DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON
PROYECTO DE DISEÑO FLUIDO DINAMICO DE UNA TURBINA HIDRAULICA PELTON UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
DOCENTE
F A C U LT AD D E I N G E N I E R I A
Ing. Luis Julc !"#s$"gui
ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA ESTUDIANTES VIII CICLO
Aguil %u&n' A("l H#) Cs$ill)' Al*"#$ Ocs Hu$+' E(g# R"ngi,) L"-n' J)s R)(#igu"/ %u$i"##"/' Mnu"l Rui/ Snc0"/' J1i"# !"#g#+ T&+)
TURBOMÁQUINAS TURBOMÁ QUINAS
1
UNT
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON 2
RESUMEN. La idea de transformar la energía hidráulica en energía mecánica es muy antigua las primeras maquinas fueron las ruedas hidráulicas, muy lentas y traa!ando con a!as alturas "# a $m% . En la actualidad se tiene turinas sofisticas como tami&n sencillas de acuerdo a la necesidad que se requiera. En nuestro proyecto se estudiará con detalle a la turina de chorro lire que fue in'entada alrededor de ())* por Lester +elton quien despu& despu&ss le dio su nomre. nomre. +or lo tanto la material materialia iacici-n n mas comn de este tipo tipo de máquinas es la turina pelton. Son máquinas roustas y simples, capaces de un uen rendimiento. El chorro se crea por medio de una toera estacionaria con'ergente c-nica, denominada inyector, este inyector 'a dotado de una espiga central a/ilsim&trica capa de mo'erse a/ia a/ialm lmen ente te,, la cual cual cont contro rola la el área área de paso paso.. El iny inyecto ectorr hace hace inci incidi dirr la corr corrie ient nte e tangencialmente al rotor, ocurriendo la defle/i-n del chorro. 0on el o!eto de aumentar la potencia de una misma turina, con un determinado salto hidráulico, se a1aden más inyectores repartidos en la periferia. La me!ora más significati'a hecha por +elton fue introducir las cucharas doles sim&tricas con la finalidad de deflectar hacia amos lados del disco el chorro con las mínimas p&rdidas posiles de tal manera que se pueda apro'echar al má/imo la energía hidráulica. 2tro de los puntos por el cual se toca el análisis del dise1o del rodete y sus cucharas "caoletas%, es deido al desgaste de material que estos tienen, por parte de la erosi-n a lo largo del tiempo. tiempo. +or lo que el proyecto esta dirigido especialment especialmente e al control control de calidad calidad que se dee de efectuar durante los diferentes procesos de faricaci-n.
2
3N430E 5N5L36302. 3
7ENER5L3454ES
TURBOMÁQUINAS TURBOMÁ QUINAS
2
UNT
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON I.1.
Objetivos.
Estos se pueden di'idir en dos grupos, los o!eti'os generales y específicos, en los primeros primeros se plantea plantea una idea general de los prolemas el cual estamos estamos enfrentando, enfrentando, con la finalidad de conseguir una soluci-n amplia. 8 en el otro grupo de o!eti'os se plantean procedimientos que se tienen que seguir para lograr las metas traadas en los o!eti'os generales. 5 continuaci-n continuaci-n se especifican estos dos grupos de o!eti'os9 •
2!eti'os 7enerales9
2
0omprender y e'aluar e'aluar los parámetros de dise1o dise1o y funcionamiento de la turina pelton con la finalidad de realiar me!oras, para fines con'enientes y geográficos.
2
4eterminar los factores que producen el prolema del desgaste en la ona posterior del filo de ataque de todas las caoletas.
2
6ener criterio para realiar una adecuada inspecci-n de los controles de calidad, en caso de adquirir o faricar el rodete +elton, de acuerdo a normas internacionales.
•
2!eti'os Específicos
2
0onocer el proceso de faricaci-n del rodete +elton.
2
3dentificar las 'ariales fundamentales que contemplan los atriutos más generales del funcionamiento.
2
3denti 3dentific ficar ar las 'aria 'ariales les dependi dependient entes es "parám "parámetr etros os de dise1o dise1o%% con la finalidad de realiar un cálculo y hallar las configuraciones geom&tricas del modelo de la turina +elton.
I.2 I.2.
Impo Import rtan anci cia a y o Just Justif ific icac ació ión. n.
4eido 4eido a que nuestro territor territorio io geográfico geográfico es rico hidrol-gicament hidrol-gicamente e y teniendo en cuenta nuestra realidad con respecto a la contaminaci-n y al efecto in'ernadero que caus causan an los los com comus ustitil les es f-si f-sile les, s, noso nosotr tros os como como estu estudi dian ante tess de pre pre grad grado o y en
TURBOMÁQUINAS TURBOMÁ QUINAS
3
UNT
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON compromiso con nuestra sociedad no es sumamente importante aprender e utiliar los recu recurs rsos os natu natura rale less para para impl implem emen enta tarr y sati satisf sfac acer er las las nece necesi sida dade dess de nues nuestr tra a comunidad y sore todo aportando al progreso. 6eniendo en mente lo mencionado, se ha realiado el presente proyecto en el cual se hace un estudio del dise1o fluido dinámico de la 6urina +elton, donde se aarcará principalmente los aspectos de funcionamiento y dise1o, sore todo para poner en practica lo aprehendido en el curso de 6UR:2M5;U3N5S. 6eniendo ya el conocimiento sore este tipo de turina se propone tami&n desarrollar micro centrales hidroel&ctricas para lograr el aporte y desa desarr rroll ollo o plan plante teado ado ante anteri rior orme ment nte e con con la fina finalilida dad d de cone conect ctar ar a los los sist sistem emas as el&ctricos actuales o ien entre ellas, formando peque1os sistemas el&ctricos en onas ale!adas de las líneas de distriuci-n. Estas unidades de generaci-n permitirían apro'echar el recurso hídrico en su totalidad.
I.3. I.3.
Refe Refere renc ncia ias s y/o y/o requ requis isit itos os del del dise diseo o..
1.3.1 !ntecedentes. "riterios. !plicaciones
TURBOMÁQUINAS TURBOMÁ QUINAS
4
UNT
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON Las 0entrales
El agua es elemento central de la naturalea, de nuestra 'ida. El agua que, dentro del círculo hidrol-gico, hidrol-gico, fluye fluye por los ríos al descender descender de un ni'el superior a un ni'el inferior genera una energía cin&tica que el homre lle'a siglos apro'echando. Hace Hace más más de cien cien años años,, esa esa en ener ergí gía, a, que que hast hasta a en ento tonc nces es se usab usaba a fund fundam amen enta talm lmen ente te para para mole molerr el trig trigo, o, come comenz nzó ó a em empl plea ears rse e en la gener ge nerac ación ión de electr electrici icida dad. d. De he hecho cho,, fue hasta hasta mitad mitad del siglo siglo XX la principal fuente de que se sirvió el hombre para producirla a gran escala.
Las centrales hidroel&ctricas funcionan con'irtiendo la energía cin&tica y potencial de una masa de agua al pasar por un salto en energía el&ctrica. El agua mue'e una turina cuyo mo'imiento de rotaci-n es transferido mediante un e!e a un generador de electricidad. Se consideran centrales mini hidráulicas aquellas con una potencia instalada de (* M> o menos, una frontera que hasta hace poco se situaa en los # M>.
TURBOMÁQUINAS TURBOMÁ QUINAS
5
UNT
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON
Existen fundamentalmente dos tipos de centales !idoel"cticas#
•
0entrales de agua fluyente, son aquellos apro'echamientos que mediante una ora de toma, captan una parte del caudal circulante por el río y lo conducen hacia la central para ser turinado. 4espu&s, este caudal es de'uelto al cauce del río. Estas centrales se caracterian por tener un salto til prácticamente constante, y un caudal turinado muy 'ariale, dependiendo de la hidrología. +or tanto, en este tipo de apro'echamiento, la potencia instalada está directamente relacionada con el caudal que pasa por el río.
•
0entrales de pie de presa, son aquellas situadas aguas aa!o de los emalses destinados a usos hidroel&ctricos o a otros fines como aastecimiento de agua a polaciones o riegos, susceptiles de producir energía el&ctrica, ya que no consumen 'olumen de agua. 6ienen la 'enta!a de almacenar la energía "el agua% y poder emplearla en los momentos en que mas se necesiten. Normalmente son las que regulan la capacidad del sistema el&ctrico y con las que se logra de me!or forma el alance consumo?producci-n.
#n las centrales de a$ua fluyente el esquema ásico de las mismas suele
contar con todos o algunos de los siguientes elementos9 un aud o presa de deri'aci-n, que des'ía parte del caudal a tra'&s de un canal o tuería hacia una !unto con el generador el&ctrico y los elementos au/iliares. +or ltimo, un canal de descarga de'uel'e el agua al cauce del río.
TURBOMÁQUINAS
$
UNT
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON
La potencia de una central hidroel&ctrica depende del caudal que pueda turinar y del salto, es decir, de la diferencia de cotas del agua a la entrada y la salida de la central. En funci-n de dichos parámetros "salto y caudal% se elegirá el tipo de turina más adecuada. +ara conocer correctamente las características de determinado apro'echamiento, es necesario disponer de datos de al menos 'einte a1os hidrol-gicos.
1.3.2 "aracter%sticas de funcionamiento. #specificaciones.
La energía potencial gra'itatoria del agua emalsada, o energía de presi-n, se con'ierte, prácticamente sin p&rdidas, en energía cin&tica, al salir el agua a tra'&s del inyector en forma de chorros lires, a una 'elocidad que corresponde a toda la altura del salto til, se dispone de la má/ima energía cin&tica en el momento en el que el
TURBOMÁQUINAS
%
UNT
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON agua incide tangencialmente sore el rodete, empu!ando a los álaes, oteni&ndose el traa!o mecánico deseado. Las formas c-nca'as de los álaes hacen camiar la direcci-n del chorro de agua, saliendo &ste, ya sin energía apreciale, por los ordes laterales sin ninguna incidencia posterior sore los alaes. 4e este modo, el chorro de agua transmite su energía cin&tica al rodete, donde queda transformada instantáneamente en energía mecánica. Las 'ál'ulas de agu!a, goernada por el regulador de 'elocidad, cierra más o menos el orificio de salida de la toera o inyector, consiguiendo modificar el caudal de agua que fluye por &sta, al o!eto de mantener constante la 'elocidad del rodete, e'itándose emalamiento o reducci-n del nmero de re'oluciones del mismo, por disminuci-n o aumento respecti'amente de la carga solicitada al generador. La arista que di'ide al álae en dos partes sim&tricas, corta al chorro de agua, seccionándolo en dos láminas de fluido, te-ricamente del mismo caudal, precipitándose cada una hacia la conca'idad correspondiente. 6al disposici-n permite contrarrestar mutuamente los empu!es a/iales que se originan en el rodete, equilirando presiones sore el mismo.
1.3.3 #squemas. &lanos de Instalaciones Reales.
TURBOMÁQUINAS
&
UNT
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON
TURBOMÁQUINAS
'
UNT
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON 33
M5R02 6E2R302 8 ME6242L2735 Recordemos que las 6urinas +elton son 6urinas de 5cci-n, y son apropiadas para grandes saltos y peque1os caudales, por lo cual sus nmeros específicos son a!os. Referente a las partes constructi'as de este tipo de turina, ellas se componen de9 3nyector "es% principal. 4eflector. Rodete. "Rueda% 3nyectores au/iliares "de partida y?o de freno%. 0arcasa. Recordemos tami&n que la altura neta esta dada por9 2
H n= Z e −Z s +
Pe C e γ
+
2g
5sí mismo el Nmero Específico esta dado por9 n √ N n s= 5 / 4 H n
4e acuerdo a los dispositi'os actuales de este tipo de turina, se distinguen dos tipos uno de e!e horiontal y el otro de e!e 'ertical. Las primeras pueden tener ( - = inyectores@ en camio las de e!e 'ertical se construyen hasta de $ inyectores.
ES6U432 6EAR302 4E L5S 6UR:3N5S +EL62N
TURBOMÁQUINAS
UNT 1(
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON
6R35N7UL2 4E BEL203454ES. 4e la figura "(% se oser'a que a la entrada de la caoleta - cuchara, las 'elocidades asolutas " C 1 % y tangencial " u % tienen la misma direcci-n y sentido@ por lo tanto se puede escriir9
Cigura "(% W 1=C 1−u1
"(%
C u 1=C 1
"=%
En las relaciones anteriores se han despreciado la componente de choque, al considerar nulo el ángulo a1 ^
"en la practica no es rigurosamente nulo%.
5 la salida, la direcci-n de la 'elocidad relati'a " w 2 % está definida por el ángulo β 2 , luego se tiene9 C u 2=u 2−w 2 cos β 2
"D%
4e la figura se oser'a que la 'elocidad de entrada " C 1 % es igual a la del chorro9
TURBOMÁQUINAS
UNT 11
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON C 1 =C 0= k c √ 2 g H n
"%
0
4onde9
k c =¿ 0
*.F# G *.F), Se le acostumra denominar coeficiente de toera.
En t&rminos del coeficiente de 'elocidad, u puede e/presarse como9 u= k u √ 2 g H n
"#%
4onde K u se determina de la siguiente gráfica de 'alores de para K u en funci-n de
ns
Cigura "=% 5demás9 u ¿ u1=u2
"
%$ CUERH5 4EL 0<2RR2, +26EN035, 8 REN43M3EN62 4e acuerdo al principio del camio de la cantidad de mo'imiento, la fuera del chorro está dada por9 F ch = ρ . Q. ( w1 + w 2 cos β 2 )
"I%
TURBOMÁQUINAS
UNT 12
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON w 2=k m . w1
4onde
k m
")% se denomina coeficiente de caoleta "depende del espesor de la capa de
agua, terminaci-n de la caoleta, tipo de material%. Su 'alor 'aría entre *.)) y *.F=. 4e esta forma, la fuera del chorro quedará e/presada por9 F ch = ρ . Q. w 1( 1+ k m cos β 2)
"F%
0ominando "(% y "% con "F% se otiene9 F ch = ρ . Q. ( K c √ 2 g H n +u )( 1 + k m cos β 2 )
"(*%
0
La e/presi-n "(*% representa la fuera e!ercida por el chorro sore la rueda, a cual gira con 'elocidad "u%. de esta forma, la fuera será má/ima cuando u J * "en la partida% y mínima cuando C 0 tiende a "u%.
La potencia está definida por la fuera y la 'elocidad, entonces tenemos9
(
N = F ch .u = ρ . Q . k c √ 2 g H n + u 0
) ( 1 +k cos β ) .u m
2
"((%
3ntroduciendo "#% en "((% y ordenando se otiene9 N =2. γ .Q. k u . H n ( k c −k u ) . ( 1 + k m cos β2 ) 0
"(=%
0on la potencia, altura neta y el caudal se otiene el rendimiento, 0ae hacer notar que en este análisis te-rico se han considerado s-lo las p&rdidas hidráulicas, de esta forma el rendimiento que se determinar' es el manom(trico "hidráulico%.
TURBOMÁQUINAS
UNT 13
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON
η=
N γ . Q . H n
"(D%
Remplaando "(=% en "(#% se otiene9 η= 2. k u . ( k c −k u ) . ( 1 + k m cos β2 )
0
"(%
+ara el rendimiento má/imo se tiene9 ηmax →
k c ∂η m =0 →k u= ∂ k u 2
0
"(#%
La relaci-n "(#% indica que el rendimiento "tami&n la potencia% es má/ima, cuando9 u=
C 0 2
"(
%$Sin emargo@ la practica indica que la 'elocidad -ptima es algo menor, comprendida entre u= 0.45 . C 0
*.( y *.# C 0 "'alor práctico
%. Los resultados te-ricos se resumen en las
cur'as de la figura *D. 4el gráfico se oser'a que la 'elocidad de emalamiento te-rica es igual a la 'elocidad del chorro, es decir,
k u =k c
0
, sin emargo, la práctica demuestra que es9
ηembalamien! ¿ 1.8 . n!"im!
TURBOMÁQUINAS
UNT 14
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON
Cuncionamiento te-rico de la 6urina +elton 0ur'as características. Cigura"D%
2.1 !l$oritmo de diseo del rodete &elton.
7eneralmente son datos el caudal ";%, la altura neta " H n % y la 'elocidad de rotaci-n "n%@ y se desea conocer el nmero específico " n s % y definir el nmero de chorros "!% para un ns
con'enientemente a!o.
)a velocidad del c*orro queda definido por la relaci-n "% por lo tanto su diámetro "d%
queda definido "para la carga de dise1o% por9 1/ 2
( )
#=
4Q
$% c 0
"(I%
4onde9 # =¿
diámetro del chorro.
% J nmero de chorros. )a velocidad tan$encial +u, referida al di'metro &elton "o primiti'o% -, está dado por "#%
Los límites de la ra-n
TURBOMÁQUINAS
UNT 15
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON # &i'me(! #e ch!((! = & &i'me(! Pel!n
Se en encuentra en el rango9 1 80
# &
< <
1 6
"()%
( ) 1
#n los etremos el funcionamiento es defectuoso 9 en el primero
80
, el agua tiene
un camino largo que recorre antes de entrar en contacto con las caoletas.
( ) 1
En el segundo
16
, la e/periencia demuestra que aumentan las p&rdidas en las
caoletas. Los me!ores rendimientos se otienen para un diámetro de la rueda de ) a (#
'eces el del chorro. 5nteriormente se demostr- que
relacionado con
ns
# &i'me(! #e ch!((! = está & &i'me(! Pel!n
, apro/imadamente por9
ns # = ( 19 ) & 288. √ k c . η 0
2.2 !l$oritmo de diseo de las caoletas.
Las dimensiones de la caoleta son proporcionales al diámetro del chorro, la figura "a% muestra las proporciones haituales. +ara e'itar una destrucci-n rápida de la arista media el ángulo a^ no dee ser inferior a =*K. El ángulo
a^ tiene que ser de ) a (=K@ no puede
ser más peque1o pues el agua que sale de una caoleta no dee golpear la siguiente. 4e la misma forma, al comieno del ataque, el agua que sale de la caoleta dee ser des'iada
TURBOMÁQUINAS
UNT 1$
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON al e/terior para no tocar la rueda. Los diámetros de las circunferencias e/terior
& e
y de
puntas & " dependen de las proporciones de la caoleta. 0ada faricante dispone de relaciones empíricas para estos diámetros@ para un primer cálculo se pueden utiliar las relaciones dadas por 5. 6enot. & "= & + 2.
& e = & " + #
( ) 7. # 6
"=*%
"=(%
Cigura "a%9 +roporciones de las caoletas, referidas al 4iámetro del chorro "dJl% 4e acuerdo a las tendencias modernas, en la faricaci-n de este tipo de turinas, el diámetro e/terior " & e % esta relacionado con "4% y "n%, por.
&e =( 1.028 + 0.013 . ns ) . &
"==%
0mero de caoletas
TURBOMÁQUINAS
UNT 1%
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON El nmero de caoletas dee ser seleccionado de forma tal, que cualquier partícula de agua pro'eniente del chorro, no pasara por la rueda sin ser des'iada por alguna caoleta, la determinaci-n del paso es facilitada por el traado de las trayectorias relati'as. El traado de una trayectoria relati'a se ilustra en la figura "%.
Cigura "%9 6raado de trayectorias relati'as El punto 5 es el comieno de la trayectoria correspondiente a la generatri superior del chorro, en este mismo punto la trayectoria es tangente a
w . Esta trayectoria corta a la ⃗
circunferencia de las puntas " & " % en un punto ) 1 , tal que9 ) 1 a1=u " . * +
y
) 1 a1=C ! . * +
"=D%
´ +ues la partícula que parte de 5 recorre el segmento ) a1 , en el mismo tiempo que el punto de la circunferencia de puntas, que deen rencontrarse en "a% descrie el arco ) 1´ a1 , de donde9
) 1 , 1 ) a1
=
u " C !
=
k u" k C
(24 )
!
Esta trayectoria corta al circulo +elton en dos puntos M y N definidos por9
TURBOMÁQUINAS
UNT 1&
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON -m Nn k u" = = (25 ) )m )n k C !
La trayectoria relati'a perteneciente a la generatri inferior del chorro se e/tiende de : a 1
. 6odas las trayectorias relati'as se encuentran, de esta forma, comprendidas entre
las de 5 y :. El paso de la caoleta es, a lo más, igual al arco
1
.
Sin emargo@ en la práctica, el nmero de caoletas es elegido mayor al que resulta del paso "arco%
1
, de manera que asegura que, al tomar en cuenta el escote de la
caoleta, la parte del chorro que no toca la caoleta atrapará la siguiente. Un aumento de nmero específico " n s ¿ conduce a una disminuci-n del nmero de caoletas "%. En la práctica se otienen uenos resultados haciendo uso de la relaci-n dada por 5. Riau/.
/ =15 +
& ( 26 ) 2#
2.3 !l$oritmo de diseo de los inyectores.
Los inyectores de la turina +elton están formados por un codo de secci-n circular el cual decrece en forma progresi'a, un tramo recto de secci-n circular donde se monta una agu!a con caea en forma de ulo y una oquilla que orienta el flu!o de agua en forma tangencial al rodete. 5demás de la regulaci-n con agua, generalmente se considera la regulaci-n de caudal mediante un deflector. Esta regulaci-n permite e'itar riesgos de golpe de ariete, producto de un cierre rusco de la agu!a. En la toera se da lugar una fuerte aceleraci-n, porque la 'elocidad del agua en la tuería que termina en el inyector suele ser del orden de ( m?s
TURBOMÁQUINAS
UNT 1'
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON para nuestro caso esta 'elocidad alcana un 'alor de (.(F m?s y la altura de presi-n en los saltos de gran altura característicos de las turinas +elton, la cual se transforma totalmente en altura dinámica en el inyector, suele ser muy ele'ada. +or lo que transporta arena y se produce erosi-n en la caea de la toera y la punta de la 'ál'ula puede deteriorarse rápidamente. 4e aquí que se !ustifica la construcci-n de la toera y la punta de la 'ál'ula de agu!a en unidades separadas, para su fácil recamio, los materiales suelen ser de ronce o acero ino/idale.
-i'metro de salida de la tobera.
+ara facilitar la regulaci-n es con'eniente dise1ar el inyector de manera que e/ista proporcionalidad entre la turina y la traslaci-n "/% de la agu!a medida a partir de la oturaci-n total de la toera. Suponiendo, como sucede en la realidad que
Kc "coeficiente
de 'elocidad de la toera% no 'aría impresionalemente con el caudal, entonces la potencia será proporcional al caudal y &ste a la secci-n de paso de la toera normal al flu!o. 6enemos que "/% es el a'ance de la agu!a para que se cumpla la proporcionalidad deseada. Las dimensiones de la toera están en funci-n del diámetro del chorro, el cual se determina utiliando la f-rmula9 #=
√
4.Q
$ . k c √ 2. g . H n 0
4onde9 # J Es el diámetro de la secci-n del chorro e/presado en m 3
Q J Es caudal que fluirá por la toera de la turina
TURBOMÁQUINAS
m s
UNT 2(
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON k c
0
J 0oeficiente de 'elocidad de la toera estimado. "mencionado
anteriormente% 2
g J 5celeraci-n de la gra'edad
H m
m s
J Salto neto con que operará la turina, en metros.
Entonces el caudal nominal de la turina +elton será9 Q N =
$ . # . C ! 4
8 el diámetro de la salida de la toera será9
# s =1.25 . #
Cigura "c%9 6oera de una 6urina +elton Radio de curvatura del bulbo.
El radio de cur'atura del ulo ha de ser grande, a fin de e'itar desprendimientos, el diámetro "% del mismo suele hacerse de manera que9
TURBOMÁQUINAS
UNT 21
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON
b =1.25 . # s
Cigura "d%9 :ulo de la agu!a del inyector. El diámetro # s de salida de la toera se dise1a, de manera que el diámetro má/imo del chorro # s se alcance cuando l=
l sea9
#s 2
Los 'alores ordinarios o comunes que se construye el ulo son
20 0 1 γ 1 30 0
La carrera del 'ástago de la 'ál'ula de agu!a suele hacerse mayor que la necesaria para otener el diámetro má/imo del chorro, esto con el fin de otener una reser'a de potencia. uera necesaria para mover la a$uja.
+ara el dise1o del sistema de regulaci-n es esencial un conocimiento de la fuera necesaria para mo'er la 'ál'ula de la agu!a, así como la reducci-n de &sta a un mínimo, procurando que sea constante en toda la carrera de la 'ál'ula, sore dicha 'ál'ula de agu!a del inyector cerrado acta la fuera hidrostática que el agua e!erce sore el ulo de la 'ál'ula de agu!a y la prensaestopa. La fuera total hidrostática en este caso será9
TURBOMÁQUINAS
UNT 22
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON
F h = ρ .Q . H n
4onde los 'alores de H n
( )( $ 4
2
2
#s −c )
corresponden a la altura ruta del salto. 5l arirse el inyector
con el desplaamiento de la agu!a la fuera hidrodinámica 'a disminuyendo paulatinamente porque disminuye la presi-n alrededor del ulo. El 'alor e/acto de la fuera hidrodinámica en este caso solo puede otenerse mediante e/perimento 'ali&ndose de un dinam-metro de resorte intercalado entre el 'ástago de la 'ál'ula y su mando. 2tenida dicha fuera es posile crear mediante un resorte una fuera elástica, de manera que cominando el diámetro del emolo de la prensaestopa y la constante
k
del resorte, permita conseguir
reducir a su mínimo la fuera total y hacerla prácticamente constante.
Cigura "e%9 Cueras e!ercidas en el inyector. 6raando el esquema de fueras del inyector en funci-n de la apertura del mismo. En el esquema con el inyector cerrado la fuera sore la agu!a
Fa
es má/imo y decrece
linealmente a medida que el inyector se are, y siempre es una fuera de cierre. La fuera sore el emolo de la prensaestopa Fe es constante y siempre es una fuera de apertura. El resorte e!erce una fuera nula cuando el inyector permanece cerrado, y una fuera de cierre Fk , creciente con la apertura del inyector. La resultante R de las tres fueras es muy
TURBOMÁQUINAS
UNT 23
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON peque1a y apro/imadamente constante, con lo que estaremos consiguiendo nuestro o!eti'o de reducir al mínimo la fuera total e!ercida sore el inyector y lograr que dicha fuera sea lo más constante posile. Rendimiento del inyector.
El rendimiento del inyector depende de la 'elocidad del chorro de agua a la salida del la toera o inyector, de la fuera de gra'edad y la caída de agua o altura neta, el roamiento del agua en las paredes del inyector es un parámetro que está presente en disminuci-n del rendimiento del inyector. 2
c1 η# =
2. g
H
2.3 Instalaciones complementarias al diseo.
TURBOMÁQUINAS
UNT 24
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON El elemento principal de toda turina hidráulica es el rodete mismo. Sin emargo, el rodete por sí solo no puede hacer mucho, requiere de ciertos accesorios, ya sea para la distriuci-n, direccionamiento, control etc.
(. 0odo de entrada. =. 3nyector. Es el distriuidor de las turinas +elton. 6ransforma la energía de presi-n del fluido de traa!o en energía cin&tica. La 'elocidad del chorro a la salida del inyector, en algunas instalaciones, llega a (#* m?s o más. 0onsta principalmente de una toera y una 'ál'ula de agu!a. D. 6oera. . Bál'ula de agu!a. Se desplaa longitudinalmente. 6anto la oquilla como la agu!a del inyector suelen construirse de acero muy duro. 5 pesar de esto, si
TURBOMÁQUINAS
UNT 25
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON el agua contiene arena, al cao de .*** h de ser'icio estas pieas ya no producen un cierre estanco y deen remplaarse. #. Ser'omotor. 4esplaa la agu!a del inyector para regular el caudal. $. Regulador. I. Mando del deflector. ). 4eflector o pantalla deflectora. Sir'e para e'itar el golpe de ariete y el emalamiento de la turina.
3. C0)##). 45. R)("$". 44. Al*"s' cuc0#s ) c/)l"$s. 46. F#"n) (" l $u#*in 7)# c0)##) (" gu. El 7"8u"9) c0)##) c$: s)*#" "l ()#s) (" l)s ;l*"s + ,#"n "l #)("$". Sin "l' "l #)("$" s"gui#< gi#n() 7)# in"#ci c( 1"/ &;s l"n$&"n$"' c)n 7"#=uici) (" l lu*#icci-n + ("$"#i)#) (" l)s c)=in"$"s. 4>. Blin(=". P#)$"g" l in,#"s$#uc$u# c)n$# "l ","c$) ("s$#uc$)# ("l c0)##) ("s1i(). .
4?. D"s$#uc$)# (" "n"#g<. E1i$ $&*in ls "#)si)n"s (" l in,#"s$#uc$u#. Rodete
0osta de una rueda con cucharas alrededor, a las que podemos llamar tami&n alaes, sore las que acta el chorro inyector. El tama1o y nmero de alaes dependen de las características de la instalaci-n y de la 'elocidad específica n s. 0uanto menor sea el caudal y mayor la altura del salto, menor será el diámetro del chorro. Las dimensiones de los alaes 'ienen ligadas directamente por el diámetro del chorro.
TURBOMÁQUINAS
UNT 2$
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON
0ada 'e que 'a a entrar un alae en el campo de acci-n del chorro sufriría un rechao, por lo que a esta se le practica un hueco de apro/imadamente un (* mayor al diámetro del chorro. Un alae tiene forma elíptica di'idida por una cresta afilada en dos partes sim&trica. 5l estar di'idido en dos la componente a/ial de la fuera se contrarresta y de esta forma no sufren los co!inetes. La longitud del alae es de =.( 'eces el diámetro del chorro y la anchura del alae es de =.# 'eces el mismo diámetro.
TURBOMÁQUINAS
UNT 2%
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON
!labes
6ami&n llamados, cucharas, son pieas de ronce o de acero especial para e'itar, dentro de lo posile, las corrosiones y ca'itaciones. Están dise1ados para reciir el empu!e directo del chorro de agua. Su forma es similar a la de una dole cuchara, con una arista interior lo más afilada posile y situada centralmente en direcci-n perpendicular hacia el e!e, de modo que di'ide al alae en dos partes sim&tricas de gran conca'idad cada una, siendo sore dicha arista donde incide el chorro de agua.
-istribuidor de la 4urbina
Está constituido por uno o 'arios equipos de inyecci-n de agua. 0ada uno de dichos equipos, formado por determinados elementos mecánicos, tiene como misi-n dirigir, con'enientemente, un chorro de agua, cilíndrico y de secci-n uniforme, que se proyecta sore el rodete, así como tami&n, regular el caudal preciso que ha de fluir hacia dicho rodete.
TURBOMÁQUINAS
UNT 2&
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON
Inyector
El inyector es una toera dise1ada para reducir hasta los 'alores deseados el caudal, y con ello las p&rdidas de carga en la conducci-n. Las p&rdidas de carga se producen por la fricci-n "roamiento% del fluido con la superficie de la tuería de conducci-n forada. Las p&rdidas de carga dependen de la naturalea de las paredes internas de dicha conducci-n, del caudal, de la secci-n y de la longitud de las mimas. 5 mayor caudal o menor secci-n "aumento de la 'elocidad del fluido% aumentan las p&rdidas de carga. 5 mayor longitud de la tuería mayor son dichas perdida. Si el caudal se hace cero la perdida de carga desaparece.
Este dispositi'o contiene una agu!a de cierre, cuyo mo'imiento disminuye o aumenta la apertura de la oquilla y con esto el caudal. Se puede construir de acero ino/idale al níquel, esmerilada y pulida para reducir el roamiento. El mo'imiento de esta agu !a se logra mediante un mecanismo de control. 0uando disminuye la carga, hay que actuar sore el caudal más rápidamente de lo que interesa a efectos del golpe de ariete. Un cierre rápido puede pro'ocar una situaci-n
TURBOMÁQUINAS
UNT 2'
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON desastrosa. +ara ello cada inyector lle'a incorporado un deflector que intercepta el chorro inmediatamente parcial o totalmente, cerrando la agu!a más lentamente y así no crear el golpe de ariete. 0ae se1alar que el inyector cuenta con un
deflector
el cual des'ía al chorro. Esto es muy
til en los casos en el cual ocurra una falla en el generador. Esta falla se traduce en una 'iolenta aceleraci-n de la turina, pudiendo &sta entrar en resonancia y destruirse. El deflector des'iaría el chorro, ayudando así a disminuir la 'elocidad del rodete. "arcasa de la 4urbina
Es la en'oltura metálica que cure el inyector, rodete y otros elementos mecánicos de la turina.
Su misi-n consiste en e'itar que el agua salpique al e/terior cuando, despu&s de incidir sore los alaes, aandona a &stos. 4ispone de un equipo de sellado, en las onas de salida del e!e, a fin de eliminar fugas de agua. +uede estar formado por un laerinto metálico dotado de drena!es, o ien por !untas de estanqueidad, prensaestopas, etc.
TURBOMÁQUINAS
UNT 3(
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON
"ama de descar$a
Se entiende como tal la ona por donde cae el agua liremente hacia el desagOe, despu&s de haer mo'ido al rodete. 6ami&n se conoce como tuería de descarga. #je de la 4urbina
Rígidamente unido al rodete, y situado adecuadamente sore co!inetes deidamente luricados, transmite el mo'imiento de rotaci-n al e!e del generador. El nmero de co!inetes instalados así como su funci-n, radial o radialPa/ial, depende de las características de cada grupo. 333
+R20E43M3EN62 4E 0QL0UL2 3.1 -eterminación de los par'metros de diseo de la instalación de 4urbina &elton.
4562S 2:6EN342S +5R5 EL 43SE2 S3M:2L2 B5L2R UN3454 + (#*** T 3 ; # m s η
)* G F=
TURBOMÁQUINAS
"asumido%
UNT 31
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON H f g
( $* F.)*$
3nyector +ares de polos < m s
2
&ropiedades del a$ua.
+eso específico9 es la relaci-n que e/iste entre su peso y el 'olumen que ocupa. γ =
Pes! 2!lumen
+ara una temperara 6J (=K0 se otiene la densidad del agua de talas. ρ= 999.46
kg m
3
γ = ρ . g =999.46∗9.806 =9800.7047
Entonces.
kg 2
m .s
2
I 5 Iteración
+ara un
η=¿ )# J *.)#.
!ltura neta del salto
0on la siguiente f-rmula se otiene la 5ltura neta de dise1o, ya que se tiene como dato de dise1o al caudal y al rendimiento total de la turina. P= γ . Q . H n .η
∗
15000 10
3
=9800.7047 ∗5∗ H n∗0.85
H n=360 m
0mero espec%fico de revoluciones
TURBOMÁQUINAS
UNT 32
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON +ara determinar el nmero de re'oluciones a las que dee girar la turina, se dee encontrar primero la 'elocidad sincr-nica para ello se utiliará un generador de pares de polos entonces tenemos9
n=
∗3
60
/
4onde9
2 3 , frecuencia en <. 2 / , nmero de polos
n=
∗
60 60 9
= 460 ("m
n =400 ("m
5hora teniendo en cuenta el rango de aplicaci-n de la 6urina +elton n s< 40 n s=n .
∴ ns
√ N H n
=
5 /4
∗√ 20107.24
400
5
360
→ N = 20107.24 C2
4
n s=36.2
Luego encontramos el coeficiente de 'elocidad
TURBOMÁQUINAS
k u
de la figura "=% en funci-n de
UNT 33
ns
.
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON k u =0.525
"'lculo de velocidades
+ara determinar la velocidad del c*orro recurrimos a la ecuaci-n "% C 0 =k c √ 2 g H n 0
4onde9
2
C 0
2
k c
2
H n
2
g , es la aceleraci-n de la gra'edad.
, es la 'elocidad el chorro. 0
, es el coeficiente de toera. G se asume
k c
0
J *.FI
, es la altura neta.
Entonces9
C 0 =0.97 √ 2∗9.806∗360 =81.5
m s
C 0 =81.5
m s
+ara determinar la velocidad tan$encial , se toma la ecuaci-n "#% u= k u √ 2 g H n
4onde9
2
u, es la 'elocidad tangencial.
2
k u
2
H n
2
g , es la aceleraci-n de la gra'edad.
, es el coeficiente de 'elocidad. , es la altura neta.
u= 0.525 √ 2∗9.806∗360= 44.11
TURBOMÁQUINAS
UNT 34
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON
m u= 44.11 s
"alculo de uera6 4orque6 &otencia6 Rendimiento
+ara determinar la uera del c*orro utiliamos las ecuaci-n "(*%9 F ch = ρ . Q. ( k c √ 2 g H n−u )( 1+ k m cos β 2) 0
4onde9
2
F ch
2
ρ , es la densidad del agua.
2
Q , es el caudal.
2
k c
2
k m
2
u , 'elocidad tangencial.
2
H n
2
g , aceleraci-n de la gra'edad.
2
β2
0
, Es la fuera del 0horro.
, coeficiente de toera. se elige
k c = 0.97
, coeficiente de caoleta. Se elige
0
k m =0.9
, altura neta. , ángulo de salida. Esta entre ")K a(=K%, se elige β 2=12 0 ∴ F ch
=999.46∗5∗(0.97 √ 2∗9.806∗360 −44.11 )( 1 + 0.9∗cos12 0 )
F ch =351384.8 N
+ara determinar la &otencia de dise1o utiliamos la ecuaci-n "(=%9
TURBOMÁQUINAS
UNT 35
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON N =2. γ .Q. k u . H n ( k c −k u ) . ( 1 + k m cos β2 ) 0
4onde9
2
Q , es el caudal.
2
k c
2
k m
, coeficiente de caoleta. Se elige
2
H n
, altura neta.
2
γ , peso específico del agua
2
β2
, ángulo de salida. Esta entre ")K a(=K%, se elige β 2=12 0
2
k u
, es el coeficiente de 'elocidad.
0
, coeficiente de toera. k m =0.9
(
∴ N = 2∗ 9800.7047∗5∗0.525∗360∗ 0.97 − 0.525
) . ( 1+ 0.9∗cos12 0 )
N =15499 KW
&ara verificar el rendimiento asumido utiliamos la ec. "(D%
η=
N γ . Q . H n
4onde9
2
Q , es el caudal.
2
H n
2
γ , peso específico del agua
2
N , +otencia.
, altura neta.
3
N 15499∗10 = η= γ . Q . H n 9800.7047∗5∗360
TURBOMÁQUINAS
UNT 3$
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON
η=¿ )I.)
4eido a que no coincide con el rendimiento asumido se procede a una segunda iteraci-n. II 5 Iteración.
5hora para un
η=¿ )I.) J *.)).
!ltura neta del salto
P= γ . Q . H n .η
∗
15000 10
3
=9800.7047 ∗5∗ H n∗0.88
H n=348 m 0mero espec%fico de revoluciones
n=
∗3
60
/
4onde9
2 3 , frecuencia en <. 2 / , nmero de polos
n=
TURBOMÁQUINAS
∗
60 60 9
= 460 ("m
UNT 3%
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON
n =400 ("m
5hora teniendo en cuenta el rango de aplicaci-n de la 6urina +elton n s< 40 n s=n .
∴ ns
√ N H n
=
5 /4
∗√ 20107.24 → N C2 =
400
5
348
4
n s=37.74
Luego encontramos el coeficiente de 'elocidad
k u
de la figura "=% en funci-n de
k u =0.55
"'lculo de velocidades
7elocidad del c*orro
C 0 =k c √ 2 g H n 0
C 0 =0.97 √ 2∗9.806∗348 =80.14
m s
C 0 =80.14
7elocidad tan$encial
TURBOMÁQUINAS
UNT 3&
m s
ns
.
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON
u= k u √ 2 g H n
u= 0.55 √ 2∗9.806∗348= 45.44
u= 45.44
m s
"alculo de uera6 4orque6 &otencia y Rendimiento
uera del c*orro
F ch = ρ . Q. ( k c √ 2 g H n−u )( 1+ k m cos β 2) 0
∴ F ch
=999.46∗5∗(0.97 √ 2∗9.806∗348 −45.44 )( 1 + 0.9∗cos12 0 )
F ch =326014.69 N
&otencia
N =2. γ .Q. k u . H n ( k c −k u ) . ( 1 + k m cos β2 ) 0
(
∴ N =2∗ 9800.7047∗5∗0.55∗348∗ 0.97− 0.55
) . ( 1 + 0.9∗ cos120 )
N =14814.37 KW
TURBOMÁQUINAS
UNT 3'
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON
&ara verificar el rendimiento asumido
η=
N γ . Q . H n
3
14814.37∗10 N η= = =86.8 γ . Q . H n 9800.7047∗5∗348
III 5 Iteración.
5hora para un
η=¿ )$.) J *.)I.
!ltura neta del salto
P= γ . Q . H n .η
∗
15000 10
3
=9800.7047 ∗5∗ H n∗0.87
H n=352 m
0mero espec%fico de revoluciones
n=
∗3
60
/
4onde9
2 3 , frecuencia en <.
TURBOMÁQUINAS
UNT 4(
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON 2 / , nmero de polos
n=
∗
60 60 9
= 460 ("m
n =400 ("m
5hora teniendo en cuenta el rango de aplicaci-n de la 6urina +elton n s< 40 n s=n .
∴ ns
√ N H n
=
5 /4
∗√ 20107.24 → N = 20107.24 C2
400
5
352
4
n s=37.2
Luego encontramos el coeficiente de 'elocidad
k u
de la figura "=% en funci-n de
k u =0.56
"'lculo de velocidades
7elocidad del c*orro
C 0 =k c √ 2 g H n 0
TURBOMÁQUINAS
UNT 41
ns
.
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON C 0 =0.97 √ 2∗9.806∗352= 80.6
m s
C 0 =80.6
m s
7elocidad tan$encial
u= k u √ 2 g H n
u= 0.56 √ 2∗9.806∗352= 46.53
u= 46.53
m s
"alculo de uera6 4orque6 &otencia y Rendimiento
uera del c*orro
F ch = ρ . Q. ( k c √ 2 g H n−u )( 1+ k m cos β 2) 0
∴ F ch
=999.46∗5∗(0.97 √ 2∗9.806∗352− 46.53 )( 1+ 0.9∗cos 120 )
F ch =320087.61 N
&otencia
TURBOMÁQUINAS
UNT 42
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON (
∴ N =2∗ 9800.7047∗5∗0.56∗352∗ 0.97 − 0.56
) . ( 1 + 0.9∗ cos120 )
N =14893.84 KW
&ara verificar el rendimiento asumido
η=
N γ . Q . H n
η=
N 14893.84∗10 = =86.3 γ . Q . H n 9800.7047∗5∗352
3
I7 5 Iteración.
5hora para un
η=¿ )$.D J *.)$D
!ltura neta del salto
P= γ . Q . H n .η
∗
15000 10
3
=9800.7047 ∗5∗ H n∗0.863
H n=355 m
0mero espec%fico de revoluciones
TURBOMÁQUINAS
UNT 43
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON
n=
∗3
60
/
4onde9
2 3 , frecuencia en <. 2 / , nmero de polos
n=
∗
60 60 9
= 400 ("m
n =400 ("m
5hora teniendo en cuenta el rango de aplicaci-n de la 6urina +elton n s< 40 n s=n .
∴ ns
√ N H n
=
5 /4
∗√ 20107.24
400
5
355
→ N = 20107.24 C2
4
n s=36.8
Luego encontramos el coeficiente de 'elocidad
k u
de la figura "=% en funci-n de
k u =0.54
"'lculo de velocidades
TURBOMÁQUINAS
UNT 44
ns
.
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON
7elocidad del c*orro
C 0 =k c √ 2 g H n 0
C 0 =0.97 √ 2∗9.806∗355 =80.9
m s
C 0 =80.9
m s
7elocidad tan$encial
u= k u √ 2 g H n
u= 0.54 √ 2∗9.806∗355= 45.06
u= 45.06
m s
"alculo de uera6 4orque6 &otencia y Rendimiento
uera del c*orro
F ch = ρ . Q. ( k c √ 2 g H n−u )( 1+ k m cos β 2) 0
∴ F ch
=999.46∗5∗(0.97 √ 2∗9.806∗355 −45.06 )( 1 + 0.9∗cos12 0 )
TURBOMÁQUINAS
UNT 45
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON F ch =337120.92 N
&otencia
N =2. γ .Q. k u . H n ( k c −k u ) . ( 1 + k m cos β2 ) 0
(
∴ N = 2∗ 9800.7047∗5∗0.54∗355∗ 0.97 −0.54
) . (1 + 0.9∗cos12 0 )
N =14190.868 KW
&ara verificar el rendimiento asumido
η=
N γ . Q . H n
3
N 15190.868∗10 η= = =87 γ . Q . H n 9800.7047∗5∗355
Cinalmente se puede oser'ar que de las cuatro iteraciones en lo que se refiere al rendimiento asumido y el rendimiento 'erificado la 3BP3teraci-n es la más pr-/ima al rendimiento asumido. 0on un error apro/imadamente de ( deido a que no se toman todos los decimales en las ecuaciones. +or lo tanto se toma como datos de dise1o a los cálculos hechos en la cuarta 3teraci-n.
TURBOMÁQUINAS
UNT 4$
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON 3.2 -eterminación de los par'metros dimensionales del rodete6 cuc*ara6 inyector6 carcasa6 etc.
"'lculos de los di'metros principales
RO-#4#
+ara determinar el -i'metro del "*orro utiliamos la ecuaci-n
#=
(
1 /2
4. Q
$ . k c . √ 2. g . H n
)
4onde9
2
Q , caudal.
2
C 0
2
# , diámetro del chorro.
2
% , nmero de chorros.
, 'elocidad del chorro.
(
∗5 #= $ ∗0.97∗√ 2∗9.806∗355 4
)
/
1 2
# =0.28 m
+ara determinar el 4iámetro +elton utiliamos la ecuaci-n "(F% ns # = & 288. √ k c . η 0
TURBOMÁQUINAS
UNT 4%
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON 4onde9
2
ns
2
k c
2
# , diámetro del chorro.
2
η , rendimiento. 4e acuerdo a la 3teraci-n
0.28
&
=
, nmero específico. , coeficiente de toera. se elige
0
k c = 0.97 0
η= 87
36.8
∗√ 0.97∗0.87
288
&=2.013 m
+ara determinar el di'metro de la circunferencia eterior y tambi(n el de las puntas se utilian las f-rmulas "=*% y "=(%.
& "= & + 2.
( ) 7. # 6
& e = & " + #
4onde9
2
ns
2
k c
2
# , diámetro del chorro.
2
η , rendimiento. 4e acuerdo a la 3teraci-n
, nmero específico. 0
, coeficiente de toera. se elige
( ∗ )=
& "=2.013 + 2∗
7 0.28 6
k c = 0.97 0
η= 87
2.66 m
TURBOMÁQUINAS
UNT 4&
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON
&e =2.66 + 0.28 =2.95 m
+ara determinar el nmero de caoletas "cucharas% utiliamos la ecuaci-n "=$% / =15 +
& 2#
4onde9
2 2 2
∴ /
, nmero de caoletas "cucharas% 4, diámetro de la +elton # , diámetro del chorro.
=15 +
2.013
∗
2 0.28
=18.6 =19
"8"9!R!:
+ara otener los rangos de las medidas remplaaremos el 'alor del diámetro del chorro con lo que podemos otener el rango para la altura de la cuc*ara +!,6 el lar$o de la cuc*ara +;,6 el anc*o del filo de ataque +", y el anc*o de la cuc*ara +-,
*.)d V 5 V (d
*.)*.=) V 5 V ( *.=)
*.== m V 5 V *.=) m =.=#d V : V =.)d
TURBOMÁQUINAS
=.=#*.=) V : V =.)*.=)
*.$D m V : V *.I) m 4'
UNT
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON
(.=d V 0 V (.=#d
(.=*.=) V 0 V (.=#*.=)
*.DD$ m V 0 V *.D# m =.$d V 4 V Dd
=.$*.=) V 4 V D*.=)
*.I=) m V 4 V *.) m
Rango de medidas principales de la cuchara del Rodete +elton.
3B
Magnitudes
&ar'metros
C 0
80.9
I7.1.
u
m s
45.06
F ch
H n
355 m 14190.868 KW
TURBOMÁQUINAS η
ns γ
&ar'metros del flujo del fluido
337120.92 N 12 0
RESUL6542S.
m s
β 2
N
+RESEN6503AN 8 43S0US3AN 4E
*.)I 5(
36.8
9800.7047
kg 2
m .s
2
UNT
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON
<.2 -imensiones de la 4urbina y !ccesorios.
RO-#4#
-imensiones
#
&
0.28 m
2.013 m
& "
2.66 m
& e
/
2.95 m 19
"8"9!R!: ! ; " -
-imensiones
*.==m P *.=)m *.$D m P *.I) m *.DD$ m P *.D# m *.I=) m P *.) m
<.3 :elección del $enerador el(ctrico.
S" ("$"#&in- u$ili/# un &;8uin s
TURBOMÁQUINAS
UNT 51
DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA PELTON
B
2
02N0LUS32NES.
Se logr- comprender y e'aluar los parámetros de dise1o, pudiendo ahora identificar las fallas que se podría presentar en la turina, o en todo caso me!orar el dise1o para me!ores rendimiento en su funci-n.
2
Se pudo otener los parámetros y dimensiones del dise1o de la turina +elton, tanto como para el rodete y las cucharas, en caso del inyector sus dimensiones y simulaci-n serán determinadas en un informe aparte.
2
0on los cálculos hechos y en comparaci-n con las otras turinas se pudo oser'ar que la turina +elton es roustas, lo cual se traduce en una mayor resistencia y un aumento de la 'ida til de la turo máquina por lo tanto el peligro de erosi-n de los álaes es menor para sus condiciones estalecidas
2
Si se realiara un análisis más detallado sore el perfil hidráulico y ángulos de los filos de ataque y ner'io central se podría tener un me!or apro'echamiento de la energía hidráulica.
TURBOMÁQUINAS
UNT 52