2.1 Turbinas

Las turbinas han sido utilizadas durante siglos para convertir la energía mecánica libre disponible de ríos y el viento en trabajo mecánico útil, por lo general mediante un eje rotatorio. La parte giratoria de una bomba se llama impulsor o rotor, y la parte rotatoria de una hidroturbina se llama rotor. Cuando el fluido de trabajo es agua, las turbomáquinas se llaman turbinas hidráulicas o hidroturbinas. Cuando el fluido de trabajo es aire y la energía se extrae del viento, la maquina se llama turbina de viento o turbina eólica.

En general, las turbinas que producen energía tienen una eficiencia global un poco mayor que las bombas que absorben energía. Las hidroturbinas grandes, alcanzan eficiencias globales arriba de 95 por ciento, mientras que la mejor eficiencia de bombas grandes es un poco más de 90 por ciento.

2.2 Turbinas de impulsión

Las turbinas Pelton son turbinas de chorro libre que se acomodan a la utilización de saltos de agua con mucho desnivel y caudales relativamente pequeños.

Una turbina Pelton es uno de los tipos más eficientes de turbina hidráulica. Es una turbomáquina motora, de flujo transversal, admisión parcial y de acción. Consiste en una rueda dotada de cucharas en su periferia, las cuales están especialmente realizadas para convertir la energía de un chorro de agua que incide sobre las cucharas.

Las turbinas Pelton están diseñadas para explotar grandes saltos hidráulicos de bajo caudal. Las centrales hidroeléctricas dotadas de este tipo de turbina cuentan, la mayoría de las veces, con una larga tubería llamada galería de presión para trasportar al fluido desde grandes alturas, a veces de hasta más de doscientos metros. Al final de la galería de presión se suministra el agua a la turbina por medio de una o varias válvulas de aguja, también llamadas inyectores, los cuales tienen forma de tobera para aumentar la velocidad del flujo que incide sobre las cucharas

En una turbina de impulsión, el fluido se envía por una tobera aceleradora de modo que la mayor parte de su energía mecánica se convierte en energía cinética. El chorro a alta velocidad choca con los alabes en forma de cubeta llamados cucharas o cucharones o cangilones o paletas que transfiere la energía a la flecha de la turbina, como se muestra en la figura 1.

Lester Allen Pelton invento en 1878 la turbina de impulsión moderna y más eficiente, y la rueda giratoria ahora se llama rueda de Pelton en su honor. Los cangilones de una rueda de Pelton están diseñados para que dividan el flujo a la mitad y cambien la dirección del flujo casi 180º (respecto a un marco de referencia que se mueve con el aspa), según se muestra en la figura 2.

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Una porción de la parte extrema de cada cangilón se corta para que la mayor parte del chorro pueda atravesar el cangilón que no está alineado al chorro (cangilón n+1), para alcanzar el cangilón más alineado (cangilón n).

De esta manera, se utiliza la cantidad máxima de cantidad de movimiento del chorro.

Se analiza la salida de potencia de una turbina de Pelton mediante la ecuación de Euler para la turbomáquina. La salida de potencia de la flecha es igual a wT flec ha, donde T flechase expresa por medio de la ecuación.

Ecuación de Euler para una turbomáquina:

W flec ha=wT flec ha=ρ∗w∗V (r2V 2 ,t−r1V 1, t )Debe tenerse en cuidado con los signos negativos, debido a que éste es un dispositivo que produce energía y no uno que absorbe energía. Para las turbinas, es conveniente definir el punto 2 como la entrada y el punto 1 como la salida. El centro del cangilón se mueve a velocidad tangencial rw, como se muestra en la figura 7. Se simplifica el análisis si se supone que como hay una abertura en la parte extrema de cada cangilón, el chorro completo choca con el cangilón que está en el fondo de la rueda en el instante n consideración al cangilón n.

Además, ya que el tamaño del cangilón y el diámetro del chorro de agua son pequeños en comparación con el radio de la rueda, se aproxima r1 y r2 como iguales a r. Por último, se supone que el agua se desvía a un ángulo βsin perder la velocidad; el marco de referencia relativo que se mueve con el cangilón, la velocidad de salida relativa es Vj –rw.

Después de aplicar un poco de trigonometría puede comprobarse después de notar que sen (β-90º)=-cosb:

V 1 ,t=rw+(V f−rw )cos βPotencia de flecha producida.

W flec ha=ρrw V (V f−rw )¿Factor de eficiencia debido a β

nβ=W flec ha , real

W flec ha

= 1−cosβ1−cos (180 º)

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2.3 COMPONENTES DE UNA TURBINA PELTON

Los componentes esenciales de una turbina Pelton son:

El distribuidor El rotor La carcasa La cámara de descarga El sistema de frenado El eje de la turbina

2.3.1 EL DISTRIBUIDOR

Está constituido por uno o varios equipos de inyección de agua. Cada uno de dichos equipos tiene como misión dirigir convenientemente un

chorro de agua cilíndrico y de sección uniforme sobre el rotor. También regula el caudal preciso que ha de fluir hacia el rotor, llegando incluso

a cortarlo totalmente cuando sea necesario. El número de equipos de inyección, colocados circunferencialmente alrededor

del rotor, depende de la potencia y características del generador y según las condiciones del salto de agua.

Así mismo, se puede disponer de más de un rotor sobre el mismo eje, cada uno de ellos dotado del distribuidor apropiado.

Hasta seis suelen ser los inyectores que proyectan chorros de agua sobre un mismo rotor, derivando todos y cada uno de ellos de la tubería forzada.

Partes Constitutivas Del Distribuidor

El distribuidor consta de las siguientes partes:

Cámara de distribución Inyector

Tobera Aguja Deflector

Equipo regulador de velocidad

2.3.2 EL ROTOR

Es de admisión parcial, depende del número de chorros o de inyectores. Está compuesto por un disco provisto de cucharas montadas en su periferia. Las cucharas pueden estar empernadas al disco, soldadas o fundidas convirtiéndose en una sola pieza con el disco. Esta turbina puede instalarse con el eje horizontal con 1 o 2 inyectores, y con el eje vertical con 3 a 6 inyectores.

Esencialmente consta de los siguientes elementos:

Rueda motriz: Está unida rígidamente al eje por medio de chavetas y anclajes adecuados. Su periferia está mecanizada apropiadamente para ser soporte de los cangilones o álabes.

Álabes

El álabe tiene forma de doble cuchara, con una arista diametral sobre la que incide el agua produciéndose una desviación simétrica en dirección axial, buscando un equilibrio dinámico de la máquina en esa dirección.

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Las dimensiones del álabe son proporcionales al diámetro del chorro que impacta sobre él; el chorro a su vez está en función del diámetro de la rueda y de la velocidad específica. El diámetro de chorro (do) está entre el 5% y el 12% del diámetro de la rueda (Dp). En la siguiente figura se muestra a detalle la forma del álabe y sus variables correspondientes.

El ángulo a, ubicado entre las dos caras interiores del álabe es del orden de los 20°, lo ideal sería que fuera igual a 0°, pero, de ser así, debilitaría la arista media donde pega el chorro y transmite la energía.

El ángulo b, ubicado en la salida del álabe está entre los 8° y los 12°. Se debe de dar salida al agua con la propia forma de del borde de fuga, a la cual ayudan las líneas de "thalweg".

Los álabes deben estar colocados lo más cerca posible a los inyectores, debido a que la distancia hace decrecer la energía cinética del agua.

2.3.3 LA CARCASA

Es la envoltura metálica que cubre los inyectores, el rotor y los otros elementos mecánicos de la turbina.

Su principal objetivo es evitar que el agua salpique al exterior cuando, luego de abandonar los cangilones.

En turbinas instaladas con el eje en posición vertical, la carcasa, situada horizontalmente, tiene en su periferia unos conductos de paso de aire a fin de lograr el adecuado equilibrio de presiones.

En el caso de turbinas con el eje horizontal, la aireación se efectúa desde la cámara de descarga.

2.3.4 LA CAMARA DE DESCARGA

La cámara de descarga, también conocida como tubería de descarga, es la zona por donde cae el agua libremente hacia el desagüe, después de haber movido el rotor.

Para evitar deterioros por la acción de los chorros de agua, y especialmente de los originados por la intervención del deflector, la cámara de descarga suele

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disponer de un colchón de agua de 2 a 3 m de espesor y blindajes o placas situadas adecuadamente.

2.3.5 EL SISTEMA DE FRENADO

Consiste en un circuito de agua derivado de la cámara de distribución. El agua, proyectada a gran velocidad sobre la zona convexa de los cangilones,

favorece el rápido frenado del rodete, cuando las circunstancias lo exigen.

2.3.6 EL EJE

Esta rígidamente unido al rotor y situado adecuadamente sobre cojinetes debidamente lubricados, transmite el movimiento de rotación al eje del generador

El número de cojinetes instalados así como su función, radial o radial-axial, depende de las características del grupo turbina - generador.

2.4 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.

2.4.1 DISPOSICIÓN HORIZONTAL

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.

2.4.2 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.

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2.5 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LA RUEDA PELTON

La rueda PELTON está constituida 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.

http://members.tripod.com/mqhd_ita.mx/u3.htm

http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Pelton

Funcionamiento

La tobera o inyector lanza directamente el chorro de agua contra la serie de paletas en forma de cuchara montadas alrededor del borde de una rueda, el doble de la distancia entre el eje de la rueda y el centro del chorro de agua se denomina diámetro Pelton. El agua acciona sobre las cucharas intercambiando energía con la rueda en virtud de su cambio de cantidad de movimiento, que es casi de 180°. Obsérvese en la figura anexa un corte de una pala en el diámetro Pelton; el chorro de agua impacta sobre la pala en el medio, es dividido en dos, los cuales salen de la pala en sentido casi opuesto al que entraron, pero jamás puede salir el chorro de agua en dirección de 180° ya que si fuese así el chorro golpearía a la pala sucesiva y habría un efecto frenante. La sección de entrada del fluido a la cuchara se denomina 1, así como 2 a la sección de salida.

El estudio analítico de la interacción agua-pala puede ser sumamente complicado debido al desplazamiento relativo entre la pala y el chorro de agua. Por otro lado se simplifica el estudio de las turbinas Pelton a la sección cilíndrica del diámetro Faubert.

La turbina Pelton es un tipo de turbina de impulso, y es la más eficiente en aplicaciones donde se cuenta con un salto de agua de gran altura.

Dado que el agua no es un fluido compresible, casi toda la energía disponible se extrae en la primera etapa de la turbina. Por lo tanto, la turbina Pelton tiene una sola rueda, al contrario que las turbinas que operan con fluidos compresibles.

Aplicaciones

En general, a medida que la altura de la caída de agua aumenta, se necesita menor caudal de agua para generar la misma potencia. La energía es la fuerza por la

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distancia, y, por lo tanto, una presión más alta puede generar la misma fuerza con menor caudal.

Cada instalación tiene, por lo tanto, su propia combinación de presión, velocidad y volumen de funcionamiento más eficiente. Usualmente, las pequeñas instalaciones usan paletas estandarizadas y adaptan la turbina a una de las familias de generadores y ruedas, adecuando para ello las canalizaciones. Las pequeñas turbinas se pueden ajustar algo variando el número de toberas y paletas por rueda, y escogiendo diferentes diámetros por rueda. Las grandes instalaciones de encargo diseñan el par torsor y volumen de la turbina para hacer girar un generador estándar

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