turbina pelton

FACULTAD DE INGENIRIA – INGENIERA MECANICA

DISEÑO Y CALCULO DE TURBINA PELTON

Turbina Pelton Página 1


RESUMEN

Las turbinas hidráulicas no pueden fabricarse en serie. Cada salto (H, Q) requiere un diseño concreto. La velocidad especifica salto es el parámetro clave para fijar en primer lugar el tipo de turbina y en segundo lugar la forma y el dimensionamiento correspondientes.

Los datos que necesitamos para el diseño son la potencia eléctrica, el caudal, la velocidad de rotación, el rendimiento total estimado y la temperatura del agua para poder definir otros Parámetros.

En el siguiente informe se han realizado cálculos siguiendo un algoritmo determinado de fórmulas para poder determinar una serie de parámetros en el análisis y diseño de turbinas pelton, también se ha logrado hacer el desarrollo de los planos de la turbina pelton, para ello se ha utilizado el programa Inventor.

Se determinó parámetros como la potencia real en el eje, la potencia eléctrica real, el número de cucharas, el número de chorros, el diámetro del chorro, el diámetro del rodete, la altura disponible del sistema, la longitud de arco entre cuchara y cuchara, el número de inyectores, las velocidades de entrada en los inyectores, las dimensiones de la cuchara (diámetro de punta y diámetro exterior) y cálculos internos en la cuchara.



INTRODUCCIÓN

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 más específicamente, la turbina es la encargada de transformar esa energía hidráulica en energía mecánica, para posteriormente convertirla en energía eléctrica con un generador. Como decía la turbina es el alma de una central hidroeléctrica y dependiendo de la turbina que se use es la cantidad de electricidad que se produzca. En este capítulo hablaremos de las turbinas de impulso, y específicamente de la turbina pelton. El presente proyecto trata de los cálculos que se deben seguir para poder fabricar una turbina pelton, se dieron a conocer por el profesor las siguientes características para su elaboración mediante el cálculo.

POTENCIA ELÉCTRICA: 40000 KW.

CAUDAL SUMINISTRADO: 8 m3

s

DENSIDAD DEL FLUIDO : 1000 rpm

PRESION DE ENTRADA Y SALIDA DE LA TURBINA: 101,325 KPa

TEMPERATURA DEL AGUA: 5 °C

Consideramos que la información contenida en este proyecto será de mucha ayuda para diferentes estudios realizados en clases para el desarrollo de turbinas Pelton.



CAPITULO IGENERALIDADES



1.1. OBJETIVOS.

Desarrollar cálculos para la turbina Pelton buscando así básicamente poner en práctica los conocimientos adquiridos mediante el desarrollo del curso.

Elaborar el diseño de la turbina pelton, utilizando los parámetros obtenidos en el cálculo, para ello se ha utilizado el programa de diseño Inventor.

1.2. IMPORTANCIA.La importancia de este proyecto se basa en que a través de este se pueden dar a conocer las diferentes dimensiones de una turbina pelton, en la cual nos servirán para el desarrollo de los planos en cualquier software CAD, para este desarrollo se ha utilizado un algoritmo deducido a partir de fórmulas establecidas en el desarrollo del curso. Es importante porque nos permite conocer más a fondo en forma práctica- teórica un análisis real de una turbina muy usada en la ingeniería de fluidos, como es la turbina pelton.

1.3. REQUISITOS DEL DISEÑO.

Par a la elaboración del diseño se nos brindaron los siguientes datos.

POTENCIA ELÉCTRICA

CAUDAL SUMINISTRADO

DENSIDAD DEL FLUIDO

PRESION DE ENTRADA Y

SALIDA DE LA TURBINA

TEMPERATURA DEL AGUA

: 40000 KW.8 m3

s

1000 rpm 101,325 KPa 5 °C

1.3.1. ANTECEDENTES.

En lo que concierne en el análisis de este tipo de turbinas se puede encontrar una amplia información, como proyectos realizados en centrales hidroeléctricas, informes monografías, tesis que han realizado diferentes grupos de estudiantes e ingenieros en varias universidades u empresas especializadas en este rubro. Pero lo que nos llamó más la atención en la búsqueda de antecedentes o información acerca de este tema fue una tesis presentada por la UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN MARCOS aplicada a una turbina pelton que se encontraba en actividad ubicada en la central hidroeléctrica de Huayanga localizada en Cajabamba en el departamento de Cajamarca a 3082 msnm, donde su informe está dirigido principalmente a los controles de calidad que se deben efectuar durante los diferentes procesos en la fabricación de un rodete pelton de una sola pieza, la cual fue la solución para poda poder erradicar el problema de las erosiones en la parte posterior del filo de ataque.

1.3.2. CARACTERISTICAS DE FUNCIONAMIENTO

* TURBINA PELTON

+FUNCIONAMIENTO

Las turbinas Pelton son turbinas de chorro libre que se acomodan a la utilización de saltos de agua con mucho desnivel y caudales relativamente pequeños, con márgenes de empleo entre 60 y 1500 metros, consiguiéndose rendimientos máximos del orden del 90%.



+ CAZOLETAS

En una rueda Pelton la dirección del chorro no es ni axial ni radial, sino tangencial; el elemento constructivo más importante es la cazoleta en forma de doble cuchara, que recibe el chorro exactamente en su arista media donde se divide en dos, circulando por su cavidad y recorriendo hasta la salida casi un ángulo de 180º, contrarrestándose así los empujes axiales por cambio de dirección de los dos chorros. El agua una vez sale de la cazoleta, cae libremente una cierta altura, pasando al cauce inferior.

+ INYECTOR

El inyector es el órgano regulador del caudal del chorro; consta de una válvula de aguja cuya carrera determina el grado de apertura del mismo; para poder asegurar el cierre, el diámetro máximo de la aguja tiene que ser superior al de salida del chorro cuyo diámetro d se mide en la sección contraída, situada aguas abajo de la salida del inyector y en donde se puede considerar que la presión exterior es igual a la atmosférica. El chorro está constituido por un núcleo central convergente de agua y una sección anular creciente que contiene una emulsión de agua y aire. Con el fin de asegurar una buena regulación, conviene diseñar el inyector de forma que exista una proporcionalidad entre la potencia de la turbina y la carrera x de la aguja, por cuanto la potencia es proporcional al caudal y éste, a su vez, a la sección de paso normal al flujo.

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

+ REGULACIÓN

Para mantener constante la velocidad de la turbina, el caudal inyectado tiene que adaptarse en cada instante al valor de la carga, por lo que la posición del inyector tiene que ajustarse mediante un regulador que actúa según la velocidad de la turbina y en el caso más general, en forma automática.



Si se supone que la turbina se ha acelerado, el regulador 7 levantará la válvula 1 y el aceite a presión entrará en el cilindro grande haciendo bajar el émbolo 8, con lo que la palanca 2 bajará y el deflector 6 cortará al chorro desviando una parte del mismo.

ESQUEMAS.


Fig. 2 Inyector

Fig. 1Forma de los Cazoletas

Fig.3 Regulación Simple


CAPITULO IIMETODOLOGIA Y

PROCEDIMIENTO DECALCULO



2.1. ALGORITMO DE CÁLCULO.

2.1.1. RENDIMIENTO MECANICO: (nm)

nm= 0.90…….0.97

nm=0.935

2.1.2. RENDIMIENTO GENERADO ELECTRICO O ALTERNADOR ELECTRICO:

2.1.3. POTENCIA: (n¿)

n¿=0.98…..0.985

n¿=0.9825

2.1.3. POTENCIA IDEAL:(N ¿¿ i)¿

N i=Pelectrica

nm∗n¿ → N i=

40000kW0.935∗0.9825

=43542.74kW

43542.74W∗1CV735.5W

=¿59.20 cv

N i= ρ∗g∗Q∗H D

43542.74∗103W=¿ (1000kg

m3)*(9.81m

s2)*(8m3

s)*H D

H D=554.826m

2.1.4. CÁLCULO DEL RENDIMIENTO TOTAL: ( nT ¿

nT=N i∗nm nT=59.20*0.935 nT=¿55.35

2.1.5. NUMERO ESPECÍFICO IDEAL:((n¿¿ s)¿¿ i)¿¿

(ns)i=n .(N i)

1/2

H d5 /4

¿¿¿



2.1.6. NÚMERO DE CHORROS: (Z)

(nS)i=(576 )(φ)1 /2(Z)1 /2(K ¿¿P)( dD )¿

Se toma como recomendación (dD

)=1una vesel diametro del chorro10veces el diametrode la rueda

Coeficiente de la velocidad absoluta =φ=0.975 Coeficiente de velocidad de arrastre =K p=0.45

DESPEJANDO Z:

Z= (2.85

576∗(55.350.5∗0.9750.5∗0.45∗0.1¿)2¿ Z= 2.24*10−4

AHORA DETERMINAREMOS LA FRICCIÓN REAL PARA( dD ) LA TURBINA

dD

=(n¿¿ s)i

576×(n¿¿t )0.5×φ0.5×Z0.5×K p ¿¿

dD

= 2.85

576×(55.35)0.5×0.9750.5× ¿¿

dD

=¿ 0.11 d0.11

=D………………………. (A)2.1.7. DIAMETRO DEL CHORRO:(d)

d=[((4)(Q)(π )(Z ))( 1

(φ ) (√ (2 ) (g ) (H D )) )]1 /2



d=[( (4 )(8)(π )(2.24∗10−4))( 1

(0.975 ) (√ (2 ) (9.81 ) (554.826 ) ) )]1 /2

d=212.1.8. DIAMETRO DEL RODETE:(D)

REEMPLAZANDO EN (A)

d0.11

=D D = 210.11 D= 192.2

2.1.9. DIAMETRO EXTERIOR:(Dext )

Dext=D+2d

Dext=192.2+2 (21 )

Dext=234.2m

2.1.10. DIAMETRO INTERIOR:¿

D∫¿=D−2d¿

D∫¿=192.2−2 (21)¿

D∫¿=150.2m¿

2.1.11. LONGITUD DE ARCO ENTRE CUCHARA Y CUCHARA:(S¿



cos (∆θ2 )=

D+d2Dext

2

∆θ=2×cos−1(D+dDext

)∆θ=2×cos−1( 192.2+21234.2 )

∆θ=0.91 °≈0.42 rad

ARCO AB



⇒ AB ´=∆θ2

×Dext

AB´=0.422

×234.2

AB´=49.182m

LONGITUD O SEGMENTOAB´

⇒ AB ´=D ext×sen( ∆θ2 )

AB´=234.2×sen( 0.422 )AB´=0.85m

ARCO: BB

⇒ BB´=K p×Dext× AB´

φ×D

BB´=0.45×234.2×0.850.975×192.2

BB´=0.478m

LONGITUD DE ARCO: AB

⇒ AB= AB ´−BB ´

AB=0.85−0.478

AB=0.3719m

POR LO TANTO: (S)

S=0.8× AB

S=0.8×0.3719

S=0.428m

2.1.12. NUMERO DE CUCHARAS (N cu¿

N cu=max(¿π ×Dext

S………… ..12+0.74 ( Dd ))¿



N cu=max(¿ π ×234.20.428

………… ..12+0.74 ( 192.221 ))¿N cu=max(¿1719………… ..19)¿

N cu=1719

RECALCULANDO (S)

S=π ×Dext

N cu

S= π ×234.21719

S=0.428m

2.1.13. ANALISIS DE VELOCIDADES:⇒V i=√2×g×H d

V i=√2×9.81×554.826

V i=104.33mseg

⇒V 1=φ×V i

V 1=0.975×104.33

V 1=101.72mseg

⇒U=K p×V i

U=0.45×104.33

U=46.94 ms


GENERADOR59.20 CV P eléctrica real

nGE =0.9


ANGULO DE SALIDA β2

Promedio β2=9

COEFICIENTE DE VELOCIDAD RELATIVA:(ψ ¿

Promedio ψ=0.90

2.1.14. ALTURA DE EULER:(H e)

H e=1g× (1+φcos β2 ) (V 1−U )(U )

H e=19.81

× (1+0.90cos9 ) (101.72−46.94 )(46.94)

H e=¿495.11

2.1.15. RENDIMIENTO HIDRAULICO:(nH )

nH=H e

H d

→nH=495.11554.826

→nH=0.892

2.1.16. RENDIMIENTO TOTAL REAL:ntotal real

ntotal real=nv∗nm∗nH

ntotal real=1∗0.935∗0.892

ntotal real=0.834

2.1.17. POTENCIA REAL EN EL EJE:

N eje=ntotal real∗N i

N eje=¿0.834* 59.20

N eje=49.37

2.1.18. POTENCIA ELECTRICA REAL:



Pelectrica=N eje∗nEG

Pelectrica=49.37∗0.9825

Pelectrica=48.50

3. DIMENSIONES DE LA TURBINA PELTON* DIMENSIONES DEL INYECTOR Y CARCAZAI =NUMERO DE INYECTORES:

i=33.1. NUMERO ESPECIFICO IDELA POR CADA INYECTOR:¿¿)

nSI=n×( N i

I )0.5

HD1.25

nSI=1000×( 59.202 )

0.5

554.8261.25

nSI=2.02

3.2. CALCULO DEL DIAMETRO:(D2)

D2=(46.04−0.33)× √H D

n

D2=(46.04−0.33 )× √554.8261000

D2=1.07m

3.2. ALTURA:(H s)

H s=1.87+2.24×Q¿¿

H s=1.87+2.24×8

(2.85 )

H s=8.15m

3.3. DISTANCIA(H 1)



H1=3.20 [ nSI×D2

250.74−1.80×nSI ]0.96

H 1=3.20 [ 2.02×1.07250.74−1.80×2.02 ]

0.96

H 1=0.033m

3.4. DISTANCIA (H 2)

H 2=3.23 [ nSI×D2

250.74−1.80×nSI ]1.02

H2=3.23 [ 2.02×1.07250.74−1.80×2.02 ]

1.02

H 2=0.025m

3.5. DIAMETRO(D¿¿3)¿

D3=D 2×(1.028+0.0137×nSI )

D3=1.07× (1.028+0.0137×2.02 )

D3=1.129m

3.6. DIMENSIONES: L, G, F, H, I, B, C, D, E

L=0.78+2.06×D3

L=0.78+2.06×1.129

L=3.105m

G=0.196+0.376×D 3

G=0.196+0.376×1.129

G=0.6205m

F=1.09+0.71×L

F=1.09+0.71×3.105

F=3.295m

H=0.62+0.513×L

H=0.62+0.513×3.105

H=4.238m



I=1.28+0.37× L

I=1.28+0.37×3.105

I=2.428m

B=0.595+0.694×L

B=0.595+0.694×3.105

B=4.394m

C=0.362+0.68× L

C=0.362+0.68×3.105

C=2.4734m

D=−0.219+0.70×L

D=−0.219+0.70×3.105

D=2.392m

E=0.43+0.70×L

E=0.43+0.70×3.105

E=2.603m

4. ANALISIS DE LA VELOCIDAD DE ENTRADA A LOS INYECTORESV=0.82 + (0.358*H n)V=0.82 + (0.358*887.722)V=260.45

5. ANALISIS DEL AREA DE ENTRADA A LOS INYECTORES

A= 1.886 * Q(2.29+H n)



A= 0.0034 m2

6. AGUJA

7. DIMENSIONES DE LA CUCHARA

7.1. DIAMETRO DE LA PUNTA:

DP=D+(2 )( 76 )(d )

DP=192.2+(2 )( 76 )(21 )

DP=241.2m.

7.2. DIAMETRO EXTERIOR:

DE=DP+d

DE=241.2m .+21m .

DE=263.2m .

7.3. CALCULOS INTERNOS EN LA CUCHARA:

B=(3.0 ) (21m. )=24m . Turbina Pelton Página 19


b=(3.75 ) (21m. )=24.75m.

L=(2.55 ) (21m. )=23.55m. T=(0.75 ) (21m. )=21.75m.

S= (1.15 ) (21m . )=22.15m . m1=(0.19 ) (21m. )=21.19m.

m=(1.0 ) (21m. )=22m.

8. ANGULOS DE CORTE



CAPITULO IIIRESULTADOS



INFORME TECNICO DE DISEÑOA la presente van adjuntadas las vistas y plano del diseño según datos proporcionados:

CONCLUSIONES.La turbina pelton por su diseño y funcionamiento es la más apropiada para altas caídas y caudales pequeños, entonces por lo anterior dicho optimiza y aumenta la potencia en la turbina.

Al determinar la potencia eléctrica real nos dio como resultado un valor diferente menor a propuesto para el cálculo.

VI. RECOMENDACIONES.Hay diversas perdidas por el rendimiento volumétrico, pero en este caso se está considerando al 100% lo recomendables es hacer un cálculo para encontrar dichas pérdidas.


turbina pelton

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