Turbina Pelton Yanileth Yanileth Paola Hernández, Samara Cárdenas Dulcey Departamento de Ingenierías y Arquitectura, Arquitectura, Universidad de Pamplona
Pamplona N. de S.,Colombia
[email protected] samaracardenas@outloo.es — Este documento describe a la turbina Abstract hidr hidráu áuli lica ca pelt pelton on,, segú según n su func funcio iona nami mien ento to,, clasificación con los diferentes elementos y partes constructivas que la componen. Dando a entender su utilidad e implement implementación ación,, con sus ventajas ventajas y desventajas en los diferentes campos de uso.
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Turbina es el nombre gen'rico gen'rico (ue (ue se da a la mayor)a mayor)a de las turbomá(uinas motoras. *stas son má(uinas de +luido, a tra's de las cuales pasa un +luido en +orma continua y 'ste le entrega su energ)a a tra's de un rodete con paletas o álabes. -a turbina es un motor rotatio (ue conierte en energ)a mecánica la energ)a de una corriente de agua, apor de agua o gas. l elemento básico de la turbina es la rueda o rotor, (ue cuenta con palas, h'lices, cuchillas o cubos colocados alrededor de su circun+erencia, de tal +orma (ue el +luido en moimiento produce una +uerza tangencial (ue impulsa la rueda y la hace girar. sta energ)a mecánica se trans+iere a tra's de un e/e para proporcionar el moimiento de una má(uina, un compresor, un generador el'ctrico o una h'lice. !!. T%#0!"1S H! H!D#2%-!C1S %na Turbina hidráulica es una una turbomá(uina turbomá(uina motora hidráulica, (ue aproecha la energ)a de un +luido (ue pasa a tra's de ella para producir un moimiento de rotaci3n (ue, trans+erido mediante un e/e, muee directamente una má(uina o bien un generador (ue trans+orma la energ)a mecánica en el'ctrica, as) son el 3rgano +undamental de una central hidroel'ctrica. Por ser turbomá(uinas siguen la misma clasi+icaci3n de estas, y pertenecen, obiamente, al subgrupo de las turbomá(uinas hidráulicas y al subgrupo de las turbomá(uinas motoras. n el lengua/e com4n de las turbinas hidráulicas se suele hablar en +unci3n de las siguientes clasi+icaciones5 A.
De acuerdo al cambio de presin en el rodete o al grado de reaccin reaccin
Turbinas Turbinas de acción: acción: Son
a(uellas en las (ue el +luido de traba/o no su+re un cambio de presi3n importante en su paso a tra's de rodete. Turbinas de reacción: Son a(uellas en las (ue el +luido de traba/o si su+re un cambio de presi3n importante en su paso a tra's de rodete. Para Para clasi+ clasi+ica icarr a una turbina turbina dentro dentro de esta esta catego categor)a r)a se re(uie re(uiere re calcul calcular ar el grado grado de reacci reacci3n 3n de la misma. misma. -as turbinas de acci3n aproechan 4nicamente la elocidad del +lu/o de agua, mientras (ue las de reacci3n aproechan además la p'rdida de presi3n (ue se produce en su interior. interior.
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De acuerdo al dise"o dise"o del rodete
Carta Carta para seleccion seleccionar ar turbinas turbinas hidráulicas hidráulicas en +unci3n +unci3n del caudal y el salto. sta clasi+icaci3 clasi+icaci3nn es la más determini determinista, sta, ya (ue entre las distintas de cada g'nero las di+erencias s3lo pueden ser de tama6o, ángulo de los 7labes o cangilones, o de otras partes de la turbomá(uina distinta al rodete. -os tipos más importantes son5 Turbina Turbina Kaplan: Kaplan: son son turb turbin inas as a8ia a8iale les, s, (u (uee tien tienen en la particularidad de poder poder ariar el ángulo de sus palas durante su +uncionamiento. stán dise6adas para traba/ar con saltos de agua pe(ue6os y con grandes caudales.9Turbina caudales.9Turbina de reacci3n: reacc i3n: Turbina Hélice: son e8actamente iguales a las turbinas aplan, pero a di+erencia de estas, no son capaces de ariar el ángulo de sus palas. Turbina Turbina Pelton: Pelton: Son turbina turbinass de +lu/o +lu/o trans transers ersal, al, y de admisi3n parcial. Directamente de la eoluci3n de los antiguos molinos de agua, y en ez de contar con álabes o palas se dice (ue tiene cucharas. stán dise6adas para traba/ar con saltos de agua muy grandes, pero con caudales pe(ue6os.9Turbina de acci3n: Turbina Francis: Son turbinas de +lu/o mi8to y de reacci3n. 8isten algunos dise6os comple/os (ue son capaces de ariar el ángulo de sus álabes durante su +uncionami +uncionamiento ento.. stán dise6adas para traba/ar con saltos de agua medios y caudal medios. Turbi urbina na Ossb Ossber erge gerr / Bank Bankii / Mich Michel ell: l: -a turb turbin inaa $SS0#;# es una turbina de libre desiaci3n, de admisi3n radi radial al y parc parcia ial. l. Debi Debido do a su n4 n4me mero ro espe espec) c)+i +ico co de reoluciones cuenta entre las turbinas de r'gimen lento. l distribuidor distribuidor imprime al chorro de agua una secci3n rectangular, y 'ste circula por la corona de paletas del rodete en +orma de cilindro, primero desde +uera hacia dentro y, a continuaci3n, despu's despu's de haber pasado pasado por el interior interior del rodete, rodete, desde dentro hacia +uera. s una turbina hidráulica de impulso dise6ada para saltos de desniel medio.l rodete de una Turgo se parece a un rodete Pelton partido por la mitad. Para la misma potencia, el rodete Turgo tiene la mitad del diámetro (ue el de un rodete Pelton y dobla la elocidad espec)+ica. !!!.
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%na turbina Pelton es uno de los tipos más e+icientes de turbina turbina hidráuli hidráulica. ca. s una turbomá(uina turbomá(uina motora, de +lu/o radial, admisi3n parcial y de acci3n. Consiste en una rueda 9rodete o rotor: dotada de cucharas en su peri+eria, las cuales están especialmente realizadas para conertir la energ)a de un chorro de agua (ue incide sobre las cucharas. -as turbinas turbinas Pelton están dise6adas dise6adas para e8plotar e8plotar grandes grandes saltos hidráulicos de ba/o caudal. -as centrales hidroel'ctricas dotadas de este tipo de turbina cuentan, en su mayor)a, con una larga larga tuber)a tuber)a llamada galer)a de presi3n presi3n para trasportar trasportar al +luido desde grandes alturas, a eces de hasta más de <=>> metros. 1l +inal de la galer)a de presi3n se suministra el agua a la turbina por medio de una o arias álulas de agu/a, tambi'n
llamadas inyectores, los cuales tienen +orma de tobera para aumentar la elocidad del +lu/o (ue incide sobre las cucharas. A.
#uncionamiento
-a tobera o inyector lanza directamente el chorro de agua contra la serie de paletas en +orma de cuchara montadas alrededor del borde de una rueda, el doble de la distancia entre el e/e de la rueda y el centro del chorro de agua se denomina diámetro Pelton. l agua acciona sobre las cucharas intercambiando energ)a con la rueda en irtud de su cambio de cantidad de moimiento, (ue es casi de . $bs'rese en la +igura ane8a un corte de una pala en el diámetro PeltonA el chorro de agua impacta sobre la pala en el medio, es diidido en dos, los cuales salen de la pala en sentido casi opuesto al (ue entraron, pero /amás puede salir el chorro de agua en direcci3n de ya (ue si +uese as) el chorro golpear)a a la pala sucesia y habr)a un e+ecto +renante. -a secci3n de entrada del +luido a la cuchara se denomina <, as) como B a la secci3n de salida. l estudio anal)tico de la interacci3n aguapala puede ser sumamente complicado debido al desplazamiento relatio entre la pala y el chorro de agua. Por otro lado se simpli+ica el estudio de las turbinas Pelton a la secci3n cil)ndrica del diámetro aubert. 1s) la energ)a conertida por unidad de masa de agua está dada por la ley de uler de las turbomá(uinas5
Cada instalaci3n tiene, por lo tanto, su propia combinaci3n de presi3n, elocidad y olumen de +uncionamiento más e+iciente. %sualmente, las pe(ue6as instalaciones usan paletas estandarizadas y adaptan la turbina a una de las +amilias de generadores y ruedas, adecuando para ello las canalizaciones. -as pe(ue6as turbinas se pueden a/ustar algo ariando el n4mero de toberas y paletas por rueda, y escogiendo di+erentes diámetros por rueda. -as grandes instalaciones de encargo dise6an el par torsor y olumen de la turbina para hacer girar un generador estándar. lementos Constructios 0ásicos de una turbina Pelton5 $. %odete n toda turbina hidráulica el elemento principal es el 9rodete, rueda o rotor:, esta pieza es muy importante ya (ue es la encargada de trans+ormar la energ)a hidráulica del agua en5 energ)a cin'tica, energ)a mecánica o energ)a de moimiento o rotacional. stá constituido de las siguientes partes 9er +igura : I
L=u1 c {u 1 }−u2 c{ u 2 }
Donde5 - es la energ)a espec)+ica conertida.
u1 y u2
puntos donde el agua llega y sale de la misma respectiamente.
c {u 1 } y c {u 2 }
son,
respectiamente,
las
proyecciones de la elocidad absoluta del +luido sobre la elocidad tangencial de la cuchara en los puntos de llegada y salida de la misma. Como la elocidad tangencial de rotaci3n de la rueda P elton es la misma en todos los puntos del diámetro pelton 9recu'rdese la +3rmula de la elocidad angular uEFomega r: las elocidades uG< y uGB son iguales. ntonces la +3rmula de uler se puede simpli+icar5
L=u ( c {u 1 }− c { u 2 }) -a turbina Pelton es un tipo de turbina de impulso, y es la más e+iciente en aplicaciones donde se cuenta con un salto de agua de gran altura. Dado (ue el agua no es un +luido compresible, casi toda la energ)a disponible se e8trae en la primera etapa de la turbina. Por lo tanto, la turbina Pelton tiene una sola rueda, al contrario (ue las turbinas (ue operan con +luidos compresibles. !.
#igura $. Detalle de un rodete Pelton.
es la elocidad tangencial de la cuchara en los
Aplicaciones
8isten turbinas Pelton de muy diersos tama6os. Hay turbinas de arias toneladas montadas en ertical sobre co/inetes hidráulicos en las centrales hidroel'ctricas. -as turbinas Pelton más pe(ue6as, solo de unos pocos cent)metros, se usan en e(uipamientos dom'sticos. n general, a medida (ue la altura de la ca)da de agua aumenta, se necesita menor caudal de agua para generar la misma potencia. -a energ)a es la +uerza por la distancia, y, por lo tanto, una presi3n más alta puede generar la misma +uerza con menor caudal.
$.$ %ueda &otri' sta unida al e/e en +orma r)gida, es acoplada a este por medio de chaetas y ancla/es adecuados. sta pieza es mecanizada adecuadamente ya (ue all) an ensamblados los álabes. I
M con los radios de este. IBJ +.
Diagrama de una turbina Pelton
ertical, se hace más di+)cil y por lo tanto más caro su mantenimiento, lo cual hace (ue esta posici3n sea más coneniente para a(uellos lugares en donde se tengan aguas limpias y (ue no produzcan gran e+ecto abrasio sobre los álabes o cucharas. IJ #igura (. Turbina Pelton doble 9dos rodetes: con un chorro por rodete. <. Codo de entrada B. !nyector . Tobera K. Nálula de agu/a =. Seromotor O. #egulador . Qando del de+lector ?. De+lector o pantalla de+lectora L. Chorro <>. #odete <<. 1labes o cucharas M, lo ideal era (ue +uera de >M pero de ser as) debilitar)a la arista o nerio central donde pega el chorro. Qientras (ue el ángulo esta entre ?M y
#igura -. Posici3n del e/e en ertical. 1.
#actores que pueden aectar la eiciencia en las turbinas
a: ricci3n en la carcasa b: +ricci3n y turbulencia en las super+icies gu)as c: Turbulencia seg4n el agua (ue ingresa al rodete d: ricci3n en la estructura del rodete. e: Porosidad en los alabes y mal acabado de estos I<
l elemento más importante es la cazoleta en +orma de doble cuchara, (ue recibe el chorro e8actamente en su arista media donde se diide en dosA Cuando se dispone de un solo inyector, el rodete tiene el e/e de giro horizontal y el e/e de salida del chorro es tangente horizontal, in+erior a la circun+erencia del rodete, cuyo diámetro se denomina diámetro Pelton, cayendo el agua a la salida de las cucharas al +ondo de la turbina, sin inter+erir el giro de la rueda. Para regular la elocidad se puede colocar una álula de compuerta en la tuber)a de llegada esto a/ustar)a la salida del agua a la demanda de energ)a, pero como todo tiene sus inconenientes este caso no es la e8cepci3n ya (ue al hacer esto se desprecia mucha energ)a y como se reduce la carga en la bo(uilla del chi+l3n hay una perturbaci3n de elocidad y esto reduce la e+iciencia del motor a la (ue esta acoplada la rueda. N.
#igura . Turbina pelton de un chorro e/e horizontal -.( Posicin 0ertical n esta posici3n se +acilita la distribuci3n de alimentaci3n en un plano horizontal y con esto se puede aumentar el n4mero de chorros sin aumentar el caudal, y as) tener mayor potencia por cada inyector. Se debe tener en cuenta (ue en la posici3n
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I>. 1ntio(uia. http5VV+luidos.eia.edu.coVobrashidraulicasVarticulosVcentraleshid roelectricasdecolVcentralesGhidroelectricasGdeGcol.html
IJ C1Q1CH$, Pedro. 1puntes de Qa(uinas hidráulicas. !nstituto Tecnol3gico
de 1capulco. !ngeniero 1sesor. Q'8ico. http5VVmembers.tripod.comVm(hdGita.m8Vu.htm
