Universidad Nacional del Callao

FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

INFORME DE TURBOMÁQUINAS

“DISEÑO DE UNA TURBINA PELTON”Mecanismo y Diseño

NOMBRE : CÓDIGO :

JUAN PABLILLO

GRUPO HORARIO : 01T

PROFESOR : Ing. Mario García Pérez

FECHA : 25 – 11 – 2010

BELLAVISTA – CALLAO2008 - B

DISEÑO DE UNA TURBINA PELTON

OBJETIVO :

Comprender el funcionamiento de la turbinas hidráulicas tomando como base la Turbina PeltonEstablecer sus parámetros de diseño de una Turbina Pelton de la central Hidroeléctrica de Moyopampa.

FUNDAMENTO TEORICO:

1.   INTRODUCCIÓN.

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. 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. Pues ahora bien hablaremos de las turbinas de impulso, y específicamente de la Turbina Pelton.

2.    LA TURBINA HIDRAULICAS

La Turbina, es un motor rotativo que convierte en energía mecánica la energía de una corriente de agua, vapor de agua o gas. El elemento básico de la turbina es la rueda o rotor, que cuenta con palas, hélices, cuchillas o cubos colocados alrededor de su circunferencia, de tal forma que el fluido en movimiento produce una fuerza tangencial que impulsa la rueda y la hace girar. Esta energía mecánica se transfiere a través de un eje para proporcionar el movimiento de una máquina, un compresor, un generador eléctrico o una hélice.     

Las turbinas se clasifican en turbinas hidráulicas o de agua, turbinas de vapor y turbinas de combustión. Hoy la mayor parte de la energía eléctrica mundial se produce utilizando generadores movidos por turbinas. Los molinos de viento que producen energía eléctrica se llaman turbinas de viento. 

¿ Cómo funcionan las Turbinas hidráulicas?

Para mantener una salida constante de voltaje en una instalación hidroeléctrica la velocidad de la turbina debe mantenerse constante, independientemente de las variaciones de la presión del agua que las mueve. Esto requiere gran número de controles que, tanto en la turbina de Francis como en la de Kaplan, varían el ángulo de las palas. En las instalaciones de ruedas Pelton, el flujo del agua se controla abriendo y cerrando las boquillas eyectoras. En este caso, se utiliza una boquilla de derivación de descarga, dado que los cambios rápidos de corriente

en canales de caída largos podrían producir aumentos repentinos en la presión, llamados martillos de agua, que pueden ser muy dañinos.

FUNCIONAMIENTO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA

Con estos ajustes, se mantiene constante el flujo de agua a través de las boquillas. Para ello se cierran las boquillas de descarga, lo que se hace con mucha lentitud para evitar martillos de agua. 

3.   LA TURBINA PELTON

Este tipo de turbina fue creada en 1889 por el norteamericano Lester Allan Pelton. El principio de funcionamiento es relativamente simple, ya que constituye una evolución lógica de la antigua rueda hidráulica. Posee las mejores características para grandes alturas, y desde luego es la única máquina capaz de funcionar con alturas superiores a 1.700 m. Son notables su suavidad de giro y su buen funcionamiento a carga parcial. En la figura se muestra la disposición típica de una turbina Pelton. La tobera lanza a la atmósfera un chorro de alta velocidad que incide sobre una serie de cucharas o alabes montados en la periferia de una rueda. El par ejercido por el impacto y la desviación del chorro provoca el giro de la rueda. Una vez transmitida su energía a la rueda, el agua sale de los alabes a velocidad relativamente baja y es dirigida hacia el canal de desagüe. Por tanto, la turbina ha de estar colocada a suficiente altura sobre el nivel máximo de crecida para asegurar el derrame libre.

TURBINA PELTON

Esta turbina esta diseñada con palas periféricas o llamados alabes, de tal manera que el chorro proveniente de la tubería golpea el centro de cada pala o cuchara con el fin de aprovechar al máximo el empuje del agua. El alabe tiene la forma de doble cuchara, con una arista diametral sobre la que incide el agua produciéndose una desviación simétrica en dirección axial, buscando un equilibrio dinámico de la máquina en esa dirección.

DISEÑO DE LA TURBINA PELTON EN UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA

Las dimensiones del alabe son proporcionales al diámetros del chorro que impacta sobre él; el chorro a su vez está en función del diámetro de la rueda y de la velocidad específica. El diámetro de chorro (do) está entre el 5% y el 12% del diámetro de la rueda (Dp). En la siguiente figura se muestra a detalle la forma del alabe y sus variables correspondientes

MEDIDAS DE LAS CUCHARAS

El ángulo α, ubicado entre las dos caras interiores del alabe es del orden de los 20°, lo ideal seria que fuera igual a 0°, pero, de ser así, debilitaría la arista media donde pega el chorro y transmite la energía.

El ángulo β, ubicado en la salida del alabe esta entre los 8° y los 12°. Se debe de dar salida al agua con la propia forma de del borde de fuga, a la cual ayudan las líneas de "thalweg". Los alabes deben estar colocados lo mas cerca posible a los inyectores, debido a que la distancia hace decrecer la energía cinética del agua.

4.   DISEÑO MECÁNICO DE LA TURBINAS PELTON.

Velocidad del Chorro: (C1) con Cv = [ 0.95 – 0.99 ]

Diámetro del Chorro: (d)

El caudal que sale de la tobera es:

Donde :

Para CV = 0.97 obtenemos:

Diámetro del Chorro: (d)

Donde : d = Diámetro de un único chorroComo la velocidad C esta en función de H tenemos que:

Luego también decimos que los diámetros son iguales Para dos chorros tenemos:

Para tres chorros tenemos:

Para cuatro chorros tenemos:

.

.

.Para “Z” chorros tenemos:

De la misma manera

El caudal que sale de cada chorro es :

Donde : para CV = 0.97 tenemos :

Diámetro de la Rueda: (D)

ó

Velocidad Específica: (ns)

Sabemos que : = = =

Lo que resulta que :

Numero de cucharas: (NC)

ó donde : NC ≥ 10

También se puede calcular como : ó +

5. ANÁLISIS DE LA TURBINA PELTON.

Asumimos que la central tiene 6 turbinas

Datos de la turbina Valores a comprobar

Hallamos el diámetro de cada chorro (di)

Entonces el promedio del diámetro de cada chorro es:

Luego remplazamos el valor del diámetro promedio y hallamos los nuevos valores:

Ahora hacemos los cálculos para la turbina:

De la ecuación

De la ecuación:

Para 2 chorros, Z=2:

Luego de: ; como dato tenemos: =514rpm

9 13 18 22 27 27.161 310.47 0.46 0.45 0.44 0.43 0.425

Interpolando tenemos:

Entonces de la ecuación anterior tenemos:

Ahora para hallar el caudal utilizamos la formula:

Entonces el caudal total para la central que consta de 6 turbinas es:

También hallamos la potencia de cada turbina (Pai):

Transformando a Mw,

Entonces la potencia para la central que consta de 6 turbinas es:

Hallamos el número de cucharas:

Comparando los valores calculados y los valores a comprobar.

Valores calculados Valores a comprobar

Error Porcentual :

5. CONCLUSIONES :

Notamos que al encontrar la potencia la hallamos con un error grande ha de ser por que los datos que tenemos no son del todo exactos ya que a causa del tiempo en desuso la estructura de la turbina pudo variar y así no obtuvimos los datos exactos para el calculo, también puede haber ocurrido una falla humana al momento de medir las dimensiones de esta turbina.

También podemos observar que el valor que obtenemos del número de cucharas no es exacto pero como este dato tiene que ser entero lo acercamos a 22.

En el análisis realizado se tomo como dato a n = 415 rpm, ya que este es un dato indispensable para hallar los cálculos.

Esta turbina funcionara satisfactoriamente a la altura de 460m.

El caudal total de la central será 16.326m3/s.

La potencia de la central será

5. BIBLIOGRAFÍA.

Maquinas Eléctricas Mecánica de Fluidos e Hidráulica…………. Mcgralhill Separata de Turmaquinas………….Ing. Mario García www.monografía.com y www.wikipedia.com