MARCO TERICOLa turbina PELTON debe su nombre al ingeniero norteamericano Lester Allen Pelton (1829-1908), quien en busca de oro en California concibi la idea de una rueda con cucharas perifricas que aprovecharan la energa cintica del agua que vena de una tubera y actuaba tangencialmente sobre la rueda. Por fin en 1880 patent una turbina con palas perifricas de muy particular diseo, de tal manera que el chorro proveniente de la tubera golpea el centro de cada pala o cuchara con el fin de aprovechar al mximo el empuje del agua.A las cucharas y palas que mencionamos anteriormente se les nombran labes. El labe tiene la forma de doble cuchara, con una arista diametral sobre la que incide el agua producindose una desviacin simtrica en direccin axial, buscando un equilibrio dinmico de la mquina en esa direccin. En las siguientes imgenes veremos y analizaremos la forma del labe. La Turbina pelton tiene la peculiaridad de aprovechar solamente la energa cintica del fluido, pues no existe gradiente de presin entre la entrada y la salida de la mquina.La energa cintica del agua, en forma de chorro libre, se genera en una tobera colocada al final de la tubera a presin. La tobera est provista de una aguja de cierre para regular el gasto, constituyendo el conjunto el rgano de alimentacin y de regulacin de la turbina.Las turbinas Pelton aumentan la velocidad del fluido mediante esta tobera, produciendo un chorro de agua dirigido a gran velocidad hacia las paletas. Debido a la forma de stas, el chorro gira en casi 180, con lo cual se produce un cambio de momentum que se traspasa al eje. En la turbina Pelton de eje horizontal, el nmero de chorros por rueda se reduce generalmente a uno o dos, por resultar complicada la instalacin en un plano vertical de las tuberas de alimentacin y las agujas de inyeccin. Este sistema de montaje encuentra aplicacin en aquellos casos donde se tienen aguas sucias que producen deterioros o notable accin corrosiva. Con el eje horizontal se hace tambin posible instalar turbinas gemelas para un solo generador colocado entre ambas, contrarrestando empujes axiales. Con la disposicin de eje vertical, se facilita la colocacin del sistema de alimentacin en un plano horizontal, lo que permite aumentar el nmero 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 minimizan las excavaciones; se puede disminuir el dimetro de la rueda y aumentar la velocidad de giro, se reduce en fin el peso de la turbina por unidad de potencia. Esto hace que la utilizacin de esta disposicin en turbinas pelton sea ms ventajosa que la disposicin horizontal. Su aplicacin es conveniente en aquellos casos donde se tienen aguas limpias que no produzcan gran efecto corrosivo sobre los alabes e inyectores, debido a que la inspeccin y las reparaciones con este montaje se hacen ms difciles.

(A) (B) Figura 1: turbina Pelton de eje horizontal(A) y turbina Pelton de eje vertical(B).Corredor de una turbina PeltonEl rodete o rueda Pelton, como se muestra en la figura 1., est constituido por un disco de acero con alabes perifricos en forma de doble cuchara. Estos pueden estar fundidos en el disco en una sola pieza o individualmente, sujetndose despus al disco por medio de bulones.

Figura 2. Rodete o rueda Pelton

Rodete PeltonLa fundicin por separado de disco y alabes ha sido la forma ms tradicional, ya que no slo se facilita la construccin (fundicin, maquinado y pulido de piezas) sino que tambin hace posible la reposicin de cucharas averiadas por la erosin. 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 especfica. Se consigue con este procedimiento mayor rigidez y solidez; uniformidad en la resistencia y montaje rpido; para la misma potencia, las ruedas resultan ms ligeras. Existen mtodos modernos de fundicin y de control de calidad (Magnaflux, Magnaglo, ultrasonidos, etc.) que permiten obtener piezas sin grietas ni fisuras en el templado. El material de los alabes debe resistir a la fatiga, a la corrosin y a la erosin. Cuando estas acciones son moderadas puede bastar la fundicin de grafito laminar. Si las condiciones de trabajo son ms drsticas debe recurrirse al acero, al carbono aliado con nquel (0.7 a 0.1)-molibdeno (0.3). Aceros con 13% de cromo y los aceros austeno-ferrticos (Cr 20, Ni 8, Mo 3) presentan una resistencia extraordinaria a la cavitacin y la abrasin. El material del disco de la rueda es de acero fundido o forjado.El nmero de alabes suele ser de 17 a 26 por rueda, dependiendo de la velocidad especfica de la turbina. Para alta velocidad especfica el nmero de alabes es menor. Para una rueda de un dimetro determinado por una carga y una velocidad de giro si la velocidad especfica es alta, el gasto es grande, lo exige alabes mayores y, por lo tanto, caben menos en la misma periferia de la rueda. El espacio requerido por alabe suele estar entre 1.4 y 1.6 veces el dimetro del chorro. Forma y dimensiones de los AlabesLos alabes de una rueda Pelton tienen la forma de doble cuchara, con una arista mediana donde se produce el ataque del chorro de agua. Las dimensiones del alabe son proporcionales al dimetro del chorro y ste a su vez es funcin del dimetro de la rueda y de la velocidad especfica. El valor del dimetro del chorro est entre el 5% y el 12% aproximadamente del valor del dimetro de la rueda pelton.

Figura 3. Ataque del chorro del alabe.

Ataque del chorro al alabeSera deseable que el ngulo que forman las caras interiores del alabe fuera cero, para evitar componentes de choque de la velocidad en la incidencia, sin embargo, esto no es posible, ya que se debilitara demasiado la arista media, expuesta a la accin directa del chorro de agua y a los efectos no solo mecnicos sino de erosin y corrosin. Este ngulo es del orden de 20 segn recomendacin de los constructores.

A la salida, el ngulo del alabe est normalmente entre 8 y 12 en la parte media del alabe. Aqu es tambin conveniente tener un valor reducido del ngulo para disminuir el valor de la velocidad absoluta de salida y mejorar la utilizacin de la energa del agua, pero se presenta el peligro de recirculacin y de choque del agua contra el extrads del alabe siguiente. Hay que dar salida al agua con la propia forma del borde de fuga.Como la energa cintica del chorro de agua decrece con la distancia al orificio de salida, conviene colocar los inyectores lo ms cerca posible del rodete, para lo cual se produce en los alabes una entalladura en la parte perifrica, la que adems impide que el agua salpique por el borde de la cuchara e incluso que la ataque por la parte posterior. En las ruedas de alta velocidad especfica debe acentuarse el tamao de la entalladura de los alabes, por ser el caudal relativamente ms abundante. Para el clculo de una turbina peltonPara obtener un mximo rendimiento de la turbina pelton se debe calcular sta detalladamente. Para ello ocuparemos formulas, tablas, grficas, curvas y, juntando todo esto se podr crear un criterio propio de diseo.Comenzaremos por mostrar las curvas para el diseo. Cabe recalcar que estas curvas son extradas del libro "TURBOMQUINAS HIDRULICAS" del Ing. MANUEL POLO ENCINAS y por lo tanto, la numeracin de las curvas ser de acuerdo a esa obra. Esta figura muestra la seleccin de turbina dependiendo solo de su carga (en metros) y su potencia (en kW).

Figura 4. seleccin de turbina dependiendo de su carga(m) y potencia(kW).La manera de usar esta curva es: sabiendo la carga y la potencia requerida, se busca en sus respectivas escalas, y al unir los valores se busca en el area que ha caido, y arrojar la clasificacin.Siguiendo con curvas PELTON, Analizaremos la curva que involucra la relacin "dimetro del chorro-diametro pelton" en funcin con la velocidad especfica por chorro.

Figura 5. tendencia del rendimiento.Ntese que la grfica muestra una tendencia lineal negativa, esto es por la formula: (1)La siguiente grfica muestra el valor del coeficiente respecto la velocidad especfica de chorro.

Figura 6. Grafico para determinar el valor del coeficiente.Para calcular el coeficiente se sigue la formula: (2)Principio de funcionamiento de las turbinas Pelton:La sucesiva transformacin de la energa se efecta del modo siguiente. La energa potencial gravitatoria del agua embalsada, o energa de presin hasta los orificios de las toberas, se convierte, prcticamente sin prdidas, en energa cintica, al salir el agua a travs de dichos orificios en forma de chorros libres, a una velocidad que corresponde a toda la altura del salto til, estando referida sta, para el caso concreto de las turbinas Pelton, al centro de los chorros considerados. Se dispone de la mxima energa cintica en el momento en que el agua incide tangencialmente sobre el rodete, empujando a los cangilones que lo forman, obtenindose el trabajo mecnico deseado. Las formas cncavas de los cangilones hacen cambiar la direccin del chorro de agua, saliendo ste, ya sin energa apreciable, por los bordes laterales, sin ninguna incidencia posterior sobre los cangilones sucesivos. De este modo, el chorro de agua transmite su energa cintica al rodete, donde queda transformada instantneamente en energa mecnica. La vlvula de aguja, gobernada por el regulador de velocidad, cierra ms o menos el orificio de salida de la tobera, consiguiendo modificar el caudal de agua que fluye por sta, al objeto de mantener constante la velocidad del rodete, evitndose embalamiento o reduccin del nmero de revoluciones del mismo, por disminucin o aumento respectivamente de la carga solicitada al generador. La arista que divide a cada cangiln en dos partes simtricas, corta al chorro de agua, seccionndolo en dos lminas de fluido, tericamente del mismo caudal, precipitndose cada una hacia la concavidad correspondiente. Tal disposicin permite contrarrestar mutuamente los empujes axiales que se originan en el rodete, equilibrando presiones sobre el mismo, al conseguir cambiar, simtrica y opuestamente, los sentidos de ambas lminas de agua.