turbina pelton 4

7/28/2019 Turbina Pelton 4

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VI.- TURBINA PELTON

VI.1.- FUNCIONAMIENTO

La s turbina s P elton son turbina s de chorro libre que se a comodan a la ut iliza cin de sa ltos de

a gua con mu cho desnivel y cau da les rela tiva mente pequeos, Fig VI.1, con m rgenes de empleo

ent re 60 y 1500 metr os, consigu indose rend imient os m ximos del orden del 90%.

Cazoletas

En una rueda P elton la d ireccin del chorro no es ni axia l ni rad ial, sino tan gencia l; el element o

const ructivo ms import a nt e es la cazoleta en forma de doble cuchar a , Fig VI.2, que recibe el cho-

rro exacta mente en su a rista media donde se divide en dos, circulando por su cavida d y r ecorriendo

hasta la salida casi un ngulo de 180, contrarrestndose as los empujes axiales por cambio de

direccin de los dos chorros.

El a gua una vez sa le de la ca zoleta , ca e libremente una cierta a ltura , pasa ndo al ca uce inferior.

Inyector

El inyector es el rgano regulador del caudal del chorro; consta de una vlvula de aguja cuya

carrera determina el grado de apertura del mismo; para poder asegurar el cierre, el dimetro

m ximo de la a guja tiene que ser superior al de salida del chorro cuyo dimet ro d se mide en la sec-cin contra da, situ a da a gua s a ba jo de la sa lida del inyector y en donde se puede considera r qu e la

presin exterior es igual a la a tm osfrica.

El chorro est const ituido por un ncleo centra l convergente de a gua y un a seccin an ula r cre-

ciente que cont iene una emulsin de a gua y a ire.

Con el fin de a segura r un a buena regulacin, conviene disea r el inyector de forma que exista

una proporciona lida d entre la potencia de la turbina y la ca rrera xde la a guja, por cuan to la poten-

cia es proporciona l al ca uda l y ste, a s u vez, a la seccin de pa so norma l al flujo.

La va ria cin del ca uda l del chorro para regular la potencia se consigue median te una a guja de

forma especia l, con cuyo a cciona miento se puede estr a ngula r la seccin de sa lida de la boquilla; suregulacin puede ser ma nua l o aut om tica median te un servomotor.

Tiene adem s otro sistema de regula cin por desviacin del chorro, que consiste en una superfi-

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cie met l ica l lam a da deflector, que se int roduce en medio del chorr o, dividindolo y desvia ndo una

par te del mismo, de forma que en vez de dirigirse contra las caz oleta s, sale lat era lmente sin produ-

cir n ingn efecto t il.

De esta forma se evita n sobrepresiones en la t ubera, por cua nt o el ca uda l que circula por sta

cont inua siendo el mismo, Fig VI.5.

Cu a ndo se dispone de un solo inyector, el rodete t iene el eje de giro horizonta l y el eje de sa lida

del chorro es ta ngente h orizonta l, inferior a la circunferencia del rodete, cuyo dimet ro se denomina

dimetro Pelton, cayendo el a gua a la sa l ida de la s cucha ra s a l fondo de la t urbina, sin interferir el

giro de la rueda .

Fig VI.1.- Turbina Pelton

Fig VI.2.- Forma de la cazoleta

Fig VI.3.- Inyector

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Fig VI.4.- Turbina Pelton de 6 inyectores

Cua ndo el nmero de inyectores es dos, la t urbina puede ser t a mbin de eje horizont a l, dispo-

nindose los chorros segn dos ta ngentes inferiores a la circunferencia P elton, inclina da s un m ismo

ngulo 30, saliendo el a gua de las cucha ra s sin interferir a la rueda , Fig III .5.

P a ra un n mero superior de inyectores, Fig VI.4, la r ueda P elton es de eje vertical ya que de ser

horizonta l , sera imposible evitar que el agua cay era sobre la rueda a la sa l ida de las cucha ra s. Un

chorro bien diseado no debe tener un di metro d superior a 27 cm, por lo que pa ra esta blecer el

nmero de inyectores ha y q ue part ir de la condicin de qu e su dim etro no sea superior a este lmi-

te, teniendo en cuenta a su vez, el lmite superior impuesto por la velocidad especfica por chorro,

en funcin del sa lto.

El hecho de sustituir un nmero de inyectores de unas dimensiones determinadas, por un

ma yor nmero de inyectores de dimensiones m s pequea s, permit e construir t urbina s de may or

dimetro, girando a una velocidad mayor; sin embargo no se deben sobrepasar ciertos lmites

impuestos por la n ecesida d de eva cuar el agu a convenientemente, a s como la fa tiga del mat erial

de las cucharas sometidas a esfuerzos repetidos, tanto ms frecuentes cuanto mayor sea el

nmero de chorros.

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REGULACIN

Para mantener constante la velocidad de la tur bina, el caudal inyectado tiene que adaptarse en cada ins-

tante al valor de la carga, por lo que la posicin d el inyector t iene qu e a justa rse median te un regulador

que a cta segn la velocidad de la turbina y en el ca so m s genera l, en forma a utomt ica , Fig VI.5.

Si se supone que la tu rbina se ha a celerado, el regulador 7 leva nt a r la v lvula 1 y el aceite a

presin entr a r en el cilindro gran de ha ciendo bajar el mbolo 8, con lo que la pa lan ca 2 bajar y el

deflector 6 cort a r a l chorro desvia ndo una par te del mismo.

El punzn 5 que esta ba r etenido por la pa lan ca 2 no a va nza solidar iam ente con sta , debido al

huelgo de la h endidura 3, sino que es empuja do

lent a mente por el a gua a pr esin que pa sa por

un orificio estrecho, sea lado en la figura y q ue

a cta sobre el mbolo 4.

El punzn en su avance l lega a encontrarse

con el tope inferior de la hendidura 3 que le

impide seguir cerra ndo la sa lida del inyector. Si

sobreviene una carga brusca, el mbolo 8

actuar en sentido contrario, t irando rpida-

mente de la aguja 5 hacia atrs y l levando,

simultneamente, el deflector a su posicin

primitiva.

Cua ndo se uti lizan gra ndes ca udales de a gua y

se emplee un solo inyector, la s cazoleta s resul-

tan muy grandes y pesadas; tambin se

encuentra el inconveniente de que toda la

fuerza ta ngencia l se ejerce en un solo punto de

la rueda, lo que representa un desequilibrio

dinmico.

En consecuencia conviene hacer el montaje de

dos o ma s inyectores cua ndo el ca uda l lo requiera , por lo que las caz oleta s esta r n menos ca rga da s

y, por lo ta nto, ser n m s pequea s.

El par motor se distribuye ms uniformemente sobre la periferia de la rueda, aumenta el

nmero especfico de revoluciones en z y a igualdad de dimetro del rodete, la t urbina a dquiere

una velocidad a ngular ma yor.

VI.2.- TRINGULOS DE VELOCIDADES

En la turbina Pelton, el chorro con velocidad absolutar

c1 golpea simtricamente a la arista

median a de la cazoleta, dividindose en dos par tes igua les y desliznd ose sobre las d os mitad es de

la m isma , sa liendo desvia dos con una velocida d relat iva w2=w1y ngulo de sa lida 2=180En la pr ctica , el ngulo a la entr ada del rodete 1=0, aunque se desprecie la componente de

choque motivada por ta l circunsta ncia ; los dimetros de la ru eda a la entra da y sa l ida son iguales,

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Fig VI.5.- Regulador simple


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por lo qu e las velocidad esr

u1 yr

u2 ta mbin lo sern.

S i: 1 = 0, 2 = 180, la s velocida desr

c1 yr

u1 est n en la misma d ireccin, a l igua l quer

c2 yr

u2 ,

deducindose que:

c1= c1n ; c2 = c2n


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man mx = 2 (11 - 1

2)(1 + ) = 2 (12

2-12

4)(1 + ) =

12

2(1 + )

En la prctica u1 es menor q ue la m ita d de la velocidad del chorro c1 de la forma:

u1 =

c1

2man

y en esta si tuacin:

man = 2 (

12

2 man -

12

4man

2)(1 + )

1 = (1

2 -12

2 man)(1 + ) =

1

2(1 -

man

2)(1 + ) man = 2 (1 -

1

12(1 + ))

La s prdidas en el inyector son de la forma:

Las prdidas en el inyector son de la forma:

hd = c1t2 - c1

2

2 g =

(c12

2) - c1

2

2 g=

c12 (1 - 2 )

2g2

hd = c1t2 - c

12

2 g =

12

2 gH n (1 - 2 )

2g2= H n (1 - 2 )

hd = c1t2 - c1

2

2 g= H n -

c12

2 g

Relacin entre el dimetro de la rueda D, el dimetro del chor ro d y el n especfico de revoluciones ns

para la turbina Pelton de un i nyector

Sust ituyendo en ns los valores del caudal, potencia y nmero de revoluciones, se obtiene:

ns = n NH n5/4 =

Q =d 2

4c1 =

d2

4 1 2 g Hn

N = QHn75= d

2

1 2g H n3 /2

300= 46,36 d 21Hn3/2

u1 = 1 2 gH n =Dn60

; n =601 2gH n

D

=

=601 2gH n

D

1

H n5/4

d 2 1 2g H n3/2

300= 18,211 1

d

D

P ara el caso del agua, = 1000 kg/m3:

ns = 575,81 1 d

D

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que relaciona nscon d/D en fun cin d el rendimient o globa l y los coeficientes ptimos de velocida d 1

y 1. En la pr ctica si se toma n va lores medios: =0,825; 1=0,48; 1=0,98, se obtiene:

ns 248

d

D

que es un resultado ms q ue suficiente para empeza r a t ra bajar .

De a cuerdo con lo visto, nsslo puede va ria r con d/D por cuan to 1 viene impuesto por un sa lto

dado Hn y 1 por la condicin de rend imiento m ximo m x.

La relacin d/D viene limitada por razones de ndole constructivas; si es pequea, se tendr

una rueda de gran dim etro con un chorro de pequeo dimetr o, por lo que las cucha ra s seran muy

pequeas y a l ser el chorro tan fino la potencia sera pequea, lo cual, al t ener que mover un gra n

vola nt e, constituido por la propia rueda y t ener que vencer gr a ndes rozam ientos, debido al peso del

rodete, se obtendra n rendimientos muy ba jos, que har an inut iliza ble la t urbina .

P or el cont ra rio, si d/D es muy gra nde, implicar a t a mbin cucha ra s muy gr an des, por cuant o

debera n recibir un chorro de gra n di metro en compa ra cin con el de la r ueda , present ndose difi-

culta des inherentes a l tama o de la s cuchara s, que ha ran impra cticable la tur bina.

Tabla VI.1.- Parmetros de la turbina Pelton en funcin de la altura neta

Altura neta Hn m 300 400 500 750 1000

N esp. revoluciones 30-26,5 28,5-25,5 22,5-16,5 15,5-12,5 10,5

Relacin de dimetros, d/D 0,125-0,085 0,106-0,077 0,094-0,069 0,065-0,052 0,044

N de cazoletas x 17-20 18-21 18-23 24-28 27-31

N rev. reducido 36,5-38,5 37-39 37,5-39,5 38-40 39,5

Caudal reducido 53-28,2 37,7-21,7 28,2-17,3 13,2-9,35 6,38

ns

Q11

n11

Fig VI.7.- Valores de d/ D, y 1 en funcin de ns

Experimentalmente se ha comprobado que los valores d/D tienen que esta r comprendidos ent re

los lmites siguient es, Fig VI.7:

1

200

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