Clasificación de las turbinas Pelton
Las turbinas PELTON se clasifican generalmente por la posición del eje que mueven, por lo tanto existen dos clasificaciones: EJE HORIZONTAL Y EJE VERTICAL.
DISPOSICIÓN VERTICAL
En esta disposición solo se pueden instalar turbinas de uno o dos chorros como máximo, debido a la complicada instalación y mantenimiento de los inyectores. Sin embargo, en esta posición, la inspección de la rueda en general es más sencilla, por lo que las reparaciones o desgastes se pueden solucionar sin necesidad de desmontar la turbina.
PELTON de 1 chorro eje horizontal.
PELTON de 2 chorros eje horizontal.
DISPOSICIÓN VERTICAL
En esta posición se facilita la colocación de alimentación en un plano horizontal y con esto es posible aumentar el número de chorros sin aumentar el caudal y tener mayor potencia por unidad. Se acorta la longitud entre la turbina y el generador, disminuyen las excavaciones y hasta disminuir al diámetro de la rueda y aumentar la velocidad de giro. Se debe hacer referencia que en la disposición vertical, se hace mas difícil y, por ende, más caro su mantenimiento, lo cual nos lleva a que esta posición es más conveniente para aquellos lugares en donde se tengan aguas limpias y que no produzcan gran efecto abrasivo sobre los álabes.
fig. 6 Detalle de una turbina PELTON de eje vertical.
fig. 7 En esta fotografía se muestra la ventaja de tener la posición de eje en vertical.
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LA RUEDA PELTON
El rodete PELTON está constituido por un disco de acero con álabes, como ya se ha dicho, de doble cuchara ubicada en la periferia de la rueda. Estos álabes puedes estar fundidos con la misma rueda o unidos individualmente por medio de bulones o pernos.
La forma de fabricación más común es por separado álabes y rueda ya que facilita su construcción y mantenimiento. Se funden en una sola pieza rueda y álabes cuando la rueda tiene un gran velocidad específica, con este proceso de fabricación se logra mayor rigidez, solidez uniformidad y montaje rápido.
fig. 8 Esta imagen muestra una PELTON donde los álabes y la rueda esta fundidos en una sola pieza.
Se debe tener especial cuidado al escoger el material de fabricación adecuado en una turbina pelton; este material debe resistir la fatiga, la corrosión y la erosión; la fundición de grafito laminar y acero, resisten perfectamente estas condiciones cuando son moderadas. Cuando las condiciones trabajo son mas drásticas se recurre al acero aliado con níquel, en el orden de 0.7 a 1%, y con un 0.3% de molibdeno. Los aceros con 13% de cromo y los aceros austenoferríticos (Cr 20, Ni 8, Mo3) presentan una resistencia extraordinaria a la cavitación y abrasión.
El Número de álabes suele ser de 17 a 26 por rueda, todo esto dependiendo de la velocidad específica; Cuando se necesita una velocidad alta el número de álabes es pequeño debido a que a mayor velocidad específica, mayor caudal lo que exige álabes más grandes y con esto caben menos en cada rueda.
Definiciones básicas
Caudal (Q): Es el volumen de fluido manejado por unidad de tiempo. El caudal o gasto volumétrico se puede expresar como el producto de la velocidad del fluido por el área transversal del ducto por el cual fluye:
Donde:
Q = caudal ó Gasto volumétrico [m3/s].
v = Velocidad del fluido [m/s].
A = Área transversal de la tubería [m2].
Si medimos el caudal en un vertedero está dado de la siguiente manera:
Potencia del agua (Hpa):
Potencia del rodete (Prod):
Potencia al freno (Pfreno):
Donde:
Torque……………………………………….T (N-m)
Fuerza de fricción…………………………….f (N)
Velocidad angular……………………………..W (RPM)
Radio de la volante……………………………R (m)
Eficiencia mecánica ((m):
Eficiencia hidráulica ((h):
Eficiencia total ((t):
EQUIPOS Y/O INSTRUMENTOS
Bomba Hidrostal 40-200.
Turbina Pelton.
Vertedero.
Tacómetro.
Dinamómetro.
Freno Pony.
Pesas.
Inyector.
Vernier.
PROCEDIMIENTO
1. Instalar el equipo armado de la turbina pelton mas el vertedero cerca del inyector.
2. Prender la bomba.
3. Abrir poco la válvula del inyector hasta obtener un chorro adecuado por el inyector.
4. Una vez que la turbina esté funcionando colocar pesas al otro lado del dinamómetro (frenoProny) de uno en uno.
5. Obtener la lectura del tacómetro en el eje de la turbina.
6. Dar lectura en el dinamómetro.
7. Medir la altura del vertedero para obtener caudal.
8. Aumentar una pesa más en el lado opuesto del dinamómetro.
9. Dar lectura nuevamente en el tacómetro y en el dinamómetro respectivamente.
10. Continuar con el procedimiento anterior hasta obtener 9 datos.
11. Con los datos tomados, calculamos la potencia al freno o al eje para luego graficarlos junto con las RPM del eje de la turbina.
12. También calculamos la potencia del rodete, potencia al agua, las eficiencias hidráulicas, totales, mecánicas y graficamos cada uno respectivamente.
13. Obtenemos las conclusiones de los gráficos y/o resultados hallados en el ensayo de la turbina Pelton.
Cálculos/o resultados
ESQUEMA:
Aquí vemos la presión en el manometro para calcular la altura neta.
Se observa el vertedero triangular recto para calcular el caudal.
Instalación del dinamometro.
Damos lectura en el dinamómetro.
Turbina en operación.
Arranque de la bomba hidrostal 40-200.
DATOS:
GRAFICOS DE LAS CURVAS CARACTERISTICAS:
Conclusiones
De las curvas características obtenidas podemos concluir:
Se concluye que el caudal usado en el ensayo es constante y es igual a 0.001828 m3/seg.
Se concluye que la altura neta es igual a 12.2611m.
Se concluye que el valor de la potencia del agua es 219.758384 W y es constante en todo el ensayo.
Se concluye también que el par de arranque es el valor máximo del par y es 1.533185 N-m que se logra con 10 rpm. y una fuerza de 13.9380 N.
Se concluye que la eficiencia máxima total es de 6.4791% el cual se obtiene con 10 rpm.
Se concluye que la eficiencia máxima mecánica es de 30,1407% el cual se obtiene con 15 rpm.
Se concluye que la eficiencia máxima hidráulica es de 23.2427% el cual se obtiene con el N máximo el cual es de 100 rpm.
Recomendaciones
Se recomienda usar una altura útil constante de 7 m, para lograr dicho caudal.
Se recomienda que la altura neta mencionada se consiga con una conversión de la presión que para nuestro caso es de 1.2 bar.
Se recomienda que para lograr esta potencia se trabaje con un caudal de 0.001828 m3/seg.
Se recomienda hacer funcionar la turbina con dicho número de revoluciones, para su óptimo desempeño.
Se recomienda utilizar la turbina dentro de este rango ya que es la ideal y a su vez no modificar las eficiencias mecánicas e hidráulicas.
Se recomienda llegar a la máxima potencia del rodete para poder llegar a esta eficiencia.
Se recomienda no exceder de los 100 rpm, en el eje de la turbina para trabajar con la máxima eficiencia hidráulica.
Bibliografía
ROBERT L. MOTT, Mecánica de Fluidos Aplicada
Potter C, Merle WIGGER T C, David Mecánica de fluidos. Ed Pretince hall. México 1998.
F. Ugarte P. Mecánica de Fluidos II.
MATAIX, CLAUDIO, Mecánica de Fluidos y Maquinas Hidráulicas.
Autor:
Villa Bendezu José A.
Huatuco Rodríguez Eddie Marlon
Hurtado Ruiz Yonatan
Huancayo 2010
CÁTEDRA : LABORARIO DE TERMOHIDRAULICA II
CATEDRÁTICO : DR. MARIO HUATUCO GONZALEZ
SEMESTRE : VIII
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