗ 0,7]136136  , ,   ℎ   [[2,2,65752,] ∗80,5]136136  , ,      [[1,1,11751,] ∗20,5]136136  , ,      [[0,0,98]1,∗ 0,01361]36  , ,      + 2 3ℎ5   1,51 + 2 3∗(0,5364)   , ,   ➢

Determin Determin aremos el núm ero de alabes alabes

➢

Determin Determin aremos la medida de lo s alabes. alabes.

✓

✓

✓

✓

✓

Determin Determin aremos el diámetro exterior del rodete rod ete..

➢

Determinaremos el diámetro primitivo del rodete.

   +  Despejando



:

       1,94 94  0,136136   , ,   DATOS OBTENIDOS OBTENIDOS MEDIANTE LA MEDICIÓN DE DE LA TURBINA PELTON QUE SE ENCUENT ENCUENTRA RA EN LA L A FIEE-UN FIEE-UNAC AC SON: ❖

Medidas de cresta a cresta cresta

    ,,    ,,    ,,    ,,     ,    , ,          33,4 cm

❖

Medida del

cm

❖

Medida del b

cm

❖

Medida del M

cm

❖

Medida del B

cm

❖

Medida del

cm

❖

Medida del

❖

Numero de alabes

❖

Medida del diámetro diámetro del rodete

Comparando los datos teóricos y prácticos y hallando el error porcentual para cada parámetro.

%=| |  − |      ∗ CUADRO DE RESUTADOS TEÓRICO

M D B e h b

   

0,159  1,51  0,197  0,122  0,364  0.435    1,94  1,804 

28,79

21

 

PRACTICO

ERROR PORCENTUAL

0,166 m

4,21%

1,6 m

5,62%

0,181 m

8,84%

0,125 m

2,4%

0,334 m

8,98%

0,448 m

2.9%

28,8

 

0,03%

22

4,54%

2,043 m

5,04%

1,9522 m

7,59%

VISTA PERF PERFII L

VISTA DE FRENTE

 APRECIACION  APRECI ACION CRITICA: CRITICA : ❖  Las

mediciones hechas nos dieron nociones sobre el diseño de una turbina Pelton y que parámetros debemos seguir para su construcción.  Además de afianzar afianzar nuestros conocimientos conocimientos vistos en la teoría. trabajo que se realizó, nos levaron levaron a realizar medidas medidas con ❖ En el presente trabajo los cuales se podría diseñar una turbina Pelton, pero los parámetros calculados, aparte de que tenían algunos errores porcentuales altos, y para poder diseñarlo, tenemos que tener presente otros parámetros para que nuestra turbina sea lo más eficiente posible.

CONCLUSIONES: •

•

•

Tras los cálculos efectuados pudimos conocer conocer las las características características que tienen las Pelton y que le diferencia de otras. Tras el desarrollo del trabajo trabajo reconocemos reconocemos la importancia importancia de una turbina de acción como la Pelton y su importancia en la generación de energía ya que es una de las más eficientes. Si bien se puede determinar algunos algunos parámetros, parámetros, estos no serán serán los necesarios para diseñar la turbina ya que los otros parámetros tendrán que ser determinadas cuando la máquina entre en funcionamiento.

BIBLIOGRAFÍA: •

Wilfredo Jara. (1998). Evolución de Turbinas. En Máquinas Hidráulicas (7-15). Lima: INIFIM.

WEBGRAFÍA: •

•

•

https://ocw.ehu.eus/pluginfile.php/6771/mod_resource/content/1/maquinas_fluid  os/tema-6-turbinas-pelton.pdf  http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/maquinashidraulicas/turbinas/turb inas.html http://zonaingenieria.com/turbinas-pelton/