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LA RUEDA HIDRAULICA
ALUMNO
Badillo Bola nAzhyade Chama Ramírez Isaac
Herna ndez Pitalu a Laura Mariella
Lo pez Lo pez Alexis
Martínez Hernandez Manuel Antonio
Máquinas Hidráulicas y Fenómenos Transitorios
Ing. Francisco Agüeros Yáñez
Xalapa, ver. Febrero - Mayo 2012
UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
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La Rueda Hidráulica
Ingeniería Civil 2
INDICE
Introducción....................................................................................................................................... 4
HISTORIA DE LA RUEDA HIDRÁULICA............................................................................................ 6
La máquina hidráulica del renacimiento de Esztergom ................................................................ 11
La Edad Media ............................................................................................................................... 12
RUEDAS HIDRAULICAS ................................................................................................................... 15
LAS RUEDAS HIDRÁULICAS............................................................................................................ 17
TIPOS DE RUEDAS HIDRÁULICAS .................................................................................................. 20
Ruedas hidráulicas comunes ...................................................................................................... 20
Ruedas Hidráulicas comunes, de alimentación por arriba....................................................... 21
Análisis ......................................................................................................................................... 21
Rueda de alimentación lateral o de costado .............................................................................. 24
Trabajo y eficiencia...................................................................................................................... 25
Ruedas de vertedero ................................................................................................................... 27
Ruedas de alimentación por debajo ........................................................................................... 27
FUNCIONAMIENTO DE LA RUEDA HIDRÁULICA.......................................................................... 29
Dependiendo de su funcionamiento y al mecanismo de llegada del agua, las ruedas hidráulicasverticales se clasifican en las siguientes: ....................................................................................... 30
Rueda hidráulica con canal de alimentación superior ............................................................. 30
Ruedas hidráulica con canal de alimentación en la altura del eje ........................................... 30
Rueda hidráulica con canal de alimentación inferior ........................................................... 30
Rueda hidráulica reversible.................................................................................................... 31
RUEDAS DE IMPULSO ..................................................................................................................... 31
Subdivisión de las ruedas de impulso ........................................................................................... 32
Condiciones para una eficiencia hidráulica máxima. .................................................................... 32
Rueda de impulso Girard ............................................................................................................... 33
Ruedas de impulso axiales o paralelas .......................................................................................... 33
Ruedas de impulso tangenciales ................................................................................................... 34
Forma de las aspas curvas ............................................................................................................. 35
CARACTERÍSTICAS DE LAS RUEDAS DE IMPULSO TANGENCIALES (RUEDAS PELTON) ........ 36
Análisis de una rueda Pelton ......................................................................................................... 37
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Ingeniería Civil 3
Ruedas Pelton alimentadas por chiflones o boquillas .................................................................. 39
Regulación de potencia y velocidad de rotación en las ruedas Pelton ......................................... 39
Servo motor para la regulación automática de las ruedas Pelton ................................................ 41
Velocidad de vacío en una Pelton ................................................................................................. 43
BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................................. 43
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La Rueda Hidráulica
Ingeniería Civil 4
Introducción
La historia juega un rol bastante importante en nuestra vida, con ella logramos
reflexionar y aprender de los aciertos y errores de las personas que se han enfrentado
a retos inimaginables, de la misma manera en la evolución de la tecnología se ha
avanzado considerablemente hasta hoy pleno siglo XXI, en la siguiente investigación
nos enfocamos al desarrollo que han tenido las herramientas para aprovechar la
energía que proporcionan los cauces de agua (ríos) y hablamos de la historia que ha
transcurrido desde las ruedas hidráulicas que aparecieron ya hace mas de 2000 años
hasta la aparición de las turbinas que hoy conocemos.
Los primeros asentamientos humanos siempre buscaban la proximidad de
cauces de agua para poder llevar a cabo las distintas actividades que precisan de ella,
además de facilitarle la vida. La relación del hombre primitivo con el agua era por
tanto muy rudimentaria, y aprovechaba solamente los cauces naturales de agua, sin
aprovisionarse todavía por falta de técnicas y conocimientos de los cauces
subterráneos, y sin desviarla ni elevarla.
Durante siglos el hombre apenas contó con otro tipo de energía que no fuera su
propia energía muscular, las que podíamos considerar como actividadespredominantes, como la molienda, la confección de tejidos, la forja de los metales, etc.,
requerían de grandes esfuerzos humanos para su desarrollo, por lo que se recurría
con demasiada frecuencia al empleo de esclavos.
En la actualidad estamos acostumbrados a poder utilizar grandes cantidades de
energía, procedente de diversas fuentes, con el simple esfuerzo de apretar una
pequeña palanca o un interruptor, pero para llegar hasta este punto, la técnica hatenido que recorrer un largo camino de forma gradual y escalonada. El primer paso
fue la utilización de los animales domésticos para aprovechar su energía muscular en
las pesadas faenas del campo. Posteriormente el hombre fue conociendo e
incorporando otras fuentes de energía como: la dinámica del agua, la cólica del viento,
la de los combustibles como el carbón y el petróleo, la eléctrica y la del átomo, que les
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Ingeniería Civil 5
permitieron disponer cada vez de mayores cantidades de energía y por consiguiente
de mayores producciones.
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Ingeniería Civil 6
HISTORIA DE LA RUEDA HIDRÁULICA
El más antiguo de los motores hidráulicos es la rueda
hidráulica que está constituida por una serie de palasdispuestas en forma de rueda; en la cual el agua, al caer,
choca contra las palas e impulsa a éstas con lo que se
consigue el movimiento de la rueda.
Las ruedas más antiguas que se conocen fueron
construidas en la Civilización Mesopotámica, alrededor de
3000 años antes de Cristo. Un milenio después aparecieron
las ruedas con radios.
Al principio se la utilizó movida por animales o por
hombres, como en el caso de la noria, y posteriormente se
aplicaron mecanismos para suplantar estas fuerzas de
tracción a sangre.
La rueda logró un uso más eficiente de la fuerza animal aplicado a la
agricultura, fue la base para controlar la dirección de la fuerza; y fue empleada por las
civilizaciones antiguas para los usos más diversos: rueda de carros, rueda con
manivela para ascender baldes con agua de pozo, rueda de torno de alfarero, rueda de
rueca, y la que comienza a utilizar la energía de la naturaleza: la rueda hidráulica, que
consigue energía extraída de una corriente de agua, río o cascada. Esta última se
utilizó para moler harina. También se remplazaron las palas por baldes para extraer
agua para riego.
Parent (1666 - 1716), físico y matemático de París estudió por primera vez el
funcionamiento de la rueda hidráulica, en su trabajo nos dice que existe una relación
optima entra la velocidad de la rueda y la velocidad de la corriente de agua, con esta
conclusión las mejoras no se hicieron esperar, se presenta la primer gran evolución ya
que después del estudio se dio como resultado la construcción de las ruedas de
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Ingeniería Civil 7
impulso y de reacción que aprovechan la energía cinética y además son de menor
tamaño.
La utilización de la energía hidráulica data de la época de los griegos, quienes
empleaban la rueda hidráulica llamada noria, que inventó Filón de Bizancio en el sigloIII a.C, para bombear agua. Sin embargo, las primeras referencias detalladas de la
rueda hidráulica, así como sus aplicaciones son desde los tiempos del imperio romano,
cuando aparece la rueda hidráulica horizontal, también llamada “molino romano” y el
molino de rueda vertical de paletas, que generalmente es denominado “molino tipo
vitruviano”, llamado así en honor al Ingeniero romano Vitruvio quien estudió y
documentó este tipo de rueda, que desarrollaron los romanos ante la insatisfacción
con la rueda horizontal de los griegos debido a su baja eficiencia. Este tipo de molino
descrito por Vitruvio fue el más común por muchos siglos, no solo en Europa sino
también en América, principalmente en el norte del continente.Se conocía como "rota
aquaría" y consistía en una llanta donde se fijaban unos cangilones con una serie de
radios que le otorgaban rigidez.
Los griegos y romanos aplicaron la rueda hidráulica ampliamente. Y un ejemplo lo da
la construcción por parte de
estos, dos siglos antes de la eracristiana, de una usina hidráulica
en el sur de Francia combinando
16 ruedas entre sí, las que
hacían trabajar a 32 molinos,
que producían casi una tonelada
de harina cada uno.
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Ingeniería Civil 8
Los árabes también emplearon la ruedan hidráulica en tareas
agrícolas.
En provincias como Hispania (península Ibérica), que ha sido
reconocida como parte importante en la producción y
exportación de granos para Roma, prácticamente la totalidad
del grano era molido para obtener harina, materia prima
básica en la fabricación de pan, que constituía el principal pilar de la dieta de la época.
Para esto, la mayoría de los molinos de grano estaban constituidos por dos muelas
(una fija llamada solera y otra móvil o corredera), estas eran poco peraltadas y de
pequeño diámetro, y podían moverse gracias al movimiento de la rueda producida por
el agua, y en algunas ocasiones con la ayuda de por un hombre, a través de un taladroen el que se encajaba un mango
de madera que se empuñaba
con una mano.
Con menor frecuencia han
aparecido en otras provincias
romanas molinos de muelas
muy peraltadas, llamados
molinos pompeyanos -por los magníficos ejemplares de este tipo hallados en la ciudad
de Pompeya. Estos molinos requerían, por su tamaño mucho mayor, ser tirados por
asnos y tenían naturalmente una capacidad de molienda bastante mayor.
Además de los griegos y los romanos, en la antigüedad los egipcios emplearon la Sakia,
(rueda hidráulica de compartimientos o cubos) para elevar agua. Se piensa que quizá
también los sumerios emplearon la rueda hidráulica con otros fines.
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La hidroelectricidad tuvo mucha importancia durante
la Revolución Industrial. Impulsó las industrias
textiles y del cuero y los talleres de construcción de
máquinas a principios del siglo XIX. Para esta época ya
se encontraban por lo menos medio millón de ruedas
en Europa, en minas e industrias. Aunque las
máquinas de vapor ya estaban perfeccionadas, el
carbón era escaso y la madera poco satisfactoria como
combustible. La energía hidráulica ayudó al
crecimiento de las nuevas ciudades industriales que se
crearon en Europa y América hasta la construcción de
canales a mediados del siglo XIX, que proporcionaron
carbón a bajo precio. Estas ruedas hidráulicas
continuaron aplicándose en diversos campos durante
mucho tiempo. Por ejemplo, en el siglo XIX se construyeron ingenios hidráulicos para
elevar el agua a cierta altura sin necesidad de utilizar ruedas hidráulicas,
aprovechando el fenómeno conocido como golpe de ariete.
En general, aunque estas últimas ruedas hidráulicas sufrieron pocas modificaciones,no se presentaron cambios significativos hasta que en 1848 apareció la turbina a
reacción de Francis, en 1880 la de impulsión de Pelton y en 1906 la de Kaplan. Todo
esto permitió que las ruedas hidráulicas se transformaron en las modernas turbinas,
ruedas rápidas y de buen rendimiento,
que abren un nuevo campo de
colaboración en el campo de la
producción de energía motriz, gracias al
descubrimiento de la inducción
electromagnética que permite
transformar la energía del agua en
electricidad.
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Ingeniería Civil 10
A pesar de la aparición de las turbinas de acero, de mayor potencia y más eficientes
que las ruedas hidráulicas, en algunos países como Inglaterra estos molinos
continuaron siendo útiles durante mucho tiempo. Esto se debió principalmente a que
podían se construidos con materiales disponibles en la región (como madera y
bambú), y con esto se podía bombear agua o realizar una gran variedad de tareas
relacionadas con el procesamiento de granos, lo que favoreció inmensamente a los
pequeños productores. Los existentes canales de irrigación y pequeñas corrientes
ofrecían muchos sitios potenciales en los cuales se podían realizar estos trabajos a
muy bajos costos.
Por ejemplo, para 1850, los británicos habían construido un gran número de
ruedas hidráulicas para uso industrial, que producían de 65kW a 190kW, condiámetros entre 7 y 12 metros. Algunas de estas ruedas fueron dejadas en
funcionamiento por más de 100 años. La construcción de tales máquinas sería muy
costosa ahora; pero ruedas más pequeñas (en un rango de 0.3 a 0.5kW) todavía son
consideradas económicamente viables
en algunos lugares del sur de ese país.
En Colombia algunos de los
registros sobre las primeras ruedas
hidráulicas tienen que ver
principalmente con el desarrollo en las
grandes haciendas en la época
republicana. Hacia 1853 había en la
hacienda de La Puerta, abajo de Fusagasugá, un Trapiche hidráulico, y otro en
Arroyohondo(Bolivar, Colombia) cerca de Cali. Fue mucho más tarde cuando en La
Manuelita se instaló el primer trapiche accionado por rueda Pelton. En la hacienda "El
Buque", cerca de Villavicencio, en 1870 estaba recién instalada una piladora de arroz
con rueda hidroeléctrica.
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Ingeniería Civil 11
La máquina hidráulica del renacimiento de Esztergom
La ciudad
de Esztergom se
encuentra a la rivera
del tramo húngaro del
río Danubio. Según
apuntes de viaje y
documentos históricos
en algún periodo delsiglo XV, una máquina
de tipo molino hacía
subir el agua hasta la
población que vivía en
el castillo de
Esztergom, de esta
forma tenían a
disposición agua
potable e higiene. Por
consecuencia, esta máquina descrita como asombrosa tenía que superar un desnivel
de unos 60 metros para poder llevar el agua limpia desde el nivel del Danubio hasta el
castillo situado en lo alto.
Sobre el principio de funcionamiento de esta máquina existen varias teorías. Las
siguientes imágenes ilustran algunas de ellas.
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La Edad Media
Más adelante, la rueda hidráulica se transformó en la gran máquina de la Edad Media,
utilizándose en molinos harineros, en aserraderos, martillos y bombas, para accionar
fuelles, para la batanadura de la lana, para exprimir la caña dulce, primer paso para la
fabricación del azúcar; incluso fueron usadas ruedas hidráulicas para ayudar en el
proceso de extracción de los minerales en la famosa mina del Potosí, en Bolivia. Las
grandes ruedas hidráulicas medievales de madera desarrollaban una potencia
máxima de cincuenta caballos de fuerza. En este tiempo se las empleó tanto en
posición vertical, como en posición horizontal para mover directamente una
estructura vertical.
Siendo una máquina de tan diversa aplicabilidad,
a lo largo de la historia muchos se interesaron en el
desarrollo de la rueda hidráulica. Hasta el famoso
Leonardo da Vinci diseñó una rueda que era capaz de
llenar una torre de agua, quizás para suplir las
necesidades de este recurso a un pueblo.
La energía hidroeléctrica posterior debe su mayor
desarrollo al ingeniero civil británico John Smeaton,
que construyó por
vez primera grandes ruedas hidráulicas de
hierro colado.La rueda da lugar a la invención
del molino, que se trata en otro de los apartados
de este sitio.
En la Edad M|edia, la rueda hidráulica fue
ampliamente utilizada en Europa para una gran
variedad de usos industriales. El Domesday
Book, el catastro inglés(también conocido como
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Ingeniería Civil 13
Domesday, Doomsday, o Libro de W inchester), fue el principal registro de Inglaterra,
completado en 1086 bajo las órdenes del reyGuillermo I de Inglaterra. Uno de los
principales propósitos del registro era conocer quien poseía bienes que podrían pagar
tributos, por lo que el juicio de los asesores era decisorio, pues lo que quedaba
registrado en el libro (las propiedades y su valor) era la ley, y no había apelación
posible.El Domesday Book fue escrito en latín. El nombre "Domesday" proviene de la
palabra del inglés antiguodom , que significa "cuenta" o "reconocimiento". Así,
"domesday" quería decir literalmente "día de cuentas", queriendo significar que un
lord tomaba reconocimiento contable de lo que poseía cada sujeto, por ejemplo
reporta molinos de agua, todos del tipo vitruviano.
Estos molinos fueron usados para accionar aserraderos, molinos de cereales ypara minerales, molinos con martillos para
trabajar el metal o para batanes, para
accionar fuelles de fundiciones y para una
variedad de otras aplicaciones. De este
modo tuvieron también un papel importante
en la redistribución territorial de la
actividad industrial.
Otra forma de energía desarrollada
en la Edad Media fue el molino de viento.
Desarrollado originalmente en Persia en el siglo
VII, parece que tuvo su origen en las antiguas
ruedas de oraciones accionadas por el viento
utilizadas en Asia central. Otra hipótesis
plausible pero no demostrada, es la de que el
molino de viento se derivaría de las velas de los
navíos. Durante el siglo X estos molinos eólicos
fueron ampliamente utilizados en Persia, para
bombear agua. Los molinos persas estaban
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Ingeniería Civil 14
constituidos por edificios de dos pisos, en el
piso inferior se encontraba una rueda
horizontal accionada por 10 a 12 alas
adaptadas para captar el viento, conectadas
a un eje vertical que transmitía el
movimiento a la máquina situada en el piso
superior, con una disposición que recuerda
los molinos de agua griegos. Los molinos de
viento de ejes horizontales se desarrollaron
en Europa del norte entorno al siglo XIII.
Molino de rodezno –llamado enMurcia de rodete–. Su rueda, de una sola
pieza, permitía ahorrar algunas ruedas dentadas. La especial disposición de sus
álabes, en forma de cuchara, permitía aprovechar mejor la corriente. Los molinos
Nuevos de la Segura son de este tipo.
En la Edad Media el Islam contribuyó en forma importante al desarrollo de la
hidráulica. Se realizaron importantes obras hidráulicas como canales de distribución
de agua, con un uso frecuente de sifones, casi desconocidos anteriormente. Elfuncionamiento básico de la rueda hidráulica consiste en aprovechar la energía
cinética del agua
almacenada, de modo
que accione las
turbinas hidráulicas. Se
construyen presas para
regular el caudal en
función de la época del
año.
Las grandes
ruedas hidráulicas
medievales de madera
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Ingeniería Civil 15
desarrollaban una potencia máxima de cincuenta caballos de fuerza. Y tanto se las
empleó en posición vertical, como también en posición horizontal, para mover
directamente una estructura vertical.
RUEDAS HIDRAULICAS
Las primeras máquinas hidráulicas, construidas muchas veces al menos en gran parte
de madera, se desarrollaron mediante tanteos meramente empíricos, y muestran la
ignorancia total de la teoría existente en aquellos años.
La sencilla rueda hidráulica con
paletas precursora de las
modernas turbinas para la
utilización de la energía del
agua, con fines de riego y
drenaje, parece que se
desarrollo en Egipto,
Mesopotamia y China mil años
antes de la Era Cristiana. Por
aquella época aparecieron
también en Persia los primeros molinos de viento; que fueron instalados con
profusión en el mundo islámico en el siglo VII de nuestra era, los cuales emplean la
energía eólica o cinética del aire para producir trabajo.
He aquí un invento simple y antiquísimo. Sin embargo fue algo esencial para la
evolución de maquinarias de todo tipo. La rueda es un elemento necesario en
infinidad de inventos, tanto antiguos como actuales, desde los primitivos molinos,
hasta la bicicleta, motocicleta, automóvil, avión, cosechadora, tractor, silla de ruedas,
etc.
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Ingeniería Civil 16
Para llegar a ciertos inventos, hubo que basarse en anteriores, que no por simples y
primitivos son menos importantes. No se conocen nombres de inventores de la
antigüedad, pero se lograron en esa época mecanismos e instrumentos que todavía se
utilizan en ciertas actividades, como las máquinas agrícolas, las de la construcción, las
comunes domésticas, etc.
Y es así como desde milenios se utilizaron aparejos, poleas, el engranaje, ruedas, que
posibilitaron la aparición de otras herramientas y cuyo principio de la física fue
resumido por Arquímedes en el siglo III antes de Cristo:" Cuanto más largo es el brazo
de la palanca, tanto menor será la fuerza necesaria para mover un objeto".
El concepto de palanca, unido a la rueda dan estas posibilidades de ahorrar esfuerzos.
Las maquinas volumétricas transforman la energía mecánica, producto de una fuerza
por un desplazamiento, directamente en energía de presión o viceversa.
La potencia específica de las maquinas volumétricas es proporcional a su presión. Por
tanto, no son económicas si las presiones son bajas. Estos motores son máquinas de
desplazamiento positivo.
Hay, pues, en todos ellos una o varias cámaras, cuyo volumen aumenta y disminuyeperiódicamente gracias al movimiento alternativo o rotativo de un órgano
denominado desplazador; la diferencia entre el volumen máximo y mínimo total se
denomina volumen desplazado o cilindrada. En los motores el desplazamiento es
provocado por el líquido a presión.
El motor hidráulico volumétrico se utiliza, lo mismo que las bombas volumétricas, en
el campo importantísimo de las transmisiones y controles hidráulicos, cada vez mas
empleados en la automatización de la industria. Las bombas y motores volumétricos
son fundamentalmente máquinas reversibles (funcionan igualmente como motor, que
como bomba, salvo que el control del flujo de fluido se realice con válvulas de
antirretorno), y revisten infinidad de formas.
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Ingeniería Civil 17
LAS RUEDAS HIDRÁULICAS
Los motores gravimétricos, por ser los mas elementales y obvios, fueron también los
primeros que invento el hombre. Las norias de rosario para elevar el agua, aún en uso
en algunas regiones, son bombas gravimétricas. Que tienen su contrapartida en los
motores gravimétricos y se incluyen en la categoría más general de las ruedas
hidráulicas.
Las primeras ruedas hidráulicas se construyeron en Asia, China y la India, hace
unos 2200 años; de Asia pasaron a Egipto y de allí a Europa(unos 600 años después
que en Asia) y América. Leonardo de Vinci, Galileo y Descartes, entre otros, realizaron
estudios teóricos y matemáticos sobre las ruedas hidráulicas.
Las ruedas hidráulicas en la actualidad:
a) Siguen funcionando en algunos sitios, como molinos de grano, etc.
b) Siguen construyéndose y reparándose en alguno que otro taller de artesanía;
las primitivas eran de madera, incluso el eje (madera de encina); pero
actualmente se construyen también de acero.
c) En algunos casos, tales como en los molinos de grano, pueden aún hoy día ser
rentables.
d) A veces son sustituidas por turbinas, transformándose el molino antiguo en
una pequeña central hidroeléctrica.
Las figurassiguientespresentan los tipos principales de ruedas hidráulicas. Solo la
primera figura es una máquina puramente gravimétrica. Las diferentes ruedas que se
esquematizan en esta figura nos conducen gradualmente hasta la turbina Banki:
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Alimentación superior (rueda gravimétrica): El efecto cinético de la corriente es
despreciable.
Alimentación lateral: Rueda hidráulica de alimentación lateral. El agua fluye por
el canal de alimentación con la velocidad Co; el diámetro de la rueda d es
mayor que la altura disponible H. Se emplean con ventaja donde tanto como el
caudal como la altura disponible esta sujeto a grandes variaciones. El
rendimiento permanece casi constante a pesar de las variaciones de carga,
gracias a que el canal de alimentación termina en unas compuertas móviles. Si
el nivel del agua es alto la admisión se hace por las aperturas superiores, y si el
nivel es bajo por las inferiores. Estas ruedas, en las que junto con la energía
gravitatoria del agua entra en juego la variación de la cantidad de movimiento
constituyen los primeros balbuceos de la turbina. Con estas ruedas se lograron
rendimientos hasta del 80% y caudales por rueda hasta de 4 m³/s.
De paletas planas: Rueda hidráulica con álabes rectos.
De impulsión inferior: Es el extremo opuesto a la de alimentación superior.
Estas ruedas no son ya motores gravimétricos, ya que en la transmisión deenergía solo entra en juego la variación de la cantidad de movimiento. En la
figura se ha dibujado el triángulo de velocidades de entrada. Las alturas
aprovechables son mínimas, inferiores a 0.5m. Los caudales aprovechables
oscilan entre 200÷500.000l/s. Se han construido ruedas de este tipo hasta de
9m de diámetro. Su rendimiento es elevado si los álabes están bien fuselados
(rueda hidráulica de Poncelet). De ahí la importancia que estas ruedas
hidráulicas adquirieron en su tiempo. Rueda de paletas de alimentación inferior: Funciona con las paletas
parcialmente sumergidas en el agua; rueda de impulsión, que aprovecha solo la
energía cinética del agua, porque el desnivel geodésico es prácticamente nulo.
Turbina Banki: En ella el salto se realiza en dos etapas, como se vió en la
imagen. Es una T radial-centípeta-centífuga (de flujo cruzado o “crossflow”)
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La Rueda Hidráulica
Ingeniería Civil 20
destinada, según su inventor (DonátBánki, Hungría, 1859-1922), a reemplazar
a la TP; pero que, a pesar de su buen rendimiento, ha alcanzado solo una
difusión.
TIPOS DE RUEDAS HIDRÁULICAS
Los motores hidráulicos llamados ruedas, pueden considerarse subdivididos, según la
forma en que principalmente acciona el agua, en:
Ruedas hidráulicas comunes
Ruedas de impulso
Ruedas de reacción.
En las ruedas hidráulicas comunes el agua obra principalmente por su propio peso,
llenando unos cubos o cajones que al moverse hacia abajo ponen en movimiento la
rueda. Otra característica de las ruedas hidráulicas comunes es que el agua deja los
cubos por el mismo sitio por donde entró, mientras que en el resto de los motores
hidráulicos no sucede así. En las ruedas de reacción y las turbinas, el agua tiene una
circulación constante a través de unos canales curvos de que están provistas. Aparte
de lo anterior tienen diferentes características propias, tales como su forma de
construcción, su número de revoluciones, etc., según se irá indicando en lo que sigue.
Por existir todavía en trabajo a pesar de su antigüedad, numerosas instalaciones de
ruedas hidráulicas comunes, daremos a continuación una breve descripción de las
mismas, deduciendo a la vez los valores aproximados de sus eficiencias.
Ruedas hidráulicas comunes
Entre las ruedas hidráulicas comunes pueden distinguirse tres formas distintas que se
diferencian entre si por el lugar donde se hace la alimentación o admisión del agua
que las mueve, originándose en esta forma las ruedas de alimentación por arriba; las
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La Rueda Hidráulica
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ruedas de alimentación lateral o de costado y por último, las ruedas de alimentación
por abajo.
Ruedas Hidráulicas comunes, de alimentación por arriba
En esta forma de ruedas el agua entra por la parte superior y obra principalmente por
su peso; sin embargo, en la mayor parte de ellas un valor apreciable de energía
cinética es entregado también a la rueda.
La figura 14 muestra
esquemáticamente una rueda de este tipo.
Los cubos están formados por aspas odivisiones hechas en dos partes, una A, en
dirección radial y otra B, inclinada en
dirección conveniente definida por el
proyecto diseño; el fondo del cubo esta
formado por una superficie cilíndrica o piso
F; los costados son hechos por dos cubiertas
o cachetes laterales E.
El total esta atornillado a una serie de brazos
radiales fijos a los cubos y soportados por el eje.
Análisis
Sea h, la caída total desde la superficie del agua en el canal de llegada hasta la
superficie del libre del agua en el canal de desfogue; sea W el peso del agua entregada
a la rueda por cada segundo de tiempo.
La energía teórica del agua será igual Whkgm/s. La caída total h, puede considerarse
divida en tres partes: ho que es la altura de carga media por la cual se llena los cubos;
(h-ho-h1) que es la altura media a lo largo de la cual descienden llenos de agua los
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cubos y h1 que es la parte de la altura que queda entre el punto donde se vacían los
cubos y el nivel de la superficie libre de las aguas en el canal de desfogue.
El agua golpea el cubo con una velocidad v o, aproximadamente igual a ; los
cubos se mueven con una velocidad periférica u, aproximadamente en la misma
dirección de vo; esto trae consigo una perdida de carga por choque:
)
El agua entonces desciende la altura media (h-ho-h1) accionando la rueda por su
propio peso; finalmente se vacia el cubo y el agua alcanza el nivel de desfogue
animada de una velocidad absoluta v1 que da lugar a que una parte de energía
disponible se ha desperdiciada. Por consecuencia la eficiencia de la rueda estará
expresada por:
)
Puesto que el agua al empezar a dejar el cubo tiene una velocidad u y luego desciende
de una altura h1, su velocidad al llegar al desfogue será:
Los cubos son hondos a fin de retener el agua lo más posible y además tienen
una forma semejante a la de la trayectoria del agua
a la salida del canal alimentador, evitando el choque
que se produce.
Ruedas como la descrita, han sido construidas hastade 15 m de diámetro. En estos casos la potencia
estimada por un eje mediante un pequeño piñón
que engrana a una rueda dentada fija en la
circunferencia de la rueda. En otras ocasiones la
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potencia se toma directamente de la flecha misma de la rueda mediante una
transmisión de engranes la velocidad teórica mas ventajosa, es
pero
prácticamente se encuentra que u=.4 v0 llegando a ser la eficiencia de un 70 a un 85%.
Una gran ventaja de las ruedas de alimentación por arriba es que su eficiencia es masalta en épocas de estiaje, cuando la alimentación disminuye, puesto que los cubos se
llenan tan solo parcialmente y no empiezan a vaciarse sino hasta llega r a un punto
mas bajo que cuan están completamente llenos; por tanto h1 se vuelve mas corta y
aumenta la eficiencia. La principal desventaja de estas ruedas esta en su tamaño y
costo de construcción.
Su velocidad siendo fija, comúnmente entre 1 a 2 m/s de velocidad periférica,
hacen necesaria la instalación de una compuerta y de una transmisión de engranescostosa a fin de mover la maquina a una velocidad conveniente. Se emplean para
cargas de 3 a 12 m aunque se llegan a utilizar para mayores alturas también. Una
velocidad periférica mayor que la comúnmente empleada trae consigo un desperdicio
de agua que sale de los tubos obligada por la fuerza centrifuga.
El numero de cubos y su profundidad es determinada a veces por formulas, pero ello
mas bien materia de experiencia.
El ancho de la rueda, paralelo al eje, es gobernado por la cantidad de agua que
actúa sobre la rueda y debe ser tan grande que el cubo no se llene completamente a fin
de reducir el valor de h1. Si el nivel del desfogue es constante, la parte mas baja de la
rueda debe quedar limitada a este nivel, pero si es variable debe darse la holgura
necesaria para evitar interferencias y resistencia en época de máximo nivel.
Estas preocupaciones son necesarias en la tensión a que la dirección del movimiento
de los cubos, en la porción inferior de la rueda, es opuesta ala corriente en el canal dedesfogue y una ligera inmersión ofrecerá una gran resistencia adicional. Esta
dificultad algunas veces es compensada, por alguna razón que queda ahogada la rueda
de 10 a 12 cm, adaptando un dispositivo que haga que el agua de alimentación entre
en sentido contrario, mediante lo cual esta es introducida en la parte posterior en vez
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de serlo en la parte anterior, obligando a la rueda a girar en sentido contrario, de tal
manera que los cubos se mueven a la dirección de la corriente en el desfogue.
Rueda de alimentación lateral o de costado
Este tipo de rueda esta proyectado para recibir el agua por un costado mas o
menos al nivel de su diámetro horizontal. Su posición inferior se mueve en direcciónde la corriente de desfogue, por esta razón la rueda puede quedar ahogada una
profundidad de 10 a 15 cm por lo cual su empleo es conveniente para nivel variable en
el canal alimentador y en el desfogue.
Es evidente por la manera o disposición de al admisión, que este tipo sea
aplicado solo para pequeñas caídas de 2.5 a 4.5 m puesto que para mayores caídas el
tamaño de la rueda lo hace impracticable. Es claro que el agua obra tanto por efecto
del impulso como por gravedad, por lo cual para evitar la salida del agua de los cubosantes de que llegue a su posición mas baja, el cuadrante inferior de la rueda esta
cubierto, obligando así prácticamente a que toda, o casi toda el agua, se conserve
dentro del cubo hasta llegar al punto inferior de
su recorrido.
Este tipo de rueda esta proyectada para recibir
el agua por un costado poco más o menos al
nivel de su diámetro horizontal, su porción
inferior por consecuencia se mueve en
dirección de la corriente de desfogue, razón por
la cual la rueda puede quedar ahogada a una
profundidad de 10 a 15 centímetros lo que hace
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que su empleo se conveniente para niel variable en el canal alimentador y en el
desfogue.
Por la manera o disposición de la admisión, que este tipo sea aplicado solo para
pequeñas caídas de 2.5 a 4.5 metros; puesto que para mayores caídas del tamaño de larueda lo hace impracticable. Es claro que el agua obra tanto por efecto de impulso
como por gravedad, por lo cual para evitar la salida del agua de los cubos antes de que
lleguen a su posición mas baja, el cuadrante inferior de la rueda esta cubierto,
obligando así prácticamente a que toda, o casi toda el agua, se conserve dentro del
cubo hasta llegar al punto inferior de su recorrido.
En la figura 16, el agua es conducida desde su derivación por medio de un canal,
llegando al extremo del cual se le hace pasar por un orificio A que controla la admisión
mediante la regulación del
tamaño del orificio.
En la figura 17, el control de la
admisión es hecho mediante una
compuerta de deslizamiento quecubre una serie de aberturas A,
en la extremidad inclinada del canal, una o más de las cuales pueden cerrarse
deslizando la compuerta. Los canales directrices tienen por objeto obligar al agua a
entrar al cubo en la dirección más favorable para una buena eficiencia. En el
dispositivo indicado en la figura 17, observamos la manera con la que el agua entra al
cubo, encontrando que las entradas de los cubos prácticamente están cubiertas por la
extensión de los canales guías, siendo evidente por tanto la necesidad de orificios pordonde pueda escapar el aire desalojado y los cuales se encuentran en la placa que
forma el piso, tal como se indica en B.
Trabajo y eficiencia
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En las figuras 16 y 17 se indica que el agua entra a través de los orificios A bajo una
carga hₒ que produce una velocidad teóricamente igual a C₁ √ghₒ en la cual C₁
expresa el valor del coeficiente de velocidad del orificio A. El agua estando confinada
entre las aspas y la superficie curva del costado, accionará por su propio peso a lo
largo de la altura h2 que es aproximadamente igual a (h-h0), finalmente, el agua saldrá
al nivel del desfogue con una velocidad u o sea la velocidad de la circunferencia de la
rueda. El razonamiento empleado para las ruedas de admisión por arriba, puede
aplicarse a este caso, haciendo la caída h1 = 0 obteniendo conclusiones que podrían
considerarse aplicables aproximadamente al caso de las ruedas de admisión por un
costado.
Por tanto las siguientes relaciones serán ciertas aproximadamente;
U=
(teórica)
)
Las fórmulas anteriores, claro que no se ven realizadas exactamente en la práctica,
puesto que de ningún modo podrán ser expresadas algebráicamente las pérdidas por
choque, espuma y fugas a lo largo de la superficie curva del costado. Si con objeto de
evitar las fugas entre la rueda y el costado se diera a la hoguera un valor menor de 4.5
a 5 mm, resultaría un aumento considerable en la fricción y también si la rueda, por
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cualquier circunstancia estuviera ligeramente excéntrica tendría lugar choques
repetidos. Por las razones antes dichas, la eficiencia de las ruedas de costado es menor
que la de las ruedas de admisión por arriba, siendo sus valores usuales de un 50%
para ruedas pequeñas y aproximadamente de un 75% para ruedas grandes bien
proyectadas.
Ruedas de vertedero
Cuando la caída no es grande, las ruedas algunas veces son proyectadas para recibir
agua en un punto apreciablemente debajo del diámetro horizontal, en cuyo caso,
frecuentemente se les
designa como ruedas de
vertedero, no siendo ésta
otra cosa que una rueda de
costado con admisión baja.
La eficiencia de esta ruedaes mucho menor que las
que tienen las ruedas
regulares de costado. Las mejores ruedas de vertedero se han construido con
diámetros comprendidos entre 3.5 y 7 m, girando con velocidades periféricas de 2 a 3
m/s.
Ruedas de alimentación por debajo
Estas ruedas, estánprovistas de aspas planas
radiales, colocadas en tal forma, que el agua
choca solamente contra las aspas inferiores y
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Ingeniería Civil 28
en una dirección aproximadamente horizontal; pudiendo por tanto y en cierto sentido,
considerar que las ruedas de alimentación por debajo son un caso especial de las
ruedas de costado, operadas totalmente por el impulso del agua en movimiento.
Tanto en este tipo de ruedas, como en el anterior y por las razones antes expresadas,se encuentra en la practica que la eficiencia y el trabajo máximo son menores que los
calculados empleados con algunas formulas, así por ejemplo, para las ruedas de
alimentación por debajo, en la práctica se encuentran eficiencias comprendidas entre
20 y 40%, correspondiendo la eficiencia menor para el caso de ruedas colocadas en
una corriente de agua no confinada; como es el caso de una rueda instalada sobre un
lanchón anclado en la corriente de un río, pudiendo esperarse las mas altas eficiencias
prácticas para las ruedas bien construidas, en las cuales la corriente de agua accionede tal manera que no tenga lugar un escurrimiento lateral. La figura anteriores un tipo
de rueda de admisión por debajo, con aspas planas radiales, trabajando bajo una carga
de agua. Observando la figura se ve que la rueda esta instalada en un canal cuya
plantilla es circular y cuyo radio es un poco mayor que el de la circunferencia exterior
de la rueda. La compuerta de deslizamiento que sirve para regular la admisión esta
inclinada unos 45° a fin de que su arista inferior quede lo más cerca posible de la
circunferencia de la rueda.
Por este medio las aspas son mantenidas fuera del contacto del agua en movimiento
hasta que casi se encuentran en posición vertical. La ligera caída en el canal, después
de la rueda, compensa algo las pérdidas por fricción en el paso por el orificio de la
entrada. El canal circular es seguido de un tramo de plantilla ligeramente inclinado,
con el fin que el agua conserve su velocidad uniforme después de haber dejado la
rueda, hasta llegar a un punto mas retirado, en donde el lecho del canal tiene una
brusca inclinación en forma de escalón.
La altura de la abertura del orificio de alimentación tiene generalmente entre 0.2 m
como mínimo a 0.5 m en época de crecientes.
La rueda de alimentación por debajo es relativamente de alta velocidad, por tanto
puede hacerse más compacta que los tipos antes descritos; su construcción e
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instalación son extremadamente simples y desde este punto de vista es económica;
pero su eficiencia, como se ha dicho, es más baja que la de los otros tipos.
Es conveniente solo para instalaciones muy sencillas, para mover de relativa alta
velocidad, donde se disponga de un amplio gasto y baja carga.
El campo de acción de las ruedas hidráulicas comunes antes descritas queda resumido
en la tabla que sigue, en donde se han puesto las principales características de ellas,
tales como el diámetro, el numero de revoluciones admisible y el rendimiento normal,
pudiendo reducirse en conclusión que el empleo de esta clase de ruedas hidráulicas
debe ser muy reducido en la actualidad
FUNCIONAMIENTO DE LA RUEDA HIDRÁULICA
Existen muchos tipos de ruedas hidráulicas, pero en cualquier caso el funcionamiento
es siempre el mismo: mediante un canal se desvía cierta cantidad de agua del río, la
cual se hace entrar a gran velocidad y en cantidad suficiente en el molino. Al llegar, el
agua choca contra las palas de una rueda hidráulica que transmite a lo largo de su eje
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Ingeniería Civil 30
el movimiento a otras piezas tales como poleas, engranajes o bielas que comunican el
giro de la rueda hidráulica a las muelas, los martinetes o cualquier otro mecanismo
que gire u oscile.
Dependiendo de su funcionamiento y al mecanismo de llegada del agua, las ruedas
hidráulicas verticales se clasifican en las siguientes:
Rueda hidráulica con canal de alimentación superior
Las ruedas se deslizan empujada por el agua que llega desde arriba, permitiendo unamayor explotación del agua disponible debido a que esta cae y la fuerza de gravedad
realiza todo el efecto. Se usa en lugares donde hay alturas suficientes y el caudal es
muy poco. El rendimiento es bastante alto (80 a 90 %). La rueda es trabajosa en su
fabricación (impermeabilidad)
Ruedas hidráulica con canal de alimentación en la altura del eje
El agua entra en la rueda en la altura del eje. Su eficiencia e menor que en el caso delas ruedas con canal de alimentación superior. Se necesita un empaque entre la rueda
y canal de alimentación.
Se usa este tipo de rueda en casos donde hay muchos cambios en el nivel del agua de
entrada y de salida.
Rueda hidráulica con canal de alimentación inferior
Este es el tipo de rueda más simple. Estas, aprovechan solo la impulsión de la
corriente del agua, aunque el problema de esta consiste en que no hace uso del peso
del agua que cae y, en lugar de eso, depende del flujo de la fuente de agua. Su
rendimiento es muy bajo (15 a 20 %) en el caso de un canal de alimentación forzado.
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Ingeniería Civil 31
En los molinos de barco el rendimiento es aún más bajo porque el agua tiende a
desviarse a los lados de la rueda.
Rueda hidráulica reversible
Es una rueda hidráulica con canal de alimentación superior con la posibilidad de
cambiar el sentido de rotación, esto permite que sea utilizada para levantar cargas.
Durante la historia, se desarrollaron varios mecanismos para encender y apagar
maquinarias independientes movidas por las ruedas hidráulicas. Para detener las
operaciones en los molinos frecuentemente se pueden encontrar compuertas que
controlan el flujo del agua que va a las aspas. Para desacoplar algunas maquinarias, las
correas de los engranajes son empujadas hacia poleas que rotan libremente, para que
así estos no sean empujados por el eje principal de la rueda.
Con todo lo expuesto anteriormente, es posible darse cuenta que estas ruedas
hidráulicas aunque han sido remplazadas por maquinaria mucho más eficiente, que
los han convertido en obsoletos; los que aún se conservan son una prueba viviente de
una importante era tecnológica y con suerte serán conservados para el deleite de
futuras generaciones.
RUEDAS DE IMPULSO
EL nombre de las ruedas de impulso es usado algunas veces, comprendido
únicamente aquellas formas especiales de motores hidráulicos accionados por un
chorro de agua que sale de un chiflón y choca contra aspas o paletas de forma especial
que se encuentran fijas en la circunferencia de la
rueda. Esta definición excluye impropiamente
motores tales como la rueda hidráulica común de
alimentación por debajo, antes vista, que es una
verdadera rueda de impulso, puesto que es
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accionada por el impulso de una ancha corriente de agua.
Subdivisión de las ruedas de impulso
Las ruedas de impulso pueden subdividirse según la dirección general que sigue elagua al ejercer su acción sobre las aspas o cangilones, en: radiales; axiales o paralelas
y en tangenciales.
Ruedas de impulso radiales.- Las ruedas de impulso radiales pueden ser a su vez,
centrífugas o centrípetas, según que el agua salga hacia la periferia o hacia el centro de
la rueda. Para deducir las relaciones que deben existir entre los elementos que forman
estas ruedas, a fin de obtener la eficiencia máxima, en la cual ambos tipos pueden
quedar considerados, de tal manera que el análisis y conclusiones a que se llegue en
ella, serán aplicables a ambos casos.
Condiciones para una eficiencia hidráulica máxima.
Antes ya se había deducido que las condiciones suficientes y necesarias para obtener
de un motor hidráulico su eficiencia hidráulica o teórica máxima son dos:
Primera: que el agua entre sin choque
Segunda: que el agua salga sin velocidad.
Para que pueda verificarse la primera condición, es decir, para lograr que el agua
entre sin choque se hace necesario, como ya se ha dicho, que la dirección de la
velocidad relativa o sea la dirección de una de las velocidades en que se descompone
la velocidad absoluta al entrar al motor, sea tangente al aspa, lo cual tiene verificativo
si la velocidad relativa forma con la dirección de la velocidad de arrastre o periféricaun ángulo igual al ángulo constructivo.
Respecto a la segunda condición, o sea que el agua salga sin velocidad, debemos decir
que, para que esto se verifique se hace necesario que las velocidades sean iguales y
directamente opuestas, a fin de que la velocidad absoluta de salida del agua sea nula.
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Ingeniería Civil 33
Esto significa que el agua al salir de un aspa chocará contra la parte posterior de la
inmediata siguiente, produciendo con ello una contrapresión y dificultando además la
salida libre del agua después de haber accionado esta.
Cuando una rueda ha sido construida satisfaciendo las condiciones anteriores y se lehace trabajar a su velocidad mas ventajosa, la velocidad absoluta de salida y la
eficiencia teórica máxima, nos indicara por medio de un análisis que para obtener una
alta eficiencia, los ángulos de entrada y de salida deberán ser pequeños, sin llegar a
ser nulos, puesto que entonces el agua no podría entrar a la rueda ni tampoco salir ni
ser desalojada. En la práctica se encuentra comúnmente valores de ángulos
comprendidos entre 15 y 30 °.
La forma práctica de la curva del aspa entre los puntos donde entra y donde sale el
agua no es de importancia, con tal de que esta sea una curva suave y gradual.
Rueda de impulso Girard
La rueda Girard, corresponde al tipo de rueda de impulso
radial centrifuga, y consiste esencialmente de dos coronas
planas y delgadas entre las cuales van unidas las aspas
curvas, estando el conjunto ligado rígidamente a un eje,
formándose así la rueda propiamente dicha o rodete móvil.
La alimentación se hace mediante un chiflón colocado dentro
de la rueda, lo cual da origen a que la rueda sea radial
centrífuga. Si el chiflón fuera colocado por la parte exterior, la
rueda seria radial centrípeta. Pueden ponerse varios
chiflones localizados simétricamente alrededor de la circunferencia. El análisis y lasconclusiones a que se llega en el anterior apartado son aplicables a estos casos.
Ruedas de impulso axiales o paralelas
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En este tipo de motores, la rueda o rodete móvil, es
horizontal, siendo accionada por un chiflón dirigido
hacia abajo e inclinado según un ángulo conveniente,como en la siguiente figura que muestra la planta y
una parte desarrollada de la sección cilíndrica de la
rueda.
El agua al pasar a través de la rueda, ni se acerca ni se
aleja del eje de rotación, siendo éste el motivo por el
cual a este tipo se designa como rueda de impulso
axial o paralela.
La corriente de agua entra en A y pasa sobre el aspa hacia abajo, con una velocidad
relativa, manteniéndose siempre a la misma distancia del eje, saliendo por B con la
misma velocidad (suponiendo nulos los efectos de la fricción y de la gravedad).
Como en los casos anteriores para evitar las perdidas por choque en la entrada en A, la
dirección de la velocidad debe ser tangente al aspa en ese punto y a fin de que la
eficiencia sea la máxima, la velocidad absoluta de salida, debe buscarse que sea lo
penor posible lo cual se consigue haciendo que sean iguales en el punto de salida B.
En lo anterior no se ha tenido en cuenta la acción e la gravedad que obra sobre el agua,
cuando esta desciende la distancia vertical entre A y B, lo cual haría aumentar como es
natural los valores de velocidades.
Cuando el gasto lo requiera, es evidente que pueden emplearse en este tipo de ruedas
varios chiflones para accionarla.
Ruedas de impulso tangenciales
De este tipo de ruedas existen
varias formas que han sido
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Ingeniería Civil 35
ampliamente desarrolladas y que difieren únicamente en detalles, estas son conocidas
por distintos nombres comerciales, tales como la Pelton,Cascada, etc. Esencialmente
este tipo consiste de una rueda montada sobre una flecha que transmite la potencia
recibida de uno o varios chiflones de agua que entra en dirección tangencial y que
acciona una serie de aspas elipsoidales de doble cazoleta fijas en la periferia de la
misma.
La forma mas sencilla de un motor de este tipo sería una rueda provista de aspas
planas y radiales tal como la considerada al estudiar el caso de la corriente que choca
contra una serie de aspas planas y radiales de una rueda que gira; pero ya sabemos
que esta forma solo da una eficiencia de un 50% como máximo, por lo cual en la
práctica tendrán que emplearse invariablemente ruedas provistas de aspas curvas.
Forma de las aspas curvas
La figura anterior muestra una forma defectuosa de aspa curva, puesto que el agua
después de golpear
el labio exterior, es
obligada a cambiar
bruscamente dedirección,
produciéndose el
choque y la
pérdida de energía
correspondiente,
es defectuosa
además, porque la corriente de agua después de dejar el aspa golpea la parte posteriordel aspa siguiente, produciéndose por este motivo una contrapresión con su pérdida
de energía relativa.
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Ingeniería Civil 36
Esta razón ha hecho que las aspas o
cangilones sean construidos tal como
se ve en la siguiente figura, para serempleados en ruedas Pelton, que
representa la mejor forma de este
tipo de motores.
Las aspas curvas o cangilones,
mostrados en la figura anterior están
formados por una doble taza o cazoleta de
forma elipsoidal, con un partidor central
proyectado para dividir y desviar la
corriente lateralmente, obligándola al
mismo tiempo a cambiar de dirección en
sentido opuesto a la dirección del
movimiento. Las aspas o cangilones están
ligados a la rueda por medio de las dos orejas que tienen y se fijan a la misma
mediante pernos, como se ve en la siguiente figura, lo cual permite que fácil y
rápidamente sean quitados y remplazados los cangilones cuando por motivo de
desgaste o ruptura esto se haga necesario.
CARACTERÍSTICAS DE LAS RUEDAS DE IMPULSO TANGENCIALES(RUEDAS PELTON)
El análisis y conclusión a que se llego al analizar el caso del chorro que choca
tangencialmente sobre las aspas curvas de una rueda, es aplicable exactamente al caso
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Ingeniería Civil 37
que las ruedas de impulso tangenciales, principalmente en lo relativo a la velocidad
mas ventajosa, y que en su eficiencia puede ser igual a un 100% si se consigue que la
corriente salga, después de accionar, en sentido totalmente opuesto a la dirección del
movimiento del aspa.
En la práctica no puede conseguirse, ya que el ángulo no puede ser nulo sin que exista
una interferencia entre el agua que sale y la parte posterior del aspa que sigue, siendo
esto igualmente cierto cuando la corriente es desviada lateralmente. Por tanto, los
cangilones son hechos de tal forma que pueden arrojar la corriente desviada, salvando
el cangilón siguiente, lo cual exige que el ángulo tenga un cierto valor y por
consecuencia que la eficiencia no llegue, ni aun teóricamente a un 100% de eficiencia.
Sin embargo, las ruedas Pelton alcanzan probablemente, más que ninguna otra, arealizar las condiciones teóricas de máxima eficiencia.
Análisis de una rueda Pelton
Las conclusiones teóricas obtenidas de
análisis, no pueden ser satisfechas o
alcanzadas en la práctica, requiriéndose
por tanto, el que sean hechas algunas
modificaciones para compensar
principalmente, el efecto de la fricción del
agua en el chiflón y en los cangilones, la
fricción entre el eje principal y los
cojinetes, la resistencia del aire y la del
agua que salpica contra las partes móviles
y finalmente el hecho de que el ángulo no
puede ser nulo.
Las relaciones empíricas que tienen en
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Ingeniería Civil 38
consideración en las ruedas Pelton, los factores antes dichos, de acuerdo con los
fabricantes de este tipo de motores, pueden resumirse como sigue:
1) El coeficiente de velocidad del chiflón varía entre 0.95 y 0.99 pudiendo
considerarse 0.97 como valor medio.2) La velocidad periférica de arrastre de la extremidad del radio puede
considerarse igual a 0.47v, siendo llamado el coeficiente numérico de v,
relación de velocidad y siendo representado por φ cuyo valor teórico es de 0.50
.
3) El ángulo con el que el agua es desviada por el cangilón, tiene un valor medio
de 5°.
4)
El ancho axial del cangilón B, es igual a 3.5 a 4 veces el diámetro del chorro.5) La relación entre el diámetro de la rueda y el diámetro del chiflón
“comercialmente” es obligada a quedar entre y 6 siendo sus límites
prácticos de 9 y 20.
6) El ancho axial de la envoltura metálica, cercana al chorro, no debe ser menor de
15 veces el diámetro de éste, con el fin de evitar que el agua que ha chocado
contra la envoltura sea salpicada contra los cangilones y presente una
resistencia al movimiento de los mismos.
7) La colocación de los cangilones sobre la periferia de la rueda, así como la
situación de las boquillas, debe hacerse como sigue: Los cangilones no deben
ser colocados exactamente en sentido radial, sino en forma tal, que cuando el
chorro alcance de lleno el cangilón, la arista del partidor se encuentre normal a
la dirección del chorro, quedando los cangilones separados de la boquilla por el
espacio de una división. El chorro debe atacar lo más cerca posible la periferia
de la rueda, a la cual se unen los cangilones a fin de que las pérdidas de salida
sean lo menor posible, haciéndose para ello que la circunferencia del centro del
chorro, corte a los cangilones a los 2/5 de la altura.
8) La eficiencia práctica de una Pelton puede llegar a un 90%, en grandes
unidades, o a un 85%, en condiciones ordinarias. Para calcular la eficiencia
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La Rueda Hidráulica
Ingeniería Civil 39
práctica, los caballos de agua estarán basados en la carga neta efectiva a la
entrada del motor y no en la carga total.
Ruedas Pelton alimentadas por chiflones o boquillas
Si a causa de las restricciones 1), 2) y 5) antes dichas, una sola boquilla o chiflón
no es suficientemente grande para desarrollar la potencia deseada a la velocidad
de rotación estipulada, puede emplearse un dispositivo de chiflones múltiples.
Estos podrán ser 2, 3 o 4 espaciados alrededor de la rueda, o bien pueden
emplearse 2 o 3 ruedas montadas sobre la misma flecha. En algunos casos una
combinación de ambos sistemas es preferible, empleando por ejemplo dos
boquillas en cada una de las ruedas gemelas.
Las ruedas sencillas que tienen 3 y 4 chiflones, son montadas generalmente en un
eje vertical, pero en cualquier caso 4 chiflones es el máximo que puede emplearse
por la rueda o 6 por unidad.
Regulación de potencia y velocidad de rotación en las ruedas Pelton
Los motores hidráulicos por lo general son acoplados directamente a generadores
eléctricos, los cuales alimentan un sistema de distribución sujeto a cambios de
toma o carga, motivando este hecho que el motor hidráulico tienda a variar su
velocidad de rotación cuando cambia la potencia que este deba desarrollar. Esto
como es natural no es debido que suceda, puesto que tanto el motor como el
generador, deben invariablemente trabajar a una velocidad constante. A fin de
conseguir, no obstante la existencia de variaciones de potencia por desarrollar
antes dichas, que el motor hidráulico trabaje a una velocidad constante (su
velocidad mas ventajosa), es indispensable adaptar al motor hidráulico un
dispositivo que pueda regular fácil y eficientemente la admisión del agua al motor
a fin de que este pueda desarrollar una mayor o menor potencia.
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Para ese objeto, una simple válvula de compuerta instalada en la tubería de llegada
serviría de un modo tosco para ajustar la salida del agua a la demanda de energía,
pero dicha válvula presenta graves inconvenientes que la hacen inadmisible, por el
hecho de que al ser disminuido el escurrimiento por reducción brusca de sección,
se destruye directamente energía, puesto que la válvula no puede disminuir el
gasto sin reducir la carga simultáneamente; en segundo lugar, la reducción de
carga en la boquilla trae consigo una menor velocidad del agua en el chiflón y por
tanto una perturbación en la relación de la velocidad, y como resultado una
reducción en el valor de eficiencia del motor.
Una
manera más efectiva, en el caso particular de las ruedas Pelton, de reducir laalimentación sin destruir la energía y que es la forma actualmente empleada,
consiste en adaptar al chiflón una válvula de ajuste, como se ve en la siguiente
figura, formada por un punzón o aguja que corre longitudinalmente dentro del
chiflón y cuya cabeza o extremidad tiene una forma especial. A medida que la aguja
entra más y más en la abertura de la boquilla, de la posición A a la B, va quedando
un espacio anular menor y menor a través de un chorro circular. Por consecuencia
el efecto del dispositivo consiste simplemente en variar la sección del chorro.
El único inconveniente que presenta el uso de la válvula de aguja, es que al
cerrarse rápidamente la boquilla (por la acción de un regulador automático), se
corre el riesgo de producir fuertes presiones dinámicas o de inercia dentro de la
tubería forzada, especialmente cuando esta trabaja a una gran presión. Debe por
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tanto, ser completado el dispositivo anterior con un deflector, el cual en caso de
una reducción brusca de la carga mecánica desvía el chorro total o parcialmente
hacia afuera de los cangilones, desperdiciándose necesariamente el agua por el
momento. Teniendo ya la velocidad de la Pelton bien controlada, la aguja puede
ser movida lentamente hacia adelante al mismo tiempo que el deflector regresa a
su posición primitiva.
Servo motor para la regulación automática de las ruedas Pelton
Un sistema típico de regulación automática para las ruedas Pelton, esta indicado
esquemáticamente en las siguientes figuras
El dispositivo, que por su sensibilidad responde perfectamente a las
variaciones de velocidad, iniciando el movimiento descrito anteriormente, consiste
de un regulador de fuerza centrífuga, ligado por bandas o engranes a la flecha
motora de la Pelton. Todo lo que este regulador tiene que hacer, es operar una
pequeña válvula de tipo pistón; el trabajo efectivo de mover la aguja, o el deflector
y la aguja, es hecho por un servo-motor de aceite a presión que consiste
esencialmente, de un pistón que se desaloja dentro de un cilindro. Existen casos en
que se emplean servo-motores separados, uno para mover la aguja y otro paramover el deflector, pero hay otros en los cuales un solo servo-motor opera tanto la
aguja como el deflector. La energía que el servo-motor utiliza es tomada de una
bomba de aceite movida por la flecha motora de la Pelton, existiendo parte de esta
energía en la cámara de presión que esta sobre la bomba.
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Ingeniería Civil 42
En esquema anterior se
considera la posición de las
partes constitutivas,
suponiendo una velocidad
establecida correspondiente
aproximadamente a una
carga mecánica media. Si
ahora se supone una
reducción rápida en la carga
mecánica de la pelton, esta
aumentará su velocidad de
rotación, haciendo que el
regulador levante la válvula
de control y sea abierto el
conducto a, entrado el aceite
a presión al cilindro del
servo-motor, obrando por la
cara A y haciendo bajar el
émbolo, con lo cual lapalanca P bajara también
girando alrededor de su
punto fijo y el deflector
cortara el chorro desviando
una parte del agua. La aguja que estaba detenida por la palanca P no avanza ahora
solidariamente con dicha palanca debido a la hendidura h, sino que es empujada
lentamente por el agua a presión que pasa por un orificio reducido O y que obrasobre el émbolo C. La aguja en su avance, lega a encontrarse de nuevo con el tope
de la hendidura que le impide seguir cerrando. Si por el contrario sobreviene una
carga brusca, el émbolo A, funciona en sentido contrario y tira rápidamente la
aguja hacia atrás (lo que sucede fácilmente gracias a una válvula que tiene el
émbolo C que da salida rápida al agua que hay encima de él). En los reguladores
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bien construidos, los movimientos están determinados con tal precisión, que el
deflector permanece en casi todas las posiciones casi rozando el chorro.
Velocidad de vacío en una Pelton
En el caso de una falla del mecanismo que regula la velocidad de la Pelton, la rueda
aumenta su velocidad por la falta de carga mecánica, hasta alcanzar un valor
mucho mayor de su velocidad normal. Esta velocidad límite, la máxima que la
Pelton en cualquier circunstancia puede alcanzar, es llamada la velocidad de
rotación en vacío y puede llegar a ser hasta de un 80 o un 90% mayor que la
velocidad normal. La Pelton y el generador al cual esta acoplado, deben
invariablemente, estar proyectados para resistir el aumento del esfuerzoproducido por la fuerza centrífuga desarrollada en el caso poco probable, pero
posible, de que el motor trabaje en vacío.
BIBLIOGRAFIA
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media.html
http://www.buenastareas.com/ensayos/Rueda-Hidraulica/1872263.html
http://upcommons.upc.edu/revistes/bitstream/2099/3320/1/24article2.pdf