TEORIA RUEDA PELTON

Introducción

La turbina hidráulica es una turbomáquina motora, y por tanto esencialmente es una bomba rotodinámica que trabaja a la inversa. Así como una bomba absorbe energía mecánica y restituye energía al fluido; una turbina absorbe energía del fluido y restituye energía mecánica.

Los elementos constitutivos de una turbina son:

1-. Canal de llegada (lámina libre) o tubería forzada (flujo a presión).

2-. Caja Espiral: transforma presión en velocidad.

3-. Distribuidor

4-. Rodete.

5-. Tubo de aspiración

Clasificación de Turbinas según el grado de reacción:

1-. Turbinas de Acción: Pelton, Laval, Curtiss, etc.

2-. Turbinas de Reacción: Francis, Dériaz, Hélice y Kaplan.

OBSERVACION:

El grado de reacción para una turbina se define como la razón entre la altura de presión absorbida por el rodete y la altura total absorbida por el rodete

Microturbinas Pelton

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

En la turbina Pelton actual, la energía cinética del agua, en forma de chorro libre, se genera en una tobera colocada al final de la tubería a presión. La tobera está provista de una aguja de cierre para regular el gasto, constituyendo en conjunto, el órgano de alimentación y de regulación de la turbina. Encuentra justa aplicación la turbina Pelton, en aquellos aprovechamientos hidráulicos donde la ponderación de la carga es importante respecto al caudal. La velocidad especifica es baja, entre 10 y 60 en el sistema métrico y entre 2 y 12 en el sistema ingles aproximadamente, siendo preferibles valores centrales entre estos limites por razones del rendimiento, el cual es del orden del 90% y se conserva bastante bien a carga parcial. Entre las turbinas Pelton mas grandes instaladas hasta el momento se encuentran las de Mont-Cenis (Alpes franceses) de 272000 HP cada una, bajo 870 m de carga.

Elementos constitutivos de Microturbinas Pelton

Una instalación típica de microturbinas Pelton consta de los siguientes elementos:

1-. Codo de entrada

2-. Inyector: transforma la energía de presión en energía cinética. La velocidad del chorro a la salida del inyector en algunas instalaciones llega a 150 m/seg. y aún más. Consta de Tobera y Válvula de Aguja.

3-. Tobera

4-. Válvula de Aguja

5-. Servomotor

6-. Regulador

7-. Mando del deflector

8-. Deflector o pantalla deflectora

9-. Corro

10-. Rodete

11-. Álabes o cucharas

12-. Freno de la turbina

13-. Blindaje

14-. Destructor de energía

A continuación se presenta un diagrama de una Turbina Pelton

Clasificación de Microturbinas Pelton

La clasificación más general que puede hacerse de las turbinas Pelton es en tipos de eje horizontal y tipos de ejes vertical

1-. Turbinas Pelton de Eje Vertical: 

En este tipo de turbinas Pelton el numero de chorros por rueda se reduce generalmente a uno o dos, por resultar complicada la instalación en un plano vertical de las tuberías de alimentación y las agujas de inyección. Este sistema de montaje encuentra aplicación en aquellos casos donde se tienen aguas sucias que producen deterioros o notable acción abrasiva. Con el eje horizontal se hace también posible instalar turbinas gemelas para un solo generador colocado entre ambas, contrarrestando empujes axiales.

2-.Turbinas Pelton de Eje Horizontal:

En este tipo de turbinas Pelton se facilita la colocación del sistema de alimentación en un plano horizontal, lo que permite aumentar el numero de chorros por rueda (4 a 6); con esto se puede incrementar el caudal y tener mayor potencia por unidad. Se acorta la longitud del eje turbina-generador; se amenguan las excavaciones; se puede disminuir el diámetro de rueda y aumentar la velocidad de giro, se reduce en fin el peso de la turbina por unidad de potencia. Esto hace que la utilización de esta disposición en turbinas Pelton sea más ventajosa que la disposición horizontal. Su aplicación es conveniente en aquellos casos donde se tienen aguas limpias que no produzcan gran efecto abrasivo sobre los alabes e inyectores, debido a que la inspección y las reparaciones con este montaje se hacen más difíciles.

Por otra parte, las turbinas Pelton se clasifican también en sencillas (un rodete y un chorro) y múltiples. Las turbinas Pelton se multiplican por el número de chorros, llamándose Pelton doble, triple, etc. Las turbinas Pelton séxtuples (1 rodete de eje vertical y 6 chorros) cayeron un tiempo en desuso, por la complicación que entraña su duodécuple regulación (6 inyectores y 6 pantallas deflectoras y por tanto, 12 servomotores).

El rol de la rueda y los álabes o cucharas en la turbina Pelton

El rodete o rueda Pelton, como se muestra en la figura, esta constituido por un disco de acero con alabes periféricos en forma de doble cuchara. Estos pueden estar fundidos en el disco en una sola pieza o individualmente, sujetándose después al disco por medio de bulones. El diámetro de la rueda suele ser grande, quedando determinado por la necesidad de instalar el número requerido de álabes de dimensiones apropiadas y evitar al mismo tiempo las salpicaduras. Por tanto, dependerá del diámetro del chorro; la relación entre el diámetro de la rueda y el diámetro del chorro, suele oscilar entre 10 y 14. Generalmente el montaje es horizontal resultando a veces económico el montaje gemelo de dos ruedas Pelton, una a cada lado del alternador. 

Rueda Pelton

Por otra parte, la fundición por separado de disco y alabes ha sido la forma mas tradicional, ya que no solo se facilita la construcción (fundición, maquinado y pulido de piezas) sino que también hace posible la reposición de cucharas averiadas por la erosión. Sin embargo, modernamente se advierte una gran tendencia a fundir el disco y alabes en una sola pieza, sobre todo cuando se trata de ruedas de alta velocidad especifica. Se consigue con este procedimiento mayor rigidez y solidez; uniformidad en la resistencia y montaje rápido. Para la misma potencia, las ruedas resultan mas ligeras. Métodos modernos de fundición y de control de calidad (Magnaflux, Magnaglo, ultrasonidos, etc.) permiten obtener piezas sin grietas ni fisuras en el templado. El material de los alabes debe resistir a la fatiga, a la corrosión y a la erosión. Cuando estas acciones son moderadas puede bastar la fundición de grafito laminar. Si las condiciones de trabajo son mas drásticas debe recurrirse al acero, al carbono aliado con níquel (0.7 a 0.1)-molibdeno (0.3). Aceros con 13% de cromo y los aceros austeno-ferriticos (Cr 20, Ni 8, Mo 3) presentan una resistencia extraordinaria a la cavitacion y la abrasión. El material del disco de la rueda es de acero fundido o forjado. El numero de alabes suele ser de 17 a 26 por rueda, dependiendo de la velocidad especifica de la turbina. Para alta velocidad especifica el numero de alabes es menor. En efecto, para una rueda de un diámetro determinado por una carga y una velocidad de giro si la velocidad especifica es alta es que el gasto es grande, lo exige alabes mayores, y por tanto caben menos en la misma periferia de la rueda. El espacio requerido por alabe suele estar entre 1.4 do y 1.6 do, siendo do el diámetro del chorro. El valor del coeficiente depende de la alta velocidad especifica por chorro. Para una alta velocidad especifica del chorro, el coeficiente será menor. El numero de alabes z será pues

pi Dp

z =____________________________

(1.4 o 1.6)do

siendo Dp el diámetro de la rueda Pelton medida al punto central de incidencia del chorro.

Alabes Pelton

Turbinas Pelton y el número específico de revoluciones

Todas las turbinas hidráulicas geométricamente semejantes tienen un mismo número específico de revoluciones, ns, siendo:

ns=n Nu^1/2 Hn^-5/4

con

n= revolución por minuto

Nu= potencia útil

Hn= salto neto

Las turbinas Pelton cuyo ns es pequeño se llaman lentas y aquellos cuyo ns es grande se llaman rápidas. En efecto, la ecuación anterior demuestra que de dos turbinas de la misma potencia y el mismo salto neto, la que tenga un ns más pequeño girará más lentamente: dicha turbina es más lenta que la otra. Sin embargo, la misma ecuación demuestra que el término lento o rápido no se refiere al r.p.m. real de la máquina. En efecto, si dos turbinas Pelton de ns pequeño y grande respectivamente giran a la misma velocidad n y tienen la misma potencia Nu, la turbina llamada lenta (aunque en este caso gira al mismo r.p.m. que la rápida) requerirá un salto mayor(para óptimo rendimiento) que la turbina llamada rápida. O bien, la misma ecuación demuestra que si estas dos turbinas giran al mismo número de revoluciones y trabajan en el mismo salto neto, la turbina rápida tendrá que desarrollar mayor potencia y por tanto, deberá absorber mayor caudal, porque la altura neta es la misma (para óptimo rendimiento) que la turbina lenta.

EXPERIMENTACION 

 DESCRIPCION LABORATORIO

Lo primero que realiamos fue llenar el tanque el cual sumintra agua a la rueda pelton, despues de esto realizamos una prueba para saber como funciona la rueda pelton, el profesor nos dio una breve introduccion para controlar el flujo de agua sobre la rueda, para eso nos mostro dos reguladores que le hacen fuerza a la rueda para poder ver sus giros, estos dos reguladores hacen de la exigencia de energia que puede tener una ciudad, y asi mismo es la cantidad de fluido que se le suministra a la rueda es mayor, despues realizamos lo que fue el laboratorio.

 

Datos Laboratorio

Calculos

 

 GRAFICAS

RPM	Potencia
66	1,209
144	3,015
78	1,715
114	2,38
144	3,204

 

torque	Potencia
0,175	1,209
0,2	3,015
0,21	1,715
0,2	2,38
0,2125	3,204

 

CONCLUSIONES

- Se comprobo que al aumentar la fuerza ejercida por el dinamometro sobre la rueda esto hace que el caudal aumente para suplementar la fuerza con la que se esta cargando el dinamometro.

- Las graficas que se muestra en el documento muestran una similitud en su expresion ya que el la potencia con respecto a los RPM es mucho menor y se muestra casi como una linea, en cambio los RPM se mutra que varia y se muestra una mayor curvatura, lo mismo sucede para la segunda grafica que el torque se muestra casi como una linea y la potencia ahora muestra una mayor curvatura con respecto al torque