Universidad Técnica de Cotopaxirepositorio.utc.edu.ec/bitstream/27000/6573/1/MUTC... · 2020. 10....

Universidad Teacutecnica de Cotopaxi

DIRECCIOacuteN DE POSGRADOS

Programa de Maestriacutea en Gestioacuten de Energiacuteas Cohorte 2014

PROYECTO DE INVESTIGACIOacuteN

TEMA

ldquoEL DIMENSIONAMIENTO GEOMEacuteTRICO Y SU INCIDENCIA EN LA

EFICIENCIA ENERGEacuteTICA DE LA TURBINA PELTON DE LAS

UNIDADES TRES Y CUATRO EN LA CENTRAL DE GENERACIOacuteN

HIDROELEacuteCTRICA ILLUCHI I DE LA EMPRESA ELEPCO SA

ELABORACION DE UNA BASE INFORMAacuteTICA DE RESPALDO DE

INGENIERIA CAD ndash CAMrdquo

Trabajo de Grado presentado como requisito en opcioacuten al Grado

Acadeacutemico de Magister en Gestioacuten de Energiacuteas

Autor TORO Rubio Jaime Patricio

Tutor PhD TORRES Tamayo Enrique

Latacunga ndash Ecuador

Febrero ndash 2017

ii

APROBACIOacuteN DEL TRIBUNAL DE GRADO

En calidad de Miembros del Tribunal de Grado aprueban el presente Informe de investigacioacuten de posgrados de la Universidad Teacutecnica de Cotopaxi por cuanto el maestrante Toro Rubio Jaime Patricio con el tiacutetulo de tesis ldquoEL DIMENSIONAMIENTO GEOMEacuteTRICO Y SU INCIDENCIA EN LA EFICIENCIA ENERGEacuteTICA DE LA TURBINA PELTON DE LAS UNIDADES TRES Y CUATRO EN LA CENTRAL DE GENERACIOacuteN HIDROELEacuteCTRICA ILLUCHI I DE LA EMPRESA ELEPCO SA ELABORACION DE UNA BASE INFORMAacuteTICA DE RESPALDO DE INGENIERIA CAD ndash CAMrdquo ha considerado las recomendaciones emitidas oportunamente y reuacutene los meacuteritos suficientes para ser sometido al acto de Defensa de Tesis

Por lo antes expuesto se autoriza realizar los empastados

correspondientes seguacuten la normativa institucional

Latacunga febrero de 2017 Para constancia firman

Ing MSc Manuel Aacutengel Leoacuten Segovia PhD Heacutector Laurencio Alfonso CC 0502041353 CC 1712813 PRESIDENTE -TRIBUNAL MIEMBRO - TRIBUNAL

PhD Gustavo Rodriacuteguez Barcenas PhD Iliana Antonia Gonzaacuteles Palau CC 1757001357 CC 1757070659 MIEMBRO - TRIBUNAL OPOSITOR - TRIBUNAL

DIRECCIOacuteN DE POSGRADO

iii

ACEPTACIOacuteN DEL TUTOR

En calidad de Tutor de la Tesis de Posgrado sobre el tema






INGENIERIA CAD ndash CAMrdquo de Toro Rubio Jaime Patricio maestrante de

Gestioacuten de las Energiacuteas considero que dicho Informe Investigativo cumple

con los requerimientos metodoloacutegicos y aportes cientiacutefico-teacutecnicos

suficientes para ser sometidos a la evaluacioacuten del Tribunal de Validacioacuten

de Tesis que el Honorable Consejo de Posgrados de la Universidad

Teacutecnica de Cotopaxi designe para su correspondiente estudio y

calificacioacuten

Latacunga febrero del 2017 El Tutor helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip PhD Enrique Torres Tamayo CC 1757121940

iv

RESPONSABILIDAD POR LA AUTORIacuteA DE LA TESIS

Los criterios emitidos en el presente trabajo de investigacioacuten ldquoEL

DIMENSIONAMIENTO GEOMEacuteTRICO Y SU INCIDENCIA EN LA





INGENIERIA CAD ndash CAMrdquo como los contenidos ideas anaacutelisis

conclusiones recomendaciones y propuesta son de exclusiva

responsabilidad del autor

helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

Jaime Patricio Toro Rubio

CC 0503274847

v

AGRADECIMIENTO

Mi maacutes sentido agradecimiento a la Universidad Teacutecnica de Cotopaxi a la

Direccioacuten de Posgrados por la labor que realizan a favor de la comunidad

y por ser un apoyo en el desarrollo de los pueblos por medio de la

educacioacuten

A la Empresa Eleacutectrica Cotopaxi ELEPCO SA a nombre de su Gerente

Ing Miguel Lucio por el apoyo y la apertura para la realizacioacuten del presente

proyecto de investigacioacuten

A mi director de tesis PhD Enrique Torres por su soporte en la presente

investigacioacuten y el tiempo valioso dedicado

vi

DEDICATORIA

Dedico este proyecto de investigacioacuten a Dios por haberme dado la

capacidad de desarrollarme humana y profesionalmente en el transcurso

de mi vida

A mis padres que por su paciencia y ejemplo han sido un pilar fundamental

en mi desarrollo personal humano y profesional

vii

INDICE DE CONTENIDOS APROBACIOacuteN DEL TRIBUNAL DE GRADO ii

ACEPTACIOacuteN DEL TUTOR iii

RESPONSABILIDAD POR LA AUTORIacuteA DE LA TESIS iv

AGRADECIMIENTO v

DEDICATORIA vi

INDICE DE CONTENIDOS vii

INDICE DE FIGURAS xii

INDICE DE TABLAS xvi

RESUMEN xviii

ABSTRACT xix

INTRODUCCIOacuteN 1

JUSTIFICACIOacuteN2

PROBLEMA DE LA INVESTIGACIOacuteN 3

OBJETO DE LA INVESTIGACIOacuteN 3

CAMPO DE ACCIOacuteN 3

OBJETIVO GENERAL 3

HIPOacuteTESIS 4

OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS 4

SISTEMAS DE TAREAS POR OBJETIVOS 4

PARADIGMA O ENFOQUE EPISTEMOLOacuteGICO 6

ALCANCE DE LA INVESTIGACIOacuteN 6

CAPIacuteTULO 1 8

MARCO TEOacuteRICO Y CONTEXTUAL 8

11 Introduccioacuten 8

12 Argumentacioacuten legal de las centrales hidroeleacutectricas en el Ecuador 9

13 Antecedentes del estudio 10

14 Aspectos teoacutericos fundamentales 14

141 Generacioacuten eleacutectrica 14

142 Generador eleacutectrico de corriente alterna 15

143 Generacioacuten hidroeleacutectrica 15

15 Sistemas hidrodinaacutemicos en generacioacuten eleacutectrica 15

151 Seguacuten el tipo de embalse 16

152 Centrales hidroeleacutectricas seguacuten el salto 18

153 Centrales hidroeleacutectricas seguacuten la potencia 18

154 Centrales hidroeleacutectricas seguacuten la economiacutea de la explotacioacuten19

viii

155 Centrales hidroeleacutectricas seguacuten el lugar de instalacioacuten 19

16 Maacutequinas hidraacuteulicas 20

161 Maacutequinas de desplazamiento positivo 20

162 Turbomaacutequinas hidraacuteulicas 21

17 Tipos de turbinas para generacioacuten hidroeleacutectrica 21

171 Turbinas de accioacuten o de impulso 22

172 Turbinas de reaccioacuten 22

18 Turbina Pelton 24

181 Principio de funcionamiento turbina Pelton29

19 Anaacutelisis de flujo 29

110 Cavitacioacuten en turbinas hidraacuteulicas 30

111 CAD (Disentildeo Asistido por Computador) - CAM (Manufactura Asistida por Computador) y su relacioacuten con el proceso de disentildeo y manufactura 31

1111 Anaacutelisis y simulacioacuten de flujo SolidWorks 32

112 Descripcioacuten Hidroeleacutectrica Illuchi I 33

113 Conclusiones del Capiacutetulo 1 34

CAPIacuteTULO 2 35

MODELO TEOacuteRICO EXPERIMENTAL 35


22 Ecuacioacuten de la continuidad 35

221 Caudal hidraacuteulico 36

222 Caudal Hazen-Williams 36

23 Ecuacioacuten de Bernoulli para fluidos incompresibles 37

24 Peacuterdidas de energiacutea 39

241 Peacuterdidas primarias 39

242 Peacuterdidas secundarias 42

243 Peacuterdidas en la rejilla 44

25 Principio de impulso 45

26 Ecuacioacuten fundamental turbomaacutequinas de Euler 46

261 Triaacutengulo de velocidades 46

27 Triaacutengulo de Euler aplicado para turbinas Pelton 48

28 Velocidad de rotacioacuten siacutencrona 50

29 Consideraciones para el disentildeo de turbinas Pelton 50

291 Diaacutemetro del inyector 50

292 Dimensionamiento del aacutelabe 51

293 Dimensionamiento del rodete 54

ix

294 Nuacutemero de aacutelabes y paso 55

295 Dimensionamiento de la caacutemara 56

210 Potencia hidraacuteulica 57

211 Fuerzas y momentos en la turbina Pelton58

212 Potencia y rendimiento mecaacutenico 59

2121 Potencia de salida 59

2122 Potencia interna 61

213 Rendimiento hidraacuteulico 63

214 Rendimiento volumeacutetrico 63

215 Rendimiento mecaacutenico 64

216 Rendimiento total 64

217 Seleccioacuten de los materiales 64

218 Meacutetodo de elementos finitos 65

CAPIacuteTULO 3 67

MEMORIA DE CAacuteLCULO Y RESULTADOS DE LA INVESTIGACIOacuteN 67


32 Paraacutemetros operacionales 67

321 Altura del tuacutenel de carga 68

322 Caudal de abastecimiento y consumo 68

33 Nuacutemero de Reynolds 70

34 Rugosidad relativa en la tuberiacutea 71



361 Peacuterdidas en las rejillas 74

37 Triaacutengulo de velocidades de Euler 75


39 Dimensionamiento del inyector 77

310 Dimensionamiento de la turbina Pelton 77

3101 Dimensionamiento del aacutelabe de la turbina Pelton 77

3102 Dimensionamiento del rodete de la turbina Pelton 78



312 Caacutelculo de fuerzas y momentos en la turbina Pelton 81

313 Caacutelculo de la potencia y rendimiento 84



x




317 Rendimiento Total 88


319 Conclusiones del capiacutetulo 89

CAPIacuteTULO 4 90

PROPUESTA 90

41 Tiacutetulo de la propuesta 90

42 Justificacioacuten de la propuesta 90

43 Objetivo de la propuesta 90

44 Estructura de la propuesta 91

45 Desarrollo de la propuesta 91

46 Caracterizacioacuten de la turbina en funcioacuten de las variables operacionales 92

47 Disentildeo virtual de la turbina Pelton 93

471 Seleccioacuten de la turbina Pelton por geometriacutea y situacioacuten operacional 93

472 Modelado digital del aacutelabe 95

48 Comportamiento hidrodinaacutemico del aacutelabe 97

481 Simulacioacuten hidrodinaacutemica ANSYS Workbench CFX 97

482 Comportamiento hidrodinaacutemico de la turbina 102

49 Estudio de momento en funcioacuten de las variables hidrodinaacutemicas 107

491 Determinacioacuten de momento basado en las caracteriacutesticas hidrodinaacutemicas del sistema 111

410 Anaacutelisis financiero TIR y VAN 114

411 Huella de carbono 115

CONCLUSIONES GENERALES 117

RECOMENDACIONES 118

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 119

ANEXOS 123

ANEXO A 123

ANEXO B 124

ANEXO C 126

ANEXO D 127

ANEXO E 128

xi

ANEXO F 129

ANEXO G 130

ANEXO H 131

ANEXO I 134

ANEXO J 135

xii

INDICE DE FIGURAS Figura 1 Central de agua fluyente (Fuente Universidad

Centroamericana Joseacute Simeoacuten Cantildeas 2000)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16

Figura 2 Central de regulacioacuten (Fuente Universidad


Figura 3 Centrales de acumulacioacuten por bombeo (Fuente

Universidad Centroamericana Joseacute Simeoacuten Cantildeas 2000)helliphelliphellip 17

Figura 4 Centrales mareomotrices (Fuente Universidad


Figura 5 Esquema del rodete de una turbina Pelton (Fuente

Gonzales 2009)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24

Figura 6 Vista de secciones de una cuchara de una turbina

Pelton (fuente Gonzales 2009) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25

Figura 7 Turbina Pelton (Fuente Mataix 1982)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26

Figura 8 Turbina pelton de eje horizontal con dos inyectores

(Fuente Fernandez 2003)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28

Figura 9 Turbina Pelton de eje vertical (Fuente Fernaacutendez

2003)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29

Figura 10 Comportamiento de un flujo turbulento y laminar

(Fuente Gutieacuterrez 2009)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30

Figura 11 Simulacioacuten de flujo e hidrodinaacutemica (Fuente Gutieacuterrez


Figura 12 Circulacioacuten de fluido por una seccioacuten de altura y

seccioacuten variable (Fuente Mott 2006)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36

Figura 13 Factor de resistencia para sistemas de filtrado seguacuten

su forma (Fuente Villaroel 2009)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 45

Figura 14 Triaacutengulo de velocidades a la entrada del aacutelabe

(Fuente Orozco 2011)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47

Figura 15 Triaacutengulo de velocidades a la salida del aacutelabe


Figura 16 Chorro de agua y desviacioacuten por la cuchara

(Fuente Mataix 1982)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48

Figura 17 Triaacutengulo de velocidades en entrada del fluidohelliphelliphellip 48

Figura 18 Triaacutengulo de velocidades a la salida del fluidohelliphelliphelliphellip 49

Figura 19 Datos referenciales aacutelabe Pelton (Fuente Nechleba


xiii

Figura 20 Geometriacutea y paraacutemetros referenciales del aacutelabe de una

turbina Peltonhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 52

Figura 21 Referencia del aacutengulo de la arista en el aacutelabe Peltonhellip 53

Figura 22 Paraacutemetros fiacutesicos del fluido a la salida del aacutelabehelliphellip 53

Figura 23 Geometriacutea y paraacutemetros referenciales del rodete de

una turbina Peltonhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 55

Figura 24 Coeficientes de dimensionamiento de la carcasa de

una turbina Pelton (Fuente Zhang 2016)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57

Figura 25 Altura referencial sobre el nivel del mar h0 y h1helliphelliphellip 68

Figura 26 Tuacuteneles de carga Central de Generacioacuten Illuchi Ihelliphellip 70

Figura 27 Geometriacutea de la malla en la toma del tuacutenel de cargahellip 74

Figura 28 Placa de paraacutemetros eleacutectricos generador WA 58 1hellip 77

Figura 29 Potencia hidraacuteulica en funcioacuten de caudalhelliphelliphelliphelliphelliphellip 81

Figura 30 Graacutefica de la ecuacioacuten de la fuerza con respecto a la

velocidad de salida del fluidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 83

Figura 31 Curva del momento ejercido por el rodete Peltonhelliphellip 84

Figura 32 Proyeccioacuten de la velocidad especifica en funcioacuten del

caudalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 85

Figura 33 Relacioacuten caudal ndash altura para aplicacioacuten de diferentes

turbinas hiudraacuteulicas (Fuente Castro 2006)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 92

Figura 34 Turbina Pelton de aacutelabes insertadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 93

Figura 35 Turbina Pelton en un solo cuerpohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 94

Figura 36 Modelado geomeacutetrico del aacutelabe Pelton SolidWorks

2016 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 95

Figura 37 Caracteriacutesticas del material AISI 316helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 95

Figura 38 Factor de seguridad miacutenimo y maacuteximo establecido por

disentildeo helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 96

Figura 39 Limite elaacutestico von Miseshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 97

Figura 40 Condiciones de flujo para la simulacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 98

xiv

Figura 41 ldquoGeometryrdquo definicioacuten de geometriacutea y volumen de

operacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 98

Figura 42 ldquoMeshrdquo delimitacioacuten de las zonas de operacioacuten y

anaacutelisis helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 99

Figura 43 ldquoSetuprdquo dominios y liacutemites el sistemahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

100

Figura 44 ldquoSolutionrdquo procedimiento de caacutelculohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

101

Figura 45 ldquoResultrdquo resultados de la simulacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 101

Figura 46 Simulacioacuten del modelo hidrodinaacutemico propuesto y

modelo actualhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 102

Figura 47 Dispersioacuten del fluido en la turbina propuestahelliphelliphelliphelliphellip 103

Figura 48 Correcciones del modelo geomeacutetrico en base a la

simulacioacuten helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 103

Figura 49 Incidencia del chorro de agua paso 1 modelo

propuesto helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 104





Figura 52 Incidencia del chorro de agua paso 1 modelo en

funcionamiento helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 105


funcionamiento helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 105



Figura 55 Puntos de medicioacuten de la velocidad en el perfil del

aacutelabe helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 106

Figura 56 Moacutedulo de velocidad en los puntos sentildealadoshelliphelliphellip 107

Figura 57 Interrelacioacuten de procesos de simulacioacuten Fluid Flow

(CFX) y Static Structural helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 108

Figura 58 Superficies de accioacuten con respecto al impacto del

fluido helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 108

Figura 59 Condiciones de frontera del modelo propuestohelliphelliphellip 109

Figura 60 Simulacioacuten ldquoMoment Reactionrdquo modelo propuestohellip 110

Figura 61 Simulacioacuten ldquoMoment Reactionrdquo modelo en


xv

Figura 62 Curva de momento calculado en funcioacuten del caudalhellip 111

Figura 63 Potencia de salida simulados y calculadohelliphelliphelliphelliphelliphellip 112

Figura 64 Rendimiento potencia de salida sobre potencia

hidraacuteulica helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 112

Figura 65 Disposicioacuten del sistema en funcioacuten de la velocidad

especiacuteficahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 113

Figura 66 kg CO2 MWh por tipo de combustible helliphelliphelliphelliphelliphellip 116

xvi

INDICE DE TABLAS Tabla 1 Centrales hidroeleacutectricas seguacuten la potencia (Fuente

Mataix 1982)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19

Tabla 2 Tipo de turbinas en base a la altura del salto (Fuente


Tabla 3 Coeficiente de Hazen ndash Williams Ch (Fuente Mott


Tabla 4 Valores de disentildeo de la rugosidad de tubos

(Fuente Mott 2006)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41

Tabla 5 Coeficientes de resistencia para vaacutelvulas y

acoplamientos (Fuente Mott 2006)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43

Tabla 6 Resistencia de vaacutelvulas y acoplamientos expresados en

longitud equivalente (Fuente Loacutepez 2015)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 44

Tabla 7 Relacioacuten del ancho del aacutelabe en funcioacuten diaacutemetro del

inyector (Fuente Nechleba 1957)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 52

Tabla 8 Nuacutemero de aacutelaves en funcioacuten de la relacioacuten de diaacutemetro

del rodete vs diaacutemetro del chorro (Fuente Hernaacutendez 1984)hellip 56

Tabla 9 Coeficientes de disentildeo para la carcasa de una turbina

Pelton (Fuente Zhang 2016)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57

Tabla 10 Liacutemite de aplicacioacuten para turbinas Pelton de un

inyector (Fuente Ferrada 2012)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61

Tabla 11 Estimacioacuten de rendimiento para sistemas con maacutes de

dos inyectores en funcioacuten de la velocidad especifica (Fuente

Ferrada 2012)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61

Tabla 12 Caudal de abastecimientohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 69

Tabla 13 Coeficiente de resistencia y longitud equivalente para

accesorios en la tuberiacutea de cargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 72

Tabla 14 Coeficiente de resistencia K para un fr de 0019helliphellip 72

Tabla 15 Resultado de peacuterdidas en Vaacutelvulas y acoplamientoshellip 74

xvii

Tabla 16 Variables de la ecuacioacuten 19helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 74

Tabla 17 Medidas del aacutelabe de la turbina Peltonhelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 78

Tabla 18 Medidas referenciales caacutemara turbina Peltonhelliphelliphelliphellip 80

Tabla 19 Propiedades quiacutemicas acero AISI 316helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 89

Tabla 20 Identificacioacuten de puntos de velocidad en el perfil

transversal del aacutelabehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 107

Tabla 21 Disposicioacuten del sistema en funcioacuten de la potencia de

salidahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 113

Tabla 22 Disposicioacuten del sistema en funcioacuten de la velocidad

especiacuteficahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 113

Tabla 23 Ingresos anuales por incremento de potencia

generadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 114

Tabla 24 Ingresos anuales por potencia total generada unidades

tres y cuatro al 80 de cargahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 114

xviii

PROGRAMA DE MAESTRIacuteA EN GESTIOacuteN DE ENERGIacuteAS

TEMA ldquoEL DIMENSIONAMIENTO GEOMEacuteTRICO Y SU INCIDENCIA EN LA EFICIENCIA ENERGEacuteTICA DE LA TURBINA PELTON DE LAS UNIDADES TRES Y CUATRO EN LA CENTRAL DE GENERACIOacuteN HIDROELEacuteCTRICA ILLUCHI I DE LA EMPRESA ELEPCO SA ELABORACION DE UNA BASE INFORMAacuteTICA DE RESPALDO DE INGENIERIA CAD ndash CAMrdquo

RESUMEN

El presente proyecto busca obtener la maacutexima eficiencia en la turbina

Pelton de las unidades tres y cuatro de la central de generacioacuten

hidroeleacutectrica Illuchi I en la empresa ELEPCO SA mediante el adecuado

dimensionamiento geomeacutetrico en funcioacuten de las caracteriacutesticas de la fuente

hiacutedrica Se ha identificado deficiencias en los meacutetodos de manufacturacioacuten

y merma de datos ingenieriles lo que ocasiona perdida de eficiencia en el

sistema y reduce la confiabilidad en operacioacuten del equipo Se realizoacute la

simulacioacuten del comportamiento del aacutelabe en contacto con el fluido por

medio de un software de disentildeo ademaacutes la hidrodinaacutemica del mismo con

respecto a la circulacioacuten del agua por la superficie de la pieza para obtener

la mayor eficiencia posible y disminuir las perdidas caracteriacutesticas

producidas por el sistema Con el modelo propuesto con base en la

identificacioacuten evaluacioacuten y caracterizacioacuten de los paraacutemetros

operacionales se determinoacute las medidas referenciales de la turbina Pelton

para luego ser evaluadas mediante un software de simulacioacuten por medio

del meacutetodo de elementos finitos y obtener un incremento en la potencia de

23092 kW por unidad de generacioacuten lo que resulta con una rentabilidad

anual de $ 15961190 doacutelares americanos y con un precio de $ 004 doacutelares

americanos por kWh De esta manera se cumple con el objetivo planteado

de un sistema energeacutetico eficiente basado en el correcto dimensionamiento

geomeacutetrico respaldado por la elaboracioacuten de una base informaacutetica digital

CAD ndash CAM

DESCRIPTORES Dimensionamiento geomeacutetrico eficiencia energeacutetica

turbina Pelton generacioacuten hidroeleacutectrica base informaacutetica ingenieriacutea

CAD ndash CAM

Autor RUBIO TORO Jaime Patricio

Tutor TORRES Tamayo Enrique

PhD


xix


TOPIC THE GEOMETRIC DIMENSIONING AND ITS IMPACT ON ENERGY EFFICIENCY OF TURBINE UNITS PELTON THREE AND FOUR IN THE CENTRAL HYDROELECTRIC GENERATION ILLUCHI I ELEPCO COMPANY SA DEVELOPMENT OF A BASE COMPUTER ENGINEERING SUPPORT CAD - CAM

ABSTRACT

The present project seeks to obtain maximum efficiency in the Pelton

turbine of units three and four of the hydroelectric generation plant Illuchi I

in the company ELEPCO SA by the appropriate geometric dimensioning

in function of the characteristics of the water source Deficiencies in

manufacturing methods and engineering data loss have been identified

resulting in a loss of efficiency system and reduced reliability in the

operation of the equipment It made the simulation of the behavior of the

blade in contact with the fluid through of design software besides the

hydrodynamics with respect to the water circulation by the surface of the

piece to obtain the greater efficiency and decrease the lost characteristics

produced by the system This model besought is based on the identification

evaluation and characterization of the operational parameters and the

reference measurements of the Pelton turbine were determined to be

evaluated by simulation software using the finite element method and to

obtain an increase in the Power of 23092 kW per generation unit resulting

in an annual return of US $ 15961190 and with a price of US $ 004 per

kWh In this way the objective of an efficient energy system based on the

correct geometric dimensioning supported by the development of a CAD -

CAM digital computer base is fulfilled

DESCRIPTORS Geometric Dimensioning energy efficiency Pelton

turbine hydroelectric generation computer-based engineering CAD - CAM




PhD

1

INTRODUCCIOacuteN

En la actualidad en el paiacutes el sistema de generacioacuten hidroeleacutectrico estaacute

tomando fuerza debido a su bajo impacto ambiental y el amplio recurso

hiacutedrico que tiene el Ecuador El objetivo fundamental es abastecer la

demanda de energiacutea eleacutectrica generada por la introduccioacuten de nueva

tecnologiacutea de una manera limpia y confiable La primera central

hidroeleacutectrica se construyoacute en 1880 en Northumberland Gran Bretantildea El

principal impulso de la energiacutea hidraacuteulica se produjo por el desarrollo del

generador eleacutectrico seguido del perfeccionamiento de la turbina hidraacuteulica

Dentro del amplio campo de los elementos motrices para la generacioacuten

hidroeleacutectrica esta la turbina Pelton que debe su nombre a Lester Allan

Pelton (1829 ndash 1908) quien buscando oro en California concibioacute la idea de

una rueda con cucharas perifeacutericas que aprovechan la energiacutea cineacutetica del

agua encaminada por un sistema de caiacuteda Este tipo de elementos tambieacuten

son conocidos como turbinas de presioacuten entrando asiacute en el grupo de las

denominadas turbinas tangenciales y turbinas de accioacuten

El Ministerio de Energiacuteas Renovables (2010) sentildeala que en el Ecuador

desde el 7 de febrero del 2008 las empresas Termopichincha de Ecuador

y de Enarsa de Argentina fundaron la compantildeiacutea Coca Codo Sinclair SA a

cargo del proyecto de generacioacuten hidroeleacutectrica maacutes grande del paiacutes con

1500 MW donde por las caracteriacutesticas hiacutedricas y geograacuteficas utilizan como

elemento motriz una turbina Pelton de eje vertical

Quispe (2009) describe que la empresa eleacutectrica de Cotopaxi ELEPCO

SA administra cinco centrales de generacioacuten hidroeleacutectrica CENTRAL

ILLUCHI I CENTRAL ILLUCHI II CENTRAL EL ESTADO CENTRAL

CATAZACON y ANGAMARCA con una capacidad de 5244 kVA 6500

kVA 2125 kVA 1000 kVA y 375 kVA respectivamente aprovechando el

potencial hiacutedrico de la provincia de Cotopaxi (Quispe 2009)

2

Calero (2007) en siacutentesis detalla que la central hidroeleacutectrica ILLUCHI I

estaacute compuesta de cuatro turbinas marca Bell tipo Pelton que sirven de

elemento motriz a cuatro generadores de marca BBC que operan a un

voltaje de 2400 V a 60 Hz la potencia total instalada es de 5244 kVA

distribuidos en dos grupos de 872 kVA a 1200 rpm y dos de 1750 kVA de

900 rpm el dique de captacioacuten de agua para la central viene del rio ILLUCHI

ubicado en la cordillera orienta al este de la ciudad de Latacunga

La central de generacioacuten viene operando de manera continua desde 1951

es una central de baja presioacuten con un caudal de 350 Ls y una altura neta

de 290 m desde la toma de la tuberiacutea de carga la ineficiencia del sistema

ocasiona que no se aproveche en su totalidad el recurso hiacutedrico energeacutetico

La eficiencia de la turbina Pelton se basa principalmente en el correcto


energeacutetica ademaacutes de la seleccioacuten adecuada del material de fabricacioacuten y

componentes mecaacutenicos que forman parte del ensamble

Los meacutetodos de fabricacioacuten empleados para la elaboracioacuten de la turbina

constituyen un pilar importante en la hidrodinaacutemica del elemento

principalmente en la geometriacutea del aacutelabe que debe aprovechar el maacuteximo

de energiacutea al impacto con el chorro de agua y al mismo tiempo conservar

sus caracteriacutesticas por tiempos prolongados de operacioacuten brindando total

confiabilidad al sistema

Los paquetes computacionales de disentildeo mecaacutenico CAD ndash CAM nos

permiten tener una simulacioacuten detallada sobre el comportamiento de las

piezas con el entorno fiacutesico referencialmente con elementos que conforman

una turbo maacutequina en sus partes motrices lo que permite optimizar

energeacuteticamente la geometriacutea de disentildeo

JUSTIFICACIOacuteN

Los justificativos encontrados para la propuesta planteada radican en la

necesidad de alcanzar una mayor eficiencia energeacutetica en la turbina Pelton

de las unidades de generacioacuten hidroeleacutectrica tres y cuatro de la central

3

ILLUCHI I de la empresa ELEPCO SA enfocado en su modelo geomeacutetrico

en funcioacuten de las caracteriacutesticas operacionales del sistema ademaacutes de

contar con un respaldo de ingenieriacutea digital lo que nos permitiraacute acceder a

nuevas tecnologiacuteas de mecanizado

Este proyecto tiene el apoyo de la Gerencia de ELEPCO SA debido a su

destacada importancia fundamentada en la generacioacuten de una base de

respaldo ingenieril por medio de un software de modelamiento simulacioacuten

y manufacturacioacuten de piezas mecaacutenicas el mismo que permitiraacute a la

empresa acogerse a nuevas teacutecnicas para su ejecucioacuten en las distintas

centrales de generacioacuten hidroeleacutectrica prescindiendo de importaciones que

representan altos costos y cortes de servicio por falla en las operaciones

PROBLEMA DE LA INVESTIGACIOacuteN

iquestCoacutemo influye el dimensionamiento geomeacutetrico ingenieril y los paraacutemetros

operacionales en la eficiencia de la turbina Pelton de las unidades tres y

cuatro en la central hidroeleacutectrica ILLUCHI I de la empresa ELEPCO SA

OBJETO DE LA INVESTIGACIOacuteN

La turbina Pelton de las unidades de generacioacuten hidroeleacutectrica tres y cuatro

de la central hidroeleacutectrica ILLUCHI I de la empresa ELEPCO SA

CAMPO DE ACCIOacuteN

La eficiencia energeacutetica del proceso hidrodinaacutemico de transformacioacuten de

energiacutea con los modelos asociados de la turbina Pelton de la central

ILLUCHI I de la empresa ELEPCO SA

OBJETIVO GENERAL

Evaluar el proceso de transformacioacuten de la energiacutea considerando el

dimensionamiento geomeacutetrico y los paraacutemetros operacionales de la turbina

Pelton en las unidades tres cuatro en la central de generacioacuten

hidroeleacutectrica ILLUCHI I de la empresa ELEPCO SA

4

HIPOacuteTESIS

Es posible el incremento de la eficiencia energeacutetica en el proceso de

transformacioacuten de energiacutea proveniente del fluido a energiacutea mecaacutenica en la

turbina Pelton de las unidades tres y cuatro de la central hidroeleacutectrica

ILLUCHI I de la empresa ELEPCO SA mediante el adecuado

dimensionamiento ingenieril basado en los paraacutemetros operacionales y

caracteriacutesticas fiacutesicas del sistema para luego corroborar los resultados

mediante una simulacioacuten computacional

OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS

- Analizar los paraacutemetros operacionales fiacutesicos de la fuente

energeacutetica y su modelo implantado en la central de generacioacuten


- Dimensionar los componentes de la turbina Pelton en funcioacuten de los

paraacutemetros operacionales del sistema para las unidades tres y

cuatro de la central de generacioacuten hidroeleacutectrica ILLUCHI I de la

empresa ELEPCO SA

- Realizar una simulacioacuten basado en el modelo hidrodinaacutemico de los

aacutelabes de la turbina Pelton en las unidades tres y cuatro de la central


- Elaborar una base informaacutetica digital CAD ndash CAM para la

remanufacturacioacuten de la turbina Pelton en las unidades tres y cuatro

de la central ILLUCHI I de la empresa ELEPCO SA

SISTEMAS DE TAREAS POR OBJETIVOS

Analizar los paraacutemetros operacionales fiacutesicos de la fuente



- Modelo teoacuterico y su incidencia en la eficiencia energeacutetica de la

turbina Pelton

- Evaluacioacuten de las partes constitutivas del sistema hidrodinaacutemico

inyector rodete y aacutelabes

5

- Evaluar modos de operacioacuten de la central hidroeleacutectrica

- Identificar los paraacutemetros fiacutesicos que interviene sobre el mal

funcionamiento de los elementos hidrodinaacutemicos

- Medicioacuten de las variables fiacutesicas del sistema Caudal y altura en el

tuacutenel de carga

Dimensionar los componentes de la turbina Pelton en funcioacuten

de los paraacutemetros operacionales del sistema para las unidades

tres y cuatro de la central de generacioacuten hidroeleacutectrica ILLUCHI

I de la empresa ELEPCO SA

- Disentildeo en funcioacuten de las condiciones fiacutesicas actuales de la central

rodete y aacutelabes

Realizar una simulacioacuten basado en el modelo hidrodinaacutemico de

los aacutelabes de la turbina Pelton en las unidades tres y cuatro de

la central ILLUCHI I de la empresa ELEPCO SA

- Realizar el modelamiento digital de las partes constitutiva del

sistema hidrodinaacutemico de la turbina Pelton

- Crear una base digital con el modelo del rodete y aacutelabes del sistema

hidrodinaacutemico

- Ejecutar una simulacioacuten del modelamiento para identificar los puntos

aacutelgidos del sistema y proponer una mejora energeacutetica

Elaborar una base informaacutetica digital CAD ndash CAM para la

remanufacturacioacuten de la turbina Pelton en las unidades tres y

cuatro de la central ILLUCHI I de la empresa ELEPCO SA

- Figurar el modelo geomeacutetrico propuesto en un sistema informaacutetico

de disentildeo que sirva como nexo para la manufacturacioacuten en centros

de mecanizado

6

PARADIGMA O ENFOQUE EPISTEMOLOacuteGICO

En funcioacuten de las caracteriacutesticas de la investigacioacuten se utilizara el enfoque

epistemoloacutegico cuantitativo que permitiraacute emplear la recoleccioacuten y anaacutelisis

de los datos principalmente del caudal disponible para la central y presioacuten

en el tuacutenel de carga ademaacutes del tiempo de operacioacuten y disponibilidad de

las turbinas que se podriacutea establecer como un medio estadiacutestico para su

anaacutelisis y posterior disentildeo de los aacutelabes de la turbina

Ademaacutes es indispensable aplicar el paradigma positivista para la

investigacioacuten el mismo que serviraacute para llegar a conocer las situaciones

praacutecticas formas de operacioacuten predominantes a traveacutes de la descripcioacuten

exacta de las actividades objetos y procesos que involucran la operacioacuten

de la central puntualmente la turbina Pelton objeto de anaacutelisis donde se

identificaraacute la problemaacutetica existente y la solucioacuten en funcioacuten del

requerimiento planteado fundamentado en una base de respaldo digital

que nos permitiraacute optimizar el proceso de fabricacioacuten previa evaluacioacuten

energeacutetica en funcioacuten del estudio hidrodinaacutemico

ALCANCE DE LA INVESTIGACIOacuteN

La trascendencia de esta investigacioacuten radica en evaluar energeacuteticamente

la turbina Pelton de las unidades tres y cuatro de la central de generacioacuten

hidroeleacutectrica ILLUCHI I mediante un anaacutelisis de ingenieriacutea en funcioacuten de

las variables fiacutesicas existentes y una simulacioacuten digital el mismo que me

permitiraacute determinar el rendimiento hidrodinaacutemico de los aacutelabes en contacto

con el fluido ademaacutes de contar con una base de respaldo digital CAD ndash

CAM para la remanufacturacioacuten de la turbina con meacutetodos y teacutecnicas

innovadoras que garanticen su geometriacutea y conserven las caracteriacutesticas

del material para de esta manera obtener el maacuteximo de eficiencia con el

aprovechamiento del potencial hiacutedrico del sistema basado en el adecuado

dimensionamiento geomeacutetrico

En el Capiacutetulo 1 MARCO CONTEXTUAL Y TEOacuteRICO se detalla el

planteamiento del problema formulacioacuten justificacioacuten y significacioacuten los

7

objetivos tanto general como los especiacuteficos fundamentos de la

investigacioacuten antecedentes investigativos categoriacuteas fundamentales y el

marco teoacuterico de la investigacioacuten

En el CAPITULO 2 MODELO TEOacuteRICO EXPERIMENTAL sentildeala el

enfoque tipo modalidad y nivel de la investigacioacuten los meacutetodos teacutecnicas

instrumentos unidades de estudio la hipoacutetesis operacionalizacioacuten de las

variables procedimiento de la investigacioacuten y su respectivo procesamiento

y anaacutelisis

En el CAPITULO 3 ANAacuteLISIS DE LOS RESULTADOS describe la

interpretacioacuten de los datos obtenidos en la elaboracioacuten del modelo teoacuterico

de la turbina determinada como el objeto del estudio realizado de esta

manera la comprobacioacuten de la hipoacutetesis

En el CAPITULO 4 PROPUESTA se detalla la justificacioacuten de los objetivos

su estructura y desarrollo Finalmente en el presente informe constan las

conclusiones recomendaciones referencias bibliograacuteficas y los anexos

8

CAPIacuteTULO 1

MARCO TEOacuteRICO Y CONTEXTUAL

11 Introduccioacuten

La revolucioacuten industrial ha impulsado a que los paiacuteses adopten nuevos

meacutetodos de generacioacuten eleacutectrica amigables con el ambiente debido a la

gran demanda de energiacutea exiacutestete dentro de las cuales se encuentra la

generacioacuten hidroeleacutectrica

La generacioacuten hidroeleacutectrica es uno de los meacutetodos maacutes antiguos

confiables y de bajo costo de operacioacuten para la obtencioacuten de energiacutea

eleacutectrica mediante un meacutetodo de trasformacioacuten de energiacutea aprovechando

el potencial hiacutedrico Para la aplicacioacuten del sistema se ha creado turbinas

con el propoacutesito de transformar de manera eficiente la mayor cantidad de

energiacutea proveniente del fluido tales como Pelton Francis y Kaplan para

aquellas plantas con almacenamiento con embalse y sin almacenamiento

la versatilidad de las plantas hidroeleacutectricas viene dado por su raacutepido

arranque

El potencial hiacutedrico mundial se encuentra parcialmente explotado puede

ser caracterizado como potencial hidroeleacutectrico bruto si tomamos en cuenta

el salto o potencial hidroeleacutectrico teacutecnico o teacutecnicamente explotable

obtenido del anterior descontando las peacuterdidas hidraacuteulicas previsibles por

la explotacioacuten y el potencial hidroeleacutectrico econoacutemicamente explotable en

las condiciones naturales del entorno El impacto que produce este tipo de

actividad al medio ambiente estaacute considerado como bajo en comparacioacuten

a otros tipos de generacioacuten eleacutectrica que conlleva a dantildeo ecoloacutegico en la

regioacuten filtraciones en embalses naturales desplazamiento de

asentamientos humanos

La mecaacutenica de los fluidos conjuntamente con el modelamiento

hidrodinaacutemico de las turbinas ha creado un amplio campo de estudio para

el modelamiento de sistemas energeacuteticos eficientes definiendo como tal a

9

la turbina como una turbomaacutequina motora por tanto esencialmente es una

bomba rotodinaacutemica que trabaja a la inversa


Pelton de las unidades tres y cuatro en la central de generacioacuten

hidroeleacutectrica Illuchi I de la empresa ELEPCO SA mediante el adecuado


hiacutedrica Debido a que se ha identificado deficiencias en los meacutetodos de

manufacturacioacuten y merma de datos ingenieriles lo que ocasiona la perdida

de eficiencia en el sistema y reduce la confiabilidad en operacioacuten del

equipo

Respaldado en un software de disentildeo se realizaraacute la simulacioacuten del

comportamiento del aacutelabe en contacto con el fluido ademaacutes de la

hidrodinaacutemica del mismo con respecto a la circulacioacuten del agua por la

superficie de la pieza para de esta manera obtener la mayor eficiencia

posible y disminuir las perdidas caracteriacutesticas producidas por el sistema

12 Argumentacioacuten legal de las centrales hidroeleacutectricas en el

Ecuador

Las normativas legales que rigen a los sistemas energeacuteticos estaacuten tomando

gran importancia fundamentalmente en los reglamentos relacionados con

el impacto ambiental al mismo tiempo el Estado Ecuatoriano ha impulsado

el cambio de la matriz energeacutetica con el mismo objetivo que es la

preservacioacuten del medio ambiente e implementando normativas para reducir

el impacto y mejoras en algunos procesos

Bejarano (2001) en el REGLAMENTO AMBIENTAL PARA ACTIVIDADES

ELEacuteCTRICAS determina la influencia que produce el proyecto de

generacioacuten eleacutectrica y su impacto ambiental en funcioacuten del aacuterea de

incidencia tomando en cuenta la fuente energeacutetica primaria que tiene un

alto potencial en el paiacutes por su geografiacutea y recursos hiacutedricos el reglamento

establece lineamientos en base a las emisiones a la atmoacutesfera niveles de

ruido permisivos descarga de aguas residuales prevencioacuten y control de la

10

contaminacioacuten del suelo y desechos soacutelidos que reglamentan la ejecucioacuten

de proyectos eleacutectricos

La ley de Reacutegimen del Sector Eleacutectrico en el artiacuteculo 3 dispone que en

todos los casos los generadores transmisor y distribuidores de energiacutea

eleacutectrica observaran las disposiciones legales relativas a la proteccioacuten del

ambiente y que el Reglamento de orden teacutecnico que dicte el Presidente de

la Repuacuteblica preparado por el CONELEC determinara los paraacutemetros para

la aplicacioacuten de esta norma y el mismo prevaleceraacute sobre cualquier otra

regulacioacuten secundaria

El Registro Oficial No 346 de Normas Teacutecnicas Ambientales puntualiza en

las normas para la determinacioacuten del caudal ecoloacutegico y el reacutegimen de

caudales ecoloacutegicos en los sectores hidrograacuteficos respectivos la adopcioacuten

del Caudal Ecoloacutegico y las responsabilidades por la ejecucioacuten de estudios

para su caacutelculo y determinacioacuten ademaacutes de asegurar el mantenimiento que

garantice la conservacioacuten de los ecosistemas y la biodiversidad del medio

fluvial los entes reguladores La Autoridad Ambiental de Aplicacioacuten

Responsable (AAAr) y el Consejo Nacional de Electricidad (CONELEC)

podraacuten solicitar la adopcioacuten de caudales diferentes al 10 del caudal

medido anual de considerarlo necesario para salvaguardar la integridad de

los recursos

13 Antecedentes del estudio

El modelamiento simulacioacuten y proceso para la manufacturacioacuten por medio

de un sistema CAD - CAM contribuye en la actualidad para mantener

sistemas maacutes eficientes lo que conlleva a optimizar los sistemas

energeacuteticos reduciendo de manera considerable las peacuterdidas ocasionadas

por alteraciones geomeacutetricas en su fabricacioacuten ademaacutes de obtener disentildeos

teoacutericamente funcionales que pueden ser justificados por simulaciones en

un proceso real de manera virtual

Riantildeo (2015) sentildeala que el surgimiento de la hidraacuteulica experimental

constituye un pilar fundamental en el desarrollo del hombre sobre todo en

11

el aspecto industrial debido a que este fenoacutemeno constituye una vasta

fuente energeacutetica aacutegil en su transformacioacuten el autor cita varios personajes

de la historia que han brindado su aporte de la auacuten naciente Ciencia de la

Hidraacuteulica como Leonardo Da Vinci y Galileo los mismos que en base a la

observacioacuten y la experimentacioacuten comenzaban a ser la base del

razonamiento cientiacutefico ganando en fiabilidad y frecuencia

Acosta (2004) describe que el fenoacutemeno mundial en la actualidad es la

falta de recursos energeacuteticos que se ira acrecentando notablemente

conforme se incremente la demanda las medidas para poder prevenir este

fenoacutemeno es la implementacioacuten de centrales de generacioacuten eleacutectrica que

utilicen fuentes energeacuteticas renovables

Las centrales hidroeleacutectricas se centran principalmente en la dependencia

mundial que existe hacia la energiacutea hidraacuteulica que conlleva un bajo impacto

social y ambiental que utiliza una fuente energeacutetica renovable

Garciacutea (2005) detalla que el desarrollo de un modelo matemaacutetico para

determinar los paraacutemetros relevantes de las centrales hidroeleacutectricas de

baja potencia aplicando un criterio de optimizacioacuten minimizando el costo

de energiacutea producida introduciendo la Teoriacutea Parameacutetrica para estimar de

forma continua las caracteriacutesticas de operacioacuten

La problemaacutetica planteada para la investigacioacuten se basa en la necesidad

de un meacutetodo sustentable para determinar el caudal y la inestabilidad de

los sistemas de control mediante el gasto de agua tomando en cuenta que

el caudal es el factor decisivo en el dimensionamiento de la central

conjuntamente con la eficiencia de la conductora hidraacuteulica que estaacute

determinada por las relaciones entre el salto neto el salto bruto y las

perdidas caracteriacutesticas producidas en el sistema mecaacutenico

Seguacuten Climent (2013) enfoca el contenido de su artiacuteculo a la reduccioacuten de

tiempos de preparacioacuten de la maacutequina ademaacutes de la reduccioacuten de tiempos

de mecanizado tomando en cuenta que en las unidades CNC se pueden

12

realizar maacutes de una operacioacuten de forma continua limitando de esta manera

los tiempos muertos

Otras de las ventajas que caracterizan a la manufacturacioacuten en centros de

mecanizado es la alta calidad en el terminado de las piezas eliminando

tiempos de ajuste reprocesamientos y costes de no calidad Lo que ha

impulsado al sector industrial a innovar con nuevas tecnologiacuteas que agiliten

los procesos El acabado en una pieza es un factor determinante en su

eficiencia dentro de un sistema

Rojas (2006) recalca el avance vertiginoso del software y hardware en

estos uacuteltimos antildeos ha modificado la forma de un concepto de CAD

actualmente se entiende como la integracioacuten del disentildeo y el anaacutelisis con

una alta velocidad de procesamiento en los ordenadores para agilitar

caacutelculos de modelamiento y disentildeo de sistemas mecaacutenicos

Sutherland (1963) puntualiza sobre graacuteficas interactivas por computadora

definiendo la topologiacutea del objeto encontrando como limitante el tiempo de

procesamiento operativo en el ordenador

El modelo debe representar lo mejor posible la realidad y luego aplicar

meacutetodos matemaacuteticos para darle la forma y disposicioacuten adecuada para

poder obtener resultados numeacutericos El disentildeo puede dividirse en dos

grandes categoriacuteas disentildeo de productos y disentildeo de sistemas o procesos

A medida que se realiza el disentildeo se aplica principios de ingenieriacutea

referenciado en caracteriacutesticas de proceso lo maacutes aproximados a la

realidad

Aguledo Chica Obando Sierra Velaacutesquez amp Enriacutequez (2013) enfatizan la

importancia de tener meacutetodos de simulacioacuten computacionales para

alcanzar la maacutexima eficiencia en disentildeos hidrodinaacutemicos introduciendo

dentro del paquete el CFD por sus siglas en ingleacutes (Anaacutelisis computacional

fluidodinaacutemico) Complementado por los procesos de manufacturacioacuten

asistidos por computadora

13

El estudio a desarrollados modelos experimentales a escala para

determinar la eficiencia del sistema contrastando la apertura del inyector

con la potencia generada la velocidad oacuteptima de operacioacuten y las

condiciones hidraacuteulicas en las cuales el microgenerador puede ser

utilizado

Los autores sentildealan la importancia del correcto dimensionamiento del

inyector como medida referencial para el disentildeo del aacutelabe y rodete ademaacutes

que el espesor de este componente y el eje de rotacioacuten deben ser

dimensionados para soportar los esfuerzos a los cuales se encuentra

expuesto el sistema

El inyector influye de manera directa con la eficiencia del sistema debido al

control que este debe tener al reducir su seccioacuten alrededor de su valor

nominal y de esta manera controlar la velocidad y caudal con el fin de variar

la potencia hidraacuteulica aplicada a la turbina

Para realizar la simulacioacuten de elementos finitos se utilizoacute los software

SolidWorks y Ansys estos son parte vital para la confiabilidad del sistema

debido a que se ejecutoacute el modelamiento de las partes constitutivas

tomando en cuenta las condiciones de carga frontera y las caracteriacutesticas

del material

Orozco (2011) recalca que la optimizacioacuten en el uso de afluentes hiacutedricos

naturales para el montaje de microcentrales de generacioacuten eleacutectrica

llegando al cuerpo de la investigacioacuten con un correcto dimensionamiento

geomeacutetrico tomando en cuenta las variables fiacutesicas del sistema factor

preponderante para alcanzar la mayor eficiencia

La correcta y adecuada seleccioacuten del material de fabricacioacuten brindara la

seguridad en la operacioacuten del sistema detallando sus propiedades fiacutesicas y

quiacutemicas determinadas por el entorno de trabajo del elemento

Al construir una microcentral el autor simplifica el control de velocidad de la

turbina debido a que el sistema eleacutectrico se encuentra en paralelo a un

banco de bateriacuteas las mimas que almacenan la energiacutea generada a la

14

salida del sistema se tiene un inversor para cumplir con los paraacutemetros

establecidos por la normativa eleacutectrica vigente

Aguirre Fonseca Torres amp Martinez (2010) analizan los niveles de

eficiencia en los equipos generadores impulsados por sistemas hidraacuteulicos

en funcioacuten de los niveles de carga trabajando en distintos puntos con el fin

de optimizar el consumo de agua

En algunos casos los fabricantes proporcionan la curva que muestra de

coacutemo variacutea la eficacia con el punto de funcionamiento relacionado a la

carga esta funcioacuten se estima a base de modelos matemaacuteticos y

simulaciones que dejan un amplio margen de error al momento de la

implementacioacuten del sistema Por lo cual los autores proponen las

estimaciones de incertidumbre que consisten en tomar datos del modelo

para establecer un punto referencial de acuerdo a su aproximacioacuten con el

modelo real para de esta manera determinar la eficiencia de la turbina

Pelton acoplada a una unidad generadora

14 Aspectos teoacutericos fundamentales

Kothari amp Nagrath (2008) puntualizan los conceptos baacutesicos sobre

principios de generacioacuten definidos a continuacioacuten

141 Generacioacuten eleacutectrica

Se produce en alternadores o generadores en teacuterminos generales

consiste en transformar alguna clase de energiacutea ya sea esta quiacutemica

mecaacutenica teacutermica o luminosa entre otras en energiacutea eleacutectrica

La energiacutea eleacutectrica tiene las cualidades de faacutecil generacioacuten y distribucioacuten

hasta los consumidores Tambieacuten por su faacutecil transformacioacuten a otras formas

de energiacutea tales como teacutermica luminosa mecaacutenica entre otras El raacutepido

desarrollo del aprovechamiento de la energiacutea eleacutectrica estimuloacute a la

construccioacuten de grandes plantas generadoras capaces de convertir la

energiacutea mecaacutenica obtenida mediante otras fuentes de energiacutea primaria en

energiacutea eleacutectrica constituyendo el primer escaloacuten del Sistema de

suministro eleacutectrico

15

142 Generador eleacutectrico de corriente alterna

Los generadores transforman la energiacutea mecaacutenica en energiacutea eleacutectrica el

primer principio que rige sobre el funcionamiento de un generador se llama

accioacuten del generador y se conoce tambieacuten como induccioacuten El voltaje se

puede inducir en un conductor que se encuentra dentro de un campo

magneacutetico esto sucede cuando el flujo magneacutetico se corta por el conductor

En algunos casos se mueve el alambre en otros se mueve el campo y auacuten

en otros ambos se mueven pero a distintas velocidades

143 Generacioacuten hidroeleacutectrica

La generacioacuten hidroeleacutectrica resulta de la obtencioacuten de energiacutea a partir de

flujos superficiales de agua el mismo que es un recurso renovable cuyo

aprovechamiento es considerado como un proceso limpio eficiente

confiable y durable el agua a presioacuten de la tuberiacutea forzada va

transformando su energiacutea potencial en cineacutetica es decir perdiendo altura y

adquiriendo velocidad Al llegar a las maacutequinas actuacutea sobre las paletas de

la turbina transformado su energiacutea cineacutetica en energiacutea mecaacutenica de

rotacioacuten El eje de la turbina estaacute unido al generador eleacutectrico que al girar

convierte la energiacutea mecaacutenica en energiacutea eleacutectrica alterna

Las centrales hidroeleacutectricas son equipamientos electromecaacutenicos

construidos con el objetivo de transformar la energiacutea almacenada por el

agua en forma potencial y cineacutetica en energiacutea eleacutectrica estas se clasifican

en centrales de represamiento y centrales de aguas fluentes

Las centrales de agua fluente son las que toman una fraccioacuten parcial del

caudal total de un rio mediante una pequentildea obra de captacioacuten llevada

mediante un canal hasta la casa de maacutequinas mediante diferentes tipos de

conducciones

15 Sistemas hidrodinaacutemicos en generacioacuten eleacutectrica

De la Universidad Centroamericana Joseacute Simeoacuten Cantildeas (2000) sintetiza

16

151 Seguacuten el tipo de embalse

Centrales de agua fluyente o centrales sin embalse

La principal caracteriacutestica de este tipo de centrales es aprovechar

directamente el caudal del afluente para mover las turbinas en donde el

agua no turbinada se derrama por el aliviadero de la central Se

subclasifican en centrales con reserva (diaria o hebdomadal) o sin reserva

como se muestra en la figura 1

Figura 1 Central de agua fluyente

(Fuente Universidad Centroamericana Joseacute Simeoacuten Cantildeas 2000)

Centrales con embalse o de regulacioacuten

Estos aprovechamientos hidraacuteulicos tienen la posibilidad de almacenar las

aportaciones de un riacuteo mediante la construccioacuten de un embalse En eacuteste

tipo de centrales se regula el flujo a ser turbinado en el momento que se

precisen como se muestra en la figura 2

Figura 2 Central de regulacioacuten


17

El canal se construye con poca pendiente y gran seccioacuten transversal para

disminuir las peacuterdidas y aprovechar al maacuteximo la energiacutea El embalse tiene

por objeto regular las aportaciones de caudal de los riacuteos Los embalses

pueden ser destinados por su capacidad de acumulacioacuten a regulacioacuten

mensual anual o hiperanual

Centrales de acumulacioacuten por bombeo

Disponen de dos embalses situados a diferente nivel Cuando la demanda

de energiacutea eleacutectrica alcanza su maacuteximo nivel a lo largo del diacutea el agua

almacenada en el embalse superior hace girar el rodete de la turbina para

posteriormente el agua se quede almacenada en un embalse inferior

Durante el tiempo de baja demanda de energiacutea eleacutectrica el agua retorna al

embalse superior para que pueda hacer el ciclo productivo nuevamente

Para ello la central dispone de un grupo de motores y bombas como se

muestra de manera graacutefica en la figura 3

Figura 3 Centrales de acumulacioacuten por bombeo


Por ser en definitiva una central hidroeleacutectrica su tiempo de arranque es

muy corto y tienen una gran facilidad de regulacioacuten siendo desde este

punto de vista idoacuteneas para cubrir la zona de puntas del consumo

18

Centrales mareomotrices

En este tipo de centrales se utiliza la energiacutea producida por los mares al

intercambio de su estado en fenoacutemenos denominados mareas descritas

como la energiacutea potencial que adquiere el mar en marea alta y baja

denominada amplitud de marea La teacutecnica utilizada consiste en encauzar

el agua de la marea en una cuenca y en su camino accionar las turbinas de

una central eleacutectrica Cuando las aguas se retiran tambieacuten generan

electricidad

Figura 4 Centrales mareomotrices


152 Centrales hidroeleacutectricas seguacuten el salto

Otro de los factores importantes de la clasificacioacuten de las centrales

hidroeleacutectricas seguacuten su salto

- Saltos de pequentildea altura H le 1499 m

- Saltos de mediana altura 15 le H le 4999 m

- Saltos de gran altura H ge 50 m

153 Centrales hidroeleacutectricas seguacuten la potencia

Mataix (1982) describe la clasificacioacuten de las centrales hidroeleacutectricas

seguacuten la potencia instalada sintetizada en la tabla 1

19

Tabla 1 Centrales hidroeleacutectricas seguacuten la potencia

(Fuente Mataix 1982)

Centrales Hidroeleacutectricas Potencia Eleacutectrica

Microcentrales Maacutexima 99 kW

Centrales de pequentildea potencia 100 a 999 kW

Centrales de potencia media 1000 a 9999 kW

Centrales de gran de potencia Mayor a 10000 kW

154 Centrales hidroeleacutectricas seguacuten la economiacutea de la explotacioacuten

Las centrales hidroeleacutectricas seguacuten la economiacutea de la explotacioacuten se

clasifican en

Centrales independientes

Alimentan una red individual no conectada a otras centrales es decir que

trabajan de manera autoacutenoma alimentando a una red puntual

Centrales interconectadas

Alimentan una red comuacuten junto con otras centrales hidraacuteulicas teacutermicas

convencionales o nucleares La tendencia moderna es crear una red

nacional uacutenica con la interconexioacuten de las centrales

155 Centrales hidroeleacutectricas seguacuten el lugar de instalacioacuten

Las centrales hidroeleacutectricas seguacuten el lugar de instalacioacuten se clasifican en

Centrales de agua fluyente

La central intercepta el curso del riacuteo sin tomar su caudal en su totalidad

conservando el caudal natural del afluente Las normativas ambientales

vigentes establecen tener un caudal ecoloacutegico para preservar la fauna y

flora del afluente para todos los tipos de centrales hidroeleacutectricas

20

Centrales de pie de presa

La centra se construye al pie del embalse represando la totalidad del fluido

y disponiendo del mismo basado en una planificacioacuten y demanda a corto o

largo plazo

Centrales subterraacuteneas

Se desarrollaron grandemente en Suecia durante la segunda guerra

mundial en la actualidad gracias al desarrollo de la tecnologiacutea para la

construccioacuten de tuacuteneles las centrales subterraacuteneas representan una de las

soluciones maacutes viables en generacioacuten eleacutectrica en funcioacuten de la

preservacioacuten ambiental y el bajo impacto de la actividad en el ecosistema

16 Maacutequinas hidraacuteulicas

Mataix (1982) realiza una breve siacutentesis sobre los fundamentos de las

maacutequinas hidraacuteulicas el sistema hidrodinaacutemico de las turbinas y su

operacioacuten

Una maacutequina es un transformador de energiacutea las maacutequinas hidraacuteulicas

estaacuten dentro de un grupo importante que se llaman maacutequinas de fluidos

Las maacutequinas de fluidos son aquellas que aprovechan eficientemente la

energiacutea que proporciona el fluido o bien que el fluido es el receptor de la

energiacutea

Las maacutequinas hidraacuteulicas se clasifican en

161 Maacutequinas de desplazamiento positivo

Tambieacuten llamadas maacutequinas volumeacutetricas donde el mecanismo

intercambiador de energiacutea cede energiacutea al fluido o el fluido a eacutel en forma

de presioacuten creada por la variacioacuten de volumen y cambios de direccioacuten

21

162 Turbomaacutequinas hidraacuteulicas

Tambieacuten denominadas maacutequinas de corriente los cambios de direccioacuten y

valor absoluto de la velocidad del fluido juegan un papel fundamental

En funcioacuten de la trayectoria que sigue el fluido las turbomaacutequinas se

dividen en

- Si el movimiento es fundamentalmente paralelo al eje de rotacioacuten se

denominan turbomaacutequinas AXIALES

- Si es principalmente normal al eje de rotacioacuten turbomaacutequinas

RADIALES (centrifugas o centriacutepetas seguacuten la direccioacuten de

movimiento)

- Si se trata de casos intermedios turbomaacutequinas MIXTAS

- En ninguna maacutequina falta la componente perifeacuterica Cu cuya

variacioacuten a su paso por la maacutequina seguacuten la ecuacioacuten de Euler es

esencial en la transmisioacuten de energiacutea

- Las turbinas hidraacuteulicas Pelton constituyen una clase especial

porque en ellas el flujo es meramente tangencial

- Las turbinas de vapor de las centrales teacutermicas modernas son

maacutequinas axiales

Las turbomaacutequinas pueden recibir el fluido en toda su periferia (maacutequinas

de admisioacuten plena) o soacutelo en parte (maacutequinas de admisioacuten parcial) La

ecuacioacuten de Euler es la ecuacioacuten fundamental para el estudio de las

turbomaacutequinas la conversioacuten de energiacutea cineacutetica en energiacutea mecaacutenica en

el eje o viceversa completando las herramientas necesarias para evaluar

la cascada de energiacutea

17 Tipos de turbinas para generacioacuten hidroeleacutectrica

Delgado (2007) describe los tipos de turbinas empleadas para la


El estudio de las turbomaacutequinas hidraacuteulicas como ciencia no se crea hasta

que Euler en 1754 publica su memoria de Berliacuten sobre la maquinaria

22

hidraacuteulica donde expone su teoriacutea de maacutequinas de reaccioacuten ldquoTheorie plus

complete des machines qui sont mises en mouvement par la reaction de Iacute

eaurdquo (Teoriacutea maacutes completa de maacutequinas que son puestas en movimiento

por la reaccioacuten del agua) Donde por primera vez se desarrolla la ecuacioacuten

fundamental de las turbomaacutequinas deducidas igualando el par a la

variacioacuten de la cantidad de movimiento del fluido en su paso por el rotor

Una turbina hidraacuteulica es la maacutequina destinada a transformar la energiacutea

hidraacuteulica de una corriente o salto de agua en energiacutea mecaacutenica Por lo

tanto toda turbina convierte la energiacutea del agua manifestada bien por su

presioacuten (energiacutea potencial o de posicioacuten) o por la velocidad (energiacutea

cineacutetica) en el trabajo mecaacutenico existente en un eje de rotacioacuten

Las turbinas hidraacuteulicas seguacuten la accioacuten del agua sobre los aacutelabes se

clasifican en

171 Turbinas de accioacuten o de impulso

Se entiende como tales las turbinas en las que el sentido de la proyeccioacuten

del chorro de agua y el sentido de giro del rodete coincide en el punto de

empuje o choque del agua sobre los aacutelabes en este tipo de turbinas la

presioacuten estaacutetica permanece constante entre la entrada y la salida del

rodete

Entre las turbinas de accioacuten o de impulso se encuentran las turbinas

PELTON de uno o maacutes inyectores las turbinas tipo TURGO y las turbinas

tipo MICHELL-BANKI

172 Turbinas de reaccioacuten

En este tipo de turbinas disminuye la presioacuten estaacutetica entre la presioacuten y la

salida del rodete En las turbinas de reaccioacuten el agua entra alrededor de

toda la periferia de la rueda polar que permanece todo el tiempo llena de

agua que actuacutea sobre la rueda y que se encuentra a una presioacuten mayor

que la atmosfeacuterica

Las turbinas de reaccioacuten pueden ser de eje horizontal o vertical

correspondiendo este uacuteltimo caso a las de mayor potencia Por lo general

23

para las caiacutedas de agua medias bajas Dentro de las turbinas de reaccioacuten

se tienen a las turbinas tipo FRANCIS en sus variaciones lenta normal y

raacutepida a las turbinas tipo KAPLAN y de heacutelice turbinas axiales en sus

variantes tubular bulbo y de generador perifeacuterico la turbina DERIAZ y las

bombas rotodinaacutemicas funcionando como turbina

Otro factor importante para la clasificacioacuten de las turbinas seguacuten la posicioacuten

del eje es

- Turbinas de eje vertical

- Turbinas de eje horizontal

Seguacuten el grado de admisioacuten del rodete

- Turbinas de admisioacuten total

- Turbinas de admisioacuten parcial

Seguacuten la caiacuteda del agua se clasifican en

- Turbinas de gran caiacuteda

- Turbinas de media caiacuteda

- Turbina de baja caiacuteda

En funcioacuten de la caiacuteda del saldo se caracteriza el tipo de turbina seguacuten la

altura de carga como se muestra en la Tabla 2

Tabla 2 Tipo de turbinas en base a la altura del salto


TIPO DE TURBINA ALTURA O CAIDA

TURBINA PELTON Saltos grandes (200 o maacutes metros)

TURBINA FRANCIS Saltos medianos (60 a 200 metros)

TURBINA KAPLAN Saltos pequentildeos (hasta 60 metros)

24

18 Turbina Pelton

Gonzales (2009) hace hincapieacute en la evolucioacuten y caracteriacutesticas

geomeacutetricas de la turbina donde

Lester Allan Pelton inventor quien buscando oro en California concibioacute la

idea de una rueda con cucharas perifeacutericas que aprovechan la energiacutea

cineacutetica del agua encaminada por un sistema de caiacuteda quien durante su

etapa como minero aprendioacute las teacutecnicas empleadas en la eacutepoca para

generar la energiacutea necesaria en el proceso de trituracioacuten

En su evolucioacuten las turbinas Pelton atravesaron por ligeros cambios en pos

de su eficiencia energeacutetica dando con un meacutetodo que haciacutea mucho maacutes

eficaz el mecanismo de la turbina Si el chorro en vez de golpear en el

centro de las paletas lo haciacutea en su borde el flujo de agua saliacutea de nuevo

en direccioacuten inversa y haciacutea que la turbina adquiriese mayor velocidad

El rodete de una turbina Pelton es una rueda con aacutelabes en forma de

cucharas situados en un periacutemetro exterior Sobre estas cucharas incide el

chorro del inyector de tal forma que el choque del fluido se produce en la

direccioacuten tangencial al rodete para maximizar la potencia de propulsioacuten

Figura 5 Esquema del rodete de una turbina Pelton

(Fuente Gonzales 2009)

25

Figura 6 Vista de secciones de una cuchara de una turbina Pelton

(fuente Gonzales 2009)

Las cucharas tienen una forma caracteriacutestica presenta una mella en la parte

externa son simeacutetricas en direccioacuten axial y presentan una cresta central

afilada Las dimensiones de las cucharas y su nuacutemero dependen

directamente del diaacutemetro del chorro Cuando menor sea ese diaacutemetro maacutes

pequentildeas seraacuten las cucharas y mayor nuacutemero de ellas se situaran en el

rodete

La mella con una anchura ligeramente superior al diaacutemetro del chorro tiene

como objetivo principal obtener el maacuteximo aprovechamiento energeacutetico del

fluido que se obtiene cuando el chorro incide perpendicularmente sobre la

cuchara Pero cuando sucede el cambio de aacutelabe se trasponen razoacuten por

la cual tienen una mella que evita estaacute perdida de energiacutea

Las turbinas Pelton se utilizan en saltos de gran altura de alrededor de 200

m y mayores ademaacutes de caudales relativamente pequentildeos hasta de 1

m3s por lo que son llamadas tambieacuten turbinas de presioacuten son de buen

26

rendimiento para amplios maacutergenes de variacioacuten de caudal entre el 30 y

100 del caudal maacuteximo

La turbina de accioacuten o turbina Pelton estaacute conformada por los siguientes

elementos seguacuten la empresa Alsthom-Charmilles

Figura 7 Turbina Pelton (Fuente Mataix 1982)

(1) Caacutemara de distribucioacuten Es la prolongacioacuten de la tuberiacutea forzada

acoplada a eacutesta por una brida de unioacuten tambieacuten es conocida como

caacutemara de inyectores

(2) Inyector Es el distribuidor de las turbinas Pelton Transforma la

energiacutea de presioacuten del fluido en energiacutea cineacutetica este sistema consta

tambieacuten de tobera y vaacutelvula de aguja

(3) Tobera Constituye una boquilla con orificio de seccioacuten circular con

un diaacutemetro entre 5 y 30 cm instalada al final de la caacutemara de

distribucioacuten Dirige el chorro de agua tangencialmente hacia la

27

periferia del rotor de tal forma que la prolongacioacuten de la tobera forma

un aacutengulo de 90deg con los radios del rotor

(4) Vaacutelvula de aguja Se desplaza longitudinalmente Tanto la boquilla

como la aguja del inyector estos elementos suelen construirse de

acero endurecido

(5) Servomotor Desplaza por medio de un mecanismo de control

hidraacuteulico la aguja del inyector La apertura del mecanismo viene

dado de forma proporcional con la demanda de energiacutea

(6) Regulador Estaacute constituido por un conjunto de dispositivos a base

de servomecanismos cuya funcioacuten es mantener constante la

velocidad de rotacioacuten

(7) Mando del deflector

(8) Deflector o pantalla deflectora Sirve para evitar el golpe de ariete y

el embalamiento de la turbina

(9) Chorro Proporcioacuten de fluido circulante por el inyector hasta la

turbina

(10) Rodete Estaacute unida riacutegidamente al eje por medio de chavetas y

anclajes adecuados Su periferia estaacute mecanizada apropiadamente

para ser soporte de los alabes

(11) Alabes o cucharas Estaacuten disentildeadas para recibir el empuje directo

del chorro de agua Su forma es similar a la de una doble cuchara

con una arista interior con un filo cortante de modo que divide el

chorro de agua en dos partes simeacutetricas

(12) Freno de la turbina Consiste en un circuito de agua derivado de la

caacutemara de distribucioacuten El agua proyectada a gran velocidad sobre

la zona convexa de los cangilones favorece el raacutepido frenado del

rodete

(13) Blindaje Protege a la estructura contra el efecto destructor del

chorro

28

(14) Destructor de energiacutea Evita tambieacuten las erosiones en la

infraestructura

Las turbinas Pelton se clasifican en sencillas (un rodete y un solo chorro)

y muacuteltiple Las turbinas Pelton se multiplican por el nuacutemero de inyectores

Las turbinas Pelton en funcioacuten de la disposicioacuten del eje se clasifican en

- Turbinas Pelton de eje horizontal En esta disposicioacuten se puede

instalar turbinas de uno o dos chorros como maacuteximo debido a la

compleja instalacioacuten y mantenimiento de los inyectores Sin

embargo la inspeccioacuten y mantenimiento de la rueda se la puede

realizar con mayor facilidad incluso se puede realizar el cambio de

cucharas sin la necesidad de desmotar la rueda


(Fuente Fernandez 2003)

- Turbinas Pelton de eje vertical En esta posicioacuten se facilita la

colocacioacuten de alimentacioacuten en un plano horizontal y de esta manera

es posible aumentar el nuacutemero de chorros sin aumentar el caudal y

tener mayor potencia por unidad

29

Figura 9 Turbina Pelton de eje vertical (Fuente Fernaacutendez 2003)

181 Principio de funcionamiento turbina Pelton

La turbina Pelton opera en funcioacuten de las caracteriacutesticas detalladas

- Las aristas de los aacutelabes corta al chorro de agua seccionaacutendolo en

dos laacuteminas de fluido simeacutetricas y teoacutericamente del mismo caudal

- El chorro de agua incide tangencialmente sobre el rodete

empujando a los aacutelabes que lo forman para de esta manera obtener

el trabajo deseado

- Las formas coacutencavas de los aacutelabes hacen cambiar la direccioacuten del

chorro de agua para direccionarle hacia los bordes laterales ya sin

energiacutea apreciable

- De esta forma el chorro de agua transmite su energiacutea cineacutetica al

rotor donde queda transformada instantaacuteneamente en energiacutea

mecaacutenica

- La aguja gobernada por el regulador de velocidad controla la seccioacuten

transversal del orificio de salida de la tobera consiguiendo modificar

el caudal de agua que fluye por esta a fin de mantener constante la

velocidad del rotor

19 Anaacutelisis de flujo

Seguacuten (Gutieacuterrez 2009) sentildeala el flujo de un fluido puede tener dos

comportamientos seguacuten su reacutegimen laminar o turbulento En el flujo

30

laminar las partiacuteculas se mueven en trayectorias suaves mientras que el

flujo turbulento el movimiento es desordenado y aleatorio


(Fuente Gutieacuterrez 2009)

La turbulencia consiste en fluctuaciones del campo de flujo en tiempo y

espacio en donde las moleacuteculas del fluido en lugar de describir una

trayectoria ordenada circulan de forma sinuosa formando torbellinos el flujo

turbulento se presenta para nuacutemeros de Reynolds grandes y describen que

las fuerzas inerciales son muy grandes en comparacioacuten con las fuerzas

viscosas

110 Cavitacioacuten en turbinas hidraacuteulicas

En las turbinas de reaccioacuten a la salida del rodete se produce una depresioacuten

con el objetivo de incrementar la energiacutea absorbida por aqueacutel de tal manera

que cuando mayor sea la depresioacuten formada tanto mayor seraacute la altura

efectiva y por ende el rendimiento de la maacutequina

Mataix (1982) sentildeala textualmente que ldquoLa cavitacioacuten es un fenoacutemeno que

consiste en la formacioacuten en los liacutequidos de cavidades de ahiacute su nombre

llenas de vapor liacutequido y de gases disueltos en eacutel Estas cavidades o

burbujas se forman cuando en alguacuten punto se alcanza en una presioacuten

equivalente a la tensioacuten de vapor momento en el que el liacutequido se vaporizardquo

Flujo Laminar

Flujo turbulento Flujo Laminar

Flujo turbulento

31

El fenoacutemeno de la cavitacioacuten es muy complejo todaviacutea no totalmente

conocido que en principio tiene dos oriacutegenes uno quiacutemico y otro fiacutesico

Seguacuten la ley de Henry la cantidad de gases disueltos en un liacutequido es

directamente proporcional a la presioacuten de tal manera que cuando esta

desciende disminuye la solubilidad expulsando el liacutequido parte de los

gases que lleva disueltos

El fenoacutemeno de la cavitacioacuten en conclusioacuten produce que con el aire

expulsado las paredes de las superficies metaacutelicas se oxidan

Posteriormente el agua al discurrir a una cierta velocidad erosiona las

paredes arrastrando el oacutexido formado dejando las paredes con la

posibilidad de una nueva oxidacioacuten lo que conlleva a repetir un ciclo de

corrosioacuten seguida de erosioacuten

111 CAD (Disentildeo Asistido por Computador) - CAM (Manufactura

Asistida por Computador) y su relacioacuten con el proceso de disentildeo

y manufactura

Rojas (2006) resalta la importancia de los sistemas CAD ndash CAM Cada uno

de estos conceptos engloba distintos tipos de programas y su aplicacioacuten en

el proceso tecnoloacutegico La base de cualquier sistema CAD - CAM es la

plataforma de software usada en generar y documentar el modelo de una

parte o documento lo que produce ahorro y tecnificacioacuten de los elementos

de produccioacuten Para la implementacioacuten del sistema es necesario tomar las

siguientes ventajas y observaciones

- El disentildeo inicial es lo maacutes importante por lo que debe tener una base

ingenieril

- Desarrollar libreriacuteas de partes para componentes estaacutendar

- Usar estaacutendares y normas

- Reducir el modelamiento digital a un miacutenimo de pasos para optimizar

el proceso de fabricacioacuten

La incursioacuten de la industria en este tipo de sistemas industriales hace que

tengan un respaldo de modelamiento digital para sus partes en los

32

procesos con un margen miacutenimo de falla y optimizacioacuten en la utilizacioacuten del

material seleccionado con meacutetodos de fabricacioacuten de desbaste en frio lo

que hace que el mismo no pierda sus propiedades

1111 Anaacutelisis y simulacioacuten de flujo SolidWorks

El acelerado desarrollo de la ciencia en el aacuterea del modelamiento y

simulacioacuten de elementos mecaacutenicos ha tomado fuerza debido a la

creacioacuten de paquetes computacionales que son capaces de recrear

entornos fiacutesicamente reales comparados con el medio donde se

desarrollaran los elementos permitiendo de esta manera al usuario reducir

el margen de error en el disentildeo y con la posibilidad de incrementar su

eficiencia con referencia a la dinaacutemica del mismo

Figura 11 Simulacioacuten de flujo e hidrodinaacutemica (Fuente Gutieacuterrez 2009)

Solidworks es un software CAD que dentro de su gran campo de

aplicaciones digitales para el disentildeo modelamiento de piezas y elementos

constitutivos de una maacutequina permite determinar el impacto de un liacutequido

o gas en el rendimiento de un producto durante la fase de disentildeo con

SolidWorks Flow Simulation el mismo que mediante la dinaacutemica de fluidos

ofrece informacioacuten significativa sobre el trabajo del fluido sobre los objetos

ademaacutes de la eficiencia de la hidrodinaacutemica de los elementos

33

112 Descripcioacuten Hidroeleacutectrica Illuchi I

Calero (2007) describe que la central hidroeleacutectrica ILLUCHI I estaacute

ubicada al oriente del Cantoacuten Latacunga en las coordenadas 0deg91rsquo96rsquorsquo Sur

y 78deg51rsquo79rsquorsquo Este la misma que viene operando de manera ininterrumpida

desde el antildeo 1951 la central estaacute compuesta de cuatro turbinas marca Bell

tipo Pelton que sirven de elemento motriz a cuatro generadores de marca

BBC que operan a un voltaje de 2400 V a 60 Hz la potencia total instalada

es de 5244 kVA distribuidos en dos grupos de 872 kVA a 1200 rpm y dos

de 1750 kVA de 900 rpm el dique de captacioacuten de agua para la central

viene del rio ILLUCHI ubicado en la cordillera oriental

La subestacioacuten de elevacioacuten estaacute conformada de tres transformadores

elevadores de 2400 V a 23000 V de corriente alterna los mismos se

encuentran trabajando en paralelo y se interconectan mediante una liacutenea

trifaacutesica de 23000 V de corriente alterna hasta la sub estacioacuten El Calvario

En funcioacuten de sus caracteriacutesticas fiacutesicas constructivas y paraacutemetros

operacionales la central hidroeleacutectrica Illuchi I se encuentra dentro del

grupo de las centrales con embalse o regulacioacuten debido a que toma

parcialmente el flujo del rio Illuchi para de esta manera racionalizar el

consumo en funcioacuten de la demanda de energiacutea de la central Puesto que la

normativa vigente para la construccioacuten de centrales hidraacuteulicas establece

que se debe conservar un caudal ecoloacutegico que mantiene el ecosistema de

la fuente hiacutedrica caracterizando a la central dentro del grupo de centrales

de agua fluyente

El salto de la central Illuchi I desde el embalse hasta el cuarto de maacutequinas

es de 292 m teniendo 3819 m en el punto superior y 3527 m en el punto

inferior medidas referenciadas sobre el nivel del mar lo que hace que la

central este dentro de las centrales de gran altura clasificadas por tener un

salto mayor a 50 m

La central opera con cuatro turbinas Pelton divididas en dos grupos

caracterizados por la potencia de los equipos generadores acoplados esta

34

se encuentra dentro del grupo de turbinas de accioacuten o impulso de eje

horizontal por su posicioacuten

Desde la presa hasta el cuarto de maacutequinas el fluido se conduce por tres

tuberiacuteas de acero de 20 pulgadas de diaacutemetro la liacutenea uno divide su flujo

para las unidades de generacioacuten uno y dos la segunda liacutenea de conduccioacuten

alimenta el fluido a la unidad de generacioacuten tres y la liacutenea tres suministra el

flujo a la unidad de generacioacuten cuatro el sistema consta de dos inyectores

por unidad el mismo que es regulado por un sistema de control electroacutenico

de lazo cerrado en funcioacuten de las revoluciones por minuto con accioacuten final

en la apertura o cierre del inyector en funcioacuten de la carga eleacutectrica

113 Conclusiones del Capiacutetulo 1

- Las referencias bibliograacuteficas relacionadas al tema de estudio

brindan una clara guiacutea para cumplir con el objetivo general debido

a que varios profesionales alrededor del mundo han estudiado los

fenoacutemenos de transformacioacuten de energiacutea con meacutetodos ecoloacutegicos y

altamente eficientes

- La transformacioacuten de la energiacutea en funcioacuten de la demanda ha

impulsado a la investigacioacuten y estudio de turbinas que se acoplen

con las caracteriacutesticas fiacutesicas geograacuteficas del afluente hiacutedrico

optimizando su eficiencia enfocados en el estudio hidrodinaacutemico

modelamiento y simulacioacuten digital ademaacutes de incurrir en meacutetodos

innovadores de manufacturacioacuten

- La central de generacioacuten hidroeleacutectrica Illuchi I por su largo tiempo

de operacioacuten ha sufrido la peacuterdida de datos de modelamiento

ingenieril consecuencia de lo cual y utilizando meacutetodos artesanales

de manufacturacioacuten han hecho que el sistema pierda su eficiencia y

confiabilidad haciendo que no se aproveche el potencial hiacutedrico del

cual goza

35

CAPIacuteTULO 2

MODELO TEOacuteRICO EXPERIMENTAL


El dimensionamiento de una turbina hidraacuteulica basado en las

caracteriacutesticas fiacutesicas del afluente y la tipologiacutea de la geografiacutea donde estaacute

ubicada conllevan a profundizar en varios conceptos de la teoriacutea de

mecaacutenica de fluidos asiacute como de disentildeo mecaacutenico en pos de alcanzar la

maacutexima eficiencia posible en el sistema motriz

Con el desarrollo del presente trabajo obtendremos un modelo teoacuterico que

aproveche el potencial hiacutedrico de la fuente partiendo de la identificacioacuten de

las variables operacionales como son el caudal y el salto neto desde la

presa hidraacuteulica hasta el cuarto de maacutequinas cave recalcar que se tomaran

las caracteriacutesticas fiacutesicas del tuacutenel de carga para efectos de caacutelculo esta

informacioacuten se levantara por medio de mediciones efectuadas en campo

Las caracteriacutesticas operacionales en el disentildeo de la turbina hidraacuteulica se

mantendraacuten constantes por tal razoacuten se identificara un puno de eficiencia

maacutexima seguacuten su modelamiento se tomaraacuten tambieacuten conceptos de varios

autores expertos en el tema para la determinacioacuten del rendimiento seguacuten

modelos y teacutecnicas experimentales

22 Ecuacioacuten de la continuidad

Mott (2006) el meacutetodo requerido para el caacutelculo de la velocidad de un fluido

en un sistema de ductos cerrados depende del principio de la continuidad

Considerando la circulacioacuten de un fluido con un flujo volumeacutetrico constante

se tiene que la misma cantidad de fluido que circula por la seccioacuten uno es

la misma que circula en la seccioacuten dos pero en distintos periodos de tiempo

Denotado por la siguiente expresioacuten

36

Figura 12 Circulacioacuten de fluido por una seccioacuten de altura y seccioacuten

variable (Fuente Mott 2006)

Para fluidos incompresibles se tiene que ρ1 y ρ2 son iguales por tal motivo

estos se simplifican entonces la ecuacioacuten de la continuidad es

1199071 ∙ 1198601 = 1199072 ∙ 1198602 Ec1

221 Caudal hidraacuteulico

Fernaacutendez (2003) define el caudal Q de una corriente para una seccioacuten

determinada es el volumen de fluido que circula en la unidad de tiempo

definida por las unidades m3s Un elemento de volumen no sigue las liacuteneas

de corriente sino las de movimiento solo coincidiraacuten cuando el campo de

velocidad sea estacionario

En siacutentesis el caudal se define como la velocidad del fluido circulante por el

aacuterea transversal del conducto

119876 = 119907 ∙ 119860 Ec 2

Remplazando el producto de la velocidad del fluido por el aacuterea transversal

del mismo se tiene 1198761 = 1198762

222 Caudal Hazen-Williams

Mediante la expresioacuten de Hazen-Williams se puede terminar la velocidad y

el caudal de agua en sistemas hidraacuteulicos de caiacuteda por gravedad con

tuberiacuteas desde las 005 m hasta los 182 m de diaacutemetro

37

119876 = 02785 ∙ 119862ℎ ∙ 119863263 ∙ 119878054 Ec 3

Donde Ch ndash Coeficiente de Hazen ndash Williams (adimensional)

D ndash Diaacutemetro hidraacuteulico (m)

S - Pendiente - Peacuterdida de carga por unidad de longitud del conducto (mm)

El coeficiente de Hazen ndash Williams Ch depende de la condicioacuten de la

superficie interna de la tuberiacutea material de construccioacuten y tipo de ensamble

en el sistema descritos en la tabla 3

Tabla 3 Coeficiente de Hazen ndash Williams Ch (Fuente Mott 2006)

Tipo de tubo

Promedio para tuberiacuteas nuevas y limpias

Valor de disentildeo

Acero hierro duacutectil o fundido con aplicacioacuten centrifuga de

cemento o revestimiento bituminoso

150 140

Plaacutestico cobre latoacuten vidrio 140 130

Acero hierro fundido sin recubrimiento

130 100

Concreto 120 100

Acero corrugado 60 60

23 Ecuacioacuten de Bernoulli para fluidos incompresibles

Mataix (1986) en un fluido ideal no tiene viscosidad ni produce rozamiento

tampoco produce perdidas por produccioacuten de energiacutea teacutermica lo que hace

que unas con otras partiacuteculas del fluido describan una trayectoria paralela

entre siacute En el traacutensito de una partiacutecula del punto 1 al punto 2 figura 12

este modifica su aporte de energiacutea utilizando el principio de conservacioacuten

la suma total de la energiacutea que posee la partiacutecula debe permanecer

constante

Se aplica la ecuacioacuten de Bernoulli que es un balance de energiacuteas desde un

punto definido a otro como se muestra en la siguiente expresioacuten

38

1198751

120588+ 1199111 ∙ 119892 +

11990712

2=

1198752

120588+ 1199112 ∙ 119892 +

11990722

2 Ec 4

Existen tres formas de energiacutea que se toman en consideracioacuten cuando se

realiza un anaacutelisis de fluidos en un sistema hidraacuteulico considerando z como

la elevacioacuten 119907 la velocidad del fluido y 119875 la presioacuten

- Energiacutea potencial Fundamentada en la elevacioacuten del fluido la

energiacutea potencial con relacioacuten a un nivel de referencia se formula

con la siguiente expresioacuten

119864119875 = 119908 ∙ ℎ Ec 5

Donde w es el peso especiacutefico del fluido

- Energiacutea cineacutetica Basada en la velocidad del fluido se detalla

mediante la siguiente funcioacuten

119864119862 =119908∙1199072

2∙119892 Ec 6

- Energiacutea de flujo Llamada tambieacuten energiacutea de presioacuten o trabajo de

flujo y representa la cantidad de trabajo necesario para mover el

elemento de fluido a traveacutes de cierta seccioacuten contra la presioacuten este

tipo de energiacutea se expresa mediante la siguiente funcioacuten

119864119865 =119908∙119901

120574 Ec 7

De donde la energiacutea total del sistema en un punto es igual a

119864 = 119864119865 + 119864119875 + 119864119862

Considerando el sistema de la figura 12 se tiene que en el punto 1 el

sistema energeacutetico equivale a

1198641 =1198751

120588+ 1199111 ∙ 119892 +

11990712

2 Ec 8

39

De la misma manera ocurre en el punto 2 de la figura 12 si no existiriacutea

energiacutea que se agregue o pierda en el fluido entre las secciones 1 y 2 por

el principio de conservacioacuten de la energiacutea se tiene 1198641 = 1198642

Conocida como la ecuacioacuten de Bernoulli detallada en la ecuacioacuten 4 Cada

teacutermino de la ecuacioacuten de Bernoulli es una forma de la energiacutea que posee

el fluido por unidad de peso del fluido que se mueve en el sistema

24 Peacuterdidas de energiacutea

Existen dos tipos de peacuterdidas en un sistema de carga hidraacuteulico primarias

y secundarias

241 Peacuterdidas primarias

Las peacuterdidas primarias son las que se producen en la superficie de contacto

del fluido con la tuberiacutea (capa liacutemite) rozamiento de unas capas de fluidos

con otras (reacutegimen laminar) o de partiacuteculas de fluido entre siacute (reacutegimen

turbulento) Esto se da en fluidos uniformes y tiene lugar en tramos de

tuberiacutea con secciones constantes

Las peacuterdidas y ganancias en un sistema se contabilizan en teacuterminos de

energiacutea por unidad de peso del fluido que circula por eacutel Esto tambieacuten se

conoce como carga descrita con el siacutembolo h para las peacuterdidas y

ganancias de energiacutea

hA - Energiacutea que se agrega al fluido con un dispositivo mecaacutenico

hR - Energiacutea que se remueve del fluido por medio de un dispositivo

mecaacutenico como un motor de fluido o turbina hidraacuteulica

hL - Peacuterdida de energiacutea del sistema por la friccioacuten en la tuberiacutea o peacuterdidas

menores por vaacutelvulas y otros accesorios

Entonces la ecuacioacuten de la energiacutea detallada en la ecuacioacuten 4

40

1198751

120588+ 1199111 ∙ 119892 +

11990712

2+ ℎ119860 minus ℎ119877 minus ℎ119871 =

1198752

120588+ 1199112 ∙ 119892 +

11990722

2 Ec 9

Nuacutemero de Reynolds

Las peacuterdidas de energiacutea dependen del comportamiento del fluido este

puede ser laminar o turbulento por tal razoacuten se necesita un medio para

determinar el tipo de flujo que se maneja sin tener que observar sus

caracteriacutesticas en la realidad El nuacutemero de Reynolds es la relacioacuten de la

fuerza de inercia sobre un elemento de fluido a la fuerza viscosa

119877119890 =119907∙119863∙120588

120578=

119907times119863

120574 Ec 10

El nuacutemero de Reynolds depende de cuatro variables que son ρ la densidad

del fluido (m3s) η viscosidad dinaacutemica del fluido (Pa∙s) D diaacutemetro del tubo

conductor (m) y v la velocidad promedio del fluido (ms)

Estas dos formas de la ecuacioacuten son equivalentes debido a que

120574 =120578

120588

Donde 120574 representa la viscosidad cinemaacutetica

Si Relt 2000 el flujo es laminar

Si Regt 4000 el flujo es turbulento

La foacutermula para el nuacutemero de Reynolds adopta una forma diferente para

secciones transversales que no sean circulares canales abiertos y el flujo

alrededor de cuerpos sumergidos

Rugosidad relativa en la tuberiacutea

La superficie interna de la tuberiacutea no es completamente lisa tienen

discontinuidades que aumenta la friccioacuten entre la superficie del tubo

conductor con el fluido Las peacuterdidas de energiacutea estaacuten en funcioacuten de la

rugosidad relativa que se calcula con la siguiente expresioacuten

41

119890 =119863

120598 Ec 11

Donde

e - Rugosidad relativa (adimensional)

D - Diaacutemetro de la tuberiacutea (m)

120598 - Rugosidad relativa (m)


(Fuente Mott 2006)

Material Rugosidad є (m) Rugosidad є (pie)

Vidrio Liso Liso

Plaacutestico 30 middot 10-7 10 middot 10-6

Tubo extruido cobre latoacuten y acero 15 middot 10-6 50 middot 10-6

Acero comercial o soldado 46 middot 10-5 15 middot 10-4

Hierro galvanizado 15 middot 10-4 50 middot 10-4

Hierro duacutectil recubierto 12 middot 10-4 40 middot 10-4

Hierro duacutectil no recubierto 24 middot 10-4 80 middot 10-4

Concreto bien fabricado 12 middot 10-4 40 middot 10-4

Acero remachado 18 middot 10-3 60 middot 10-3

Ecuacioacuten de Darcy - Weisbach

Se utiliza la ecuacioacuten de Darcy ndash Weisbach para determinar las perdidas

primarias de un sistema principalmente las producidas por la friccioacuten del

fluido con la superficie del elemento conductor

ℎ119871119901 = 120582 ∙119871

119863∙

1199072

2∙119892 Ec 12

Donde

hLp - peacuterdidas de carga primaria producidas por la friccioacuten (m)

120582 - factor de friccioacuten (adimensional)

L - longitud de la corriente de flujo (m)

D - diaacutemetro de la tuberiacutea (m)

119907 - velocidad promedio de flujo (ms)

42

El coeficiente de friccioacuten 120582 se determina en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds

y la rugosidad relativa en el diagrama de Moody

242 Peacuterdidas secundarias

Las peacuterdidas secundarias tienen lugar en las transiciones (estrechamientos

o expansiones de la corriente) codos vaacutelvulas y todo tipo de accesorios de

tuberiacutea que se encuentren acoplados en la liacutenea del fluido

Coeficiente de resistencia

Las peacuterdidas son producto del cambio de forma en el conducto en el que el

fluido se esteacute moviendo Se admite generalmente que si la longitud de la

tuberiacutea es mayor que 1000 diaacutemetros el error que se incurre despreciando

las peacuterdidas secundarias es menor que el error que se produce al calcular

el valor de λ seguacuten el caso de estudio La ecuacioacuten que rige a las peacuterdidas

segundarias es

ℎ119871119886 = 119896 times1199072

2times119892 Ec 13

Donde

hLa - Peacuterdida de carga secundaria (m)

k - Coeficiente adimensional de peacuterdida de carga secundaria

(adimensional)

v - velocidad media en la tuberiacutea si se trata de accesorios codos vaacutelvulas

etc Si se trata de un cambio de seccioacuten se tomara la velocidad de la

seccioacuten menor (ms)

g - Constante gravitacional (ms2)

El coeficiente de resistencia es adimensional debido a que representa una

constante proporcional entre la peacuterdida de energiacutea y la carga de velocidad

La magnitud de este coeficiente depende de la geometriacutea del accesorio en

la liacutenea del tuacutenel de carga y en cierta proporcioacuten por la velocidad del fluido

43

Tabla 5 Coeficientes de resistencia para vaacutelvulas y acoplamientos

(Fuente Mott 2006)

VAacuteLVULAS Y ACOPLAMIENTOS COEFICIENTE DE RESISTENCIA

Vaacutelvula de globo 340 middot fr

Vaacutelvula de aacutengulo 150 middot fr

Vaacutelvula de compuerta 8 middot fr

Vaacutelvula de verificacioacuten tipo giratorio 100 middot fr

Vaacutelvula de verificacioacuten tipo bola 150 middot fr

Vaacutelvula de mariposa para diaacutemetros mayores 25 middot fr

Vaacutelvula de pie con colador 420 middot fr

Vaacutelvula de pie con colador tipo disco 75 middot fr

Codo bridado a 90deg 30 middot fr

Codo bridado de radio largo a 90deg 20 middot fr


Codo roscado a 90deg 50 middot fr


Vuelta en retorno 50 middot fr

Longitud equivalente

Se considera longitud equivalente a la relacioacuten entre la longitud del

conducto que tendraacute la misma resistencia y diaacutemetro de un accesorio sobre

el diaacutemetro del mismo este valor es constate para un tipo dado de vaacutelvulas

y acoplamientos tabla 6

El teacutermino fr es el factor de friccioacuten en la tuberiacutea a la que estaacute conectada

la vaacutelvula o acoplamiento el mismo que se asume estaacute en la zona de

turbulencia completa seccionado por una liacutenea entre cortada en el

diagrama de Moody

44

Tabla 6 Resistencia de vaacutelvulas y acoplamientos expresados en longitud

equivalente (Fuente Loacutepez 2015)

TIPO LONGITUD EQUIVALENTE

EN DIAacuteMETROS DE TUBERIacuteA LED

Vaacutelvula de globo - abierta por completo 340

Vaacutelvula de aacutengulo - abierta por completo 150

Vaacutelvula de compuerta - abierta por completo por completo

8

34 abierta 35

12 abierta 160

14 abierta 900

Vaacutelvula de verificacioacuten tipo giratorio 100

Vaacutelvula de verificacioacuten tipo bola 150

Vaacutelvula de mariposa para diaacutemetros mayores 25

Vaacutelvula de pie con colador 420

Vaacutelvula de pie con colador tipo disco 75

Codo bridado a 90deg 30

Codo bridado de radio largo a 90deg 20


Codo roscado a 90deg 50


Vuelta en retorno 50

243 Peacuterdidas en la rejilla

El filtrado por medio de rejillas para soacutelidos en traacutensito en el fluido presenta

una peacuterdida de carga secundaria para el sistema siendo este una parte

importante las peacuterdidas se calculan mediante la ecuacioacuten 14

ℎ119903 = 119896119903 times (119889

119886)075

times1199072

2times119892times 119904119890119899120572 Ec 14

45

Figura 13 Factor de resistencia para sistemas de filtrado seguacuten su forma

(Fuente Villaroel 2009)

25 Principio de impulso

El teorema del impulso o de la cantidad de movimiento sirve para calcular

la variacioacuten de la cantidad de movimiento se deriva de la segunda ley de

Newton

119865 = 119898119889119907

119889119905 Ec 15

Multiplicando los teacuterminos de la ecuacioacuten 15 por dt e integrando tenemos

int 119865 1198891199051199052

1199051

= int 119898 ∙ 119889119907 1199072

1199071

Siendo m constante tenemos

int 119865 1198891199051199052

1199051

= 119898(1199072 minus 1199071 )

119898 ∙ 1199071 + int 119865 1198891199051199052

1199051= 119898 ∙ 1199072 Ec 16

La ecuacioacuten 16 denota Cantidad de movimiento inicial plusmn Impulso =

Cantidad de movimiento final

En la ecuacioacuten 15 muestra un elemento diferencial como partiacutecula de

movimiento entonces se tiene que

119865 ∙ 119889119905 = 119889119898 ∙ 119889119907 Ec 17

46

Donde

119889119898 = 120588 ∙ 119889119881

Sustituyendo en la ecuacioacuten 16 se tiene

119865 = 120588 ∙119889119881

119889119905∙ 119889119907

El teacutermino dVdt equivale al caudal Q e integrando en teacuterminos de v se

tiene

119865 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2 minus 119907 1) Ec 18

El teorema de impulso o cantidad de movimiento tiene su expresioacuten

vectorial en sus tres componentes

119865119909 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2119909 minus 119907 1119909) Ec 19

119865119910 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2119910 minus 119907 1119910) Ec 20

119865119911 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2119911 minus 119907 1119911) Ec 21

26 Ecuacioacuten fundamental turbomaacutequinas de Euler

La ecuacioacuten de Euler estaacute enfocada para el estudio de las turbomaacutequinas

hidraacuteulicas y las turbomaacutequinas teacutermicas expresando la energiacutea

intercambiada en el rodete

261 Triaacutengulo de velocidades

La ecuacioacuten de Euler se basa en el estudio de dos triaacutengulos de

velocidades tanto a la entrada del aacutelabe como a la salida El triaacutengulo de

entrada describe las siguientes componentes relacionado con la notacioacuten

internacional

47


(Fuente Orozco 2011)

Donde

U1 - velocidad absoluta del rotor (ms)

C1 - velocidad absoluta del fluido (ms)

W1 - velocidad relativa del fluido respecto a la velocidad del rotor (ms)

C1U - componente perifeacuterica de la velocidad absoluta del fluido (ms)

C1M - componente meridional de la velocidad absoluta del fluido (ms)

β1 - aacutengulo entre la velocidad absoluta del rotor con la velocidad relativa (deg)

α1 - aacutengulo de entrada del fluido (deg)

Para la relacioacuten del triaacutengulo de velocidades a la entrada del aacutelabe con el

triaacutengulo de velocidades a la salida del aacutelabe se describen de la misma

manera con el cambio del sub iacutendice de 1 por el 2 como se muestra en la

figura 15



48

27 Triaacutengulo de Euler aplicado para turbinas Pelton

El triaacutengulo de velocidades de Euler aplicado para las turbinas Pelton se

caracteriza principalmente por mantener la velocidad absoluta del rotor (u)

a la entrada y la salida del fluido esto se debe a que la accioacuten del chorro

de agua sobre la turbina es tangencial al rodete



Para el triaacutengulo de velocidades ideal a la entrada del fluido se tiene que

1205721 = 0deg

1205731 = 180deg

Como se muestra en la figura 17

Figura 17 Triaacutengulo de velocidades en entrada del fluido

En consecuencia la relacioacuten del triaacutengulo de velocidades a la entrada del

rodete se reduce a la siguiente expresioacuten

1199081 = 1198881 minus 119906 Ec 22

49

Por lo tanto si tomamos en cuenta que el fluido en la superficie de la

cuchara no tiene rozamiento se tiene que

1199081 = 1199082 Ec 23

Simplificando la ecuacioacuten 9 del teorema de Bernoulli se tiene que la

velocidad del fluido al tener un sistema con presa y desfogue de fluido a

presioacuten atmosfeacuterica con un nivel de altura referencial con un nivel cero en

el eje de rotacioacuten de la turbina

1198881 = 097 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 Ec 24

El coeficiente 097 equivale a las perdidas resultantes por la friccioacuten del

fluido en el inyector (Mataix 1982)

En base a paraacutemetros experimentales se tiene que la turbina Pelton

alcanza su maacuteximo rendimiento cuando 1199061 =1

2 times 1198881 entonces la expresioacuten

final es igual a

1199061 = 045 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 Ec 25

Para el triaacutengulo de velocidades a la salida del fluido se identifican las

siguientes componentes en funcioacuten de la geometriacutea del aacutelabe

Figura 18 Triaacutengulo de velocidades a la salida del fluido

La turbina Pelton no tiene tubo de aspiracioacuten en consecuencia no se puede

aprovechar la velocidad de salida del fluido Como la energiacutea cineacutetica a la

50

salida del aacutelabe se pierde es conveniente que sea cero de esta manera el

aacutelabe habraacute aprovechado al maacuteximo toda la energiacutea de fluido es decir que

c2 idealmente sea igual a cero para el caso praacutectico la velocidad es

relativamente pequentildea

28 Velocidad de rotacioacuten siacutencrona

Es denominada velocidad de rotacioacuten siacutencrona o velocidad de sincronismo

a la velocidad de giro de un motor cuando esta es igual a la velocidad de

giro del campo magneacutetico de estator esta velocidad es constante y

depende de la frecuencia de la tensioacuten de la red eleacutectrica a la que se

encuentra aportando el generador y viene dada por

119899 =120times119891

119901119900119897119900119904 Ec 26

Donde f ndash frecuencia eleacutectrica (Hz)

polos ndash nuacutemero de polos del generador

29 Consideraciones para el disentildeo de turbinas Pelton

La turbina Pelton toma como paraacutemetros primordiales para su

dimensionamiento la altura que dispone del tuacutenel de carga y el caudal

disponible debido a que la entrada del fluido es tangencial este ejerce un

momento cineacutetico en la periferia de la rueda Las medidas caracteriacutesticas

de los aacutelabes y del rodete estaacuten fundamentadas en base del diaacutemetro del

inyector

291 Diaacutemetro del inyector

El inyector tiene como misioacuten dirigir el chorro de agua hacia los aacutelabes del

rodete ademaacutes de regular el caudal en proporcioacuten a la demanda de

potencia en el eje este deberaacute ser capaz de interrumpir totalmente el flujo

de agua cuando el sistema lo requiera

51

Tomando el principio de la continuidad se tiene que

119889119894 = radic4∙119876

119894∙120587∙1198621 Ec 27

Donde

i ndash Nuacutemero de inyectores

292 Dimensionamiento del aacutelabe

Basado en la bibliografiacutea referencial (Nechleba M 1957) Donde se detalla

el dimensionamiento del aacutelabe en funcioacuten del diaacutemetro del inyector cave

recalcar que estos paraacutemetros uacutenicamente serviraacuten como base para el

anaacutelisis en pos de alcanzar la maacutexima eficiencia mecaacutenica del elemento

Como se puede ver en la figura 19 se tiene un intervalo entre dos medidas

referenciales que sentildeala el autor A la vez que existe distintas geometriacuteas

hidrodinaacutemicas que marcan la geometriacutea del aacutelabe para lo cual se ha

seleccionado la aproximada a la forma existente debido a que por sus

cortes presenta una menor oposicioacuten a la circulacioacuten del fluido

Figura 19 Datos referenciales aacutelabe Pelton (Fuente Nechleba 1957)

52

En funcioacuten del nuacutemero de inyectores que conforman la unidad de

generacioacuten el autor cita una relacioacuten para las medidas referenciales del

elemento

Tabla 7 Relacioacuten del ancho del aacutelabe en funcioacuten diaacutemetro del inyector

(Fuente Nechleba 1957)

Nuacutemero de Inyectores Relacioacuten en funcioacuten de di

1 119861 = 31 ∙ 119889119894

2 119861 = 32 ∙ 119889119894

4-5 119861 = 33 ∙ 119889119894

6 119861 gt 33 ∙ 119889119894

Es necesario que la geometriacutea del aacutelabe cumpla la siguiente relacioacuten

31 gt119861

119889119894ge 34 Ec 28


turbina Pelton

53

En el Anexo C en funcioacuten de las curvas de disentildeo del fabricante para

turbinas de acople directo se tiene que el elemento obedece a la serie

TP 32 el mismo que por la potencia de salida tiene dos inyectores como el

modelo al que se hace referencia en el presente trabajo de investigacioacuten

El aacutengulo de inclinacioacuten de la arista β1 en funcioacuten de las caracteriacutesticas de

la rueda viene definido mediante la tabla que se muestra en el Anexo D

Figura 21 Referencia del aacutengulo de la arista en el aacutelabe Pelton

De la misma manera para la determinacioacuten del aacutengulo de salida del fluido

del aacutelabe Pelton β2 se tiene un rango de 69deg hasta 115deg determinados de

forma experimental es importante resaltar que entre maacutes pequentildeo sea este

dato la velocidad del fluido a la salida del aacutelabe es menor lo que quiere

decir que el sistema aprovecho la mayor cantidad de energiacutea proveniente

del agua

Figura 22 Paraacutemetros fiacutesicos del fluido a la salida del aacutelabe

54

293 Dimensionamiento del rodete

Para el dimensionamiento del rodete se toma en cuenta la velocidad

absoluta del rotor y la velocidad de rotacioacuten sincroacutenica su geometriacutea variacutea

en funcioacuten del esfuerzo mecaacutenico al cual es sometido ademaacutes de los

accesorios de transmisioacuten

El diaacutemetro del rodete toma como referencia el centro del diaacutemetro de

incidencia del chorro de agua en el aacutelabe de un extremo hasta su opuesto

en la misma posicioacuten como se indica en la figura 23

119863119903 =60∙1198801

120587∙119899 Ec 29

Donde

Dr ndash diaacutemetro del rodete (m)

U1 ndash Velocidad absoluta del rotor triaacutengulo de velocidades de Euler (ms)

n ndash Velocidad sincroacutenica (revmin)

El diaacutemetro de cresta viene dado por la ecuacioacuten 30 Este dato hace

referencia al recorrido circular externo que realiza el aacutelabe de la turbina

119863119888 = 119863119903 + (2 ∙ (119863 + 119866)) Ec 30

Donde

Dc ndash Diaacutemetro de cresta (m)

D G ndash Datos geomeacutetricos referenciales aacutelabe Pelton (m)

El diaacutemetro de arista estaacute dado por la ecuacioacuten 31 establecido por el

diaacutemetro que describe la arista en un giro de 360deg

119863119886 = 119863119903 + (2 ∙ 119863) Ec 31

Donde

Da ndash Diaacutemetro de arista (m)

55

Figura 23 Geometriacutea y paraacutemetros referenciales del rodete de una

turbina Pelton

294 Nuacutemero de aacutelabes y paso

La turbina Pelton debe tener armoniacutea entre sus partes constitutivas esto

quiere decir que el disentildeo de los aacutelabes seraacute oacuteptimo si su rueda de giro

presta las facilidades necesarias para aprovechar la energiacutea proveniente

del fluido Para el caacutelculo del nuacutemero de aacutelabes se tiene la ecuacioacuten 32

119885 =2∙120587

119896119901∙(120579minus2∙(119863119886119863119903

)∙119896119906∙119904119890119899(120579

2))

Ec 32

Donde

z ndash Nuacutemero de aacutelabes

kp ndash Coeficiente que define el paso real de la cuchara y se toma del rango

comprendido entre 065 y 085

Dr ndash Diaacutemetro del rodete (m)

56


Θ ndash Aacutengulo de desplazamiento entre Dr y Da (rad)

Ku ndash Coeficiente de velocida tangencial (045 punto de eficiencia maacutexima)

120579 = 2 times 119886119903119888119888119900119904 (119863119903+119889

119863119886) Ec 33

De acuerdo a la tabla 8 se tiene un intervalo de nuacutemero de aacutelabes

permisibles para el ensamble de la turbina Pelton esto difiere en funcioacuten

de los resultados obtenidos al aplicar las foacutermulas planteadas y el meacutetodo

de fabricacioacuten empleado

Tabla 8 Nuacutemero de aacutelaves en funcioacuten de la relacioacuten de diaacutemetro del

rodete vs diaacutemetro del chorro (Fuente Hernaacutendez 1984)

119915119955

119941119946

Nuacutemero de aacutelabes

Z min Z maacutex

15 21 27

14 21 26

13 20 25

12 20 24

11 19 24

10 18 23

9 18 22

8 17 22

75 17 21

295 Dimensionamiento de la caacutemara

El correcto dimensionamiento de la caacutemara es de suma importancia debido

a que este elemento brinda el soporte necesario para evacuar el fluido

turbinado ademaacutes del espacio de rotacioacuten necesario para reducir las

peacuterdidas por contacto con el aire

57

Figura 24 Coeficientes de dimensionamiento de la carcasa de una turbina

Pelton (Fuente Zhang 2016)

En la tabla 9 se establecen las relaciones en funcioacuten de una medida patroacuten

para el dimensionamiento de la caacutemara de la turbina concatenadas con la

figura 24

Tabla 9 Coeficientes de disentildeo para la carcasa de una turbina Pelton

(Fuente Zhang 2016)

Paraacutemetro Coeficiente de disentildeo

Ba 02 ∙ 119863119888

Bio 03 ∙ 119863119888

Biu 1 ∙ 119863119888

Rio 06 ∙ 119863119888

210 Potencia hidraacuteulica

La potencia hidraacuteulica estaacute definida como la presioacuten que ejerce el fluido

sobre una superficie por el caudal definicioacuten que se adquiere de la

ecuacioacuten fundamental de la potencia que es el producto de la multiplicacioacuten

de la fuerza por la velocidad esta ecuacioacuten se establece para fluidos

incompresibles

58

119875119867 = 119901 ∙ 119876 Ec 34

Donde p se define como la presioacuten viene expresada por la siguiente

ecuacioacuten

119901 = 120574 ∙ ℎ119879 Ec 35

Donde

ϒ ndash peso especiacutefico del fluido (kNm3)

Remplazando la ecuacioacuten 34 en la ecuacioacuten 35 tenemos que

119875119867 = 120574 ∙ ℎ119879 ∙ 119876 Ec 36

211 Fuerzas y momentos en la turbina Pelton

Para una turbina Pelton del teorema del impulso se tiene que la fuerza

generada por el cambio de la cantidad de movimiento se define mediante

la ecuacioacuten 37 que es la fuerza que ejerce el fluido sobre el aacutelabe de la

turbina

119865 = 120588 ∙ 119876 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) Ec 37

Donde del triaacutengulo de velocidades a la entrada del fluido se relaciona la

velocidad relativa del agua con respecto a la velocidad de giro que se

determina por la ecuacioacuten 38

1199081 = 1199081119906 = 1198881 minus 119906 Ec 38

Para la determinacioacuten de la velocidad relativa de salida del fluido w2 se

toma en cuenta la siguiente expresioacuten derivada del triaacutengulo de velocidades

de salida

11988822 = 1199082

2 + 11990622 minus 2 ∙ 1199062 ∙ 1199082 ∙ cos 1205732

11988822 = 1199082

2 + 11990622 minus 2 ∙ 1199082 ∙ 1199062 + 2 ∙ 1199082 ∙ 1199062 minus 2 ∙ 1199062 ∙ 1199082 ∙ cos 1205732

59

11988822 = (1199082 minus 1199062)

2 + 2 ∙ 1199082 ∙ 1199062 ∙ (1 minus 1198881199001199041205732)

11988822 = (1199082 minus 1199062) + 4 ∙ 1199082 ∙ 1199062 ∙ 1199041198901198992(

1205732

2)

Asumiendo la aproximacioacuten

1199082 cong 1199062

Se tiene que

1198882 = 2 ∙ 1199062 ∙ 119904119890119899(1205732

2) Ec 39

La componente radial de la velocidad relativa a la salida del aacutelabe se

obtiene mediante la descomposicioacuten de la hipotenusa en funcioacuten del aacutengulo

de salida

1199082119906 = minus1199082 ∙ cos 1205732 Ec 40

Considerando que para la turbina Pelton uacutenicamente existen fuerzas

tangenciales al giro de la rueda con una distancia al centro igual al radio del

rodete el momento aplicado se obtiene mediante la ecuacioacuten 41

119872 = 120588 ∙ 119876 ∙ 119903 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) Ec 41

212 Potencia y rendimiento mecaacutenico

La definicioacuten general de potencia se debe al trabajo realizado en un periodo

de tiempo este paraacutemetro determina la utilidad final del sistema en funcioacuten

de la carga mecaacutenica al que estaacute sometido el equipo El rendimiento

determina la eficiencia final de trabajo de una turbina hidraacuteulica

2121 Potencia de salida

La potencia de salida estaacute definida por el producto de la multiplicacioacuten del

momento M ejercido en la turbina por efecto del choque del agua en los

aacutelabes por la velocidad angular ω tambieacuten llamada como potencia uacutetil

60

119875119886 = 119872 ∙ 120596 Ec 42

Velocidad especiacutefica

La velocidad especiacutefica es el paraacutemetro que mejor caracteriza a una

turbomaacutequina pues relaciona variables fundamentales del proceso de

transformacioacuten de energiacutea como son la altura el caudal y la potencia La

misma que es directamente proporcional a la velocidad angular de la

turbina es decir que determina el nuacutemero de revoluciones estimado para

una potencia de salida de 1 CV

En la turbina Pelton la velocidad especiacutefica va cambiando insensiblemente

de forma para adaptarse a las diferentes condiciones de funcionamiento

119899119904 =119899∙radic119875119886

ℎ119879

54frasl

Ec 43

Para el sistema meacutetrico las unidades de los componentes de la ecuacioacuten

43 son


Pa ndash Potencia de salida (CV)

hT ndash Altura total neta (m)

Sentildealando que nS tiene las mismas unidades que la velocidad sincroacutenica

Relacioacuten de diaacutemetros

La relacioacuten entre los diaacutemetros 120575 tanto del inyector di como del rodete Dr

se puede estimar un rango de eficiencia en la operacioacuten de la rueda como

se muestra en la tabla 10

120575 =119889119894

119863119903 Ec 44

61

Tabla 10 Liacutemite de aplicacioacuten para turbinas Pelton de un inyector

(Fuente Ferrada 2012)

Liacutemite de aplicacioacuten Relacioacuten de

diaacutemetros

Nuacutemero

especiacutefico de

revoluciones

Liacutemite miacutenimo (mal

rendimiento) 001 24

Liacutemite miacutenimo practico (buen

rendimiento) 003 8

Liacutemite maacuteximo (mal

rendimiento) 014 35

Liacutemite maacuteximo praacutectico (buen

rendimiento) 011 27

Para sistemas con maacutes de dos chorros de incidencia se tiene una referencia

para estimar el rendimiento de la rueda como se muestra en la tabla 11

Tabla 11 Estimacioacuten de rendimiento para sistemas con maacutes de dos

inyectores en funcioacuten de la velocidad especifica (Fuente Ferrada 2012)

Sistema Turbina

Pelton Descripcioacuten

ns velocidad

especiacutefica

maacutexima (buen

rendimiento)

Doble 1 rodete 2 chorros 2

rodetes con un chorro 34

Cuaacutedruple 1 rodete 2 chorros 2

rodetes 2 chorros por rodete 48

Seacutextuple 1 rodete 6 chorros 59

2122 Potencia interna

Esta es la potencia suministrada por la turbina restando la potencia

necesaria para vencer los rozamientos mecaacutenicos 119875119898119903 en el sistema

119875119894 = 119875119886 + 119875119898119903 Ec 45

62

Peacuterdidas por friccioacuten en los cojinetes

Los cojinetes son componentes importantes dentro del sistema motriz

debido que sobre estos reposa el peso estaacutetico y esfuerzos dinaacutemicos de

la maacutequina para determinar las peacuterdidas ocasionadas por la friccioacuten de los

cojinetes se tiene la siguiente ecuacioacuten 46

120578119887119890 =119896119887119890∙119899119902

119875119886 Ec 46

Donde

kbe ndash Coeficiente de friccioacuten del material del cojinete

q ndash Coeficiente de carga del sistema (15 alta carga y 2 baja carga)

n ndash Velocidad sincroacutenica (revs)

Peacuterdidas por el viento en la caacutemara

Las turbinas Pelton por su modo de operacioacuten al encontrarse el elemento

motriz suspendido conectado a un eje de rotacioacuten sufre el contacto del

aire continuamente mientras la rueda gira a la velocidad de disentildeo lo que

produce peacuterdidas en el sistema

Para las turbinas Pelton de eje horizontal con muacuteltiples inyectores se

determina la peacuterdida de eficiencia mediante la ecuacioacuten 47 Es importante

recalcar que este factor es directamente proporcional a la variacioacuten de

velocidad de la turbina

120578119908119894 = 4211990910minus7 ∙ 119882119894 ∙119886

119885∙

1198993

1198991198733 Ec 47

Donde

Wi ndash nuacutemero de viento

a ndash densidad del aire (kgm3)

Z ndash Nuacutemero de inyectores del sistema

n ndash velocidad sincroacutenica (revs)

nN ndash velocidad sincroacutenica nominal (revs)

63

El nuacutemero de viento se determina mediante la ecuacioacuten 48 este paraacutemetro

al igual que la velocidad especiacutefica es un paraacutemetro geomeacutetrico

119882119894 = 11989215 ∙(1+2∙119899119904)

5

1198991199042 Ec 48

Para aplicar la ecuacioacuten descrita es necesario que la velocidad especiacutefica

ns deba estar en revs para ajustar el sistema de unidades

213 Rendimiento hidraacuteulico

El rendimiento hidraacuteulico se establece por la altura determinada por la

segunda forma de la ecuacioacuten de Euler con signo positivo para el caso de

estudio y la altura uacutetil efectiva destacando que dentro del sistema de carga

se tienen paraacutemetros que restan la energiacutea final del fluido

120578ℎ =119867119906

119867=

1199061∙1198621119906minus 1199062∙1198622119906

119892times119867 Ec 49

214 Rendimiento volumeacutetrico

El rendimiento volumeacutetrico hace referencia al caudal de ingreso a la turbina

restando las perdidas existentes por efecto de las salpicaduras a la salida

del inyector y las perdidas interiores producidas por el golpe del fluido en

las rendijas de la carcasa Para tener un maacuteximo rendimiento volumeacutetrico

se debe tratar de que la tuberiacutea de carga este bien sellada y que la

orientacioacuten del inyector dirija su caudal netamente al aacutelabe de la turbina

120578119907 =119876minus119902119890minus119902119894

119876 Ec 50

Donde

qe ndash peacuterdidas exteriores producidas por la salpicadura (m3s)

qi ndash peacuterdidas interiores producidas por las rendijas en la carcasa (m3s)

Q ndash Caudal suministrado a la turbina (m3s)

64

215 Rendimiento mecaacutenico

El rendimiento mecaacutenico viene expresado por el cociente entre la potencia

de accionamiento y la potencia interna o potencia total transmitida a la

turbina restando las peacuterdidas producidas por rodamientos elementos de

transmisioacuten

120578119898 =119875119886

119875119894 Ec 51

216 Rendimiento total

El rendimiento total es el porcentaje maacuteximo de energiacutea utilizable

considerando todas las peacuterdidas existentes en el sistema Estaacute definida por

la siguiente funcioacuten

120578119905119900119905 = 120578119898 ∙ 120578119907 ∙ 120578ℎ =119875119886

119875 Ec 52

217 Seleccioacuten de los materiales

Para realizar la seleccioacuten del material adecuado para la manufacturacioacuten

de la turbina es necesario conocer los esfuerzos a los que esta pieza se

encuentra sometida ademaacutes de las circunstancias en las cuales trabaja el

elemento es importante sentildealar que el efecto de la cavitacioacuten siempre

estaraacute presente en el mecanismo

El factor de seguridad que se deberaacute manejar para el disentildeo de la turbina

seraacute de 3 a 4 tomando en cuenta esta consideracioacuten para la aplicacioacuten

ldquoPara buenos materiales en piezas sometidas a cargas imprecisas o en

casos de tensiones no determinadasrdquo

La determinacioacuten del cumplimiento del factor de seguridad como

procedimiento de disentildeo se realizaraacute mediante software de esta manera

se tendraacute una aproximacioacuten real del resultado que se quiere obtener

65

218 Meacutetodo de elementos finitos La modelacioacuten de elementos finitos consiste en el reemplazo de un

conjunto de ecuaciones diferenciales por un conjunto equivalente con un

aproximado de ecuaciones algebraicas donde cada una de las variables

es evaluada en los puntos nodales Para la simulacioacuten hidrodinaacutemica se

utilizaraacute el software ANSYS y para el disentildeo geomeacutetrico estructural se

emplearaacute el software SolidWorks estos paquetes informaacuteticos utilizan

como base para sus resultados el caacutelculo por medio de este meacutetodo

Las etapas utilizadas por el meacutetodo de elementos finitos son

- Definicioacuten del problema y su dominio

- Discretizacioacuten del dominio

- Identificacioacuten de las variables de estado

- Formulacioacuten del problema

- Establecimiento de los sistemas de referencia

- Construccioacuten de las funciones de aproximacioacuten de los elementos

- Determinacioacuten de las ecuaciones de cada elemento

- Transformacioacuten de coordenadas

- Ensamble de las ecuaciones de los elementos

- Introduccioacuten de las condiciones de contorno

- Solucioacuten del conjunto de ecuaciones simultaacuteneas resultante

- Interpretacioacuten de los resultados

La solucioacuten del problema se muestra en la convergencia de la ecuacioacuten

diferencial a resolver y del elemento usado definieacutendose convergencia

como a la exactitud (diferencia entre la solucioacuten exacta y la solucioacuten por

modelacioacuten de elementos finitos) cuando se incrementa el nuacutemero de

elementos para el caso de estudio este concepto hace referencia a la

cantidad de poliacutegonos en los cuales se define la superficie y fronteras

asociadas a la circulacioacuten del fluido

66

Conclusiones del Capiacutetulo 2

- El estudio del sistema hidraacuteulico es de suma importancia debido a

que ubica las caracteriacutesticas operacionales oacuteptimas en las que

trabajara la turbina Pelton

- La base del dimensionamiento geomeacutetrico de la turbina Pelton viene

dado por el estudio del triaacutengulo de velocidades de Euler donde

como paraacutemetro esencial se toman las velocidades del fluido a la

entrada y salida del elemento motriz

- Existen agentes externos que limitan el rendimiento de la turbina

Pelton como es el efecto de ventilacioacuten interna en la cavidad de la

carcasa y el rozamiento que producen los cojinetes en el

mecanismo

- El conjunto de patrones geomeacutetricos y variables operacionales

determinan el rendimiento del sistema hidraacuteulico los mismos que nos

ayudaran a determinar si el sistema es eficiente para las condiciones

de operacioacuten dadas

67

CAPIacuteTULO 3

MEMORIA DE CAacuteLCULO Y RESULTADOS DE LA INVESTIGACIOacuteN


Para la obtencioacuten de los paraacutemetros operacionales ingresamos en el nivel

exploratorio de esta manera evaluamos el estado actual de las partes

constitutivas del sistema y asiacute poder identificar los puntos aacutelgidos Se utilizoacute

una amplia gama bibliograacutefica documental como referencia en funcioacuten de

la experiencia de varios investigadores alrededor del mundo

La investigacioacuten del presente proyecto describe la caracterizacioacuten de los

paraacutemetros operacionales existentes en la central de generacioacuten

hidroeleacutectrica Illuchi I los mismos que son objeto de estudiado ya que de

estos parte la caracterizacioacuten geomeacutetrica de la turbina Pelton Los

paraacutemetros fiacutesicos no son sujetos a cambios debido a que el enfoque del

presente capiacutetulo es obtener el maacuteximo aprovechamiento energeacutetico que

brinda el afluente al sistema

Se tomoacute como fichas referenciales para el anaacutelisis de la eficiencia los datos

de placa inscritos de los equipos instalados asiacute como las mediciones

realizadas a las turbinas remanufacturadas El dimensionamiento

geomeacutetrico en funcioacuten de los paraacutemetros operacionales reales se

contrastaron con los modelos construidos

32 Paraacutemetros operacionales

Los paraacutemetros operacionales del sistema se sujetan a las variables

establecidas descritas en los puntos sentildealados a continuacioacuten cabe

recalcar que estos paraacutemetros son referenciales que no seraacuten sujetos a

cambios

68

321 Altura del tuacutenel de carga

Como datos referenciales existen documentos que datan que la altura neta

del tuacutenel de carga es 290 m para corroborar esta informacioacuten se realizoacute

una medicioacuten con un instrumento electroacutenico obteniendo los datos

sentildealados

h0 = 3527 msnm

h1 = 3819 msnm

Donde

h0 ndash altura determina como referencia en el nivel del mar y la casa de

maacutequinas

h1 ndash altura determina como referencia en el nivel del mar y el inicio del tuacutenel

de carga

La diferencia de la altura registrada es de h = 292 m paraacutemetro que seraacute

tomado para efectos de caacutelculo

Figura 25 Altura referencial sobre el nivel del mar h0 y h1

322 Caudal de abastecimiento y consumo

Para la operacioacuten de la central hidroeleacutectrica es muy importante determinar

el caudal de abastecimiento es decir la cantidad de agua por unidad de

69

tiempo que se toma del afluente principal para el abastecimiento de la

presa

Para determinar el caudal de abastecimiento se ha seleccionado una

seccioacuten transversal constante del canal conductor de fluido hacia la presa

donde por una longitud de 10 m se realizoacute mediciones de un cuerpo

suspendido que toma la velocidad del agua De donde se tomaron los datos

en el mes de marzo del antildeo 2016 los mismos que se detallan en la tabla

12

Tabla 12 Caudal de abastecimiento

Muestra Recorrido (m) Aacuterea (m2) Tiempo (s) Caudal (m3s)

1 10 066 94 070

2 10 066 79 084

3 10 066 85 078

4 10 066 88 075

5 10 066 81 081

6 10 066 91 073

7 10 066 83 080

8 10 066 85 078

9 10 066 86 077

10 10 066 91 073

PROMEDIO 077

La seccioacuten transversal tiene la siguientes medidas 15 m de ancho por

044 m de profundidad desde la superficie del fluido dando un aacuterea de

066 m2 con el tiempo estimado y el recorrido se determinoacute la velocidad del

fluido donde empleando la ecuacioacuten 2 se tiene que el caudal promedio de

las mediciones realizadas es de 077 m3s

La central de generacioacuten Illuchi I posee tres tuacuteneles de carga con un

diaacutemetro en la tuberiacutea de 22 pulg el primer tuacutenel lleva el fluido a las

unidades generadoras uno y dos con una derivacioacuten a la altura del cuarto

de maacutequinas las liacuteneas dos y tres suministran el fluido a los equipos

generadores tres y cuatro

70

Figura 26 Tuacuteneles de carga Central de Generacioacuten Illuchi I

Mediante la ecuacioacuten 3 se obtiene el caudal teoacuterico de la tuberiacutea de carga

para las unidades generadoras tres y cuatro sin tomar en cuenta las

reducciones del inyector Para efectos de caacutelculo de la tabla 3 se tomara

Ch = 60 sentildealando que el material de conformacioacuten de la tuberiacutea es acero

corrugado con maacutes de cuarenta antildeos en operacioacuten

La longitud total de la tuberiacutea de carga se obtuvo por medio de mediciones

en campo dando un valor de 1228 m desde la toma del fluido en la presa

hasta el sistema de inyeccioacuten de las turbinas hidraacuteulicas

Ec 3 119876 = 02785 ∙ 119862ℎ ∙ 119863263 ∙ 119878054 119876 = 152 1198983119904

Para efectos de caacutelculo en el dimensionamiento geomeacutetrico de la turbina

Pelton se tomara el establecido por el fabricante que es de 06 m3s debido

a que este paraacutemetro estaacute limitado por el inyector al 100 de su apertura

33 Nuacutemero de Reynolds

La obtencioacuten del nuacutemero de Reynols es necesario para identificar el

comportamiento del agua en el sistema de la ecuacioacuten 2 se determina la

velocidad del fluido

71

Ec 2 119907 =119876

119860 119907 = 262 119898119904

Para el caacutelculo del nuacutemero de Reynols se requieren de los siguientes datos

del agua a una temperatura de 10 degC promedio tomada en la presa

hidraacuteulica

120588 = 1000 1198701198921198983 Densidad del agua

120578 = 13 ∙ 10minus3119875119886 ∙ 119904 Viscosidad dinaacutemica

Ec 10 119877119890 =119907 ∙ 119863 ∙ 120588

120578 119877119890 = 10883 ∙ 106

Como tenemos un Regt 4000 el fluido es turbulento

34 Rugosidad relativa en la tuberiacutea

Tomando la ecuacioacuten 11 determinamos la rugosidad relativa de la

superficie interna de la tuberiacutea de la tabla 4 utilizando el valor de

46 middot 10-5 m para acero comercial o soldado donde

Ec 11 119890 =119863

120598 119890 = 117391


Las peacuterdidas primarias o peacuterdidas producidas por la friccioacuten del sistema de

conduccioacuten se obtienen mediante el procedimiento descrito

La ecuacioacuten 11 obedece al caacutelculo de las peacuterdidas por friccioacuten en el tuacutenel

de carga De donde 120582 (factor de friccioacuten) se obtiene a partir del nuacutemero de

Reynols en las abscisas y la rugosidad relativa en el eje de las ordenadas

72

en el diagrama de Moody (Anexo A) con la relacioacuten de los valores

obtenidos se tiene que el factor de friccioacuten es 00135

Basados en la teoriacutea de Darcy ndash Weisbach ecuacioacuten 12 se tiene que las

peacuterdidas por friccioacuten en la tuberiacutea son

Ec 12 ℎ119871119901 = 120582 ∙119871

119863∙

1199072

2 ∙ 119892 ℎ119871119901 = 1074 119898


Las peacuterdidas secundarias vienen dadas por los accesorios instalados en el

tuacutenel de carga los mismos que se diferencian y describen en el Anexo B y

sus caracteriacutesticas en la tabla 13 Es importante sentildealar que para efectos

de caacutelculo se tomara la abertura de las vaacutelvulas al 100


accesorios en la tuberiacutea de carga

Vaacutelvulas y

Acoplamientos

Coeficiente de

resistencia

Longitud equivalente en

diaacutemetros de tuberiacutea LeD

5 x Codo 45deg 20 middot ft 20

1 x Vaacutelvula de mariposa

abierta por completo 25 middot ft 25

1 x Vaacutelvula de compuerta


La rugosidad en los sistemas de conduccioacuten seguacuten el material es de

Є = 46 10-5 m

Tomando la ecuacioacuten 11 la rugosidad relativa es igual a

73

Ec 11 119890 =119863

120598 119890 = 117391

Para el caso de estudio el fluido se encuentra en la zona de turbulencia

pura donde mediante el valor determinado de rugosidad relativa se tiene

que el factor de friccioacuten fr es

119891119903 = 0019

Para un factor de friccioacuten fr igual a 0019 se tiene un valor de K para las

vaacutelvulas y acoplamientos es igual a

Tabla 14 Coeficiente de resistencia K para un fr de 0019

Vaacutelvulas y Acoplamientos Coeficiente de

resistencia

Coeficiente de resistencia con

fr = 0019

5 x Codo 45deg 20 middot fr 038

1 x Vaacutelvula de mariposa abierta por completo

25 middot fr 0475

1 x Vaacutelvula de compuerta abierta por completo

8 middot fr 0152

Mediante la ecuacioacuten 13 se determina las peacuterdidas producidas por los

accesorios en el sistema destacando las caracteriacutesticas de las vaacutelvulas y

acoplamientos en su punto maacutes criacutetico En la tabla 15 se muestran las

perdidas parciales por accesorio y el total acumulado

Ec 13 ℎ119871119886 = 119896 ∙1199072

2 ∙ 119892 ℎ119871119886 = 0884

74

Tabla 15 Resultado de peacuterdidas en Vaacutelvulas y acoplamientos

Vaacutelvulas y Acoplamientos

Ndeg de accesorios

Coeficiente de

resistencia

Perdidas (m)

Codo 45deg 5 038 0665

Vaacutelvula de mariposa abierta por completo

1 0475 0166

Vaacutelvula de compuerta abierta por completo

1 0152 0053

Total 0884

361 Peacuterdidas en las rejillas

En la toma del sistema de carga se tiene una rejilla que protege a las

turbinas por la insercioacuten de solidos al tuacutenel de carga Mediante la ecuacioacuten

13 se determinoacute las peacuterdidas por este accesorio sentildealando la geometriacutea y

forma de instalacioacuten del mismo

Figura 27 Geometriacutea de la malla en la toma del tuacutenel de carga

Las variables que establece la ecuacioacuten 19 seguacuten la figura 13 son

Tabla 16 Variables de la ecuacioacuten 19

Kr por Geometriacutea 24

t 0005

b 003

α 0deg

75

Ec 14 ℎ119903 = 119896119903 ∙ (119889

119886)075

∙1199072

2 ∙ 119892∙ 119904119890119899120572 ℎ119903 = 022 119898

Una vez calculadas las peacuterdidas primarias y secundarias producidas por la

friccioacuten entre la tuberiacutea accesorios y acoplamientos con el fluido se tiene

una peacuterdida total de

ℎ119871 = 1074 119898 + 088 119898 + 022 119898

ℎ119871 = 1184 119898

Basado en la ecuacioacuten 9 con respecto a la altura total del sistema hA se

tiene que la altura disponible del tuacutenel de carga es de

ℎ119879 = 28016 119898

37 Triaacutengulo de velocidades de Euler

Del triaacutengulo de velocidades de Euler a la entrada del fluido en el aacutelabe se

tiene que

Velocidad absoluta del fluido que se basa en tres paraacutemetros

fundamentales el coeficiente de peacuterdida por la friccioacuten del fluido en

el inyector citado por varios autores en un promedio de 097 la

gravedad y la altura neta del tuacutenel de carga tomando en cuenta las

perdidas primarias y segundarias ya calculadas

Ec 24 1198881 = 097 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 1198881 = 7192 119898119904

Velocidad absoluta del rotor de forma experimental se ha

determinado que la turbina alcanza su mayor eficiencia cuando su

76

relacioacuten con la velocidad del fluido es a la mitad de la misma de

donde

Ec 25 1199061 = 045 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 1199061 = 3336 119898119904

Resultado de las velocidades absolutas del rotor y fluido tomando

en cuenta las relaciones establecidas por los aacutengulos del triaacutengulo

de velocidades de Euler a la entrada del fluido al aacutelabe

1205721 = 0deg

1205731 = 180deg

Se tiene que la velocidad relativa del fluido con respecto a la

velocidad del rotor es

Ec 22 1199081 = 1198881 minus 119906 1199081 = 3856 119898119904

Para el triaacutengulo de velocidades de salida se cumple que

1199061 = 1199062 = 119906 = 3336 119898119904

Esto se debe a la accioacuten tangencial del fluido sobre el elemento motriz para

que se cumpla la relacioacuten sentildealada en la Ec 23 el aacutelabe debe aprovechar

al maacuteximo la energiacutea que le provee el agua

El aacutengulo de salida β2 se relaciona estrechamente con el disentildeo del aacutelabe

este debe ser muy pequentildeo para que el sistema aproveche en su totalidad

la energiacutea proveniente del fluido y la componente cineacutetica c2 sea

aproximada a cero


La velocidad siacutencrona para el generador eleacutectrico viene dado en los datos

de placa del equipo sin embargo aplicando la ecuacioacuten 26 para una

frecuencia eleacutectrica de 60 Hz y con 4 polos del generador

77

Ec 26 119899119904 =120 ∙ 119891

119901 119899119904 = 900 119903119901119898

Figura 28 Placa de paraacutemetros eleacutectricos generador WA 58 1

39 Dimensionamiento del inyector

El diaacutemetro del inyector viene dado por la ecuacioacuten 27 en base a este

elemento y variables del proceso se obtienen los valores de disentildeo del

inyector y la turbina Pelton Por la ecuacioacuten de la continuidad se tiene que

z es igual a 2 en funcioacuten de la cantidad de inyectores en el sistema

Ec 27 119889119894 = radic4 ∙ 119876

119911 ∙ 120587 ∙ 1198621 119889119894 = 7287 119898119898

310 Dimensionamiento de la turbina Pelton

El dimensionamiento de la turbina Pelton se divide en dos partes

importantes el aacutelabe y rodete los mismos que fundamentan sus

dimensiones en un paraacutemetro base que es el diaacutemetro del inyector

3101 Dimensionamiento del aacutelabe de la turbina Pelton

Los sistemas que son objeto de estudio para las unidades de generacioacuten

tres y cuatro en la central Illuchi I constan de dos inyectores por equipo de

donde basado en la tabla 8 se establece la siguiente relacioacuten

78

Tabla 7 119861 = 32 ∙ 119889119894 119861 = 23312 119898119898

Del paraacutemetro obtenido y en base a la relacioacuten que presenta la figura 19 se

establece las siguientes medidas referenciales para el aacutelabe de la turbina

Pelton cabe destacar que para la obtencioacuten de los datos sentildealados se

obtiene a partir de una interpolacioacuten en base al porcentaje de diferencia

entre los valores indicados basados en el dato B sentildealado como constante

Los resultados mostrados serviraacuten como referencia para el figurado de la

turbina los mismos que seraacuten modificados en pos de alcanzar la maacutexima

eficiencia del elemento

Tabla 17 Medidas del aacutelabe de la turbina Pelton

DIMENSIOacuteN FUNCIOacuteN MEDIDA (mm)

A 219middotdi 1596

B 32middotdi 23312

C 285middotdi 2077

D 095middotdi 692

E 095middotdi 692

F 14middotdi 102

G 044middotdi 321

H 055middotdi 402

3102 Dimensionamiento del rodete de la turbina Pelton

El rodete es el elemento donde se encuentran anclados los aacutelabes de la

turbina el diaacutemetro de este componente viene expresado mediante la

ecuacioacuten 29 referenciado en la figura 23 donde para fines de disentildeo se

tienen tambieacuten el diaacutemetro de cresta y el diaacutemetro de arista determinados

mediante la ecuacioacuten 30 y 31 respectivamente

Ec 29 119863119903 =60 ∙ 1198801

120587 ∙ 119899119904 119863119903 = 708 119898119898

79

Ec 30 119863119888 = 119863119903 + (2 ∙ (119863 + 119866)) 119863119888 = 9106 119898119898

Ec 31 119863119886 = 119863119903 + (2 ∙ 119863) 119863119886 = 8464 119898119898

El nuacutemero de aacutelabes viene dado mediante la expresioacuten 32 donde para

efectos de caacutelculo se tomaraacute el valor de kp = 085 ademaacutes del caacutelculo del

aacutengulo θ mediante la ecuacioacuten 33 que describe el desplazamiento angular

entre Dr y Da cuando este forme un aacutengulo de 90degcon con su transversal

principal descrita por la incidencia del chorro de agua sobre el mecanismo

Ec 32 119885 =

2 ∙ 120587

119896119901 ∙ (120579 minus 2 ∙ (119863119886

119863119903) ∙ 119896119906 ∙ 119904119890119899 (

1205792))

119885 = 1976 cong 20

Ec 33 120579 = 2 ∙ 119886119903119888119888119900119904 (119863119901 + 119889

119863119886) 120579 = 079 119903119886119889

El nuacutemero de aacutelabes calculado uacutenicamente es una referencia ya que

disentildeos preliminares de acuerdo a la relacioacuten que existe entre el diaacutemetro

de la rueda con el diaacutemetro del inyector para este caso se tiene un miacutenimo

de aacutelabes de 18 y un maacuteximo de 23 conforme se detalla en la tabla 8 dado

que

119863119903

119889119894= 969 cong 10

Para el aacutengulo β4 en funcioacuten del nuacutemero de aacutelabes teoacuterico de la turbina y la

relacioacuten entre los diaacutemetros con referencia en el Anexo D se tiene que

1205734 = 11deg

y β2 en funcioacuten de las condiciones de disentildeo es igual a 69deg

80


Una parte de gran importancia para el sistema de generacioacuten hidroeleacutectrica

es la caacutemara que en cuyo interior opera la turbina Pelton y limita las

peacuterdidas por efecto de ventilacioacuten

El dimensionamiento de caacutemara viene dado en funcioacuten de las relaciones

establecidas en la tabla 9 y correlacionadas con la figura 24

Tabla 18 Medidas referenciales caacutemara turbina Pelton


Ba 18212 119898119898

Bio 27318 119898119898

Biu 9106 119898119898

Rio 54636 119898119898


Definida la altura neta del sistema se determina la potencia hidraacuteulica

disponible por unidad de generacioacuten donde el peso especiacutefico del agua a

10degC es igual a 98 kNm3 empleando la ecuacioacuten 36 se tiene

Ec 36 119875119867 = 120574 ∙ ℎ119879 ∙ 119876 119875119867 = 164902 119896119882

La potencia hidraacuteulica estaacute definida principalmente por la cantidad de fluido

que impacta sobre el elemento por unidad de tiempo ya que la altura y el

peso especiacutefico son constantes en el sistema Este valor es proporcional a

la estrangulacioacuten del sistema de inyeccioacuten

81

Figura 29 Potencia hidraacuteulica en funcioacuten de caudal

312 Caacutelculo de fuerzas y momentos en la turbina Pelton

Para el dimensionamiento del rodete Pelton es importante mantener el

concepto de la transformacioacuten de energiacutea cineacutetica en trabajo uacutetil trasmitido

por el eje de acoplamiento con el sistema Para el presente estudio es

importante recalcar que se aplican dos fuerzas proporcionadas por la

incidencia de los chorros de agua uno y dos sobre un aacutelabe diferente cada

uno transitorio que se toma para la obtencioacuten de la fuerza aplicada sobre

el rodete

Las componentes perifeacutericas de las velocidades relativas de entrada y

salida se obtienen en funcioacuten de la teoriacutea de disentildeo del aacutelabe utilizando la

ecuacioacuten 38

Ec 38 1199081119906 = 1198881 minus 119906 1199081119906 = 3856 119898119904

Phellip

00

5000

10000

15000

20000

0 005 01 015 02 025 03 035 04 045 05 055 06

Potencia Hidraacuteulica kW

82

Para la obtencioacuten de la velocidad de salida del fluido c2 se mantiene el

concepto que entre maacutes pequentildeo llegara a ser este paraacutemetro mayor seraacute

el aprovechamiento energeacutetico de la turbina conforme la siguiente

expresioacuten

Ec 39 1198882 = 2 ∙ 1199062 ∙ 1199041198901198992(1205732

2) 1198882 = 407 119898119904

De esta manera y mediante la ecuacioacuten 40 se tiene que

Ec 40 1199082119906 = minus1199082 ∙ cos 1205732 1199082119906 = minus3267 119898119904

Con las velocidades obtenidas a la entrada y salida del sistema se tiene

que la fuerza total ejercida sobre el rodete Pelton con un aacutengulo de salida

β2 igual a 7deg grados es igual

Ec 37 119865 = 120588 ∙ 119876 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) 119865 = 4301 119896119873

La fuerza calculada teoacutericamente es la maacutexima que aprovecha el sistema

dentro de los rangos de disentildeo para lo cual se presenta la figura 30 donde

se puede ver la proyeccioacuten de la fuerza sobre el aacutengulo de salida del fluido

que va de 7deg a 115deg basado en la expresioacuten ecuacioacuten 37

La fuerza del fluido es la resultante que se obtiene de los dos inyectores

debido a que se estaacute tomando un caudal total del sistema de 06 m3s

83

Figura 30 Graacutefica de la ecuacioacuten de la fuerza con respecto a la velocidad

de salida del fluido

Para el caacutelculo del momento en la turbina se multiplica la fuerza tangencial

ejercida por el fluido por el radio del rodete es decir que la distancia del

centro al punto de incidencia del chorro de agua determinado mediante la

siguiente expresioacuten

Ec 41 119872 = 120588 ∙ 119876 ∙ 119903 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) 119872 = 1522 119896119873 ∙ 119898

De la ecuacioacuten del momento en el rango del aacutengulo de salida del fluido se

tiene que mientras maacutes pequentildeo el aacutengulo el momento es el maacuteximo como

se puede ver en la figura 31

84

Figura 31 Curva del momento ejercido por el rodete Pelton

El rango del aacutengulo de salida del fluido viene dado por especificaciones de

disentildeo referenciales para el presente proyecto de investigacioacuten basados en

la hidrodinaacutemica del sistema en conjunto donde el aacutengulo no puede ser

menor a 7deg por la circulacioacuten y choque del fluido en los aacutelabes aledantildeos al

que se encuentra en accioacuten ni mayor a 115deg por la peacuterdida de energiacutea

producida en el sistema

313 Caacutelculo de la potencia y rendimiento


Para el caacutelculo de la potencia de salida se tomaraacute el momento maacuteximo

entregado por la turbina con una velocidad sincroacutenica de 900 rpm en

funcioacuten de las caracteriacutesticas de funcionamiento de esta

Ec 42 119875119886 = 119872 ∙ 120596 119875119886 = 142585 119896119882 = 19028 119862119881

85

Es importante el caacutelculo de la velocidad especiacutefica para caracterizar las

condiciones y modo de operacioacuten de la turbina Pelton

Ec 43 119899119904 =119899 ∙ radic119875119886

ℎ119879

54frasl

119899119904 = 3425 119903119901119898 = 057 119903119901119904

Para un ns de 3425 rpm se tiene que la turbina Pelton objeto de estudio

debe trabajar con dos inyectores en funcioacuten de las graacuteficas sentildealadas en el

Anexo E Con una formulacioacuten P1N2-H (Turbina Pelton de eje horizontal

una rueda y dos chorros)

Figura 32 Proyeccioacuten de la velocidad especifica en funcioacuten del caudal


Para determinar la potencia interna de la turbina Pelton es necesario

estimar las peacuterdidas mecaacutenicas existentes en el proceso de transformacioacuten

de la energiacutea producida por el viento en la cavidad interna de la turbina y

el rozamiento en el cojinete de soporte

86

El rozamiento en los cojinetes que soportan al sistema produce una peacuterdida

mecaacutenica relativamente menor para reducir este efecto se sugiere utilizar

cojinetes conformados por Babbit 7 equivalente ASTM B23 grado 7 con una

composicioacuten detallada en el anexo F que son metales aleados antifriccioacuten

que reducen considerablemente el rozamiento el sistema de lubricacioacuten es

de peliacutecula mixta parcialmente hidrodinaacutemica y al liacutemite con recirculacioacuten

de aceite lo que conlleva que el coeficiente de friccioacuten es igual a 008

Mediante la ecuacioacuten 46 se estima un aproximado de las peacuterdidas por

friccioacuten con un coeficiente q de 15 especiacutefico para cargas altas

Ec 46 120578119887119890 =119896119887119890 ∙ 119899119902

119875119886 120578119887119890 = 00000003

Las peacuterdidas producidas por el viento en la caacutemara se determina en funcioacuten

de la velocidad especifica expresada en revs la velocidad de la turbina la

densidad del aire a 10degC que es igual a 1247 kgm3 y el nuacutemero de

inyectores que en este caso son dos

Mediante la ecuacioacuten 48 se determina el nuacutemero de viento

Ec 48 119882119894 = 11989215 ∙(1 + 2 ∙ 119899119904)

5

1198991199042

119882119894 = 424446

Con este paraacutemetro y aplicando la ecuacioacuten 47 se tiene que el coeficiente

de peacuterdidas producidas por el viento al interior de la caacutemara es igual

Ec 47 120578119908119894 = 4211990910minus7 ∙ 119882119894 ∙119886

119885∙1198993

1198991198733 120578119908119894 = 00011

Como se puede observar las peacuterdidas ocasionadas por el viento tiene

relacioacuten directa con la velocidad angular de la turbina el caacutelculo efectuado

87

se lo realizo con la velocidad sincroacutenica nominal a la que operaraacute la turbina

lo que quiere decir que seraacute la peacuterdida maacutexima

La potencia interna se determina mediante la ecuacioacuten 45 Donde 119875119898119903

resulta de la suma de las peacuterdidas mecaacutenicas a la potencia de salida

Ec 45 119875119894 = 119875119886 + 119875119898119903 119875119894 = 142742 119896119882


El rendimiento hidraacuteulico viene dado por la ecuacioacuten 49 basado en la

segunda formulacioacuten de Euler fundamentado en la altura uacutetil del sistema y

caracteriacutesticas fiacutesicas del fluido

Ec 49 120578ℎ =119867119906

119867=

1199061 ∙ 1198621119906 minus 1199062 ∙ 1198622119906

119892 ∙ 119867 120578ℎ = 0867


El rendimiento volumeacutetrico para una turbina Pelton es despreciable debido

a que el caudal total de fluido incide plenamente sobre los aacutelabes esto se

da debido a la condicioacuten de que el ancho del elemento debe ser miacutenimo en

una relacioacuten de tres veces con el diaacutemetro del inyector de donde

empleando la ecuacioacuten 68 se tiene

Ec 50 120578119907 =119876 minus 119902119890 minus 119902119894

119876 120578119907 = 1


Para el caso de estudio se puede notar que el rendimiento mecaacutenico es

teoacutericamente el ideal partiendo de los paraacutemetros de dimensionamiento

Este paraacutemetro viene dado por la ecuacioacuten 51

88

Ec 51 120578119898 =119875119886119875119894

120578119898 = 0998

317 Rendimiento Total

El rendimiento total considera la totalidad de las peacuterdidas del sistema y

viene dado por la ecuacioacuten 52

Ec 52 120578119905119900119905 = 120578119898 ∙ 120578119907 ∙ 120578ℎ 120578119905119900119905 = 0865

Es preciso evaluar el rendimiento del sistema variando el caudal de

inyeccioacuten para determinar los puntos de eficiencia de la turbina este tipo

de elemento no somete a variacioacuten la altura del tuacutenel de carga tampoco la

velocidad sincroacutenica de rotacioacuten debido a las caracteriacutesticas del sistema

eleacutectrico


La turbina Pelton estaacute constituida por dos elementos que son los aacutelabes y

el rodete para este primer elemento se debe tomar como consideracioacuten

especial que el material del cual este formado debe ser resistente a la

fatiga corrosioacuten y erosioacuten

Por experiencia de varios autores y fabricantes se determinoacute que el material

utilizado para la fabricacioacuten de los aacutelabes deberaacute tener la siguiente

composicioacuten (Cr 20 Ni 8 Mo 3) la aleacioacuten de estos materiales presentan

una gran resistencia a la cavitacioacuten y la abrasioacuten

Para las caracteriacutesticas del fluido y de la situacioacuten operacional para el

presente estudio se utilizara un acero AISI 316 con las siguientes

caracteriacutesticas quiacutemicas

89

Tabla 19 Propiedades quiacutemicas acero AISI 316

ELEMENTOS

Carbono (C) 008

Manganeso (Mn) 2

Fosforo (P) 004

Azufre (S) 003

Silicio (Si) 075

Cromo (Cr) 16 a 18

Niacutequel (Ni) 10 a 14

Molibdeno (Mo) 2 a 3

En el Anexo G se muestran las propiedades fiacutesicas del acero utilizado para

los aacutelabes para la manufacturacioacuten de la rueda el acero empleado por sus

caracteriacutesticas seraacute fundido o forjado debido a que esta no se encuentra

en contacto directo con el fluido Idealmente deberiacutea ser acero inoxidable

pero esto hace que el costo de la turbina sea elevado

Basado en el criterio de factor de seguridad para el disentildeo establecido y

previa seleccioacuten de la geometriacutea apropiada se determinara mediante el

software de disentildeo el modelo oacuteptimo para el aacutelabe de la turbina Pelton

319 Conclusiones del capiacutetulo

- El modelamiento hidrodinaacutemico para la turbina Pelton parte de una

serie de funciones matemaacuteticas que sirven como una base

referencial de medidas para alcanzar un rendimiento oacuteptimo del

elemento

- De acuerdo con la tabla 11 al tener una velocidad especiacutefica de

3425 rpm se puede concluir que el sistema con la turbina calculada

tiene un buen rendimiento aprovechando a plenitud las

caracteriacutesticas de la fuente energeacutetica

90

CAPIacuteTULO 4

PROPUESTA

41 Tiacutetulo de la propuesta

Elaboracioacuten de una base informaacutetica de respaldo de ingenieriacutea

CAD ndash CAM

42 Justificacioacuten de la propuesta

Los meacutetodos empleados para la remanufacturacioacuten de la turbina Pelton en

las unidades de generacioacuten hidroeleacutectrica tres y cuatro de la central

ILLUCHI I de la empresa ELEPCO SA en la actualidad se estaacuten viendo

afectadas por la falta de innovacioacuten en sus procesos esto acompantildeado

tambieacuten de la carencia de datos de disentildeo lo que hace que el sistema baje

su rendimiento y no se pueda aprovechar de manera eficiente la energiacutea

del recurso hiacutedrico

Utilizando los datos de modelado geomeacutetrico establecidos en el capiacutetulo

anterior y determinados en base a las caracteriacutesticas operacionales se

crea el sistema mediante un software de disentildeo resaltando cada una de las

variables fiacutesicas del elemento los mismos que son sometidos a una

simulacioacuten para identificar las liacuteneas y caracteriacutesticas del flujo de agua y su

vector de velocidad

Como paso final se contrasta el aporte energeacutetico que brinda el fluido al

sistema por medio de la medicioacuten del momento en el acoplamiento del eje

y de esta manera poder evaluar si el modelo propuesto es el que brindaraacute

mayor eficiencia para el aprovechamiento del recurso energeacutetico

43 Objetivo de la propuesta

- Determinar el modelo propuesto maacutes eficiente de turbina en funcioacuten

de la evaluacioacuten de las caracteriacutesticas operacionales del proceso e

infraestructura de los sistemas de generacioacuten

91

- Establecer una geometriacutea hidrodinaacutemica eficiente en el disentildeo de la

turbina Pelton por medio de la evaluacioacuten utilizando medios digitales

- Realizar comparaciones en base al modelo actual con el propuesto

basado en el modelo geomeacutetrico y el aprovechamiento energeacutetico

- Crear una base de ingenieriacutea digital que ayude a utilizar nuevos

meacutetodos de manufacturacioacuten en pos de alcanzar la confiabilidad del

sistema

44 Estructura de la propuesta

- Utilizando los datos del dimensionado geomeacutetrico obtenidos en el

capiacutetulo anterior se realiza la construccioacuten mediante software del

modelo propuesto

- A partir de estos datos se selecciona la turbina maacutes eficiente

tomando en consideracioacuten las variables operacionales del proceso

ademaacutes de la infraestructura disponible en el sistema

- Se realizaraacute la comparacioacuten del aporte energeacutetico del sistema

propuesto con el modelo operativo identificando las peacuterdidas en el

proceso

- Se crearaacute una base de respaldo de ingenieriacutea digital el mismo que

nos permitiraacute tener una referencia clara del dimensionado

geomeacutetrico al momento de manufacturar una turbina con estas

caracteriacutesticas

- Como paso final se detallara las ventajas de la generacioacuten

hidroeleacutectrica con respecto a los sistemas de generacioacuten

termoeleacutectrica

45 Desarrollo de la propuesta

Con los paraacutemetros obtenidos en el Capiacutetulo 3 del presente proyecto de

investigacioacuten se tiene una base teoacuterica del disentildeo de los aacutelabes y rodete

de la turbina Pelton datos necesarios para su modelamiento en los

programas de disentildeo Estos paraacutemetros son una base de partida para el

92

disentildeo de los componentes los cuales estaacuten sujetos a modificaciones y

mejoras de acuerdo a su rendimiento

El modelamiento hidrodinaacutemico de la turbina tiene que ver principalmente

con el desplazamiento del fluido sobre la superficie de los aacutelabes haciendo

que estos presenten la menor resistencia al paso del agua y al mismo

tiempo sean capaces de absorber la mayor cantidad de energiacutea posible la

simulacioacuten hidrodinaacutemica del elemento es realizada por el software ANSYS

160 Workbench CFX donde se podraacute medir la velocidad y observar las

zonas de turbulencia del fluido en distintos puntos

46 Caracterizacioacuten de la turbina en funcioacuten de las variables

operacionales

Conforme a las caracteriacutesticas operacionales del sistema considerando el

caudal de abastecimiento de la fuente hiacutedrica y el salto neto disponible se

puede realizar la seleccioacuten de la turbina apropiada eficiente para el caso de

estudio

Figura 33 Relacioacuten caudal ndash altura para aplicacioacuten de diferentes turbinas

hiudraacuteulicas (Fuente Castro 2006)

93

De la figura 33 para un caudal de abastecimiento reducido de 06 m3s y

un salto neto de 28016 m la turbina apropiada maacutes eficiente conforme

estos paraacutemetros es la turbina de accioacuten tipo Pelton con una potencia

maacutexima de 1500 kW

47 Disentildeo virtual de la turbina Pelton

Tomando las medidas y caracteriacutesticas geomeacutetricas calculadas en el

capiacutetulo III se realizoacute el disentildeo virtual de la turbina con la ayuda del

software SolidWorks 2016

471 Seleccioacuten de la turbina Pelton por geometriacutea y situacioacuten

operacional

Modelo de aacutelabes insertados

Para el presente modelo se busca la facilidad en las praacutecticas de

mantenimiento del elemento es decir que si un aacutelabe sufre un desperfecto

mecaacutenico como fractura fisura o exceso en su erosioacuten superficial este

podraacute ser faacutecilmente desmontado y reemplazado Por lo cual se reducen

los tiempos de corte por mantenimientos correctivos referentes a las partes

constitutivas de la turbina lo que hace que el sistema sea mucho maacutes

eficiente y confiable

Figura 34 Turbina Pelton de aacutelabes insertados

94

La clara desventaja de este tipo de mecanismo es que el eje de rotacioacuten

deberaacute tener dos apoyos y la transmisioacuten a la rueda se lo realizara por

medio de cuntildeas un sistema muy poco confiable para la aplicacioacuten

Por geometriacutea y simulacioacuten de esfuerzos en los soportes de sujecioacuten se

tiene que la turbina debe tener un miacutenimo de 18 aacutelabes el nuacutemero miacutenimo

permitido seguacuten el dimensionamiento geomeacutetrico

Modelo de turbina en un solo cuerpo

Con este modelo el sistema tiene la versatilidad de utilizar los soportes

estructurales ya instalados para su operacioacuten La desventaja principal

radica en que si uno de los aacutelabes llegara a fallar por el estreacutes propio del

proceso seraacute necesario el cambio total del elemento Dentro de las ventajas

maacutes importantes se tiene la reduccioacuten de carga mecaacutenica en el sistema

Figura 35 Turbina Pelton en un solo cuerpo

Para determinar el modelo maacutes eficiente se debe tomar en cuenta que

todos los aacutelabes estaacuten sometidos al mismo esfuerzo y expuestos a

cavitacioacuten continua producida por la depresioacuten suacutebita que sufre el sistema

de carga hidraacuteulica lo que ocasiona que las superficies de los aacutelabes sufran

una erosioacuten continua en igual proporcioacuten Razoacuten por la cual para realizar

los anaacutelisis posteriores se tomaraacuten como referencia este segundo modelo

que es el maacutes eficiente para la aplicacioacuten propuesta

95

472 Modelado digital del aacutelabe

El aacutelabe cumple con el dimensionamiento propuesto en funcioacuten de las

caracteriacutesticas operacionales ya determinadas obteniendo los siguientes

resultados

Figura 36 Modelado geomeacutetrico del aacutelabe Pelton SolidWorks 2016

Para realizar la simulacioacuten de esfuerzos y factor de seguridad es preciso

aplicar el material de disentildeo AISI 316 que se encuentra en la libreriacutea de

materiales del software

Figura 37 Caracteriacutesticas del material AISI 316

Del criterio del factor de seguridad establecido para este tipo de

aplicaciones se realizoacute una simulacioacuten para una carga hidraacuteulica producida

96

por el impacto del chorro de agua sobre el elemento con una fuerza de

21505 N

Figura 38 Factor de seguridad miacutenimo y maacuteximo establecido por disentildeo

Conforme indica la figura 38 al efectuar la simulacioacuten se puede referenciar

mediante una escala de colores que el factor de seguridad criacutetico se

encuentra pintado de color rojo con un miacutenimo de 018 en elementos que

no forman parte del soporte estructura sino de la hidrodinaacutemica del

elemento y un maacuteximo de 10 Por medio del muestreo de los valores se

puede identificar las partes criacuteticas que requieren de una optimizacioacuten en

el disentildeo

97

Figura 39 Limite elaacutestico von Mises

La simulacioacuten en base al criterio de von Mises muestra el fallo elaacutestico que

podriacutea sufrir el elemento con los esfuerzos que actuacutean sobre eacutel como se

muestra en la figura 39 De color rojo se puede identificar la deformacioacuten

maacutexima que sufre el elemento en un punto determinado

48 Comportamiento hidrodinaacutemico del aacutelabe

Mediante el software de disentildeo y simulacioacuten de elementos finitos ANSYS

Workbench CFX se pudo tener una referencia muy aproximada a la

realizada del efecto que se produce cuando el agua impacta a la superficie

del aacutelabe en condiciones operacionales reales de esta manera se planteoacute

mejoras de disentildeo con el fin de alcanzar una mayor eficiencia en el

elemento desde varios puntos de vista

481 Simulacioacuten hidrodinaacutemica ANSYS Workbench CFX

Aplicando paraacutemetros de operacioacuten reales el paquete computacional

describe la trayectoria del fluido en base a su forma geomeacutetrica ademaacutes

de identificar los puntos criacuteticos de velocidad sus moacutedulos y la identificacioacuten

98

de zonas de turbulencia en una escala de colores Por la complejidad de la

geometriacutea de la turbina esta fue dibujada en el software SolidWorks con

referencia en las medidas de disentildeo El software consta de cinco pasos

para completar la simulacioacuten

Figura 40 Condiciones de flujo para la simulacioacuten

Geometry

Importacioacuten del solido Turbina Pelton

Ubicacioacuten de la geometriacutea de operacioacuten

Ubicacioacuten de la posicioacuten del sistema de inyeccioacuten

Operaciones Boleanas de unioacuten entre la geometriacutea de ubicacioacuten

de los inyectores y la geometriacutea de operacioacuten

Operacioacuten Boleana de substraccioacuten entre el cuerpo principal

Turbina Pelton y a geometriacutea de operacioacuten

Figura 41 ldquoGeometryrdquo definicioacuten de geometriacutea y volumen de operacioacuten

99

Mesh

En este paso el software delimita las regiones del soacutelido para efectuar los

caacutelculos de flujo y simulacioacuten por medio del meacutetodo de voluacutemenes finitos

que consiste en la resolucioacuten de ecuaciones diferenciales mediante la

discretizacioacuten del dominio que se resumen en

Entrada + Aportes = Salida

Delimitacioacuten de una malla para la entrada del fluido

Delimitacioacuten de una malla para la geometriacutea de operacioacuten

Delimitacioacuten de una malla para el cuerpo solido de incidencia

Turbina Pelton

Generacioacuten de la malla

Figura 42 ldquoMeshrdquo delimitacioacuten de las zonas de operacioacuten y anaacutelisis

Setup

Es preciso definir los dominios que intervienen dentro del sistema la entrada

del fluido la geometriacutea de operacioacuten y el soacutelido de impacto con sus

respectivas caracteriacutesticas

Definicioacuten de los paraacutemetros del dominio basados en el tipo de

fluido que se manejaraacute en las operaciones

100

Liacutemite de entrada del fluido que define la velocidad de circulacioacuten

del agua por el inyector

Liacutemite de la geometriacutea de operacioacuten en donde se descarga el

fluido una vez que impacte con el cuerpo soacutelido a una presioacuten de

1 atm

Liacutemite del cuerpo de impacto

Figura 43 ldquoSetuprdquo dominios y liacutemites el sistema

Solution

Para el presente caso el software realiza los caacutelculos del sistema basado

en los datos ingresados sobre las caracteriacutesticas de operacioacuten Ademaacutes en

este paso se presentan las curvas de momento conforme avanza la

simulacioacuten donde se puede identificar la convergencia de las tendencias

entre si y su proyeccioacuten continua efecto que nos ayudara a pronosticar los

resultados de la simulacioacuten

En caso de que las curvas no tengan una tendencia definida o tengan cortes

abruptos en su proceso es una clara sentildeal de que el proceso de caacutelculo

llego a una indeterminacioacuten es decir que el software no puede realizar el

caacutelculo de un segmento del solido mallado

101

Figura 44 ldquoSolutionrdquo procedimiento de caacutelculo

Results

Concretados los caacutelculos para la simulacioacuten ingresamos al paso final que

son los resultados donde por medio de opciones como

- Contour

- Volumen Rendering

- Streamline

- Vector

Figura 45 ldquoResultrdquo resultados de la simulacioacuten

102

Se puede identificar las liacuteneas de flujo del fluido al entrar en contacto con

la superficie del aacutelabe y su dispersioacuten a la salida del mismo De la misma

manera se puede determinar por medio de una escala de colores el moacutedulo

de velocidad del fluido y su valor exacto en cualquier punto de la simulacioacuten

482 Comportamiento hidrodinaacutemico de la turbina

Por medio de la simulacioacuten Fluid Flow (CFX) se puede observar la

diferencia entre las liacuteneas de flujo del fluido vectores y moacutedulos de

velocidad del agua en contacto con la superficie del aacutelabe en las partes maacutes

criacuteticas Para el presente proyecto se realizan las comparaciones en la

hidrodinaacutemica del modelo actual con el propuesto

Simulacioacuten modelo propuesto Simulacioacuten modelo actual

Figura 46 Simulacioacuten del modelo hidrodinaacutemico propuesto y modelo

actual

103

Figura 47 Dispersioacuten del fluido en la turbina propuesta

En la figura 47 se puede ver claramente la dispersioacuten del agua que produce

el modelo propuesto conforme el disentildeo hidrodinaacutemico de la turbina lo que

hace que se reduzcan las peacuterdidas volumeacutetricas del sistema lo que no

ocurre con el modelo implantado actualmente en cual se puede observar

las peacuterdidas volumeacutetricas existentes

El dimensionado geomeacutetrico es una base de partida para el modelamiento

de la turbina Pelton esto debido a que por medio de la simulacioacuten se

pueden detectar alteraciones en la hidrodinaacutemica del elemento por lo cual

se realizoacute las siguientes correcciones sobre el modelo propuesto

Antes Despueacutes

Figura 48 Correcciones del modelo geomeacutetrico en base a la simulacioacuten

104

Para tener una mejor referencia sobre las peacuterdidas producidas por el mal

dimensionado del aacutelabe se realizoacute una simulacioacuten en tres puntos de

incidencia del chorro de agua sobre la superficie de contacto tanto para el

modelo propuesto como para el que se encuentra operando en campo De

esta manera se puede observar la dispersioacuten del fluido cuando hace

contacto sobre la superficie del aacutelabe

Figura 49 Incidencia del chorro de agua paso 1 modelo propuesto



105

En base al modelo propuesto se puede evidenciar el desplazamiento del

flujo de agua sobre la superficie del aacutelabe de manera que este reduzca al

maacuteximo las peacuterdidas volumeacutetricas

Figura 52 Incidencia del chorro de agua paso 1 modelo en operacioacuten



106

En la figura 52 se observa las peacuterdidas volumeacutetricas por el mal

dimensionado geomeacutetrico lo que ocasiona que el fluido proveniente del

inyector choque en las paredes frontales del aacutelabe

Por medio de la simulacioacuten realizada se puede determinar el moacutedulo de

velocidad de las partiacuteculas de agua a lo largo de su recorrido en la superficie

del aacutelabe en una escala de colores se muestra la velocidad del fluido en su

trayecto donde el color rojo muestra el valor maacuteximo

Figura 55 Puntos de medicioacuten de la velocidad en el perfil del aacutelabe

Con la consideracioacuten de los puntos de medicioacuten sentildealados en la figura 55

en las coordenadas identificadas en la tabla 20 se tiene los moacutedulos de

velocidad

P1

P2

P3

P4

P5 P6

P7 P8

P9

P10

107

Tabla 20 Identificacioacuten de puntos de velocidad en el perfil transversal del

aacutelabe

Puntos de medicioacuten Velocidad (ms) Coordenadas

P1 7533 0 007 -018

P2 7392 0 006 -014

P3 7225 0 006 -012

P4 5714 0 002 0

P5 493 001 002 002

P6 4289 002 002 004

P7 3101 005 002 0065

P8 4268 0095 002 004

P9 3328 011 002 0

P10 1244 014 002 -008

Tomando estos datos se puede identificar claramente un decremento en la

velocidad del fluido a lo largo de su trayecto desde la salida del inyector

pasando por la superficie de la cuchara hasta salir de esta Es importante

aclarar que a partir del punto 8 el fluido incrementa su velocidad por la

inercia que lleva en el impulso provocado por la geometriacutea

Figura 56 Moacutedulo de velocidad en los puntos sentildealados

49 Estudio de momento en funcioacuten de las variables hidrodinaacutemicas

Para realizar la determinacioacuten del momento en funcioacuten de las variables

operacionales y geomeacutetricas en la turbina Pelton se interrelacionan la

opcioacuten Fluid Flow (CFX) y Static Structural

7533 7392 7225

5714

4934289

3101

4268

3328

1244

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10

Velocidad (ms)

108

Figura 57 Interrelacioacuten de procesos de simulacioacuten Fluid Flow (CFX) y Static Structural

De esta manera la opcioacuten Static Structural toma los datos hidrodinaacutemicos

de la simulacioacuten de flujo Con el fin de obtener el momento en el eje de

rotacioacuten de la turbina se debe cumplir con las siguientes condiciones de

frontera

Model

En la opcioacuten Model delimitaremos el aacuterea de accioacuten del chorro de agua en

este punto se establece las condiciones de mallado para el posterior

anaacutelisis

Delimitacioacuten de las aacutereas de accioacuten para la simulacioacuten

- Superficie 1

- Superficie 2

Figura 58 Superficies de accioacuten con respecto al impacto del fluido

109

Setup

Para establecer las variables dentro del sistema se debe determinar el tipo

de soporte para el caso de estudio es un soporte ciliacutendrico el nexo entre

los dos sistemas de simulacioacuten se establece al importar las cargas con la

opcioacuten de presioacuten para las superficies de accioacuten establecidas en el paso

anterior como paso final se selecciona el caacutelculo del momento en el centro

de apoyo en funcioacuten de las caracteriacutesticas del sistema

Figura 59 Condiciones de frontera del modelo propuesto

Basado en la simulacioacuten realizada se obtienen los siguientes resultados

teniendo como objetivo de anaacutelisis el momento en el eje de rotacioacuten de la

turbina Pelton

110

Figura 60 Simulacioacuten ldquoMoment Reactionrdquo modelo propuesto

Figura 61 Simulacioacuten ldquoMoment Reactionrdquo modelo en funcionamiento

El aacutengulo de posicionamiento del inyector con respecto a la tangente de la

circunferencia que describe el sentido de rotacioacuten de la turbina es 25deg dado

111

que se han realizado varias simulaciones llegando al punto oacuteptimo del

disentildeo

491 Determinacioacuten de momento basado en las caracteriacutesticas

hidrodinaacutemicas del sistema

El momento calculado con referencia en el centro de la turbina viene dado

por la fuerza hidraacuteulica generada por el chorro de agua sobre la superficie

del aacutelabe tomando en consideracioacuten las peacuterdidas presentes en el sistema

Figura 62 Curva de momento calculado en funcioacuten del caudal

En la figura 62 se presenta el momento producido por la turbina Pelton en

el eje de rotacioacuten el mismo que es directamente proporcional al caudal que

es controlado por el inyector debido a las caracteriacutesticas eleacutectricas del

sistema este deberaacute funcionar a una velocidad constante de 900 rpm

112

Figura 63 Potencia de salida simulados y calculado

Para el caso propuesto el momento producido por la fuerza del agua sobre

el aacutelabe es proacuteximo al calculado en el Capiacutetulo 3 lo que corrobora la

efectividad de la propuesta

De la resultante de la potencia de salida con respecto a la potencia

hidraacuteulica proporcionada por el fluido y las caracteriacutesticas operacionales

se tienen que el modelo propuesto en funcioacuten del anaacutelisis realizado

aprovecha de manera maacutes eficiente la energiacutea

Figura 64 Rendimiento potencia de salida sobre potencia hidraacuteulica

De esta manera se puede ver que el modelo propuesto es el que tiene el

mayor aprovechamiento y basado en la figura del Anexo E se tiene que

143449

153433

130298

Momento caacutelculado propuesto

Modelo simulado propuesto

Modelo simulado en operacioacuten

Potencia de salida (kW)

087

093

079

MODELO CAacuteLCULADO PROPUESTO

MODELO SIMULADO PROPUESTO

MODELO SIMULADO EN OPERACIOacuteN

Rendimiento

113

Tabla 21 Disposicioacuten del sistema en funcioacuten de la potencia de salida

Potencia de salida kW Disposicioacuten del sistema

Modelo propuesto 153439 P1N2-H

Modelo en operacioacuten 130347 P1N1-H

Para corroborar los resultados de la tabla 21 con referencia a la velocidad

especiacutefica se tienen los siguientes resultados

Tabla 22 Disposicioacuten del sistema en funcioacuten de la velocidad especiacutefica


revmin

Disposicioacuten del

sistema

Modelo propuesto 356 2 inyectores

Modelo en operacioacuten 3281 1 inyector

Concatenando los resultados de la tabla 22 respecto a las caracteriacutesticas

de la figura 65 se observa la eficiencia del modelo propuesto para las

caracteriacutesticas operacionales y del sistema de generacioacuten

Figura 65 Disposicioacuten del sistema en funcioacuten de la velocidad especiacutefica

114

410 Anaacutelisis financiero TIR y VAN

Con los dato obtenidos en el incremento del rendimiento del sistema en

comparacioacuten al modelo actual se tiene que en promedio se tendraacute un

incremento de 23092 kW por unidad de generacioacuten dado que el objeto de

estudio son las dos unidades del mismo tipo que trabajan en paralelo el

aumento total de la potencia generada es 46184 kW

En funcioacuten de la resolucioacuten ARCONEL 04316 el costo del kWh es de

$ 397 doacutelares americanos para generacioacuten hidroeleacutectrica valor que es

cancelado por el Estado Ecuatoriano para mantener los sistemas bajos en

emisiones de carbono al ambiente

La Tarifa de la Dignidad subsidio establecido mediante Decreto Ejecutivo

451-A de 30 de junio de 2007 fijoacute una tarifa de 004 USD por kWmiddoth para los

usuarios residenciales cuyos consumos mensuales no superen los

110 kWmiddoth en las provincias de la Sierra y los 130 kWmiddoth en las provincias de

la Costa Amazoniacutea y Regioacuten Insular

Tabla 23 Ingresos anuales por incremento de potencia generada

Incremento de

produccioacuten kWmiddoth $kWmiddoth $mensual $anual

Costo consumidor final 46184 004 1330099 15961190

Costo por produccioacuten 46184 397 132012346 1584148147

Para estimar la rentabilidad del proyecto es necesario evaluar el proyecto

con las dos unidades trabajando en sincronismo al 80 de carga

Tabla 24 Ingresos anuales por potencia total generada unidades tres y

cuatro al 80 de carga

Produccioacuten kWmiddoth $kWmiddoth $mensual $anual



115

Para la evaluacioacuten del TIR (Taza Interna de Retorno) y el VAN (Valor Actual

Neto) es preciso evaluar el costo de la inversioacuten en base a la construccioacuten

de una nueva turbina con las caracteriacutesticas detalladas en el proyecto

El costo de inversioacuten estimado para la manufacturacioacuten de cada turbina es

de $ 140000 doacutelares americanos el tiempo de evaluacioacuten y vida uacutetil de la

turbina es de 4 antildeos en los cuales los costos operativos y de mantenimiento

son de $ 100000 doacutelares americanos por antildeo y por unidad

Para la evaluacioacuten del TIR se tiene un valor porcentual del 230 y el VAN

con un intereacutes del 10 tiene un valor de $ 177551920 doacutelares americanos

esto demuestra la rentabilidad econoacutemica del proyecto incluso con la Tarifa

de la Dignidad que es de $ 004 kWmiddoth

El costo del kWmiddoth para las unidades de generacioacuten hidroeleacutectrica tomando

en cuenta los costos de operacioacuten y mantenimiento para las unidades tres

y cuatro es de $ 00093 doacutelares americanos menos de un centavo de doacutelar

El costo del kWmiddoth de un sistema termoeleacutectrico que utiliza dieacutesel como

combustible es de $ 012 doacutelares americanos lo que hace que sea 129

veces maacutes caro

411 Huella de carbono

Las centrales hidroeleacutectricas en general tienen un bajo impacto ambiental

maacutes aun cuando estas forman parte de un sistema multipropoacutesito como es

el de la central Illuchi I ya que el agua despueacutes de pasar por el sistema de

generacioacuten en sus dos etapas el agua es tratada en una planta de

potabilizacioacuten para su consumo en la ciudad de Latacunga

El tonelaje de emisiones de carbono a la atmosfera por parte de la central

de generacioacuten por kWmiddoth generado es cero mientras que para sistemas de

generacioacuten teacutermica de la misma capacidad en cuanto a su potencia

instalada se representa en la siguiente graacutefica donde se tomaran dieacutesel y

crudo como combustibles

116

Figura 66 kg CO2 MWmiddoth por tipo de combustible

0

02

04

06

08

1

12

Generacioacuten Diesel Generacioacuten Crudo GeneracioacutenHidroeleacutectrica

KG CO2 MWH

117

CONCLUSIONES GENERALES

1 El anaacutelisis de los paraacutemetros operacionales de la fuente energeacutetica

es el punto de partida para el correcto dimensionado geomeacutetrico de

la turbina Pelton

2 Con el modelo propuesto se incrementa el aprovechamiento

energeacutetico en 23092 kWh por unidad de generacioacuten basado en el

anaacutelisis y simulacioacuten realizado en el software (static Structural)

3 Baso en el criterio de modelado geomeacutetrico de varios autores se

pudo obtener un equilibrio en el disentildeo de la turbina Pelton el mismo

que fue comprobado por medio de sistemas computacionales para

obtener los resultados deseados

4 Realizado el modelado geomeacutetrico de la turbina Pelton y sus partes

constitutivas en un sistema computacional (SolidWorks) se puede

acceder a meacutetodos innovadores de manufacturacioacuten utilizando

maacutequinas de control numeacuterico

5 Por medio de la simulacioacuten computacional utilizando paquetes

informaacuteticos (Fluid Flow CFX) se pudo obtener el aprovechamiento

energeacutetico deseado al modelar eficientemente la turbina Pelton en

sus caracteriacutesticas geomeacutetricas hidrodinaacutemicas y estructurales

6 El estudio y aprovechamiento de las microcentrales hidroeleacutectricas

es de suma importancia debido al incremento de demanda

energeacutetica en el mundo y los grandes niveles de contaminacioacuten

producidos por las centrales termoeleacutectricas

7 Al disponer de una base de ingenieriacutea para la manufacturacioacuten de la

turbina Pelton la central de generacioacuten Illuchi I aumenta su

rendimiento y confiabilidad

8 El anaacutelisis econoacutemico realizado nos muestra que el sistema

propuesto es rentable al tener un valor actual neto de $ 177551920

doacutelares americanos a un intereacutes del 10

118

RECOMENDACIONES

1 En el paiacutes auacuten no se cuenta con centros de mecanizado con un

volumen de control necesario para maquinar la turbina Pelton

propuesta en una sola pieza

2 El modelo propuesto de aacutelabes insertables no es dable para

aplicacioacuten debido que el sistema estaacute sometido a altos niveles de

vibracioacuten lo cual hariacutea que los elementos de sujecioacuten se aflojen por

lo cual se recomienda descartar el modelo mencionado

3 Al existir varios criterios de disentildeo sobre la turbina Pelton es preciso

realizar la comprobacioacuten y ajuste de resultados por medio de

paquetes computacionales

4 En un sistema netamente eficiente se aprovecha al 100 la energiacutea

proveniente del fluido lo que hace que los caacutelculos entren en un

reacutegimen ideal al realizar la simulacioacuten hidrodinaacutemica del elemento

se puede observar que el modelo calculado necesita ajustes para

obtener el mayor rendimiento

5 Si no se modifica la geomeacutetrica propuesta de la turbina que se

encuentra operando actualmente en las unidades tres y cuatro de la

central de generacioacuten el sistema es ineficiente

119

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123

ANEXOS

ANEXO A Diagrama de Moody (Fuente Mott 2006)

124

ANEXO B

Vaacutelvulas y acoplamientos en la tuberia de carga 22 pulg de

diaacutemetro

1) Codo 45deg

2) Codo 45deg

3) Codo 45deg

4) Codo 45deg

5) Codo 45deg

125

1) Vaacutelvula de

Mariposa

1) Vaacutelvula de Compuerta

126

ANEXO C

Ejemplo de estandarizacioacuten de turbinas Pelton considerando acoplamiento

directo (Fuente Hernaacutendez 1984)

127

ANEXO D

Valores de aacutegulos β4 para la ariacutesta del aacutelabe Pelton (Fuente Bustamante

amp Aacuterias 2008)

128

ANEXO E Diagrama para la seleccioacuten de la disposicioacuten maacutes conveniente en funcioacuten

de la carga y la potencia para una turbina Pelton (Fuente Polo 1983)

ANEXO F Babbit 7 equivalente ASTM B23 grado 7 (Fuente LaPaloma 2014)

Grado Composicioacuten Densidad Punto de Cedencia (psi)

Ultimo Esfuerzo a la Compresioacuten

(psi)

Dureza Brinell Temperatura indicada para el vaciado

ASTM Estantildeo Antimonio Plomo Cobre grcm3 20degC 100degC 20degC 100degC 20degC 100degC degC

No2 89 75 003 34 739 6100 3000 14900 8700 245 12 424

5X 87 9 4 6300 15000 25 13 470

No3 833 82 003 83 74 6600 3150 17600 9900 27 145 491

No7 10 15 75 -- 973 3550 1600 15650 6150 225 105 338

No8 5 15 80 -- 1004 3400 1750 15600 6150 20 95 341

Magnolia 3 14 83 -- 106 3380 1810 15500 5940 18

130

ANEXO G

Caracteriacutesticas fiacutesicas del acero AISI 316 (Fuente GoodFellow 2008)

131

ANEXO H

Sistema de generacioacuten hidroeleacutectrica ILLUCHI I

Sistema de control de inyeccioacuten (las turbinas operan con dos inyectores)

Modelo patroacuten turbina Pelton

132

Turbina Pelton central Bell ndash Kriens 2000 CV 900 rpm

(Manufacturada en China)

Turbina Pelton central Bell ndash Kriens 2000 CV 900 rpm problemas de

erosioacuten y desgaste

Turbina Pelton central Bell ndash Kriens 2000 CV 900 rpm remanufacturada

Material de relleno

Porosidad en el proceso de

remanufacturacioacuten

133

Perdida de datos patrones de disentildeo geomeacutetrico de ingenieriacutea de los

aacutelabes de la turbina Pelton

134

ANEXO I

PLANO TURBINA PELTON

135

ANEXO J

PLANO AacuteLABE

ii

APROBACIOacuteN DEL TRIBUNAL DE GRADO

En calidad de Miembros del Tribunal de Grado aprueban el presente Informe de investigacioacuten de posgrados de la Universidad Teacutecnica de Cotopaxi por cuanto el maestrante Toro Rubio Jaime Patricio con el tiacutetulo de tesis ldquoEL DIMENSIONAMIENTO GEOMEacuteTRICO Y SU INCIDENCIA EN LA EFICIENCIA ENERGEacuteTICA DE LA TURBINA PELTON DE LAS UNIDADES TRES Y CUATRO EN LA CENTRAL DE GENERACIOacuteN HIDROELEacuteCTRICA ILLUCHI I DE LA EMPRESA ELEPCO SA ELABORACION DE UNA BASE INFORMAacuteTICA DE RESPALDO DE INGENIERIA CAD ndash CAMrdquo ha considerado las recomendaciones emitidas oportunamente y reuacutene los meacuteritos suficientes para ser sometido al acto de Defensa de Tesis

Por lo antes expuesto se autoriza realizar los empastados

correspondientes seguacuten la normativa institucional

Latacunga febrero de 2017 Para constancia firman

Ing MSc Manuel Aacutengel Leoacuten Segovia PhD Heacutector Laurencio Alfonso CC 0502041353 CC 1712813 PRESIDENTE -TRIBUNAL MIEMBRO - TRIBUNAL

PhD Gustavo Rodriacuteguez Barcenas PhD Iliana Antonia Gonzaacuteles Palau CC 1757001357 CC 1757070659 MIEMBRO - TRIBUNAL OPOSITOR - TRIBUNAL


iii














calificacioacuten


iv













CC 0503274847

v

AGRADECIMIENTO




educacioacuten






vi

DEDICATORIA



de mi vida



vii




AGRADECIMIENTO v

DEDICATORIA vi




RESUMEN xviii

ABSTRACT xix

INTRODUCCIOacuteN 1

JUSTIFICACIOacuteN2




OBJETIVO GENERAL 3

HIPOacuteTESIS 4





CAPIacuteTULO 1 8














viii
















CAPIacuteTULO 2 35




















ix














CAPIacuteTULO 3 67























x







CAPIacuteTULO 4 90

PROPUESTA 90


















RECOMENDACIONES 118


ANEXOS 123

ANEXO A 123

ANEXO B 124

ANEXO C 126

ANEXO D 127

ANEXO E 128

xi

ANEXO F 129

ANEXO G 130

ANEXO H 131

ANEXO I 134

ANEXO J 135

xii




































xiii






























xiv






100


101






























xv








xvi





























xvii















xviii



RESUMEN






















CAD ndash CAM



CAD ndash CAM



PhD


xix



ABSTRACT

























PhD

1

INTRODUCCIOacuteN




























2



























JUSTIFICACIOacuteN




3























OBJETIVO GENERAL





4

HIPOacuteTESIS















empresa ELEPCO SA












turbina Pelton



5





tuacutenel de carga













hidrodinaacutemico








de mecanizado

6































7








y anaacutelisis








8

CAPIacuteTULO 1















arranque














9










equipo







Ecuador














10




















los recursos











11






























12


los tiempos muertos





















realidad







13





utilizado





expuesto el sistema









del material












14































15


























conducciones



16

















17




















18








electricidad












19










clasifican en















20




largo plazo










operacioacuten





energiacutea






21





dividen en





movimiento)




















22













clasifican en






rodete



tipo MICHELL-BANKI









23







del eje es


















24

18 Turbina Pelton



















25








rodete









26















27





acero endurecido











turbina











rodete


chorro

28


infraestructura
















29








el trabajo deseado






mecaacutenica




velocidad del rotor




30










viscosas











Flujo Laminar


Flujo turbulento

31















y manufactura









ingenieril







32




















33























de agua fluyente





salto mayor a 50 m



34




























cual goza

35

CAPIacuteTULO 2


























36





1199071 ∙ 1198601 = 1199072 ∙ 1198602 Ec1









119876 = 119907 ∙ 119860 Ec 2







37

119876 = 02785 ∙ 119862ℎ ∙ 119863263 ∙ 119878054 Ec 3








Tipo de tubo





150 140



130 100

Concreto 120 100









constante



38

1198751

120588+ 1199111 ∙ 119892 +

11990712

2=

1198752

120588+ 1199112 ∙ 119892 +

11990722

2 Ec 4







119864119875 = 119908 ∙ ℎ Ec 5




119864119862 =119908∙1199072

2∙119892 Ec 6





119864119865 =119908∙119901

120574 Ec 7


119864 = 119864119865 + 119864119875 + 119864119862



1198641 =1198751

120588+ 1199111 ∙ 119892 +

11990712

2 Ec 8

39









y secundarias

















40

1198751

120588+ 1199111 ∙ 119892 +

11990712

2+ ℎ119860 minus ℎ119877 minus ℎ119871 =

1198752

120588+ 1199112 ∙ 119892 +

11990722

2 Ec 9







119877119890 =119907∙119863∙120588

120578=

119907times119863

120574 Ec 10





120574 =120578

120588












41

119890 =119863

120598 Ec 11

Donde





(Fuente Mott 2006)


Vidrio Liso Liso













ℎ119871119901 = 120582 ∙119871

119863∙

1199072

2∙119892 Ec 12

Donde






42













segundarias es

ℎ119871119886 = 119896 times1199072

2times119892 Ec 13

Donde



(adimensional)









43


(Fuente Mott 2006)
























diagrama de Moody

44








8

34 abierta 35

12 abierta 160

14 abierta 900
















ℎ119903 = 119896119903 times (119889

119886)075

times1199072

2times119892times 119904119890119899120572 Ec 14

45






Newton

119865 = 119898119889119907

119889119905 Ec 15


int 119865 1198891199051199052

1199051

= int 119898 ∙ 119889119907 1199072

1199071


int 119865 1198891199051199052

1199051

= 119898(1199072 minus 1199071 )

119898 ∙ 1199071 + int 119865 1198891199051199052

1199051= 119898 ∙ 1199072 Ec 16





119865 ∙ 119889119905 = 119889119898 ∙ 119889119907 Ec 17

46

Donde

119889119898 = 120588 ∙ 119889119881


119865 = 120588 ∙119889119881

119889119905∙ 119889119907


tiene

119865 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2 minus 119907 1) Ec 18



119865119909 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2119909 minus 119907 1119909) Ec 19

119865119910 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2119910 minus 119907 1119910) Ec 20

119865119911 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2119911 minus 119907 1119911) Ec 21









internacional

47



Donde











figura 15



48









1205721 = 0deg

1205731 = 180deg





1199081 = 1198881 minus 119906 Ec 22

49



1199081 = 1199082 Ec 23





1198881 = 097 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 Ec 24






final es igual a

1199061 = 045 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 Ec 25






50











119899 =120times119891

119901119900119897119900119904 Ec 26









inyector






51


119889119894 = radic4∙119876

119894∙120587∙1198621 Ec 27

Donde













52



elemento




1 119861 = 31 ∙ 119889119894

2 119861 = 32 ∙ 119889119894

4-5 119861 = 33 ∙ 119889119894

6 119861 gt 33 ∙ 119889119894


31 gt119861

119889119894ge 34 Ec 28


turbina Pelton

53













del agua


54









119863119903 =60∙1198801

120587∙119899 Ec 29

Donde






119863119888 = 119863119903 + (2 ∙ (119863 + 119866)) Ec 30

Donde





119863119886 = 119863119903 + (2 ∙ 119863) Ec 31

Donde


55


turbina Pelton






119885 =2∙120587

119896119901∙(120579minus2∙(119863119886119863119903

)∙119896119906∙119904119890119899(120579

2))

Ec 32

Donde





56




120579 = 2 times 119886119903119888119888119900119904 (119863119903+119889

119863119886) Ec 33







119915119955

119941119946


Z min Z maacutex

15 21 27

14 21 26

13 20 25

12 20 24

11 19 24

10 18 23

9 18 22

8 17 22

75 17 21






57





figura 24


(Fuente Zhang 2016)


Ba 02 ∙ 119863119888

Bio 03 ∙ 119863119888

Biu 1 ∙ 119863119888

Rio 06 ∙ 119863119888






incompresibles

58

119875119867 = 119901 ∙ 119876 Ec 34


ecuacioacuten

119901 = 120574 ∙ ℎ119879 Ec 35

Donde



119875119867 = 120574 ∙ ℎ119879 ∙ 119876 Ec 36





turbina

119865 = 120588 ∙ 119876 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) Ec 37




1199081 = 1199081119906 = 1198881 minus 119906 Ec 38



de salida

11988822 = 1199082

2 + 11990622 minus 2 ∙ 1199062 ∙ 1199082 ∙ cos 1205732

11988822 = 1199082

2 + 11990622 minus 2 ∙ 1199082 ∙ 1199062 + 2 ∙ 1199082 ∙ 1199062 minus 2 ∙ 1199062 ∙ 1199082 ∙ cos 1205732

59

11988822 = (1199082 minus 1199062)

2 + 2 ∙ 1199082 ∙ 1199062 ∙ (1 minus 1198881199001199041205732)

11988822 = (1199082 minus 1199062) + 4 ∙ 1199082 ∙ 1199062 ∙ 1199041198901198992(

1205732

2)


1199082 cong 1199062

Se tiene que

1198882 = 2 ∙ 1199062 ∙ 119904119890119899(1205732

2) Ec 39



de salida

1199082119906 = minus1199082 ∙ cos 1205732 Ec 40




119872 = 120588 ∙ 119876 ∙ 119903 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) Ec 41










60

119875119886 = 119872 ∙ 120596 Ec 42










119899119904 =119899∙radic119875119886

ℎ119879

54frasl

Ec 43


43 son









120575 =119889119894

119863119903 Ec 44

61




diaacutemetros

Nuacutemero

especiacutefico de

revoluciones


rendimiento) 001 24


rendimiento) 003 8


rendimiento) 014 35


rendimiento) 011 27





Sistema Turbina


ns velocidad

especiacutefica

maacutexima (buen

rendimiento)









119875119894 = 119875119886 + 119875119898119903 Ec 45

62






120578119887119890 =119896119887119890∙119899119902

119875119886 Ec 46

Donde













120578119908119894 = 4211990910minus7 ∙ 119882119894 ∙119886

119885∙

1198993

1198991198733 Ec 47

Donde






63



119882119894 = 11989215 ∙(1+2∙119899119904)

5

1198991199042 Ec 48








120578ℎ =119867119906

119867=

1199061∙1198621119906minus 1199062∙1198622119906

119892times119867 Ec 49








120578119907 =119876minus119902119890minus119902119894

119876 Ec 50

Donde




64





transmisioacuten

120578119898 =119875119886

119875119894 Ec 51





120578119905119900119905 = 120578119898 ∙ 120578119907 ∙ 120578ℎ =119875119886

119875 Ec 52














65




























66












mecanismo





67

CAPIacuteTULO 3
























cambios

68





sentildealados

h0 = 3527 msnm

h1 = 3819 msnm

Donde


maacutequinas


de carga







69


presa






12



1 10 066 94 070

2 10 066 79 084

3 10 066 85 078

4 10 066 88 075

5 10 066 81 081

6 10 066 91 073

7 10 066 83 080

8 10 066 85 078

9 10 066 86 077

10 10 066 91 073

PROMEDIO 077











70










Ec 3 119876 = 02785 ∙ 119862ℎ ∙ 119863263 ∙ 119878054 119876 = 152 1198983119904








71

Ec 2 119907 =119876

119860 119907 = 262 119898119904



hidraacuteulica



Ec 10 119877119890 =119907 ∙ 119863 ∙ 120588

120578 119877119890 = 10883 ∙ 106






Ec 11 119890 =119863

120598 119890 = 117391







72





Ec 12 ℎ119871119901 = 120582 ∙119871

119863∙

1199072

2 ∙ 119892 ℎ119871119901 = 1074 119898








Vaacutelvulas y

Acoplamientos

Coeficiente de

resistencia









Є = 46 10-5 m


73

Ec 11 119890 =119863

120598 119890 = 117391




119891119903 = 0019





resistencia


fr = 0019



25 middot fr 0475


8 middot fr 0152





Ec 13 ℎ119871119886 = 119896 ∙1199072

2 ∙ 119892 ℎ119871119886 = 0884

74



Ndeg de accesorios

Coeficiente de

resistencia

Perdidas (m)

Codo 45deg 5 038 0665


1 0475 0166


1 0152 0053

Total 0884










t 0005

b 003

α 0deg

75

Ec 14 ℎ119903 = 119896119903 ∙ (119889

119886)075

∙1199072

2 ∙ 119892∙ 119904119890119899120572 ℎ119903 = 022 119898




ℎ119871 = 1074 119898 + 088 119898 + 022 119898

ℎ119871 = 1184 119898



ℎ119879 = 28016 119898



tiene que






Ec 24 1198881 = 097 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 1198881 = 7192 119898119904



76


donde

Ec 25 1199061 = 045 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 1199061 = 3336 119898119904




1205721 = 0deg

1205731 = 180deg



Ec 22 1199081 = 1198881 minus 119906 1199081 = 3856 119898119904


1199061 = 1199062 = 119906 = 3336 119898119904







aproximada a cero





77

Ec 26 119899119904 =120 ∙ 119891

119901 119899119904 = 900 119903119901119898







Ec 27 119889119894 = radic4 ∙ 119876

119911 ∙ 120587 ∙ 1198621 119889119894 = 7287 119898119898









78

Tabla 7 119861 = 32 ∙ 119889119894 119861 = 23312 119898119898











A 219middotdi 1596

B 32middotdi 23312

C 285middotdi 2077

D 095middotdi 692

E 095middotdi 692

F 14middotdi 102

G 044middotdi 321

H 055middotdi 402







Ec 29 119863119903 =60 ∙ 1198801

120587 ∙ 119899119904 119863119903 = 708 119898119898

79

Ec 30 119863119888 = 119863119903 + (2 ∙ (119863 + 119866)) 119863119888 = 9106 119898119898

Ec 31 119863119886 = 119863119903 + (2 ∙ 119863) 119863119886 = 8464 119898119898






Ec 32 119885 =

2 ∙ 120587

119896119901 ∙ (120579 minus 2 ∙ (119863119886

119863119903) ∙ 119896119906 ∙ 119904119890119899 (

1205792))

119885 = 1976 cong 20

Ec 33 120579 = 2 ∙ 119886119903119888119888119900119904 (119863119901 + 119889

119863119886) 120579 = 079 119903119886119889





que

119863119903

119889119894= 969 cong 10



1205734 = 11deg


80









Ba 18212 119898119898

Bio 27318 119898119898

Biu 9106 119898119898

Rio 54636 119898119898





Ec 36 119875119867 = 120574 ∙ ℎ119879 ∙ 119876 119875119867 = 164902 119896119882





81









el rodete



ecuacioacuten 38

Ec 38 1199081119906 = 1198881 minus 119906 1199081119906 = 3856 119898119904

Phellip

00

5000

10000

15000

20000

0 005 01 015 02 025 03 035 04 045 05 055 06


82




expresioacuten

Ec 39 1198882 = 2 ∙ 1199062 ∙ 1199041198901198992(1205732

2) 1198882 = 407 119898119904






Ec 37 119865 = 120588 ∙ 119876 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) 119865 = 4301 119896119873







83







Ec 41 119872 = 120588 ∙ 119876 ∙ 119903 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) 119872 = 1522 119896119873 ∙ 119898




84













Ec 42 119875119886 = 119872 ∙ 120596 119875119886 = 142585 119896119882 = 19028 119862119881

85



Ec 43 119899119904 =119899 ∙ radic119875119886

ℎ119879

54frasl

119899119904 = 3425 119903119901119898 = 057 119903119901119904











86










Ec 46 120578119887119890 =119896119887119890 ∙ 119899119902

119875119886 120578119887119890 = 00000003






Ec 48 119882119894 = 11989215 ∙(1 + 2 ∙ 119899119904)

5

1198991199042

119882119894 = 424446



Ec 47 120578119908119894 = 4211990910minus7 ∙ 119882119894 ∙119886

119885∙1198993

1198991198733 120578119908119894 = 00011



87





Ec 45 119875119894 = 119875119886 + 119875119898119903 119875119894 = 142742 119896119882





Ec 49 120578ℎ =119867119906

119867=

1199061 ∙ 1198621119906 minus 1199062 ∙ 1198622119906

119892 ∙ 119867 120578ℎ = 0867







Ec 50 120578119907 =119876 minus 119902119890 minus 119902119894

119876 120578119907 = 1





88

Ec 51 120578119898 =119875119886119875119894

120578119898 = 0998




Ec 52 120578119905119900119905 = 120578119898 ∙ 120578119907 ∙ 120578ℎ 120578119905119900119905 = 0865





eleacutectrico













89


ELEMENTOS

Carbono (C) 008

Manganeso (Mn) 2

Fosforo (P) 004

Azufre (S) 003

Silicio (Si) 075

Cromo (Cr) 16 a 18















elemento





90

CAPIacuteTULO 4

PROPUESTA



CAD ndash CAM














vector de velocidad









91







sistema




modelo propuesto






proceso







termoeleacutectrica






92











operacionales




estudio



93










operacional










94





















95




resultados








96


21505 N








el disentildeo

97

















98






Geometry









99

Mesh









Turbina Pelton



Setup






100





1 atm



Solution











101


Results



- Contour

- Volumen Rendering

- Streamline

- Vector


102













actual

103











Antes Despueacutes


104










105







106











velocidad

P1

P2

P3

P4

P5 P6

P7 P8

P9

P10

107


aacutelabe


P1 7533 0 007 -018

P2 7392 0 006 -014

P3 7225 0 006 -012

P4 5714 0 002 0

P5 493 001 002 002

P6 4289 002 002 004

P7 3101 005 002 0065

P8 4268 0095 002 004

P9 3328 011 002 0

P10 1244 014 002 -008











7533 7392 7225

5714

4934289

3101

4268

3328

1244

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10

Velocidad (ms)

108





frontera

Model



anaacutelisis


- Superficie 1

- Superficie 2


109

Setup










turbina Pelton

110





111


disentildeo











112












143449

153433

130298





087

093

079




Rendimiento

113









revmin


sistema







114

















Incremento de











115

















veces maacutes caro












116


0

02

04

06

08

1

12


KG CO2 MWH

117




la turbina Pelton


























118

RECOMENDACIONES



















119






























120







mecanizado CNC



de


neracionhtm




de Cantabria



Chile







Turbinas pelton

121





316html






















122












_n1a02pdf


Obtenido de






123

ANEXOS


124

ANEXO B


diaacutemetro

1) Codo 45deg

2) Codo 45deg

3) Codo 45deg

4) Codo 45deg

5) Codo 45deg

125

1) Vaacutelvula de

Mariposa


126

ANEXO C



127

ANEXO D



128






(psi)



No2 89 75 003 34 739 6100 3000 14900 8700 245 12 424

5X 87 9 4 6300 15000 25 13 470

No3 833 82 003 83 74 6600 3150 17600 9900 27 145 491

No7 10 15 75 -- 973 3550 1600 15650 6150 225 105 338

No8 5 15 80 -- 1004 3400 1750 15600 6150 20 95 341

Magnolia 3 14 83 -- 106 3380 1810 15500 5940 18

130

ANEXO G


131

ANEXO H




132






Material de relleno



133



134

ANEXO I


135

ANEXO J

PLANO AacuteLABE

iii














calificacioacuten


iv













CC 0503274847

v

AGRADECIMIENTO




educacioacuten






vi

DEDICATORIA



de mi vida



vii




AGRADECIMIENTO v

DEDICATORIA vi




RESUMEN xviii

ABSTRACT xix

INTRODUCCIOacuteN 1

JUSTIFICACIOacuteN2




OBJETIVO GENERAL 3

HIPOacuteTESIS 4





CAPIacuteTULO 1 8














viii
















CAPIacuteTULO 2 35




















ix














CAPIacuteTULO 3 67























x







CAPIacuteTULO 4 90

PROPUESTA 90


















RECOMENDACIONES 118


ANEXOS 123

ANEXO A 123

ANEXO B 124

ANEXO C 126

ANEXO D 127

ANEXO E 128

xi

ANEXO F 129

ANEXO G 130

ANEXO H 131

ANEXO I 134

ANEXO J 135

xii




































xiii






























xiv






100


101






























xv








xvi





























xvii















xviii



RESUMEN






















CAD ndash CAM



CAD ndash CAM



PhD


xix



ABSTRACT

























PhD

1

INTRODUCCIOacuteN




























2



























JUSTIFICACIOacuteN




3























OBJETIVO GENERAL





4

HIPOacuteTESIS















empresa ELEPCO SA












turbina Pelton



5





tuacutenel de carga













hidrodinaacutemico








de mecanizado

6































7








y anaacutelisis








8

CAPIacuteTULO 1















arranque














9










equipo







Ecuador














10




















los recursos











11






























12


los tiempos muertos





















realidad







13





utilizado





expuesto el sistema









del material












14































15


























conducciones



16

















17




















18








electricidad












19










clasifican en















20




largo plazo










operacioacuten





energiacutea






21





dividen en





movimiento)




















22













clasifican en






rodete



tipo MICHELL-BANKI









23







del eje es


















24

18 Turbina Pelton



















25








rodete









26















27





acero endurecido











turbina











rodete


chorro

28


infraestructura
















29








el trabajo deseado






mecaacutenica




velocidad del rotor




30










viscosas











Flujo Laminar


Flujo turbulento

31















y manufactura









ingenieril







32




















33























de agua fluyente





salto mayor a 50 m



34




























cual goza

35

CAPIacuteTULO 2


























36





1199071 ∙ 1198601 = 1199072 ∙ 1198602 Ec1









119876 = 119907 ∙ 119860 Ec 2







37

119876 = 02785 ∙ 119862ℎ ∙ 119863263 ∙ 119878054 Ec 3








Tipo de tubo





150 140



130 100

Concreto 120 100









constante



38

1198751

120588+ 1199111 ∙ 119892 +

11990712

2=

1198752

120588+ 1199112 ∙ 119892 +

11990722

2 Ec 4







119864119875 = 119908 ∙ ℎ Ec 5




119864119862 =119908∙1199072

2∙119892 Ec 6





119864119865 =119908∙119901

120574 Ec 7


119864 = 119864119865 + 119864119875 + 119864119862



1198641 =1198751

120588+ 1199111 ∙ 119892 +

11990712

2 Ec 8

39









y secundarias

















40

1198751

120588+ 1199111 ∙ 119892 +

11990712

2+ ℎ119860 minus ℎ119877 minus ℎ119871 =

1198752

120588+ 1199112 ∙ 119892 +

11990722

2 Ec 9







119877119890 =119907∙119863∙120588

120578=

119907times119863

120574 Ec 10





120574 =120578

120588












41

119890 =119863

120598 Ec 11

Donde





(Fuente Mott 2006)


Vidrio Liso Liso













ℎ119871119901 = 120582 ∙119871

119863∙

1199072

2∙119892 Ec 12

Donde






42













segundarias es

ℎ119871119886 = 119896 times1199072

2times119892 Ec 13

Donde



(adimensional)









43


(Fuente Mott 2006)
























diagrama de Moody

44








8

34 abierta 35

12 abierta 160

14 abierta 900
















ℎ119903 = 119896119903 times (119889

119886)075

times1199072

2times119892times 119904119890119899120572 Ec 14

45






Newton

119865 = 119898119889119907

119889119905 Ec 15


int 119865 1198891199051199052

1199051

= int 119898 ∙ 119889119907 1199072

1199071


int 119865 1198891199051199052

1199051

= 119898(1199072 minus 1199071 )

119898 ∙ 1199071 + int 119865 1198891199051199052

1199051= 119898 ∙ 1199072 Ec 16





119865 ∙ 119889119905 = 119889119898 ∙ 119889119907 Ec 17

46

Donde

119889119898 = 120588 ∙ 119889119881


119865 = 120588 ∙119889119881

119889119905∙ 119889119907


tiene

119865 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2 minus 119907 1) Ec 18



119865119909 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2119909 minus 119907 1119909) Ec 19

119865119910 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2119910 minus 119907 1119910) Ec 20

119865119911 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2119911 minus 119907 1119911) Ec 21









internacional

47



Donde











figura 15



48









1205721 = 0deg

1205731 = 180deg





1199081 = 1198881 minus 119906 Ec 22

49



1199081 = 1199082 Ec 23





1198881 = 097 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 Ec 24






final es igual a

1199061 = 045 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 Ec 25






50











119899 =120times119891

119901119900119897119900119904 Ec 26









inyector






51


119889119894 = radic4∙119876

119894∙120587∙1198621 Ec 27

Donde













52



elemento




1 119861 = 31 ∙ 119889119894

2 119861 = 32 ∙ 119889119894

4-5 119861 = 33 ∙ 119889119894

6 119861 gt 33 ∙ 119889119894


31 gt119861

119889119894ge 34 Ec 28


turbina Pelton

53













del agua


54









119863119903 =60∙1198801

120587∙119899 Ec 29

Donde






119863119888 = 119863119903 + (2 ∙ (119863 + 119866)) Ec 30

Donde





119863119886 = 119863119903 + (2 ∙ 119863) Ec 31

Donde


55


turbina Pelton






119885 =2∙120587

119896119901∙(120579minus2∙(119863119886119863119903

)∙119896119906∙119904119890119899(120579

2))

Ec 32

Donde





56




120579 = 2 times 119886119903119888119888119900119904 (119863119903+119889

119863119886) Ec 33







119915119955

119941119946


Z min Z maacutex

15 21 27

14 21 26

13 20 25

12 20 24

11 19 24

10 18 23

9 18 22

8 17 22

75 17 21






57





figura 24


(Fuente Zhang 2016)


Ba 02 ∙ 119863119888

Bio 03 ∙ 119863119888

Biu 1 ∙ 119863119888

Rio 06 ∙ 119863119888






incompresibles

58

119875119867 = 119901 ∙ 119876 Ec 34


ecuacioacuten

119901 = 120574 ∙ ℎ119879 Ec 35

Donde



119875119867 = 120574 ∙ ℎ119879 ∙ 119876 Ec 36





turbina

119865 = 120588 ∙ 119876 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) Ec 37




1199081 = 1199081119906 = 1198881 minus 119906 Ec 38



de salida

11988822 = 1199082

2 + 11990622 minus 2 ∙ 1199062 ∙ 1199082 ∙ cos 1205732

11988822 = 1199082

2 + 11990622 minus 2 ∙ 1199082 ∙ 1199062 + 2 ∙ 1199082 ∙ 1199062 minus 2 ∙ 1199062 ∙ 1199082 ∙ cos 1205732

59

11988822 = (1199082 minus 1199062)

2 + 2 ∙ 1199082 ∙ 1199062 ∙ (1 minus 1198881199001199041205732)

11988822 = (1199082 minus 1199062) + 4 ∙ 1199082 ∙ 1199062 ∙ 1199041198901198992(

1205732

2)


1199082 cong 1199062

Se tiene que

1198882 = 2 ∙ 1199062 ∙ 119904119890119899(1205732

2) Ec 39



de salida

1199082119906 = minus1199082 ∙ cos 1205732 Ec 40




119872 = 120588 ∙ 119876 ∙ 119903 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) Ec 41










60

119875119886 = 119872 ∙ 120596 Ec 42










119899119904 =119899∙radic119875119886

ℎ119879

54frasl

Ec 43


43 son









120575 =119889119894

119863119903 Ec 44

61




diaacutemetros

Nuacutemero

especiacutefico de

revoluciones


rendimiento) 001 24


rendimiento) 003 8


rendimiento) 014 35


rendimiento) 011 27





Sistema Turbina


ns velocidad

especiacutefica

maacutexima (buen

rendimiento)









119875119894 = 119875119886 + 119875119898119903 Ec 45

62






120578119887119890 =119896119887119890∙119899119902

119875119886 Ec 46

Donde













120578119908119894 = 4211990910minus7 ∙ 119882119894 ∙119886

119885∙

1198993

1198991198733 Ec 47

Donde






63



119882119894 = 11989215 ∙(1+2∙119899119904)

5

1198991199042 Ec 48








120578ℎ =119867119906

119867=

1199061∙1198621119906minus 1199062∙1198622119906

119892times119867 Ec 49








120578119907 =119876minus119902119890minus119902119894

119876 Ec 50

Donde




64





transmisioacuten

120578119898 =119875119886

119875119894 Ec 51





120578119905119900119905 = 120578119898 ∙ 120578119907 ∙ 120578ℎ =119875119886

119875 Ec 52














65




























66












mecanismo





67

CAPIacuteTULO 3
























cambios

68





sentildealados

h0 = 3527 msnm

h1 = 3819 msnm

Donde


maacutequinas


de carga







69


presa






12



1 10 066 94 070

2 10 066 79 084

3 10 066 85 078

4 10 066 88 075

5 10 066 81 081

6 10 066 91 073

7 10 066 83 080

8 10 066 85 078

9 10 066 86 077

10 10 066 91 073

PROMEDIO 077











70










Ec 3 119876 = 02785 ∙ 119862ℎ ∙ 119863263 ∙ 119878054 119876 = 152 1198983119904








71

Ec 2 119907 =119876

119860 119907 = 262 119898119904



hidraacuteulica



Ec 10 119877119890 =119907 ∙ 119863 ∙ 120588

120578 119877119890 = 10883 ∙ 106






Ec 11 119890 =119863

120598 119890 = 117391







72





Ec 12 ℎ119871119901 = 120582 ∙119871

119863∙

1199072

2 ∙ 119892 ℎ119871119901 = 1074 119898








Vaacutelvulas y

Acoplamientos

Coeficiente de

resistencia









Є = 46 10-5 m


73

Ec 11 119890 =119863

120598 119890 = 117391




119891119903 = 0019





resistencia


fr = 0019



25 middot fr 0475


8 middot fr 0152





Ec 13 ℎ119871119886 = 119896 ∙1199072

2 ∙ 119892 ℎ119871119886 = 0884

74



Ndeg de accesorios

Coeficiente de

resistencia

Perdidas (m)

Codo 45deg 5 038 0665


1 0475 0166


1 0152 0053

Total 0884










t 0005

b 003

α 0deg

75

Ec 14 ℎ119903 = 119896119903 ∙ (119889

119886)075

∙1199072

2 ∙ 119892∙ 119904119890119899120572 ℎ119903 = 022 119898




ℎ119871 = 1074 119898 + 088 119898 + 022 119898

ℎ119871 = 1184 119898



ℎ119879 = 28016 119898



tiene que






Ec 24 1198881 = 097 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 1198881 = 7192 119898119904



76


donde

Ec 25 1199061 = 045 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 1199061 = 3336 119898119904




1205721 = 0deg

1205731 = 180deg



Ec 22 1199081 = 1198881 minus 119906 1199081 = 3856 119898119904


1199061 = 1199062 = 119906 = 3336 119898119904







aproximada a cero





77

Ec 26 119899119904 =120 ∙ 119891

119901 119899119904 = 900 119903119901119898







Ec 27 119889119894 = radic4 ∙ 119876

119911 ∙ 120587 ∙ 1198621 119889119894 = 7287 119898119898









78

Tabla 7 119861 = 32 ∙ 119889119894 119861 = 23312 119898119898











A 219middotdi 1596

B 32middotdi 23312

C 285middotdi 2077

D 095middotdi 692

E 095middotdi 692

F 14middotdi 102

G 044middotdi 321

H 055middotdi 402







Ec 29 119863119903 =60 ∙ 1198801

120587 ∙ 119899119904 119863119903 = 708 119898119898

79

Ec 30 119863119888 = 119863119903 + (2 ∙ (119863 + 119866)) 119863119888 = 9106 119898119898

Ec 31 119863119886 = 119863119903 + (2 ∙ 119863) 119863119886 = 8464 119898119898






Ec 32 119885 =

2 ∙ 120587

119896119901 ∙ (120579 minus 2 ∙ (119863119886

119863119903) ∙ 119896119906 ∙ 119904119890119899 (

1205792))

119885 = 1976 cong 20

Ec 33 120579 = 2 ∙ 119886119903119888119888119900119904 (119863119901 + 119889

119863119886) 120579 = 079 119903119886119889





que

119863119903

119889119894= 969 cong 10



1205734 = 11deg


80









Ba 18212 119898119898

Bio 27318 119898119898

Biu 9106 119898119898

Rio 54636 119898119898





Ec 36 119875119867 = 120574 ∙ ℎ119879 ∙ 119876 119875119867 = 164902 119896119882





81









el rodete



ecuacioacuten 38

Ec 38 1199081119906 = 1198881 minus 119906 1199081119906 = 3856 119898119904

Phellip

00

5000

10000

15000

20000

0 005 01 015 02 025 03 035 04 045 05 055 06


82




expresioacuten

Ec 39 1198882 = 2 ∙ 1199062 ∙ 1199041198901198992(1205732

2) 1198882 = 407 119898119904






Ec 37 119865 = 120588 ∙ 119876 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) 119865 = 4301 119896119873







83







Ec 41 119872 = 120588 ∙ 119876 ∙ 119903 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) 119872 = 1522 119896119873 ∙ 119898




84













Ec 42 119875119886 = 119872 ∙ 120596 119875119886 = 142585 119896119882 = 19028 119862119881

85



Ec 43 119899119904 =119899 ∙ radic119875119886

ℎ119879

54frasl

119899119904 = 3425 119903119901119898 = 057 119903119901119904











86










Ec 46 120578119887119890 =119896119887119890 ∙ 119899119902

119875119886 120578119887119890 = 00000003






Ec 48 119882119894 = 11989215 ∙(1 + 2 ∙ 119899119904)

5

1198991199042

119882119894 = 424446



Ec 47 120578119908119894 = 4211990910minus7 ∙ 119882119894 ∙119886

119885∙1198993

1198991198733 120578119908119894 = 00011



87





Ec 45 119875119894 = 119875119886 + 119875119898119903 119875119894 = 142742 119896119882





Ec 49 120578ℎ =119867119906

119867=

1199061 ∙ 1198621119906 minus 1199062 ∙ 1198622119906

119892 ∙ 119867 120578ℎ = 0867







Ec 50 120578119907 =119876 minus 119902119890 minus 119902119894

119876 120578119907 = 1





88

Ec 51 120578119898 =119875119886119875119894

120578119898 = 0998




Ec 52 120578119905119900119905 = 120578119898 ∙ 120578119907 ∙ 120578ℎ 120578119905119900119905 = 0865





eleacutectrico













89


ELEMENTOS

Carbono (C) 008

Manganeso (Mn) 2

Fosforo (P) 004

Azufre (S) 003

Silicio (Si) 075

Cromo (Cr) 16 a 18















elemento





90

CAPIacuteTULO 4

PROPUESTA



CAD ndash CAM














vector de velocidad









91







sistema




modelo propuesto






proceso







termoeleacutectrica






92











operacionales




estudio



93










operacional










94





















95




resultados








96


21505 N








el disentildeo

97

















98






Geometry









99

Mesh









Turbina Pelton



Setup






100





1 atm



Solution











101


Results



- Contour

- Volumen Rendering

- Streamline

- Vector


102













actual

103











Antes Despueacutes


104










105







106











velocidad

P1

P2

P3

P4

P5 P6

P7 P8

P9

P10

107


aacutelabe


P1 7533 0 007 -018

P2 7392 0 006 -014

P3 7225 0 006 -012

P4 5714 0 002 0

P5 493 001 002 002

P6 4289 002 002 004

P7 3101 005 002 0065

P8 4268 0095 002 004

P9 3328 011 002 0

P10 1244 014 002 -008











7533 7392 7225

5714

4934289

3101

4268

3328

1244

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10

Velocidad (ms)

108





frontera

Model



anaacutelisis


- Superficie 1

- Superficie 2


109

Setup










turbina Pelton

110





111


disentildeo











112












143449

153433

130298





087

093

079




Rendimiento

113









revmin


sistema







114

















Incremento de











115

















veces maacutes caro












116


0

02

04

06

08

1

12


KG CO2 MWH

117




la turbina Pelton


























118

RECOMENDACIONES



















119






























120







mecanizado CNC



de


neracionhtm




de Cantabria



Chile







Turbinas pelton

121





316html






















122












_n1a02pdf


Obtenido de






123

ANEXOS


124

ANEXO B


diaacutemetro

1) Codo 45deg

2) Codo 45deg

3) Codo 45deg

4) Codo 45deg

5) Codo 45deg

125

1) Vaacutelvula de

Mariposa


126

ANEXO C



127

ANEXO D



128






(psi)



No2 89 75 003 34 739 6100 3000 14900 8700 245 12 424

5X 87 9 4 6300 15000 25 13 470

No3 833 82 003 83 74 6600 3150 17600 9900 27 145 491

No7 10 15 75 -- 973 3550 1600 15650 6150 225 105 338

No8 5 15 80 -- 1004 3400 1750 15600 6150 20 95 341

Magnolia 3 14 83 -- 106 3380 1810 15500 5940 18

130

ANEXO G


131

ANEXO H




132






Material de relleno



133



134

ANEXO I


135

ANEXO J

PLANO AacuteLABE

iv













CC 0503274847

v

AGRADECIMIENTO




educacioacuten






vi

DEDICATORIA



de mi vida



vii




AGRADECIMIENTO v

DEDICATORIA vi




RESUMEN xviii

ABSTRACT xix

INTRODUCCIOacuteN 1

JUSTIFICACIOacuteN2




OBJETIVO GENERAL 3

HIPOacuteTESIS 4





CAPIacuteTULO 1 8














viii
















CAPIacuteTULO 2 35




















ix














CAPIacuteTULO 3 67























x







CAPIacuteTULO 4 90

PROPUESTA 90


















RECOMENDACIONES 118


ANEXOS 123

ANEXO A 123

ANEXO B 124

ANEXO C 126

ANEXO D 127

ANEXO E 128

xi

ANEXO F 129

ANEXO G 130

ANEXO H 131

ANEXO I 134

ANEXO J 135

xii




































xiii






























xiv






100


101






























xv








xvi





























xvii















xviii



RESUMEN






















CAD ndash CAM



CAD ndash CAM



PhD


xix



ABSTRACT

























PhD

1

INTRODUCCIOacuteN




























2



























JUSTIFICACIOacuteN




3























OBJETIVO GENERAL





4

HIPOacuteTESIS















empresa ELEPCO SA












turbina Pelton



5





tuacutenel de carga













hidrodinaacutemico








de mecanizado

6































7








y anaacutelisis








8

CAPIacuteTULO 1















arranque














9










equipo







Ecuador














10




















los recursos











11






























12


los tiempos muertos





















realidad







13





utilizado





expuesto el sistema









del material












14































15


























conducciones



16

















17




















18








electricidad












19










clasifican en















20




largo plazo










operacioacuten





energiacutea






21





dividen en





movimiento)




















22













clasifican en






rodete



tipo MICHELL-BANKI









23







del eje es


















24

18 Turbina Pelton



















25








rodete









26















27





acero endurecido











turbina











rodete


chorro

28


infraestructura
















29








el trabajo deseado






mecaacutenica




velocidad del rotor




30










viscosas











Flujo Laminar


Flujo turbulento

31















y manufactura









ingenieril







32




















33























de agua fluyente





salto mayor a 50 m



34




























cual goza

35

CAPIacuteTULO 2


























36





1199071 ∙ 1198601 = 1199072 ∙ 1198602 Ec1









119876 = 119907 ∙ 119860 Ec 2







37

119876 = 02785 ∙ 119862ℎ ∙ 119863263 ∙ 119878054 Ec 3








Tipo de tubo





150 140



130 100

Concreto 120 100









constante



38

1198751

120588+ 1199111 ∙ 119892 +

11990712

2=

1198752

120588+ 1199112 ∙ 119892 +

11990722

2 Ec 4







119864119875 = 119908 ∙ ℎ Ec 5




119864119862 =119908∙1199072

2∙119892 Ec 6





119864119865 =119908∙119901

120574 Ec 7


119864 = 119864119865 + 119864119875 + 119864119862



1198641 =1198751

120588+ 1199111 ∙ 119892 +

11990712

2 Ec 8

39









y secundarias

















40

1198751

120588+ 1199111 ∙ 119892 +

11990712

2+ ℎ119860 minus ℎ119877 minus ℎ119871 =

1198752

120588+ 1199112 ∙ 119892 +

11990722

2 Ec 9







119877119890 =119907∙119863∙120588

120578=

119907times119863

120574 Ec 10





120574 =120578

120588












41

119890 =119863

120598 Ec 11

Donde





(Fuente Mott 2006)


Vidrio Liso Liso













ℎ119871119901 = 120582 ∙119871

119863∙

1199072

2∙119892 Ec 12

Donde






42













segundarias es

ℎ119871119886 = 119896 times1199072

2times119892 Ec 13

Donde



(adimensional)









43


(Fuente Mott 2006)
























diagrama de Moody

44








8

34 abierta 35

12 abierta 160

14 abierta 900
















ℎ119903 = 119896119903 times (119889

119886)075

times1199072

2times119892times 119904119890119899120572 Ec 14

45






Newton

119865 = 119898119889119907

119889119905 Ec 15


int 119865 1198891199051199052

1199051

= int 119898 ∙ 119889119907 1199072

1199071


int 119865 1198891199051199052

1199051

= 119898(1199072 minus 1199071 )

119898 ∙ 1199071 + int 119865 1198891199051199052

1199051= 119898 ∙ 1199072 Ec 16





119865 ∙ 119889119905 = 119889119898 ∙ 119889119907 Ec 17

46

Donde

119889119898 = 120588 ∙ 119889119881


119865 = 120588 ∙119889119881

119889119905∙ 119889119907


tiene

119865 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2 minus 119907 1) Ec 18



119865119909 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2119909 minus 119907 1119909) Ec 19

119865119910 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2119910 minus 119907 1119910) Ec 20

119865119911 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2119911 minus 119907 1119911) Ec 21









internacional

47



Donde











figura 15



48









1205721 = 0deg

1205731 = 180deg





1199081 = 1198881 minus 119906 Ec 22

49



1199081 = 1199082 Ec 23





1198881 = 097 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 Ec 24






final es igual a

1199061 = 045 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 Ec 25






50











119899 =120times119891

119901119900119897119900119904 Ec 26









inyector






51


119889119894 = radic4∙119876

119894∙120587∙1198621 Ec 27

Donde













52



elemento




1 119861 = 31 ∙ 119889119894

2 119861 = 32 ∙ 119889119894

4-5 119861 = 33 ∙ 119889119894

6 119861 gt 33 ∙ 119889119894


31 gt119861

119889119894ge 34 Ec 28


turbina Pelton

53













del agua


54









119863119903 =60∙1198801

120587∙119899 Ec 29

Donde






119863119888 = 119863119903 + (2 ∙ (119863 + 119866)) Ec 30

Donde





119863119886 = 119863119903 + (2 ∙ 119863) Ec 31

Donde


55


turbina Pelton






119885 =2∙120587

119896119901∙(120579minus2∙(119863119886119863119903

)∙119896119906∙119904119890119899(120579

2))

Ec 32

Donde





56




120579 = 2 times 119886119903119888119888119900119904 (119863119903+119889

119863119886) Ec 33







119915119955

119941119946


Z min Z maacutex

15 21 27

14 21 26

13 20 25

12 20 24

11 19 24

10 18 23

9 18 22

8 17 22

75 17 21






57





figura 24


(Fuente Zhang 2016)


Ba 02 ∙ 119863119888

Bio 03 ∙ 119863119888

Biu 1 ∙ 119863119888

Rio 06 ∙ 119863119888






incompresibles

58

119875119867 = 119901 ∙ 119876 Ec 34


ecuacioacuten

119901 = 120574 ∙ ℎ119879 Ec 35

Donde



119875119867 = 120574 ∙ ℎ119879 ∙ 119876 Ec 36





turbina

119865 = 120588 ∙ 119876 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) Ec 37




1199081 = 1199081119906 = 1198881 minus 119906 Ec 38



de salida

11988822 = 1199082

2 + 11990622 minus 2 ∙ 1199062 ∙ 1199082 ∙ cos 1205732

11988822 = 1199082

2 + 11990622 minus 2 ∙ 1199082 ∙ 1199062 + 2 ∙ 1199082 ∙ 1199062 minus 2 ∙ 1199062 ∙ 1199082 ∙ cos 1205732

59

11988822 = (1199082 minus 1199062)

2 + 2 ∙ 1199082 ∙ 1199062 ∙ (1 minus 1198881199001199041205732)

11988822 = (1199082 minus 1199062) + 4 ∙ 1199082 ∙ 1199062 ∙ 1199041198901198992(

1205732

2)


1199082 cong 1199062

Se tiene que

1198882 = 2 ∙ 1199062 ∙ 119904119890119899(1205732

2) Ec 39



de salida

1199082119906 = minus1199082 ∙ cos 1205732 Ec 40




119872 = 120588 ∙ 119876 ∙ 119903 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) Ec 41










60

119875119886 = 119872 ∙ 120596 Ec 42










119899119904 =119899∙radic119875119886

ℎ119879

54frasl

Ec 43


43 son









120575 =119889119894

119863119903 Ec 44

61




diaacutemetros

Nuacutemero

especiacutefico de

revoluciones


rendimiento) 001 24


rendimiento) 003 8


rendimiento) 014 35


rendimiento) 011 27





Sistema Turbina


ns velocidad

especiacutefica

maacutexima (buen

rendimiento)









119875119894 = 119875119886 + 119875119898119903 Ec 45

62






120578119887119890 =119896119887119890∙119899119902

119875119886 Ec 46

Donde













120578119908119894 = 4211990910minus7 ∙ 119882119894 ∙119886

119885∙

1198993

1198991198733 Ec 47

Donde






63



119882119894 = 11989215 ∙(1+2∙119899119904)

5

1198991199042 Ec 48








120578ℎ =119867119906

119867=

1199061∙1198621119906minus 1199062∙1198622119906

119892times119867 Ec 49








120578119907 =119876minus119902119890minus119902119894

119876 Ec 50

Donde




64





transmisioacuten

120578119898 =119875119886

119875119894 Ec 51





120578119905119900119905 = 120578119898 ∙ 120578119907 ∙ 120578ℎ =119875119886

119875 Ec 52














65




























66












mecanismo





67

CAPIacuteTULO 3
























cambios

68





sentildealados

h0 = 3527 msnm

h1 = 3819 msnm

Donde


maacutequinas


de carga







69


presa






12



1 10 066 94 070

2 10 066 79 084

3 10 066 85 078

4 10 066 88 075

5 10 066 81 081

6 10 066 91 073

7 10 066 83 080

8 10 066 85 078

9 10 066 86 077

10 10 066 91 073

PROMEDIO 077











70










Ec 3 119876 = 02785 ∙ 119862ℎ ∙ 119863263 ∙ 119878054 119876 = 152 1198983119904








71

Ec 2 119907 =119876

119860 119907 = 262 119898119904



hidraacuteulica



Ec 10 119877119890 =119907 ∙ 119863 ∙ 120588

120578 119877119890 = 10883 ∙ 106






Ec 11 119890 =119863

120598 119890 = 117391







72





Ec 12 ℎ119871119901 = 120582 ∙119871

119863∙

1199072

2 ∙ 119892 ℎ119871119901 = 1074 119898








Vaacutelvulas y

Acoplamientos

Coeficiente de

resistencia









Є = 46 10-5 m


73

Ec 11 119890 =119863

120598 119890 = 117391




119891119903 = 0019





resistencia


fr = 0019



25 middot fr 0475


8 middot fr 0152





Ec 13 ℎ119871119886 = 119896 ∙1199072

2 ∙ 119892 ℎ119871119886 = 0884

74



Ndeg de accesorios

Coeficiente de

resistencia

Perdidas (m)

Codo 45deg 5 038 0665


1 0475 0166


1 0152 0053

Total 0884










t 0005

b 003

α 0deg

75

Ec 14 ℎ119903 = 119896119903 ∙ (119889

119886)075

∙1199072

2 ∙ 119892∙ 119904119890119899120572 ℎ119903 = 022 119898




ℎ119871 = 1074 119898 + 088 119898 + 022 119898

ℎ119871 = 1184 119898



ℎ119879 = 28016 119898



tiene que






Ec 24 1198881 = 097 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 1198881 = 7192 119898119904



76


donde

Ec 25 1199061 = 045 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 1199061 = 3336 119898119904




1205721 = 0deg

1205731 = 180deg



Ec 22 1199081 = 1198881 minus 119906 1199081 = 3856 119898119904


1199061 = 1199062 = 119906 = 3336 119898119904







aproximada a cero





77

Ec 26 119899119904 =120 ∙ 119891

119901 119899119904 = 900 119903119901119898







Ec 27 119889119894 = radic4 ∙ 119876

119911 ∙ 120587 ∙ 1198621 119889119894 = 7287 119898119898









78

Tabla 7 119861 = 32 ∙ 119889119894 119861 = 23312 119898119898











A 219middotdi 1596

B 32middotdi 23312

C 285middotdi 2077

D 095middotdi 692

E 095middotdi 692

F 14middotdi 102

G 044middotdi 321

H 055middotdi 402







Ec 29 119863119903 =60 ∙ 1198801

120587 ∙ 119899119904 119863119903 = 708 119898119898

79

Ec 30 119863119888 = 119863119903 + (2 ∙ (119863 + 119866)) 119863119888 = 9106 119898119898

Ec 31 119863119886 = 119863119903 + (2 ∙ 119863) 119863119886 = 8464 119898119898






Ec 32 119885 =

2 ∙ 120587

119896119901 ∙ (120579 minus 2 ∙ (119863119886

119863119903) ∙ 119896119906 ∙ 119904119890119899 (

1205792))

119885 = 1976 cong 20

Ec 33 120579 = 2 ∙ 119886119903119888119888119900119904 (119863119901 + 119889

119863119886) 120579 = 079 119903119886119889





que

119863119903

119889119894= 969 cong 10



1205734 = 11deg


80









Ba 18212 119898119898

Bio 27318 119898119898

Biu 9106 119898119898

Rio 54636 119898119898





Ec 36 119875119867 = 120574 ∙ ℎ119879 ∙ 119876 119875119867 = 164902 119896119882





81









el rodete



ecuacioacuten 38

Ec 38 1199081119906 = 1198881 minus 119906 1199081119906 = 3856 119898119904

Phellip

00

5000

10000

15000

20000

0 005 01 015 02 025 03 035 04 045 05 055 06


82




expresioacuten

Ec 39 1198882 = 2 ∙ 1199062 ∙ 1199041198901198992(1205732

2) 1198882 = 407 119898119904






Ec 37 119865 = 120588 ∙ 119876 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) 119865 = 4301 119896119873







83







Ec 41 119872 = 120588 ∙ 119876 ∙ 119903 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) 119872 = 1522 119896119873 ∙ 119898




84













Ec 42 119875119886 = 119872 ∙ 120596 119875119886 = 142585 119896119882 = 19028 119862119881

85



Ec 43 119899119904 =119899 ∙ radic119875119886

ℎ119879

54frasl

119899119904 = 3425 119903119901119898 = 057 119903119901119904











86










Ec 46 120578119887119890 =119896119887119890 ∙ 119899119902

119875119886 120578119887119890 = 00000003






Ec 48 119882119894 = 11989215 ∙(1 + 2 ∙ 119899119904)

5

1198991199042

119882119894 = 424446



Ec 47 120578119908119894 = 4211990910minus7 ∙ 119882119894 ∙119886

119885∙1198993

1198991198733 120578119908119894 = 00011



87





Ec 45 119875119894 = 119875119886 + 119875119898119903 119875119894 = 142742 119896119882





Ec 49 120578ℎ =119867119906

119867=

1199061 ∙ 1198621119906 minus 1199062 ∙ 1198622119906

119892 ∙ 119867 120578ℎ = 0867







Ec 50 120578119907 =119876 minus 119902119890 minus 119902119894

119876 120578119907 = 1





88

Ec 51 120578119898 =119875119886119875119894

120578119898 = 0998




Ec 52 120578119905119900119905 = 120578119898 ∙ 120578119907 ∙ 120578ℎ 120578119905119900119905 = 0865





eleacutectrico













89


ELEMENTOS

Carbono (C) 008

Manganeso (Mn) 2

Fosforo (P) 004

Azufre (S) 003

Silicio (Si) 075

Cromo (Cr) 16 a 18















elemento





90

CAPIacuteTULO 4

PROPUESTA



CAD ndash CAM














vector de velocidad









91







sistema




modelo propuesto






proceso







termoeleacutectrica






92











operacionales




estudio



93










operacional










94





















95




resultados








96


21505 N








el disentildeo

97

















98






Geometry









99

Mesh









Turbina Pelton



Setup






100





1 atm



Solution











101


Results



- Contour

- Volumen Rendering

- Streamline

- Vector


102













actual

103











Antes Despueacutes


104










105







106











velocidad

P1

P2

P3

P4

P5 P6

P7 P8

P9

P10

107


aacutelabe


P1 7533 0 007 -018

P2 7392 0 006 -014

P3 7225 0 006 -012

P4 5714 0 002 0

P5 493 001 002 002

P6 4289 002 002 004

P7 3101 005 002 0065

P8 4268 0095 002 004

P9 3328 011 002 0

P10 1244 014 002 -008











7533 7392 7225

5714

4934289

3101

4268

3328

1244

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10

Velocidad (ms)

108





frontera

Model



anaacutelisis


- Superficie 1

- Superficie 2


109

Setup










turbina Pelton

110





111


disentildeo











112












143449

153433

130298





087

093

079




Rendimiento

113









revmin


sistema







114

















Incremento de











115

















veces maacutes caro












116


0

02

04

06

08

1

12


KG CO2 MWH

117




la turbina Pelton


























118

RECOMENDACIONES



















119






























120







mecanizado CNC



de


neracionhtm




de Cantabria



Chile







Turbinas pelton

121





316html






















122












_n1a02pdf


Obtenido de






123

ANEXOS


124

ANEXO B


diaacutemetro

1) Codo 45deg

2) Codo 45deg

3) Codo 45deg

4) Codo 45deg

5) Codo 45deg

125

1) Vaacutelvula de

Mariposa


126

ANEXO C



127

ANEXO D



128






(psi)



No2 89 75 003 34 739 6100 3000 14900 8700 245 12 424

5X 87 9 4 6300 15000 25 13 470

No3 833 82 003 83 74 6600 3150 17600 9900 27 145 491

No7 10 15 75 -- 973 3550 1600 15650 6150 225 105 338

No8 5 15 80 -- 1004 3400 1750 15600 6150 20 95 341

Magnolia 3 14 83 -- 106 3380 1810 15500 5940 18

130

ANEXO G


131

ANEXO H




132






Material de relleno



133



134

ANEXO I


135

ANEXO J

PLANO AacuteLABE

v

AGRADECIMIENTO




educacioacuten






vi

DEDICATORIA



de mi vida



vii




AGRADECIMIENTO v

DEDICATORIA vi




RESUMEN xviii

ABSTRACT xix

INTRODUCCIOacuteN 1

JUSTIFICACIOacuteN2




OBJETIVO GENERAL 3

HIPOacuteTESIS 4





CAPIacuteTULO 1 8














viii
















CAPIacuteTULO 2 35




















ix














CAPIacuteTULO 3 67























x







CAPIacuteTULO 4 90

PROPUESTA 90


















RECOMENDACIONES 118


ANEXOS 123

ANEXO A 123

ANEXO B 124

ANEXO C 126

ANEXO D 127

ANEXO E 128

xi

ANEXO F 129

ANEXO G 130

ANEXO H 131

ANEXO I 134

ANEXO J 135

xii




































xiii






























xiv






100


101






























xv








xvi





























xvii















xviii



RESUMEN






















CAD ndash CAM



CAD ndash CAM



PhD


xix



ABSTRACT

























PhD

1

INTRODUCCIOacuteN




























2



























JUSTIFICACIOacuteN




3























OBJETIVO GENERAL





4

HIPOacuteTESIS















empresa ELEPCO SA












turbina Pelton



5





tuacutenel de carga













hidrodinaacutemico








de mecanizado

6































7








y anaacutelisis








8

CAPIacuteTULO 1















arranque














9










equipo







Ecuador














10




















los recursos











11






























12


los tiempos muertos





















realidad







13





utilizado





expuesto el sistema









del material












14































15


























conducciones



16

















17




















18








electricidad












19










clasifican en















20




largo plazo










operacioacuten





energiacutea






21





dividen en





movimiento)




















22













clasifican en






rodete



tipo MICHELL-BANKI









23







del eje es


















24

18 Turbina Pelton



















25








rodete









26















27





acero endurecido











turbina











rodete


chorro

28


infraestructura
















29








el trabajo deseado






mecaacutenica




velocidad del rotor




30










viscosas











Flujo Laminar


Flujo turbulento

31















y manufactura









ingenieril







32




















33























de agua fluyente





salto mayor a 50 m



34




























cual goza

35

CAPIacuteTULO 2


























36





1199071 ∙ 1198601 = 1199072 ∙ 1198602 Ec1









119876 = 119907 ∙ 119860 Ec 2







37

119876 = 02785 ∙ 119862ℎ ∙ 119863263 ∙ 119878054 Ec 3








Tipo de tubo





150 140



130 100

Concreto 120 100









constante



38

1198751

120588+ 1199111 ∙ 119892 +

11990712

2=

1198752

120588+ 1199112 ∙ 119892 +

11990722

2 Ec 4







119864119875 = 119908 ∙ ℎ Ec 5




119864119862 =119908∙1199072

2∙119892 Ec 6





119864119865 =119908∙119901

120574 Ec 7


119864 = 119864119865 + 119864119875 + 119864119862



1198641 =1198751

120588+ 1199111 ∙ 119892 +

11990712

2 Ec 8

39









y secundarias

















40

1198751

120588+ 1199111 ∙ 119892 +

11990712

2+ ℎ119860 minus ℎ119877 minus ℎ119871 =

1198752

120588+ 1199112 ∙ 119892 +

11990722

2 Ec 9







119877119890 =119907∙119863∙120588

120578=

119907times119863

120574 Ec 10





120574 =120578

120588












41

119890 =119863

120598 Ec 11

Donde





(Fuente Mott 2006)


Vidrio Liso Liso













ℎ119871119901 = 120582 ∙119871

119863∙

1199072

2∙119892 Ec 12

Donde






42













segundarias es

ℎ119871119886 = 119896 times1199072

2times119892 Ec 13

Donde



(adimensional)









43


(Fuente Mott 2006)
























diagrama de Moody

44








8

34 abierta 35

12 abierta 160

14 abierta 900
















ℎ119903 = 119896119903 times (119889

119886)075

times1199072

2times119892times 119904119890119899120572 Ec 14

45






Newton

119865 = 119898119889119907

119889119905 Ec 15


int 119865 1198891199051199052

1199051

= int 119898 ∙ 119889119907 1199072

1199071


int 119865 1198891199051199052

1199051

= 119898(1199072 minus 1199071 )

119898 ∙ 1199071 + int 119865 1198891199051199052

1199051= 119898 ∙ 1199072 Ec 16





119865 ∙ 119889119905 = 119889119898 ∙ 119889119907 Ec 17

46

Donde

119889119898 = 120588 ∙ 119889119881


119865 = 120588 ∙119889119881

119889119905∙ 119889119907


tiene

119865 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2 minus 119907 1) Ec 18



119865119909 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2119909 minus 119907 1119909) Ec 19

119865119910 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2119910 minus 119907 1119910) Ec 20

119865119911 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2119911 minus 119907 1119911) Ec 21









internacional

47



Donde











figura 15



48









1205721 = 0deg

1205731 = 180deg





1199081 = 1198881 minus 119906 Ec 22

49



1199081 = 1199082 Ec 23





1198881 = 097 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 Ec 24






final es igual a

1199061 = 045 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 Ec 25






50











119899 =120times119891

119901119900119897119900119904 Ec 26









inyector






51


119889119894 = radic4∙119876

119894∙120587∙1198621 Ec 27

Donde













52



elemento




1 119861 = 31 ∙ 119889119894

2 119861 = 32 ∙ 119889119894

4-5 119861 = 33 ∙ 119889119894

6 119861 gt 33 ∙ 119889119894


31 gt119861

119889119894ge 34 Ec 28


turbina Pelton

53













del agua


54









119863119903 =60∙1198801

120587∙119899 Ec 29

Donde






119863119888 = 119863119903 + (2 ∙ (119863 + 119866)) Ec 30

Donde





119863119886 = 119863119903 + (2 ∙ 119863) Ec 31

Donde


55


turbina Pelton






119885 =2∙120587

119896119901∙(120579minus2∙(119863119886119863119903

)∙119896119906∙119904119890119899(120579

2))

Ec 32

Donde





56




120579 = 2 times 119886119903119888119888119900119904 (119863119903+119889

119863119886) Ec 33







119915119955

119941119946


Z min Z maacutex

15 21 27

14 21 26

13 20 25

12 20 24

11 19 24

10 18 23

9 18 22

8 17 22

75 17 21






57





figura 24


(Fuente Zhang 2016)


Ba 02 ∙ 119863119888

Bio 03 ∙ 119863119888

Biu 1 ∙ 119863119888

Rio 06 ∙ 119863119888






incompresibles

58

119875119867 = 119901 ∙ 119876 Ec 34


ecuacioacuten

119901 = 120574 ∙ ℎ119879 Ec 35

Donde



119875119867 = 120574 ∙ ℎ119879 ∙ 119876 Ec 36





turbina

119865 = 120588 ∙ 119876 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) Ec 37




1199081 = 1199081119906 = 1198881 minus 119906 Ec 38



de salida

11988822 = 1199082

2 + 11990622 minus 2 ∙ 1199062 ∙ 1199082 ∙ cos 1205732

11988822 = 1199082

2 + 11990622 minus 2 ∙ 1199082 ∙ 1199062 + 2 ∙ 1199082 ∙ 1199062 minus 2 ∙ 1199062 ∙ 1199082 ∙ cos 1205732

59

11988822 = (1199082 minus 1199062)

2 + 2 ∙ 1199082 ∙ 1199062 ∙ (1 minus 1198881199001199041205732)

11988822 = (1199082 minus 1199062) + 4 ∙ 1199082 ∙ 1199062 ∙ 1199041198901198992(

1205732

2)


1199082 cong 1199062

Se tiene que

1198882 = 2 ∙ 1199062 ∙ 119904119890119899(1205732

2) Ec 39



de salida

1199082119906 = minus1199082 ∙ cos 1205732 Ec 40




119872 = 120588 ∙ 119876 ∙ 119903 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) Ec 41










60

119875119886 = 119872 ∙ 120596 Ec 42










119899119904 =119899∙radic119875119886

ℎ119879

54frasl

Ec 43


43 son









120575 =119889119894

119863119903 Ec 44

61




diaacutemetros

Nuacutemero

especiacutefico de

revoluciones


rendimiento) 001 24


rendimiento) 003 8


rendimiento) 014 35


rendimiento) 011 27





Sistema Turbina


ns velocidad

especiacutefica

maacutexima (buen

rendimiento)









119875119894 = 119875119886 + 119875119898119903 Ec 45

62






120578119887119890 =119896119887119890∙119899119902

119875119886 Ec 46

Donde













120578119908119894 = 4211990910minus7 ∙ 119882119894 ∙119886

119885∙

1198993

1198991198733 Ec 47

Donde






63



119882119894 = 11989215 ∙(1+2∙119899119904)

5

1198991199042 Ec 48








120578ℎ =119867119906

119867=

1199061∙1198621119906minus 1199062∙1198622119906

119892times119867 Ec 49








120578119907 =119876minus119902119890minus119902119894

119876 Ec 50

Donde




64





transmisioacuten

120578119898 =119875119886

119875119894 Ec 51





120578119905119900119905 = 120578119898 ∙ 120578119907 ∙ 120578ℎ =119875119886

119875 Ec 52














65




























66












mecanismo





67

CAPIacuteTULO 3
























cambios

68





sentildealados

h0 = 3527 msnm

h1 = 3819 msnm

Donde


maacutequinas


de carga







69


presa






12



1 10 066 94 070

2 10 066 79 084

3 10 066 85 078

4 10 066 88 075

5 10 066 81 081

6 10 066 91 073

7 10 066 83 080

8 10 066 85 078

9 10 066 86 077

10 10 066 91 073

PROMEDIO 077











70










Ec 3 119876 = 02785 ∙ 119862ℎ ∙ 119863263 ∙ 119878054 119876 = 152 1198983119904








71

Ec 2 119907 =119876

119860 119907 = 262 119898119904



hidraacuteulica



Ec 10 119877119890 =119907 ∙ 119863 ∙ 120588

120578 119877119890 = 10883 ∙ 106






Ec 11 119890 =119863

120598 119890 = 117391







72





Ec 12 ℎ119871119901 = 120582 ∙119871

119863∙

1199072

2 ∙ 119892 ℎ119871119901 = 1074 119898








Vaacutelvulas y

Acoplamientos

Coeficiente de

resistencia









Є = 46 10-5 m


73

Ec 11 119890 =119863

120598 119890 = 117391




119891119903 = 0019





resistencia


fr = 0019



25 middot fr 0475


8 middot fr 0152





Ec 13 ℎ119871119886 = 119896 ∙1199072

2 ∙ 119892 ℎ119871119886 = 0884

74



Ndeg de accesorios

Coeficiente de

resistencia

Perdidas (m)

Codo 45deg 5 038 0665


1 0475 0166


1 0152 0053

Total 0884










t 0005

b 003

α 0deg

75

Ec 14 ℎ119903 = 119896119903 ∙ (119889

119886)075

∙1199072

2 ∙ 119892∙ 119904119890119899120572 ℎ119903 = 022 119898




ℎ119871 = 1074 119898 + 088 119898 + 022 119898

ℎ119871 = 1184 119898



ℎ119879 = 28016 119898



tiene que






Ec 24 1198881 = 097 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 1198881 = 7192 119898119904



76


donde

Ec 25 1199061 = 045 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 1199061 = 3336 119898119904




1205721 = 0deg

1205731 = 180deg



Ec 22 1199081 = 1198881 minus 119906 1199081 = 3856 119898119904


1199061 = 1199062 = 119906 = 3336 119898119904







aproximada a cero





77

Ec 26 119899119904 =120 ∙ 119891

119901 119899119904 = 900 119903119901119898







Ec 27 119889119894 = radic4 ∙ 119876

119911 ∙ 120587 ∙ 1198621 119889119894 = 7287 119898119898









78

Tabla 7 119861 = 32 ∙ 119889119894 119861 = 23312 119898119898











A 219middotdi 1596

B 32middotdi 23312

C 285middotdi 2077

D 095middotdi 692

E 095middotdi 692

F 14middotdi 102

G 044middotdi 321

H 055middotdi 402







Ec 29 119863119903 =60 ∙ 1198801

120587 ∙ 119899119904 119863119903 = 708 119898119898

79

Ec 30 119863119888 = 119863119903 + (2 ∙ (119863 + 119866)) 119863119888 = 9106 119898119898

Ec 31 119863119886 = 119863119903 + (2 ∙ 119863) 119863119886 = 8464 119898119898






Ec 32 119885 =

2 ∙ 120587

119896119901 ∙ (120579 minus 2 ∙ (119863119886

119863119903) ∙ 119896119906 ∙ 119904119890119899 (

1205792))

119885 = 1976 cong 20

Ec 33 120579 = 2 ∙ 119886119903119888119888119900119904 (119863119901 + 119889

119863119886) 120579 = 079 119903119886119889





que

119863119903

119889119894= 969 cong 10



1205734 = 11deg


80









Ba 18212 119898119898

Bio 27318 119898119898

Biu 9106 119898119898

Rio 54636 119898119898





Ec 36 119875119867 = 120574 ∙ ℎ119879 ∙ 119876 119875119867 = 164902 119896119882





81









el rodete



ecuacioacuten 38

Ec 38 1199081119906 = 1198881 minus 119906 1199081119906 = 3856 119898119904

Phellip

00

5000

10000

15000

20000

0 005 01 015 02 025 03 035 04 045 05 055 06


82




expresioacuten

Ec 39 1198882 = 2 ∙ 1199062 ∙ 1199041198901198992(1205732

2) 1198882 = 407 119898119904






Ec 37 119865 = 120588 ∙ 119876 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) 119865 = 4301 119896119873







83







Ec 41 119872 = 120588 ∙ 119876 ∙ 119903 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) 119872 = 1522 119896119873 ∙ 119898




84













Ec 42 119875119886 = 119872 ∙ 120596 119875119886 = 142585 119896119882 = 19028 119862119881

85



Ec 43 119899119904 =119899 ∙ radic119875119886

ℎ119879

54frasl

119899119904 = 3425 119903119901119898 = 057 119903119901119904











86










Ec 46 120578119887119890 =119896119887119890 ∙ 119899119902

119875119886 120578119887119890 = 00000003






Ec 48 119882119894 = 11989215 ∙(1 + 2 ∙ 119899119904)

5

1198991199042

119882119894 = 424446



Ec 47 120578119908119894 = 4211990910minus7 ∙ 119882119894 ∙119886

119885∙1198993

1198991198733 120578119908119894 = 00011



87





Ec 45 119875119894 = 119875119886 + 119875119898119903 119875119894 = 142742 119896119882





Ec 49 120578ℎ =119867119906

119867=

1199061 ∙ 1198621119906 minus 1199062 ∙ 1198622119906

119892 ∙ 119867 120578ℎ = 0867







Ec 50 120578119907 =119876 minus 119902119890 minus 119902119894

119876 120578119907 = 1





88

Ec 51 120578119898 =119875119886119875119894

120578119898 = 0998




Ec 52 120578119905119900119905 = 120578119898 ∙ 120578119907 ∙ 120578ℎ 120578119905119900119905 = 0865





eleacutectrico













89


ELEMENTOS

Carbono (C) 008

Manganeso (Mn) 2

Fosforo (P) 004

Azufre (S) 003

Silicio (Si) 075

Cromo (Cr) 16 a 18















elemento





90

CAPIacuteTULO 4

PROPUESTA



CAD ndash CAM














vector de velocidad









91







sistema




modelo propuesto






proceso







termoeleacutectrica






92











operacionales




estudio



93










operacional










94





















95




resultados








96


21505 N








el disentildeo

97

















98






Geometry









99

Mesh









Turbina Pelton



Setup






100





1 atm



Solution











101


Results



- Contour

- Volumen Rendering

- Streamline

- Vector


102













actual

103











Antes Despueacutes


104










105







106











velocidad

P1

P2

P3

P4

P5 P6

P7 P8

P9

P10

107


aacutelabe


P1 7533 0 007 -018

P2 7392 0 006 -014

P3 7225 0 006 -012

P4 5714 0 002 0

P5 493 001 002 002

P6 4289 002 002 004

P7 3101 005 002 0065

P8 4268 0095 002 004

P9 3328 011 002 0

P10 1244 014 002 -008











7533 7392 7225

5714

4934289

3101

4268

3328

1244

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10

Velocidad (ms)

108





frontera

Model



anaacutelisis


- Superficie 1

- Superficie 2


109

Setup










turbina Pelton

110





111


disentildeo











112












143449

153433

130298





087

093

079




Rendimiento

113









revmin


sistema







114

















Incremento de











115

















veces maacutes caro












116


0

02

04

06

08

1

12


KG CO2 MWH

117




la turbina Pelton


























118

RECOMENDACIONES



















119






























120







mecanizado CNC



de


neracionhtm




de Cantabria



Chile







Turbinas pelton

121





316html






















122












_n1a02pdf


Obtenido de






123

ANEXOS


124

ANEXO B


diaacutemetro

1) Codo 45deg

2) Codo 45deg

3) Codo 45deg

4) Codo 45deg

5) Codo 45deg

125

1) Vaacutelvula de

Mariposa


126

ANEXO C



127

ANEXO D



128






(psi)



No2 89 75 003 34 739 6100 3000 14900 8700 245 12 424

5X 87 9 4 6300 15000 25 13 470

No3 833 82 003 83 74 6600 3150 17600 9900 27 145 491

No7 10 15 75 -- 973 3550 1600 15650 6150 225 105 338

No8 5 15 80 -- 1004 3400 1750 15600 6150 20 95 341

Magnolia 3 14 83 -- 106 3380 1810 15500 5940 18

130

ANEXO G


131

ANEXO H




132






Material de relleno



133



134

ANEXO I


135

ANEXO J

PLANO AacuteLABE

vi

DEDICATORIA



de mi vida



vii




AGRADECIMIENTO v

DEDICATORIA vi




RESUMEN xviii

ABSTRACT xix

INTRODUCCIOacuteN 1

JUSTIFICACIOacuteN2




OBJETIVO GENERAL 3

HIPOacuteTESIS 4





CAPIacuteTULO 1 8














viii
















CAPIacuteTULO 2 35




















ix














CAPIacuteTULO 3 67























x







CAPIacuteTULO 4 90

PROPUESTA 90


















RECOMENDACIONES 118


ANEXOS 123

ANEXO A 123

ANEXO B 124

ANEXO C 126

ANEXO D 127

ANEXO E 128

xi

ANEXO F 129

ANEXO G 130

ANEXO H 131

ANEXO I 134

ANEXO J 135

xii




































xiii






























xiv






100


101






























xv








xvi





























xvii















xviii



RESUMEN






















CAD ndash CAM



CAD ndash CAM



PhD


xix



ABSTRACT

























PhD

1

INTRODUCCIOacuteN




























2



























JUSTIFICACIOacuteN




3























OBJETIVO GENERAL





4

HIPOacuteTESIS















empresa ELEPCO SA












turbina Pelton



5





tuacutenel de carga













hidrodinaacutemico








de mecanizado

6































7








y anaacutelisis








8

CAPIacuteTULO 1















arranque














9










equipo







Ecuador














10




















los recursos











11






























12


los tiempos muertos





















realidad







13





utilizado





expuesto el sistema









del material












14































15


























conducciones



16

















17




















18








electricidad












19










clasifican en















20




largo plazo










operacioacuten





energiacutea






21





dividen en





movimiento)




















22













clasifican en






rodete



tipo MICHELL-BANKI









23







del eje es


















24

18 Turbina Pelton



















25








rodete









26















27





acero endurecido











turbina











rodete


chorro

28


infraestructura
















29








el trabajo deseado






mecaacutenica




velocidad del rotor




30










viscosas











Flujo Laminar


Flujo turbulento

31















y manufactura









ingenieril







32




















33























de agua fluyente





salto mayor a 50 m



34




























cual goza

35

CAPIacuteTULO 2


























36





1199071 ∙ 1198601 = 1199072 ∙ 1198602 Ec1









119876 = 119907 ∙ 119860 Ec 2







37

119876 = 02785 ∙ 119862ℎ ∙ 119863263 ∙ 119878054 Ec 3








Tipo de tubo





150 140



130 100

Concreto 120 100









constante



38

1198751

120588+ 1199111 ∙ 119892 +

11990712

2=

1198752

120588+ 1199112 ∙ 119892 +

11990722

2 Ec 4







119864119875 = 119908 ∙ ℎ Ec 5




119864119862 =119908∙1199072

2∙119892 Ec 6





119864119865 =119908∙119901

120574 Ec 7


119864 = 119864119865 + 119864119875 + 119864119862



1198641 =1198751

120588+ 1199111 ∙ 119892 +

11990712

2 Ec 8

39









y secundarias

















40

1198751

120588+ 1199111 ∙ 119892 +

11990712

2+ ℎ119860 minus ℎ119877 minus ℎ119871 =

1198752

120588+ 1199112 ∙ 119892 +

11990722

2 Ec 9







119877119890 =119907∙119863∙120588

120578=

119907times119863

120574 Ec 10





120574 =120578

120588












41

119890 =119863

120598 Ec 11

Donde





(Fuente Mott 2006)


Vidrio Liso Liso













ℎ119871119901 = 120582 ∙119871

119863∙

1199072

2∙119892 Ec 12

Donde






42













segundarias es

ℎ119871119886 = 119896 times1199072

2times119892 Ec 13

Donde



(adimensional)









43


(Fuente Mott 2006)
























diagrama de Moody

44








8

34 abierta 35

12 abierta 160

14 abierta 900
















ℎ119903 = 119896119903 times (119889

119886)075

times1199072

2times119892times 119904119890119899120572 Ec 14

45






Newton

119865 = 119898119889119907

119889119905 Ec 15


int 119865 1198891199051199052

1199051

= int 119898 ∙ 119889119907 1199072

1199071


int 119865 1198891199051199052

1199051

= 119898(1199072 minus 1199071 )

119898 ∙ 1199071 + int 119865 1198891199051199052

1199051= 119898 ∙ 1199072 Ec 16





119865 ∙ 119889119905 = 119889119898 ∙ 119889119907 Ec 17

46

Donde

119889119898 = 120588 ∙ 119889119881


119865 = 120588 ∙119889119881

119889119905∙ 119889119907


tiene

119865 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2 minus 119907 1) Ec 18



119865119909 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2119909 minus 119907 1119909) Ec 19

119865119910 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2119910 minus 119907 1119910) Ec 20

119865119911 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2119911 minus 119907 1119911) Ec 21









internacional

47



Donde











figura 15



48









1205721 = 0deg

1205731 = 180deg





1199081 = 1198881 minus 119906 Ec 22

49



1199081 = 1199082 Ec 23





1198881 = 097 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 Ec 24






final es igual a

1199061 = 045 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 Ec 25






50











119899 =120times119891

119901119900119897119900119904 Ec 26









inyector






51


119889119894 = radic4∙119876

119894∙120587∙1198621 Ec 27

Donde













52



elemento




1 119861 = 31 ∙ 119889119894

2 119861 = 32 ∙ 119889119894

4-5 119861 = 33 ∙ 119889119894

6 119861 gt 33 ∙ 119889119894


31 gt119861

119889119894ge 34 Ec 28


turbina Pelton

53













del agua


54









119863119903 =60∙1198801

120587∙119899 Ec 29

Donde






119863119888 = 119863119903 + (2 ∙ (119863 + 119866)) Ec 30

Donde





119863119886 = 119863119903 + (2 ∙ 119863) Ec 31

Donde


55


turbina Pelton






119885 =2∙120587

119896119901∙(120579minus2∙(119863119886119863119903

)∙119896119906∙119904119890119899(120579

2))

Ec 32

Donde





56




120579 = 2 times 119886119903119888119888119900119904 (119863119903+119889

119863119886) Ec 33







119915119955

119941119946


Z min Z maacutex

15 21 27

14 21 26

13 20 25

12 20 24

11 19 24

10 18 23

9 18 22

8 17 22

75 17 21






57





figura 24


(Fuente Zhang 2016)


Ba 02 ∙ 119863119888

Bio 03 ∙ 119863119888

Biu 1 ∙ 119863119888

Rio 06 ∙ 119863119888






incompresibles

58

119875119867 = 119901 ∙ 119876 Ec 34


ecuacioacuten

119901 = 120574 ∙ ℎ119879 Ec 35

Donde



119875119867 = 120574 ∙ ℎ119879 ∙ 119876 Ec 36





turbina

119865 = 120588 ∙ 119876 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) Ec 37




1199081 = 1199081119906 = 1198881 minus 119906 Ec 38



de salida

11988822 = 1199082

2 + 11990622 minus 2 ∙ 1199062 ∙ 1199082 ∙ cos 1205732

11988822 = 1199082

2 + 11990622 minus 2 ∙ 1199082 ∙ 1199062 + 2 ∙ 1199082 ∙ 1199062 minus 2 ∙ 1199062 ∙ 1199082 ∙ cos 1205732

59

11988822 = (1199082 minus 1199062)

2 + 2 ∙ 1199082 ∙ 1199062 ∙ (1 minus 1198881199001199041205732)

11988822 = (1199082 minus 1199062) + 4 ∙ 1199082 ∙ 1199062 ∙ 1199041198901198992(

1205732

2)


1199082 cong 1199062

Se tiene que

1198882 = 2 ∙ 1199062 ∙ 119904119890119899(1205732

2) Ec 39



de salida

1199082119906 = minus1199082 ∙ cos 1205732 Ec 40




119872 = 120588 ∙ 119876 ∙ 119903 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) Ec 41










60

119875119886 = 119872 ∙ 120596 Ec 42










119899119904 =119899∙radic119875119886

ℎ119879

54frasl

Ec 43


43 son









120575 =119889119894

119863119903 Ec 44

61




diaacutemetros

Nuacutemero

especiacutefico de

revoluciones


rendimiento) 001 24


rendimiento) 003 8


rendimiento) 014 35


rendimiento) 011 27





Sistema Turbina


ns velocidad

especiacutefica

maacutexima (buen

rendimiento)









119875119894 = 119875119886 + 119875119898119903 Ec 45

62






120578119887119890 =119896119887119890∙119899119902

119875119886 Ec 46

Donde













120578119908119894 = 4211990910minus7 ∙ 119882119894 ∙119886

119885∙

1198993

1198991198733 Ec 47

Donde






63



119882119894 = 11989215 ∙(1+2∙119899119904)

5

1198991199042 Ec 48








120578ℎ =119867119906

119867=

1199061∙1198621119906minus 1199062∙1198622119906

119892times119867 Ec 49








120578119907 =119876minus119902119890minus119902119894

119876 Ec 50

Donde




64





transmisioacuten

120578119898 =119875119886

119875119894 Ec 51





120578119905119900119905 = 120578119898 ∙ 120578119907 ∙ 120578ℎ =119875119886

119875 Ec 52














65




























66












mecanismo





67

CAPIacuteTULO 3
























cambios

68





sentildealados

h0 = 3527 msnm

h1 = 3819 msnm

Donde


maacutequinas


de carga







69


presa






12



1 10 066 94 070

2 10 066 79 084

3 10 066 85 078

4 10 066 88 075

5 10 066 81 081

6 10 066 91 073

7 10 066 83 080

8 10 066 85 078

9 10 066 86 077

10 10 066 91 073

PROMEDIO 077











70










Ec 3 119876 = 02785 ∙ 119862ℎ ∙ 119863263 ∙ 119878054 119876 = 152 1198983119904








71

Ec 2 119907 =119876

119860 119907 = 262 119898119904



hidraacuteulica



Ec 10 119877119890 =119907 ∙ 119863 ∙ 120588

120578 119877119890 = 10883 ∙ 106






Ec 11 119890 =119863

120598 119890 = 117391







72





Ec 12 ℎ119871119901 = 120582 ∙119871

119863∙

1199072

2 ∙ 119892 ℎ119871119901 = 1074 119898








Vaacutelvulas y

Acoplamientos

Coeficiente de

resistencia









Є = 46 10-5 m


73

Ec 11 119890 =119863

120598 119890 = 117391




119891119903 = 0019





resistencia


fr = 0019



25 middot fr 0475


8 middot fr 0152





Ec 13 ℎ119871119886 = 119896 ∙1199072

2 ∙ 119892 ℎ119871119886 = 0884

74



Ndeg de accesorios

Coeficiente de

resistencia

Perdidas (m)

Codo 45deg 5 038 0665


1 0475 0166


1 0152 0053

Total 0884










t 0005

b 003

α 0deg

75

Ec 14 ℎ119903 = 119896119903 ∙ (119889

119886)075

∙1199072

2 ∙ 119892∙ 119904119890119899120572 ℎ119903 = 022 119898




ℎ119871 = 1074 119898 + 088 119898 + 022 119898

ℎ119871 = 1184 119898



ℎ119879 = 28016 119898



tiene que






Ec 24 1198881 = 097 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 1198881 = 7192 119898119904



76


donde

Ec 25 1199061 = 045 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 1199061 = 3336 119898119904




1205721 = 0deg

1205731 = 180deg



Ec 22 1199081 = 1198881 minus 119906 1199081 = 3856 119898119904


1199061 = 1199062 = 119906 = 3336 119898119904







aproximada a cero





77

Ec 26 119899119904 =120 ∙ 119891

119901 119899119904 = 900 119903119901119898







Ec 27 119889119894 = radic4 ∙ 119876

119911 ∙ 120587 ∙ 1198621 119889119894 = 7287 119898119898









78

Tabla 7 119861 = 32 ∙ 119889119894 119861 = 23312 119898119898











A 219middotdi 1596

B 32middotdi 23312

C 285middotdi 2077

D 095middotdi 692

E 095middotdi 692

F 14middotdi 102

G 044middotdi 321

H 055middotdi 402







Ec 29 119863119903 =60 ∙ 1198801

120587 ∙ 119899119904 119863119903 = 708 119898119898

79

Ec 30 119863119888 = 119863119903 + (2 ∙ (119863 + 119866)) 119863119888 = 9106 119898119898

Ec 31 119863119886 = 119863119903 + (2 ∙ 119863) 119863119886 = 8464 119898119898






Ec 32 119885 =

2 ∙ 120587

119896119901 ∙ (120579 minus 2 ∙ (119863119886

119863119903) ∙ 119896119906 ∙ 119904119890119899 (

1205792))

119885 = 1976 cong 20

Ec 33 120579 = 2 ∙ 119886119903119888119888119900119904 (119863119901 + 119889

119863119886) 120579 = 079 119903119886119889





que

119863119903

119889119894= 969 cong 10



1205734 = 11deg


80









Ba 18212 119898119898

Bio 27318 119898119898

Biu 9106 119898119898

Rio 54636 119898119898





Ec 36 119875119867 = 120574 ∙ ℎ119879 ∙ 119876 119875119867 = 164902 119896119882





81









el rodete



ecuacioacuten 38

Ec 38 1199081119906 = 1198881 minus 119906 1199081119906 = 3856 119898119904

Phellip

00

5000

10000

15000

20000

0 005 01 015 02 025 03 035 04 045 05 055 06


82




expresioacuten

Ec 39 1198882 = 2 ∙ 1199062 ∙ 1199041198901198992(1205732

2) 1198882 = 407 119898119904






Ec 37 119865 = 120588 ∙ 119876 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) 119865 = 4301 119896119873







83







Ec 41 119872 = 120588 ∙ 119876 ∙ 119903 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) 119872 = 1522 119896119873 ∙ 119898




84













Ec 42 119875119886 = 119872 ∙ 120596 119875119886 = 142585 119896119882 = 19028 119862119881

85



Ec 43 119899119904 =119899 ∙ radic119875119886

ℎ119879

54frasl

119899119904 = 3425 119903119901119898 = 057 119903119901119904











86










Ec 46 120578119887119890 =119896119887119890 ∙ 119899119902

119875119886 120578119887119890 = 00000003






Ec 48 119882119894 = 11989215 ∙(1 + 2 ∙ 119899119904)

5

1198991199042

119882119894 = 424446



Ec 47 120578119908119894 = 4211990910minus7 ∙ 119882119894 ∙119886

119885∙1198993

1198991198733 120578119908119894 = 00011



87





Ec 45 119875119894 = 119875119886 + 119875119898119903 119875119894 = 142742 119896119882





Ec 49 120578ℎ =119867119906

119867=

1199061 ∙ 1198621119906 minus 1199062 ∙ 1198622119906

119892 ∙ 119867 120578ℎ = 0867







Ec 50 120578119907 =119876 minus 119902119890 minus 119902119894

119876 120578119907 = 1





88

Ec 51 120578119898 =119875119886119875119894

120578119898 = 0998




Ec 52 120578119905119900119905 = 120578119898 ∙ 120578119907 ∙ 120578ℎ 120578119905119900119905 = 0865





eleacutectrico













89


ELEMENTOS

Carbono (C) 008

Manganeso (Mn) 2

Fosforo (P) 004

Azufre (S) 003

Silicio (Si) 075

Cromo (Cr) 16 a 18















elemento





90

CAPIacuteTULO 4

PROPUESTA



CAD ndash CAM














vector de velocidad









91







sistema




modelo propuesto






proceso







termoeleacutectrica






92











operacionales




estudio



93










operacional










94





















95




resultados








96


21505 N








el disentildeo

97

















98






Geometry









99

Mesh









Turbina Pelton



Setup






100





1 atm



Solution











101


Results



- Contour

- Volumen Rendering

- Streamline

- Vector


102













actual

103











Antes Despueacutes


104










105







106











velocidad

P1

P2

P3

P4

P5 P6

P7 P8

P9

P10

107


aacutelabe


P1 7533 0 007 -018

P2 7392 0 006 -014

P3 7225 0 006 -012

P4 5714 0 002 0

P5 493 001 002 002

P6 4289 002 002 004

P7 3101 005 002 0065

P8 4268 0095 002 004

P9 3328 011 002 0

P10 1244 014 002 -008











7533 7392 7225

5714

4934289

3101

4268

3328

1244

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10

Velocidad (ms)

108





frontera

Model



anaacutelisis


- Superficie 1

- Superficie 2


109

Setup










turbina Pelton

110





111


disentildeo











112












143449

153433

130298





087

093

079




Rendimiento

113









revmin


sistema







114

















Incremento de











115

















veces maacutes caro












116


0

02

04

06

08

1

12


KG CO2 MWH

117




la turbina Pelton


























118

RECOMENDACIONES



















119






























120







mecanizado CNC



de


neracionhtm




de Cantabria



Chile







Turbinas pelton

121





316html






















122












_n1a02pdf


Obtenido de






123

ANEXOS


124

ANEXO B


diaacutemetro

1) Codo 45deg

2) Codo 45deg

3) Codo 45deg

4) Codo 45deg

5) Codo 45deg

125

1) Vaacutelvula de

Mariposa


126

ANEXO C



127

ANEXO D



128






(psi)



No2 89 75 003 34 739 6100 3000 14900 8700 245 12 424

5X 87 9 4 6300 15000 25 13 470

No3 833 82 003 83 74 6600 3150 17600 9900 27 145 491

No7 10 15 75 -- 973 3550 1600 15650 6150 225 105 338

No8 5 15 80 -- 1004 3400 1750 15600 6150 20 95 341

Magnolia 3 14 83 -- 106 3380 1810 15500 5940 18

130

ANEXO G


131

ANEXO H




132






Material de relleno



133



134

ANEXO I


135

ANEXO J

PLANO AacuteLABE

vii




AGRADECIMIENTO v

DEDICATORIA vi




RESUMEN xviii

ABSTRACT xix

INTRODUCCIOacuteN 1

JUSTIFICACIOacuteN2




OBJETIVO GENERAL 3

HIPOacuteTESIS 4





CAPIacuteTULO 1 8














viii
















CAPIacuteTULO 2 35




















ix














CAPIacuteTULO 3 67























x







CAPIacuteTULO 4 90

PROPUESTA 90


















RECOMENDACIONES 118


ANEXOS 123

ANEXO A 123

ANEXO B 124

ANEXO C 126

ANEXO D 127

ANEXO E 128

xi

ANEXO F 129

ANEXO G 130

ANEXO H 131

ANEXO I 134

ANEXO J 135

xii




































xiii






























xiv






100


101






























xv








xvi





























xvii















xviii



RESUMEN






















CAD ndash CAM



CAD ndash CAM



PhD


xix



ABSTRACT

























PhD

1

INTRODUCCIOacuteN




























2



























JUSTIFICACIOacuteN




3























OBJETIVO GENERAL





4

HIPOacuteTESIS















empresa ELEPCO SA












turbina Pelton



5





tuacutenel de carga













hidrodinaacutemico








de mecanizado

6































7








y anaacutelisis








8

CAPIacuteTULO 1















arranque














9










equipo







Ecuador














10




















los recursos











11






























12


los tiempos muertos





















realidad







13





utilizado





expuesto el sistema









del material












14































15


























conducciones



16

















17




















18








electricidad












19










clasifican en















20




largo plazo










operacioacuten





energiacutea






21





dividen en





movimiento)




















22













clasifican en






rodete



tipo MICHELL-BANKI









23







del eje es


















24

18 Turbina Pelton



















25








rodete









26















27





acero endurecido











turbina











rodete


chorro

28


infraestructura
















29








el trabajo deseado






mecaacutenica




velocidad del rotor




30










viscosas











Flujo Laminar


Flujo turbulento

31















y manufactura









ingenieril







32




















33























de agua fluyente





salto mayor a 50 m



34




























cual goza

35

CAPIacuteTULO 2


























36





1199071 ∙ 1198601 = 1199072 ∙ 1198602 Ec1









119876 = 119907 ∙ 119860 Ec 2







37

119876 = 02785 ∙ 119862ℎ ∙ 119863263 ∙ 119878054 Ec 3








Tipo de tubo





150 140



130 100

Concreto 120 100









constante



38

1198751

120588+ 1199111 ∙ 119892 +

11990712

2=

1198752

120588+ 1199112 ∙ 119892 +

11990722

2 Ec 4







119864119875 = 119908 ∙ ℎ Ec 5




119864119862 =119908∙1199072

2∙119892 Ec 6





119864119865 =119908∙119901

120574 Ec 7


119864 = 119864119865 + 119864119875 + 119864119862



1198641 =1198751

120588+ 1199111 ∙ 119892 +

11990712

2 Ec 8

39









y secundarias

















40

1198751

120588+ 1199111 ∙ 119892 +

11990712

2+ ℎ119860 minus ℎ119877 minus ℎ119871 =

1198752

120588+ 1199112 ∙ 119892 +

11990722

2 Ec 9







119877119890 =119907∙119863∙120588

120578=

119907times119863

120574 Ec 10





120574 =120578

120588












41

119890 =119863

120598 Ec 11

Donde





(Fuente Mott 2006)


Vidrio Liso Liso













ℎ119871119901 = 120582 ∙119871

119863∙

1199072

2∙119892 Ec 12

Donde






42













segundarias es

ℎ119871119886 = 119896 times1199072

2times119892 Ec 13

Donde



(adimensional)









43


(Fuente Mott 2006)
























diagrama de Moody

44








8

34 abierta 35

12 abierta 160

14 abierta 900
















ℎ119903 = 119896119903 times (119889

119886)075

times1199072

2times119892times 119904119890119899120572 Ec 14

45






Newton

119865 = 119898119889119907

119889119905 Ec 15


int 119865 1198891199051199052

1199051

= int 119898 ∙ 119889119907 1199072

1199071


int 119865 1198891199051199052

1199051

= 119898(1199072 minus 1199071 )

119898 ∙ 1199071 + int 119865 1198891199051199052

1199051= 119898 ∙ 1199072 Ec 16





119865 ∙ 119889119905 = 119889119898 ∙ 119889119907 Ec 17

46

Donde

119889119898 = 120588 ∙ 119889119881


119865 = 120588 ∙119889119881

119889119905∙ 119889119907


tiene

119865 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2 minus 119907 1) Ec 18



119865119909 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2119909 minus 119907 1119909) Ec 19

119865119910 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2119910 minus 119907 1119910) Ec 20

119865119911 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2119911 minus 119907 1119911) Ec 21









internacional

47



Donde











figura 15



48









1205721 = 0deg

1205731 = 180deg





1199081 = 1198881 minus 119906 Ec 22

49



1199081 = 1199082 Ec 23





1198881 = 097 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 Ec 24






final es igual a

1199061 = 045 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 Ec 25






50











119899 =120times119891

119901119900119897119900119904 Ec 26









inyector






51


119889119894 = radic4∙119876

119894∙120587∙1198621 Ec 27

Donde













52



elemento




1 119861 = 31 ∙ 119889119894

2 119861 = 32 ∙ 119889119894

4-5 119861 = 33 ∙ 119889119894

6 119861 gt 33 ∙ 119889119894


31 gt119861

119889119894ge 34 Ec 28


turbina Pelton

53













del agua


54









119863119903 =60∙1198801

120587∙119899 Ec 29

Donde






119863119888 = 119863119903 + (2 ∙ (119863 + 119866)) Ec 30

Donde





119863119886 = 119863119903 + (2 ∙ 119863) Ec 31

Donde


55


turbina Pelton






119885 =2∙120587

119896119901∙(120579minus2∙(119863119886119863119903

)∙119896119906∙119904119890119899(120579

2))

Ec 32

Donde





56




120579 = 2 times 119886119903119888119888119900119904 (119863119903+119889

119863119886) Ec 33







119915119955

119941119946


Z min Z maacutex

15 21 27

14 21 26

13 20 25

12 20 24

11 19 24

10 18 23

9 18 22

8 17 22

75 17 21






57





figura 24


(Fuente Zhang 2016)


Ba 02 ∙ 119863119888

Bio 03 ∙ 119863119888

Biu 1 ∙ 119863119888

Rio 06 ∙ 119863119888






incompresibles

58

119875119867 = 119901 ∙ 119876 Ec 34


ecuacioacuten

119901 = 120574 ∙ ℎ119879 Ec 35

Donde



119875119867 = 120574 ∙ ℎ119879 ∙ 119876 Ec 36





turbina

119865 = 120588 ∙ 119876 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) Ec 37




1199081 = 1199081119906 = 1198881 minus 119906 Ec 38



de salida

11988822 = 1199082

2 + 11990622 minus 2 ∙ 1199062 ∙ 1199082 ∙ cos 1205732

11988822 = 1199082

2 + 11990622 minus 2 ∙ 1199082 ∙ 1199062 + 2 ∙ 1199082 ∙ 1199062 minus 2 ∙ 1199062 ∙ 1199082 ∙ cos 1205732

59

11988822 = (1199082 minus 1199062)

2 + 2 ∙ 1199082 ∙ 1199062 ∙ (1 minus 1198881199001199041205732)

11988822 = (1199082 minus 1199062) + 4 ∙ 1199082 ∙ 1199062 ∙ 1199041198901198992(

1205732

2)


1199082 cong 1199062

Se tiene que

1198882 = 2 ∙ 1199062 ∙ 119904119890119899(1205732

2) Ec 39



de salida

1199082119906 = minus1199082 ∙ cos 1205732 Ec 40




119872 = 120588 ∙ 119876 ∙ 119903 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) Ec 41










60

119875119886 = 119872 ∙ 120596 Ec 42










119899119904 =119899∙radic119875119886

ℎ119879

54frasl

Ec 43


43 son









120575 =119889119894

119863119903 Ec 44

61




diaacutemetros

Nuacutemero

especiacutefico de

revoluciones


rendimiento) 001 24


rendimiento) 003 8


rendimiento) 014 35


rendimiento) 011 27





Sistema Turbina


ns velocidad

especiacutefica

maacutexima (buen

rendimiento)









119875119894 = 119875119886 + 119875119898119903 Ec 45

62






120578119887119890 =119896119887119890∙119899119902

119875119886 Ec 46

Donde













120578119908119894 = 4211990910minus7 ∙ 119882119894 ∙119886

119885∙

1198993

1198991198733 Ec 47

Donde






63



119882119894 = 11989215 ∙(1+2∙119899119904)

5

1198991199042 Ec 48








120578ℎ =119867119906

119867=

1199061∙1198621119906minus 1199062∙1198622119906

119892times119867 Ec 49








120578119907 =119876minus119902119890minus119902119894

119876 Ec 50

Donde




64





transmisioacuten

120578119898 =119875119886

119875119894 Ec 51





120578119905119900119905 = 120578119898 ∙ 120578119907 ∙ 120578ℎ =119875119886

119875 Ec 52














65




























66












mecanismo





67

CAPIacuteTULO 3
























cambios

68





sentildealados

h0 = 3527 msnm

h1 = 3819 msnm

Donde


maacutequinas


de carga







69


presa






12



1 10 066 94 070

2 10 066 79 084

3 10 066 85 078

4 10 066 88 075

5 10 066 81 081

6 10 066 91 073

7 10 066 83 080

8 10 066 85 078

9 10 066 86 077

10 10 066 91 073

PROMEDIO 077











70










Ec 3 119876 = 02785 ∙ 119862ℎ ∙ 119863263 ∙ 119878054 119876 = 152 1198983119904








71

Ec 2 119907 =119876

119860 119907 = 262 119898119904



hidraacuteulica



Ec 10 119877119890 =119907 ∙ 119863 ∙ 120588

120578 119877119890 = 10883 ∙ 106






Ec 11 119890 =119863

120598 119890 = 117391







72





Ec 12 ℎ119871119901 = 120582 ∙119871

119863∙

1199072

2 ∙ 119892 ℎ119871119901 = 1074 119898








Vaacutelvulas y

Acoplamientos

Coeficiente de

resistencia









Є = 46 10-5 m


73

Ec 11 119890 =119863

120598 119890 = 117391




119891119903 = 0019





resistencia


fr = 0019



25 middot fr 0475


8 middot fr 0152





Ec 13 ℎ119871119886 = 119896 ∙1199072

2 ∙ 119892 ℎ119871119886 = 0884

74



Ndeg de accesorios

Coeficiente de

resistencia

Perdidas (m)

Codo 45deg 5 038 0665


1 0475 0166


1 0152 0053

Total 0884










t 0005

b 003

α 0deg

75

Ec 14 ℎ119903 = 119896119903 ∙ (119889

119886)075

∙1199072

2 ∙ 119892∙ 119904119890119899120572 ℎ119903 = 022 119898




ℎ119871 = 1074 119898 + 088 119898 + 022 119898

ℎ119871 = 1184 119898



ℎ119879 = 28016 119898



tiene que






Ec 24 1198881 = 097 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 1198881 = 7192 119898119904



76


donde

Ec 25 1199061 = 045 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 1199061 = 3336 119898119904




1205721 = 0deg

1205731 = 180deg



Ec 22 1199081 = 1198881 minus 119906 1199081 = 3856 119898119904


1199061 = 1199062 = 119906 = 3336 119898119904







aproximada a cero





77

Ec 26 119899119904 =120 ∙ 119891

119901 119899119904 = 900 119903119901119898







Ec 27 119889119894 = radic4 ∙ 119876

119911 ∙ 120587 ∙ 1198621 119889119894 = 7287 119898119898









78

Tabla 7 119861 = 32 ∙ 119889119894 119861 = 23312 119898119898











A 219middotdi 1596

B 32middotdi 23312

C 285middotdi 2077

D 095middotdi 692

E 095middotdi 692

F 14middotdi 102

G 044middotdi 321

H 055middotdi 402







Ec 29 119863119903 =60 ∙ 1198801

120587 ∙ 119899119904 119863119903 = 708 119898119898

79

Ec 30 119863119888 = 119863119903 + (2 ∙ (119863 + 119866)) 119863119888 = 9106 119898119898

Ec 31 119863119886 = 119863119903 + (2 ∙ 119863) 119863119886 = 8464 119898119898






Ec 32 119885 =

2 ∙ 120587

119896119901 ∙ (120579 minus 2 ∙ (119863119886

119863119903) ∙ 119896119906 ∙ 119904119890119899 (

1205792))

119885 = 1976 cong 20

Ec 33 120579 = 2 ∙ 119886119903119888119888119900119904 (119863119901 + 119889

119863119886) 120579 = 079 119903119886119889





que

119863119903

119889119894= 969 cong 10



1205734 = 11deg


80









Ba 18212 119898119898

Bio 27318 119898119898

Biu 9106 119898119898

Rio 54636 119898119898





Ec 36 119875119867 = 120574 ∙ ℎ119879 ∙ 119876 119875119867 = 164902 119896119882





81









el rodete



ecuacioacuten 38

Ec 38 1199081119906 = 1198881 minus 119906 1199081119906 = 3856 119898119904

Phellip

00

5000

10000

15000

20000

0 005 01 015 02 025 03 035 04 045 05 055 06


82




expresioacuten

Ec 39 1198882 = 2 ∙ 1199062 ∙ 1199041198901198992(1205732

2) 1198882 = 407 119898119904






Ec 37 119865 = 120588 ∙ 119876 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) 119865 = 4301 119896119873







83







Ec 41 119872 = 120588 ∙ 119876 ∙ 119903 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) 119872 = 1522 119896119873 ∙ 119898




84













Ec 42 119875119886 = 119872 ∙ 120596 119875119886 = 142585 119896119882 = 19028 119862119881

85



Ec 43 119899119904 =119899 ∙ radic119875119886

ℎ119879

54frasl

119899119904 = 3425 119903119901119898 = 057 119903119901119904











86










Ec 46 120578119887119890 =119896119887119890 ∙ 119899119902

119875119886 120578119887119890 = 00000003






Ec 48 119882119894 = 11989215 ∙(1 + 2 ∙ 119899119904)

5

1198991199042

119882119894 = 424446



Ec 47 120578119908119894 = 4211990910minus7 ∙ 119882119894 ∙119886

119885∙1198993

1198991198733 120578119908119894 = 00011



87





Ec 45 119875119894 = 119875119886 + 119875119898119903 119875119894 = 142742 119896119882





Ec 49 120578ℎ =119867119906

119867=

1199061 ∙ 1198621119906 minus 1199062 ∙ 1198622119906

119892 ∙ 119867 120578ℎ = 0867







Ec 50 120578119907 =119876 minus 119902119890 minus 119902119894

119876 120578119907 = 1





88

Ec 51 120578119898 =119875119886119875119894

120578119898 = 0998




Ec 52 120578119905119900119905 = 120578119898 ∙ 120578119907 ∙ 120578ℎ 120578119905119900119905 = 0865





eleacutectrico













89


ELEMENTOS

Carbono (C) 008

Manganeso (Mn) 2

Fosforo (P) 004

Azufre (S) 003

Silicio (Si) 075

Cromo (Cr) 16 a 18















elemento





90

CAPIacuteTULO 4

PROPUESTA



CAD ndash CAM














vector de velocidad









91







sistema




modelo propuesto






proceso







termoeleacutectrica






92











operacionales




estudio



93










operacional










94





















95




resultados








96


21505 N








el disentildeo

97

















98






Geometry









99

Mesh









Turbina Pelton



Setup






100





1 atm



Solution











101


Results



- Contour

- Volumen Rendering

- Streamline

- Vector


102













actual

103











Antes Despueacutes


104










105







106











velocidad

P1

P2

P3

P4

P5 P6

P7 P8

P9

P10

107


aacutelabe


P1 7533 0 007 -018

P2 7392 0 006 -014

P3 7225 0 006 -012

P4 5714 0 002 0

P5 493 001 002 002

P6 4289 002 002 004

P7 3101 005 002 0065

P8 4268 0095 002 004

P9 3328 011 002 0

P10 1244 014 002 -008











7533 7392 7225

5714

4934289

3101

4268

3328

1244

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10

Velocidad (ms)

108





frontera

Model



anaacutelisis


- Superficie 1

- Superficie 2


109

Setup










turbina Pelton

110





111


disentildeo











112












143449

153433

130298





087

093

079




Rendimiento

113









revmin


sistema







114

















Incremento de











115

















veces maacutes caro












116


0

02

04

06

08

1

12


KG CO2 MWH

117




la turbina Pelton


























118

RECOMENDACIONES



















119






























120







mecanizado CNC



de


neracionhtm




de Cantabria



Chile







Turbinas pelton

121





316html






















122












_n1a02pdf


Obtenido de






123

ANEXOS


124

ANEXO B


diaacutemetro

1) Codo 45deg

2) Codo 45deg

3) Codo 45deg

4) Codo 45deg

5) Codo 45deg

125

1) Vaacutelvula de

Mariposa


126

ANEXO C



127

ANEXO D



128






(psi)



No2 89 75 003 34 739 6100 3000 14900 8700 245 12 424

5X 87 9 4 6300 15000 25 13 470

No3 833 82 003 83 74 6600 3150 17600 9900 27 145 491

No7 10 15 75 -- 973 3550 1600 15650 6150 225 105 338

No8 5 15 80 -- 1004 3400 1750 15600 6150 20 95 341

Magnolia 3 14 83 -- 106 3380 1810 15500 5940 18

130

ANEXO G


131

ANEXO H




132






Material de relleno



133



134

ANEXO I


135

ANEXO J

PLANO AacuteLABE

viii
















CAPIacuteTULO 2 35




















ix














CAPIacuteTULO 3 67























x







CAPIacuteTULO 4 90

PROPUESTA 90


















RECOMENDACIONES 118


ANEXOS 123

ANEXO A 123

ANEXO B 124

ANEXO C 126

ANEXO D 127

ANEXO E 128

xi

ANEXO F 129

ANEXO G 130

ANEXO H 131

ANEXO I 134

ANEXO J 135

xii




































xiii






























xiv






100


101






























xv








xvi





























xvii















xviii



RESUMEN






















CAD ndash CAM



CAD ndash CAM



PhD


xix



ABSTRACT

























PhD

1

INTRODUCCIOacuteN




























2



























JUSTIFICACIOacuteN




3























OBJETIVO GENERAL





4

HIPOacuteTESIS















empresa ELEPCO SA












turbina Pelton



5





tuacutenel de carga













hidrodinaacutemico








de mecanizado

6































7








y anaacutelisis








8

CAPIacuteTULO 1















arranque














9










equipo







Ecuador














10




















los recursos











11






























12


los tiempos muertos





















realidad







13





utilizado





expuesto el sistema









del material












14































15


























conducciones



16

















17




















18








electricidad












19










clasifican en















20




largo plazo










operacioacuten





energiacutea






21





dividen en





movimiento)




















22













clasifican en






rodete



tipo MICHELL-BANKI









23







del eje es


















24

18 Turbina Pelton



















25








rodete









26















27





acero endurecido











turbina











rodete


chorro

28


infraestructura
















29








el trabajo deseado






mecaacutenica




velocidad del rotor




30










viscosas











Flujo Laminar


Flujo turbulento

31















y manufactura









ingenieril







32




















33























de agua fluyente





salto mayor a 50 m



34




























cual goza

35

CAPIacuteTULO 2


























36





1199071 ∙ 1198601 = 1199072 ∙ 1198602 Ec1









119876 = 119907 ∙ 119860 Ec 2







37

119876 = 02785 ∙ 119862ℎ ∙ 119863263 ∙ 119878054 Ec 3








Tipo de tubo





150 140



130 100

Concreto 120 100









constante



38

1198751

120588+ 1199111 ∙ 119892 +

11990712

2=

1198752

120588+ 1199112 ∙ 119892 +

11990722

2 Ec 4







119864119875 = 119908 ∙ ℎ Ec 5




119864119862 =119908∙1199072

2∙119892 Ec 6





119864119865 =119908∙119901

120574 Ec 7


119864 = 119864119865 + 119864119875 + 119864119862



1198641 =1198751

120588+ 1199111 ∙ 119892 +

11990712

2 Ec 8

39









y secundarias

















40

1198751

120588+ 1199111 ∙ 119892 +

11990712

2+ ℎ119860 minus ℎ119877 minus ℎ119871 =

1198752

120588+ 1199112 ∙ 119892 +

11990722

2 Ec 9







119877119890 =119907∙119863∙120588

120578=

119907times119863

120574 Ec 10





120574 =120578

120588












41

119890 =119863

120598 Ec 11

Donde





(Fuente Mott 2006)


Vidrio Liso Liso













ℎ119871119901 = 120582 ∙119871

119863∙

1199072

2∙119892 Ec 12

Donde






42













segundarias es

ℎ119871119886 = 119896 times1199072

2times119892 Ec 13

Donde



(adimensional)









43


(Fuente Mott 2006)
























diagrama de Moody

44








8

34 abierta 35

12 abierta 160

14 abierta 900
















ℎ119903 = 119896119903 times (119889

119886)075

times1199072

2times119892times 119904119890119899120572 Ec 14

45






Newton

119865 = 119898119889119907

119889119905 Ec 15


int 119865 1198891199051199052

1199051

= int 119898 ∙ 119889119907 1199072

1199071


int 119865 1198891199051199052

1199051

= 119898(1199072 minus 1199071 )

119898 ∙ 1199071 + int 119865 1198891199051199052

1199051= 119898 ∙ 1199072 Ec 16





119865 ∙ 119889119905 = 119889119898 ∙ 119889119907 Ec 17

46

Donde

119889119898 = 120588 ∙ 119889119881


119865 = 120588 ∙119889119881

119889119905∙ 119889119907


tiene

119865 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2 minus 119907 1) Ec 18



119865119909 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2119909 minus 119907 1119909) Ec 19

119865119910 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2119910 minus 119907 1119910) Ec 20

119865119911 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2119911 minus 119907 1119911) Ec 21









internacional

47



Donde











figura 15



48









1205721 = 0deg

1205731 = 180deg





1199081 = 1198881 minus 119906 Ec 22

49



1199081 = 1199082 Ec 23





1198881 = 097 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 Ec 24






final es igual a

1199061 = 045 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 Ec 25






50











119899 =120times119891

119901119900119897119900119904 Ec 26









inyector






51


119889119894 = radic4∙119876

119894∙120587∙1198621 Ec 27

Donde













52



elemento




1 119861 = 31 ∙ 119889119894

2 119861 = 32 ∙ 119889119894

4-5 119861 = 33 ∙ 119889119894

6 119861 gt 33 ∙ 119889119894


31 gt119861

119889119894ge 34 Ec 28


turbina Pelton

53













del agua


54









119863119903 =60∙1198801

120587∙119899 Ec 29

Donde






119863119888 = 119863119903 + (2 ∙ (119863 + 119866)) Ec 30

Donde





119863119886 = 119863119903 + (2 ∙ 119863) Ec 31

Donde


55


turbina Pelton






119885 =2∙120587

119896119901∙(120579minus2∙(119863119886119863119903

)∙119896119906∙119904119890119899(120579

2))

Ec 32

Donde





56




120579 = 2 times 119886119903119888119888119900119904 (119863119903+119889

119863119886) Ec 33







119915119955

119941119946


Z min Z maacutex

15 21 27

14 21 26

13 20 25

12 20 24

11 19 24

10 18 23

9 18 22

8 17 22

75 17 21






57





figura 24


(Fuente Zhang 2016)


Ba 02 ∙ 119863119888

Bio 03 ∙ 119863119888

Biu 1 ∙ 119863119888

Rio 06 ∙ 119863119888






incompresibles

58

119875119867 = 119901 ∙ 119876 Ec 34


ecuacioacuten

119901 = 120574 ∙ ℎ119879 Ec 35

Donde



119875119867 = 120574 ∙ ℎ119879 ∙ 119876 Ec 36





turbina

119865 = 120588 ∙ 119876 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) Ec 37




1199081 = 1199081119906 = 1198881 minus 119906 Ec 38



de salida

11988822 = 1199082

2 + 11990622 minus 2 ∙ 1199062 ∙ 1199082 ∙ cos 1205732

11988822 = 1199082

2 + 11990622 minus 2 ∙ 1199082 ∙ 1199062 + 2 ∙ 1199082 ∙ 1199062 minus 2 ∙ 1199062 ∙ 1199082 ∙ cos 1205732

59

11988822 = (1199082 minus 1199062)

2 + 2 ∙ 1199082 ∙ 1199062 ∙ (1 minus 1198881199001199041205732)

11988822 = (1199082 minus 1199062) + 4 ∙ 1199082 ∙ 1199062 ∙ 1199041198901198992(

1205732

2)


1199082 cong 1199062

Se tiene que

1198882 = 2 ∙ 1199062 ∙ 119904119890119899(1205732

2) Ec 39



de salida

1199082119906 = minus1199082 ∙ cos 1205732 Ec 40




119872 = 120588 ∙ 119876 ∙ 119903 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) Ec 41










60

119875119886 = 119872 ∙ 120596 Ec 42










119899119904 =119899∙radic119875119886

ℎ119879

54frasl

Ec 43


43 son









120575 =119889119894

119863119903 Ec 44

61




diaacutemetros

Nuacutemero

especiacutefico de

revoluciones


rendimiento) 001 24


rendimiento) 003 8


rendimiento) 014 35


rendimiento) 011 27





Sistema Turbina


ns velocidad

especiacutefica

maacutexima (buen

rendimiento)









119875119894 = 119875119886 + 119875119898119903 Ec 45

62






120578119887119890 =119896119887119890∙119899119902

119875119886 Ec 46

Donde













120578119908119894 = 4211990910minus7 ∙ 119882119894 ∙119886

119885∙

1198993

1198991198733 Ec 47

Donde






63



119882119894 = 11989215 ∙(1+2∙119899119904)

5

1198991199042 Ec 48








120578ℎ =119867119906

119867=

1199061∙1198621119906minus 1199062∙1198622119906

119892times119867 Ec 49








120578119907 =119876minus119902119890minus119902119894

119876 Ec 50

Donde




64





transmisioacuten

120578119898 =119875119886

119875119894 Ec 51





120578119905119900119905 = 120578119898 ∙ 120578119907 ∙ 120578ℎ =119875119886

119875 Ec 52














65




























66












mecanismo





67

CAPIacuteTULO 3
























cambios

68





sentildealados

h0 = 3527 msnm

h1 = 3819 msnm

Donde


maacutequinas


de carga







69


presa






12



1 10 066 94 070

2 10 066 79 084

3 10 066 85 078

4 10 066 88 075

5 10 066 81 081

6 10 066 91 073

7 10 066 83 080

8 10 066 85 078

9 10 066 86 077

10 10 066 91 073

PROMEDIO 077











70










Ec 3 119876 = 02785 ∙ 119862ℎ ∙ 119863263 ∙ 119878054 119876 = 152 1198983119904








71

Ec 2 119907 =119876

119860 119907 = 262 119898119904



hidraacuteulica



Ec 10 119877119890 =119907 ∙ 119863 ∙ 120588

120578 119877119890 = 10883 ∙ 106






Ec 11 119890 =119863

120598 119890 = 117391







72





Ec 12 ℎ119871119901 = 120582 ∙119871

119863∙

1199072

2 ∙ 119892 ℎ119871119901 = 1074 119898








Vaacutelvulas y

Acoplamientos

Coeficiente de

resistencia









Є = 46 10-5 m


73

Ec 11 119890 =119863

120598 119890 = 117391




119891119903 = 0019





resistencia


fr = 0019



25 middot fr 0475


8 middot fr 0152





Ec 13 ℎ119871119886 = 119896 ∙1199072

2 ∙ 119892 ℎ119871119886 = 0884

74



Ndeg de accesorios

Coeficiente de

resistencia

Perdidas (m)

Codo 45deg 5 038 0665


1 0475 0166


1 0152 0053

Total 0884










t 0005

b 003

α 0deg

75

Ec 14 ℎ119903 = 119896119903 ∙ (119889

119886)075

∙1199072

2 ∙ 119892∙ 119904119890119899120572 ℎ119903 = 022 119898




ℎ119871 = 1074 119898 + 088 119898 + 022 119898

ℎ119871 = 1184 119898



ℎ119879 = 28016 119898



tiene que






Ec 24 1198881 = 097 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 1198881 = 7192 119898119904



76


donde

Ec 25 1199061 = 045 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 1199061 = 3336 119898119904




1205721 = 0deg

1205731 = 180deg



Ec 22 1199081 = 1198881 minus 119906 1199081 = 3856 119898119904


1199061 = 1199062 = 119906 = 3336 119898119904







aproximada a cero





77

Ec 26 119899119904 =120 ∙ 119891

119901 119899119904 = 900 119903119901119898







Ec 27 119889119894 = radic4 ∙ 119876

119911 ∙ 120587 ∙ 1198621 119889119894 = 7287 119898119898









78

Tabla 7 119861 = 32 ∙ 119889119894 119861 = 23312 119898119898











A 219middotdi 1596

B 32middotdi 23312

C 285middotdi 2077

D 095middotdi 692

E 095middotdi 692

F 14middotdi 102

G 044middotdi 321

H 055middotdi 402







Ec 29 119863119903 =60 ∙ 1198801

120587 ∙ 119899119904 119863119903 = 708 119898119898

79

Ec 30 119863119888 = 119863119903 + (2 ∙ (119863 + 119866)) 119863119888 = 9106 119898119898

Ec 31 119863119886 = 119863119903 + (2 ∙ 119863) 119863119886 = 8464 119898119898






Ec 32 119885 =

2 ∙ 120587

119896119901 ∙ (120579 minus 2 ∙ (119863119886

119863119903) ∙ 119896119906 ∙ 119904119890119899 (

1205792))

119885 = 1976 cong 20

Ec 33 120579 = 2 ∙ 119886119903119888119888119900119904 (119863119901 + 119889

119863119886) 120579 = 079 119903119886119889





que

119863119903

119889119894= 969 cong 10



1205734 = 11deg


80









Ba 18212 119898119898

Bio 27318 119898119898

Biu 9106 119898119898

Rio 54636 119898119898





Ec 36 119875119867 = 120574 ∙ ℎ119879 ∙ 119876 119875119867 = 164902 119896119882





81









el rodete



ecuacioacuten 38

Ec 38 1199081119906 = 1198881 minus 119906 1199081119906 = 3856 119898119904

Phellip

00

5000

10000

15000

20000

0 005 01 015 02 025 03 035 04 045 05 055 06


82




expresioacuten

Ec 39 1198882 = 2 ∙ 1199062 ∙ 1199041198901198992(1205732

2) 1198882 = 407 119898119904






Ec 37 119865 = 120588 ∙ 119876 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) 119865 = 4301 119896119873







83







Ec 41 119872 = 120588 ∙ 119876 ∙ 119903 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) 119872 = 1522 119896119873 ∙ 119898




84













Ec 42 119875119886 = 119872 ∙ 120596 119875119886 = 142585 119896119882 = 19028 119862119881

85



Ec 43 119899119904 =119899 ∙ radic119875119886

ℎ119879

54frasl

119899119904 = 3425 119903119901119898 = 057 119903119901119904











86










Ec 46 120578119887119890 =119896119887119890 ∙ 119899119902

119875119886 120578119887119890 = 00000003






Ec 48 119882119894 = 11989215 ∙(1 + 2 ∙ 119899119904)

5

1198991199042

119882119894 = 424446



Ec 47 120578119908119894 = 4211990910minus7 ∙ 119882119894 ∙119886

119885∙1198993

1198991198733 120578119908119894 = 00011



87





Ec 45 119875119894 = 119875119886 + 119875119898119903 119875119894 = 142742 119896119882





Ec 49 120578ℎ =119867119906

119867=

1199061 ∙ 1198621119906 minus 1199062 ∙ 1198622119906

119892 ∙ 119867 120578ℎ = 0867







Ec 50 120578119907 =119876 minus 119902119890 minus 119902119894

119876 120578119907 = 1





88

Ec 51 120578119898 =119875119886119875119894

120578119898 = 0998




Ec 52 120578119905119900119905 = 120578119898 ∙ 120578119907 ∙ 120578ℎ 120578119905119900119905 = 0865





eleacutectrico













89


ELEMENTOS

Carbono (C) 008

Manganeso (Mn) 2

Fosforo (P) 004

Azufre (S) 003

Silicio (Si) 075

Cromo (Cr) 16 a 18















elemento





90

CAPIacuteTULO 4

PROPUESTA



CAD ndash CAM














vector de velocidad









91







sistema




modelo propuesto






proceso







termoeleacutectrica






92











operacionales




estudio



93










operacional










94





















95




resultados








96


21505 N








el disentildeo

97

















98






Geometry









99

Mesh









Turbina Pelton



Setup






100





1 atm



Solution











101


Results



- Contour

- Volumen Rendering

- Streamline

- Vector


102













actual

103











Antes Despueacutes


104










105







106











velocidad

P1

P2

P3

P4

P5 P6

P7 P8

P9

P10

107


aacutelabe


P1 7533 0 007 -018

P2 7392 0 006 -014

P3 7225 0 006 -012

P4 5714 0 002 0

P5 493 001 002 002

P6 4289 002 002 004

P7 3101 005 002 0065

P8 4268 0095 002 004

P9 3328 011 002 0

P10 1244 014 002 -008











7533 7392 7225

5714

4934289

3101

4268

3328

1244

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10

Velocidad (ms)

108





frontera

Model



anaacutelisis


- Superficie 1

- Superficie 2


109

Setup










turbina Pelton

110





111


disentildeo











112












143449

153433

130298





087

093

079




Rendimiento

113









revmin


sistema







114

















Incremento de











115

















veces maacutes caro












116


0

02

04

06

08

1

12


KG CO2 MWH

117




la turbina Pelton


























118

RECOMENDACIONES



















119






























120







mecanizado CNC



de


neracionhtm




de Cantabria



Chile







Turbinas pelton

121





316html






















122












_n1a02pdf


Obtenido de






123

ANEXOS


124

ANEXO B


diaacutemetro

1) Codo 45deg

2) Codo 45deg

3) Codo 45deg

4) Codo 45deg

5) Codo 45deg

125

1) Vaacutelvula de

Mariposa


126

ANEXO C



127

ANEXO D



128






(psi)



No2 89 75 003 34 739 6100 3000 14900 8700 245 12 424

5X 87 9 4 6300 15000 25 13 470

No3 833 82 003 83 74 6600 3150 17600 9900 27 145 491

No7 10 15 75 -- 973 3550 1600 15650 6150 225 105 338

No8 5 15 80 -- 1004 3400 1750 15600 6150 20 95 341

Magnolia 3 14 83 -- 106 3380 1810 15500 5940 18

130

ANEXO G


131

ANEXO H




132






Material de relleno



133



134

ANEXO I


135

ANEXO J

PLANO AacuteLABE

ix














CAPIacuteTULO 3 67























x







CAPIacuteTULO 4 90

PROPUESTA 90


















RECOMENDACIONES 118


ANEXOS 123

ANEXO A 123

ANEXO B 124

ANEXO C 126

ANEXO D 127

ANEXO E 128

xi

ANEXO F 129

ANEXO G 130

ANEXO H 131

ANEXO I 134

ANEXO J 135

xii




































xiii






























xiv






100


101






























xv








xvi





























xvii















xviii



RESUMEN






















CAD ndash CAM



CAD ndash CAM



PhD


xix



ABSTRACT

























PhD

1

INTRODUCCIOacuteN




























2



























JUSTIFICACIOacuteN




3























OBJETIVO GENERAL





4

HIPOacuteTESIS















empresa ELEPCO SA












turbina Pelton



5





tuacutenel de carga













hidrodinaacutemico








de mecanizado

6































7








y anaacutelisis








8

CAPIacuteTULO 1















arranque














9










equipo







Ecuador














10




















los recursos











11






























12


los tiempos muertos





















realidad







13





utilizado





expuesto el sistema









del material












14































15


























conducciones



16

















17




















18








electricidad












19










clasifican en















20




largo plazo










operacioacuten





energiacutea






21





dividen en





movimiento)




















22













clasifican en






rodete



tipo MICHELL-BANKI









23







del eje es


















24

18 Turbina Pelton



















25








rodete









26















27





acero endurecido











turbina











rodete


chorro

28


infraestructura
















29








el trabajo deseado






mecaacutenica




velocidad del rotor




30










viscosas











Flujo Laminar


Flujo turbulento

31















y manufactura









ingenieril







32




















33























de agua fluyente





salto mayor a 50 m



34




























cual goza

35

CAPIacuteTULO 2


























36





1199071 ∙ 1198601 = 1199072 ∙ 1198602 Ec1









119876 = 119907 ∙ 119860 Ec 2







37

119876 = 02785 ∙ 119862ℎ ∙ 119863263 ∙ 119878054 Ec 3








Tipo de tubo





150 140



130 100

Concreto 120 100









constante



38

1198751

120588+ 1199111 ∙ 119892 +

11990712

2=

1198752

120588+ 1199112 ∙ 119892 +

11990722

2 Ec 4







119864119875 = 119908 ∙ ℎ Ec 5




119864119862 =119908∙1199072

2∙119892 Ec 6





119864119865 =119908∙119901

120574 Ec 7


119864 = 119864119865 + 119864119875 + 119864119862



1198641 =1198751

120588+ 1199111 ∙ 119892 +

11990712

2 Ec 8

39









y secundarias

















40

1198751

120588+ 1199111 ∙ 119892 +

11990712

2+ ℎ119860 minus ℎ119877 minus ℎ119871 =

1198752

120588+ 1199112 ∙ 119892 +

11990722

2 Ec 9







119877119890 =119907∙119863∙120588

120578=

119907times119863

120574 Ec 10





120574 =120578

120588












41

119890 =119863

120598 Ec 11

Donde





(Fuente Mott 2006)


Vidrio Liso Liso













ℎ119871119901 = 120582 ∙119871

119863∙

1199072

2∙119892 Ec 12

Donde






42













segundarias es

ℎ119871119886 = 119896 times1199072

2times119892 Ec 13

Donde



(adimensional)









43


(Fuente Mott 2006)
























diagrama de Moody

44








8

34 abierta 35

12 abierta 160

14 abierta 900
















ℎ119903 = 119896119903 times (119889

119886)075

times1199072

2times119892times 119904119890119899120572 Ec 14

45






Newton

119865 = 119898119889119907

119889119905 Ec 15


int 119865 1198891199051199052

1199051

= int 119898 ∙ 119889119907 1199072

1199071


int 119865 1198891199051199052

1199051

= 119898(1199072 minus 1199071 )

119898 ∙ 1199071 + int 119865 1198891199051199052

1199051= 119898 ∙ 1199072 Ec 16





119865 ∙ 119889119905 = 119889119898 ∙ 119889119907 Ec 17

46

Donde

119889119898 = 120588 ∙ 119889119881


119865 = 120588 ∙119889119881

119889119905∙ 119889119907


tiene

119865 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2 minus 119907 1) Ec 18



119865119909 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2119909 minus 119907 1119909) Ec 19

119865119910 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2119910 minus 119907 1119910) Ec 20

119865119911 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2119911 minus 119907 1119911) Ec 21









internacional

47



Donde











figura 15



48









1205721 = 0deg

1205731 = 180deg





1199081 = 1198881 minus 119906 Ec 22

49



1199081 = 1199082 Ec 23





1198881 = 097 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 Ec 24






final es igual a

1199061 = 045 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 Ec 25






50











119899 =120times119891

119901119900119897119900119904 Ec 26









inyector






51


119889119894 = radic4∙119876

119894∙120587∙1198621 Ec 27

Donde













52



elemento




1 119861 = 31 ∙ 119889119894

2 119861 = 32 ∙ 119889119894

4-5 119861 = 33 ∙ 119889119894

6 119861 gt 33 ∙ 119889119894


31 gt119861

119889119894ge 34 Ec 28


turbina Pelton

53













del agua


54









119863119903 =60∙1198801

120587∙119899 Ec 29

Donde






119863119888 = 119863119903 + (2 ∙ (119863 + 119866)) Ec 30

Donde





119863119886 = 119863119903 + (2 ∙ 119863) Ec 31

Donde


55


turbina Pelton






119885 =2∙120587

119896119901∙(120579minus2∙(119863119886119863119903

)∙119896119906∙119904119890119899(120579

2))

Ec 32

Donde





56




120579 = 2 times 119886119903119888119888119900119904 (119863119903+119889

119863119886) Ec 33







119915119955

119941119946


Z min Z maacutex

15 21 27

14 21 26

13 20 25

12 20 24

11 19 24

10 18 23

9 18 22

8 17 22

75 17 21






57





figura 24


(Fuente Zhang 2016)


Ba 02 ∙ 119863119888

Bio 03 ∙ 119863119888

Biu 1 ∙ 119863119888

Rio 06 ∙ 119863119888






incompresibles

58

119875119867 = 119901 ∙ 119876 Ec 34


ecuacioacuten

119901 = 120574 ∙ ℎ119879 Ec 35

Donde



119875119867 = 120574 ∙ ℎ119879 ∙ 119876 Ec 36





turbina

119865 = 120588 ∙ 119876 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) Ec 37




1199081 = 1199081119906 = 1198881 minus 119906 Ec 38



de salida

11988822 = 1199082

2 + 11990622 minus 2 ∙ 1199062 ∙ 1199082 ∙ cos 1205732

11988822 = 1199082

2 + 11990622 minus 2 ∙ 1199082 ∙ 1199062 + 2 ∙ 1199082 ∙ 1199062 minus 2 ∙ 1199062 ∙ 1199082 ∙ cos 1205732

59

11988822 = (1199082 minus 1199062)

2 + 2 ∙ 1199082 ∙ 1199062 ∙ (1 minus 1198881199001199041205732)

11988822 = (1199082 minus 1199062) + 4 ∙ 1199082 ∙ 1199062 ∙ 1199041198901198992(

1205732

2)


1199082 cong 1199062

Se tiene que

1198882 = 2 ∙ 1199062 ∙ 119904119890119899(1205732

2) Ec 39



de salida

1199082119906 = minus1199082 ∙ cos 1205732 Ec 40




119872 = 120588 ∙ 119876 ∙ 119903 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) Ec 41










60

119875119886 = 119872 ∙ 120596 Ec 42










119899119904 =119899∙radic119875119886

ℎ119879

54frasl

Ec 43


43 son









120575 =119889119894

119863119903 Ec 44

61




diaacutemetros

Nuacutemero

especiacutefico de

revoluciones


rendimiento) 001 24


rendimiento) 003 8


rendimiento) 014 35


rendimiento) 011 27





Sistema Turbina


ns velocidad

especiacutefica

maacutexima (buen

rendimiento)









119875119894 = 119875119886 + 119875119898119903 Ec 45

62






120578119887119890 =119896119887119890∙119899119902

119875119886 Ec 46

Donde













120578119908119894 = 4211990910minus7 ∙ 119882119894 ∙119886

119885∙

1198993

1198991198733 Ec 47

Donde






63



119882119894 = 11989215 ∙(1+2∙119899119904)

5

1198991199042 Ec 48








120578ℎ =119867119906

119867=

1199061∙1198621119906minus 1199062∙1198622119906

119892times119867 Ec 49








120578119907 =119876minus119902119890minus119902119894

119876 Ec 50

Donde




64





transmisioacuten

120578119898 =119875119886

119875119894 Ec 51





120578119905119900119905 = 120578119898 ∙ 120578119907 ∙ 120578ℎ =119875119886

119875 Ec 52














65




























66












mecanismo





67

CAPIacuteTULO 3
























cambios

68





sentildealados

h0 = 3527 msnm

h1 = 3819 msnm

Donde


maacutequinas


de carga







69


presa






12



1 10 066 94 070

2 10 066 79 084

3 10 066 85 078

4 10 066 88 075

5 10 066 81 081

6 10 066 91 073

7 10 066 83 080

8 10 066 85 078

9 10 066 86 077

10 10 066 91 073

PROMEDIO 077











70










Ec 3 119876 = 02785 ∙ 119862ℎ ∙ 119863263 ∙ 119878054 119876 = 152 1198983119904








71

Ec 2 119907 =119876

119860 119907 = 262 119898119904



hidraacuteulica



Ec 10 119877119890 =119907 ∙ 119863 ∙ 120588

120578 119877119890 = 10883 ∙ 106






Ec 11 119890 =119863

120598 119890 = 117391







72





Ec 12 ℎ119871119901 = 120582 ∙119871

119863∙

1199072

2 ∙ 119892 ℎ119871119901 = 1074 119898








Vaacutelvulas y

Acoplamientos

Coeficiente de

resistencia









Є = 46 10-5 m


73

Ec 11 119890 =119863

120598 119890 = 117391




119891119903 = 0019





resistencia


fr = 0019



25 middot fr 0475


8 middot fr 0152





Ec 13 ℎ119871119886 = 119896 ∙1199072

2 ∙ 119892 ℎ119871119886 = 0884

74



Ndeg de accesorios

Coeficiente de

resistencia

Perdidas (m)

Codo 45deg 5 038 0665


1 0475 0166


1 0152 0053

Total 0884










t 0005

b 003

α 0deg

75

Ec 14 ℎ119903 = 119896119903 ∙ (119889

119886)075

∙1199072

2 ∙ 119892∙ 119904119890119899120572 ℎ119903 = 022 119898




ℎ119871 = 1074 119898 + 088 119898 + 022 119898

ℎ119871 = 1184 119898



ℎ119879 = 28016 119898



tiene que






Ec 24 1198881 = 097 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 1198881 = 7192 119898119904



76


donde

Ec 25 1199061 = 045 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 1199061 = 3336 119898119904




1205721 = 0deg

1205731 = 180deg



Ec 22 1199081 = 1198881 minus 119906 1199081 = 3856 119898119904


1199061 = 1199062 = 119906 = 3336 119898119904







aproximada a cero





77

Ec 26 119899119904 =120 ∙ 119891

119901 119899119904 = 900 119903119901119898







Ec 27 119889119894 = radic4 ∙ 119876

119911 ∙ 120587 ∙ 1198621 119889119894 = 7287 119898119898









78

Tabla 7 119861 = 32 ∙ 119889119894 119861 = 23312 119898119898











A 219middotdi 1596

B 32middotdi 23312

C 285middotdi 2077

D 095middotdi 692

E 095middotdi 692

F 14middotdi 102

G 044middotdi 321

H 055middotdi 402







Ec 29 119863119903 =60 ∙ 1198801

120587 ∙ 119899119904 119863119903 = 708 119898119898

79

Ec 30 119863119888 = 119863119903 + (2 ∙ (119863 + 119866)) 119863119888 = 9106 119898119898

Ec 31 119863119886 = 119863119903 + (2 ∙ 119863) 119863119886 = 8464 119898119898






Ec 32 119885 =

2 ∙ 120587

119896119901 ∙ (120579 minus 2 ∙ (119863119886

119863119903) ∙ 119896119906 ∙ 119904119890119899 (

1205792))

119885 = 1976 cong 20

Ec 33 120579 = 2 ∙ 119886119903119888119888119900119904 (119863119901 + 119889

119863119886) 120579 = 079 119903119886119889





que

119863119903

119889119894= 969 cong 10



1205734 = 11deg


80









Ba 18212 119898119898

Bio 27318 119898119898

Biu 9106 119898119898

Rio 54636 119898119898





Ec 36 119875119867 = 120574 ∙ ℎ119879 ∙ 119876 119875119867 = 164902 119896119882





81









el rodete



ecuacioacuten 38

Ec 38 1199081119906 = 1198881 minus 119906 1199081119906 = 3856 119898119904

Phellip

00

5000

10000

15000

20000

0 005 01 015 02 025 03 035 04 045 05 055 06


82




expresioacuten

Ec 39 1198882 = 2 ∙ 1199062 ∙ 1199041198901198992(1205732

2) 1198882 = 407 119898119904






Ec 37 119865 = 120588 ∙ 119876 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) 119865 = 4301 119896119873







83







Ec 41 119872 = 120588 ∙ 119876 ∙ 119903 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) 119872 = 1522 119896119873 ∙ 119898




84













Ec 42 119875119886 = 119872 ∙ 120596 119875119886 = 142585 119896119882 = 19028 119862119881

85



Ec 43 119899119904 =119899 ∙ radic119875119886

ℎ119879

54frasl

119899119904 = 3425 119903119901119898 = 057 119903119901119904











86










Ec 46 120578119887119890 =119896119887119890 ∙ 119899119902

119875119886 120578119887119890 = 00000003






Ec 48 119882119894 = 11989215 ∙(1 + 2 ∙ 119899119904)

5

1198991199042

119882119894 = 424446



Ec 47 120578119908119894 = 4211990910minus7 ∙ 119882119894 ∙119886

119885∙1198993

1198991198733 120578119908119894 = 00011



87





Ec 45 119875119894 = 119875119886 + 119875119898119903 119875119894 = 142742 119896119882





Ec 49 120578ℎ =119867119906

119867=

1199061 ∙ 1198621119906 minus 1199062 ∙ 1198622119906

119892 ∙ 119867 120578ℎ = 0867







Ec 50 120578119907 =119876 minus 119902119890 minus 119902119894

119876 120578119907 = 1





88

Ec 51 120578119898 =119875119886119875119894

120578119898 = 0998




Ec 52 120578119905119900119905 = 120578119898 ∙ 120578119907 ∙ 120578ℎ 120578119905119900119905 = 0865





eleacutectrico













89


ELEMENTOS

Carbono (C) 008

Manganeso (Mn) 2

Fosforo (P) 004

Azufre (S) 003

Silicio (Si) 075

Cromo (Cr) 16 a 18















elemento





90

CAPIacuteTULO 4

PROPUESTA



CAD ndash CAM














vector de velocidad









91







sistema




modelo propuesto






proceso







termoeleacutectrica






92











operacionales




estudio



93










operacional










94





















95




resultados








96


21505 N








el disentildeo

97

















98






Geometry









99

Mesh









Turbina Pelton



Setup






100





1 atm



Solution











101


Results



- Contour

- Volumen Rendering

- Streamline

- Vector


102













actual

103











Antes Despueacutes


104










105







106











velocidad

P1

P2

P3

P4

P5 P6

P7 P8

P9

P10

107


aacutelabe


P1 7533 0 007 -018

P2 7392 0 006 -014

P3 7225 0 006 -012

P4 5714 0 002 0

P5 493 001 002 002

P6 4289 002 002 004

P7 3101 005 002 0065

P8 4268 0095 002 004

P9 3328 011 002 0

P10 1244 014 002 -008











7533 7392 7225

5714

4934289

3101

4268

3328

1244

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10

Velocidad (ms)

108





frontera

Model



anaacutelisis


- Superficie 1

- Superficie 2


109

Setup










turbina Pelton

110





111


disentildeo











112












143449

153433

130298





087

093

079




Rendimiento

113









revmin


sistema







114

















Incremento de











115

















veces maacutes caro












116


0

02

04

06

08

1

12


KG CO2 MWH

117




la turbina Pelton


























118

RECOMENDACIONES



















119






























120







mecanizado CNC



de


neracionhtm




de Cantabria



Chile







Turbinas pelton

121





316html






















122












_n1a02pdf


Obtenido de






123

ANEXOS


124

ANEXO B


diaacutemetro

1) Codo 45deg

2) Codo 45deg

3) Codo 45deg

4) Codo 45deg

5) Codo 45deg

125

1) Vaacutelvula de

Mariposa


126

ANEXO C



127

ANEXO D



128






(psi)



No2 89 75 003 34 739 6100 3000 14900 8700 245 12 424

5X 87 9 4 6300 15000 25 13 470

No3 833 82 003 83 74 6600 3150 17600 9900 27 145 491

No7 10 15 75 -- 973 3550 1600 15650 6150 225 105 338

No8 5 15 80 -- 1004 3400 1750 15600 6150 20 95 341

Magnolia 3 14 83 -- 106 3380 1810 15500 5940 18

130

ANEXO G


131

ANEXO H




132






Material de relleno



133



134

ANEXO I


135

ANEXO J

PLANO AacuteLABE

x







CAPIacuteTULO 4 90

PROPUESTA 90


















RECOMENDACIONES 118


ANEXOS 123

ANEXO A 123

ANEXO B 124

ANEXO C 126

ANEXO D 127

ANEXO E 128

xi

ANEXO F 129

ANEXO G 130

ANEXO H 131

ANEXO I 134

ANEXO J 135

xii




































xiii






























xiv






100


101






























xv








xvi





























xvii















xviii



RESUMEN






















CAD ndash CAM



CAD ndash CAM



PhD


xix



ABSTRACT

























PhD

1

INTRODUCCIOacuteN




























2



























JUSTIFICACIOacuteN




3























OBJETIVO GENERAL





4

HIPOacuteTESIS















empresa ELEPCO SA












turbina Pelton



5





tuacutenel de carga













hidrodinaacutemico








de mecanizado

6































7








y anaacutelisis








8

CAPIacuteTULO 1















arranque














9










equipo







Ecuador














10




















los recursos











11






























12


los tiempos muertos





















realidad







13





utilizado





expuesto el sistema









del material












14































15


























conducciones



16

















17




















18








electricidad












19










clasifican en















20




largo plazo










operacioacuten





energiacutea






21





dividen en





movimiento)




















22













clasifican en






rodete



tipo MICHELL-BANKI









23







del eje es


















24

18 Turbina Pelton



















25








rodete









26















27





acero endurecido











turbina











rodete


chorro

28


infraestructura
















29








el trabajo deseado






mecaacutenica




velocidad del rotor




30










viscosas











Flujo Laminar


Flujo turbulento

31















y manufactura









ingenieril







32




















33























de agua fluyente





salto mayor a 50 m



34




























cual goza

35

CAPIacuteTULO 2


























36





1199071 ∙ 1198601 = 1199072 ∙ 1198602 Ec1









119876 = 119907 ∙ 119860 Ec 2







37

119876 = 02785 ∙ 119862ℎ ∙ 119863263 ∙ 119878054 Ec 3








Tipo de tubo





150 140



130 100

Concreto 120 100









constante



38

1198751

120588+ 1199111 ∙ 119892 +

11990712

2=

1198752

120588+ 1199112 ∙ 119892 +

11990722

2 Ec 4







119864119875 = 119908 ∙ ℎ Ec 5




119864119862 =119908∙1199072

2∙119892 Ec 6





119864119865 =119908∙119901

120574 Ec 7


119864 = 119864119865 + 119864119875 + 119864119862



1198641 =1198751

120588+ 1199111 ∙ 119892 +

11990712

2 Ec 8

39









y secundarias

















40

1198751

120588+ 1199111 ∙ 119892 +

11990712

2+ ℎ119860 minus ℎ119877 minus ℎ119871 =

1198752

120588+ 1199112 ∙ 119892 +

11990722

2 Ec 9







119877119890 =119907∙119863∙120588

120578=

119907times119863

120574 Ec 10





120574 =120578

120588












41

119890 =119863

120598 Ec 11

Donde





(Fuente Mott 2006)


Vidrio Liso Liso













ℎ119871119901 = 120582 ∙119871

119863∙

1199072

2∙119892 Ec 12

Donde






42













segundarias es

ℎ119871119886 = 119896 times1199072

2times119892 Ec 13

Donde



(adimensional)









43


(Fuente Mott 2006)
























diagrama de Moody

44








8

34 abierta 35

12 abierta 160

14 abierta 900
















ℎ119903 = 119896119903 times (119889

119886)075

times1199072

2times119892times 119904119890119899120572 Ec 14

45






Newton

119865 = 119898119889119907

119889119905 Ec 15


int 119865 1198891199051199052

1199051

= int 119898 ∙ 119889119907 1199072

1199071


int 119865 1198891199051199052

1199051

= 119898(1199072 minus 1199071 )

119898 ∙ 1199071 + int 119865 1198891199051199052

1199051= 119898 ∙ 1199072 Ec 16





119865 ∙ 119889119905 = 119889119898 ∙ 119889119907 Ec 17

46

Donde

119889119898 = 120588 ∙ 119889119881


119865 = 120588 ∙119889119881

119889119905∙ 119889119907


tiene

119865 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2 minus 119907 1) Ec 18



119865119909 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2119909 minus 119907 1119909) Ec 19

119865119910 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2119910 minus 119907 1119910) Ec 20

119865119911 = 120588 ∙ 119876 ∙ (119907 2119911 minus 119907 1119911) Ec 21









internacional

47



Donde











figura 15



48









1205721 = 0deg

1205731 = 180deg





1199081 = 1198881 minus 119906 Ec 22

49



1199081 = 1199082 Ec 23





1198881 = 097 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 Ec 24






final es igual a

1199061 = 045 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 Ec 25






50











119899 =120times119891

119901119900119897119900119904 Ec 26









inyector






51


119889119894 = radic4∙119876

119894∙120587∙1198621 Ec 27

Donde













52



elemento




1 119861 = 31 ∙ 119889119894

2 119861 = 32 ∙ 119889119894

4-5 119861 = 33 ∙ 119889119894

6 119861 gt 33 ∙ 119889119894


31 gt119861

119889119894ge 34 Ec 28


turbina Pelton

53













del agua


54









119863119903 =60∙1198801

120587∙119899 Ec 29

Donde






119863119888 = 119863119903 + (2 ∙ (119863 + 119866)) Ec 30

Donde





119863119886 = 119863119903 + (2 ∙ 119863) Ec 31

Donde


55


turbina Pelton






119885 =2∙120587

119896119901∙(120579minus2∙(119863119886119863119903

)∙119896119906∙119904119890119899(120579

2))

Ec 32

Donde





56




120579 = 2 times 119886119903119888119888119900119904 (119863119903+119889

119863119886) Ec 33







119915119955

119941119946


Z min Z maacutex

15 21 27

14 21 26

13 20 25

12 20 24

11 19 24

10 18 23

9 18 22

8 17 22

75 17 21






57





figura 24


(Fuente Zhang 2016)


Ba 02 ∙ 119863119888

Bio 03 ∙ 119863119888

Biu 1 ∙ 119863119888

Rio 06 ∙ 119863119888






incompresibles

58

119875119867 = 119901 ∙ 119876 Ec 34


ecuacioacuten

119901 = 120574 ∙ ℎ119879 Ec 35

Donde



119875119867 = 120574 ∙ ℎ119879 ∙ 119876 Ec 36





turbina

119865 = 120588 ∙ 119876 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) Ec 37




1199081 = 1199081119906 = 1198881 minus 119906 Ec 38



de salida

11988822 = 1199082

2 + 11990622 minus 2 ∙ 1199062 ∙ 1199082 ∙ cos 1205732

11988822 = 1199082

2 + 11990622 minus 2 ∙ 1199082 ∙ 1199062 + 2 ∙ 1199082 ∙ 1199062 minus 2 ∙ 1199062 ∙ 1199082 ∙ cos 1205732

59

11988822 = (1199082 minus 1199062)

2 + 2 ∙ 1199082 ∙ 1199062 ∙ (1 minus 1198881199001199041205732)

11988822 = (1199082 minus 1199062) + 4 ∙ 1199082 ∙ 1199062 ∙ 1199041198901198992(

1205732

2)


1199082 cong 1199062

Se tiene que

1198882 = 2 ∙ 1199062 ∙ 119904119890119899(1205732

2) Ec 39



de salida

1199082119906 = minus1199082 ∙ cos 1205732 Ec 40




119872 = 120588 ∙ 119876 ∙ 119903 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) Ec 41










60

119875119886 = 119872 ∙ 120596 Ec 42










119899119904 =119899∙radic119875119886

ℎ119879

54frasl

Ec 43


43 son









120575 =119889119894

119863119903 Ec 44

61




diaacutemetros

Nuacutemero

especiacutefico de

revoluciones


rendimiento) 001 24


rendimiento) 003 8


rendimiento) 014 35


rendimiento) 011 27





Sistema Turbina


ns velocidad

especiacutefica

maacutexima (buen

rendimiento)









119875119894 = 119875119886 + 119875119898119903 Ec 45

62






120578119887119890 =119896119887119890∙119899119902

119875119886 Ec 46

Donde













120578119908119894 = 4211990910minus7 ∙ 119882119894 ∙119886

119885∙

1198993

1198991198733 Ec 47

Donde






63



119882119894 = 11989215 ∙(1+2∙119899119904)

5

1198991199042 Ec 48








120578ℎ =119867119906

119867=

1199061∙1198621119906minus 1199062∙1198622119906

119892times119867 Ec 49








120578119907 =119876minus119902119890minus119902119894

119876 Ec 50

Donde




64





transmisioacuten

120578119898 =119875119886

119875119894 Ec 51





120578119905119900119905 = 120578119898 ∙ 120578119907 ∙ 120578ℎ =119875119886

119875 Ec 52














65




























66












mecanismo





67

CAPIacuteTULO 3
























cambios

68





sentildealados

h0 = 3527 msnm

h1 = 3819 msnm

Donde


maacutequinas


de carga







69


presa






12



1 10 066 94 070

2 10 066 79 084

3 10 066 85 078

4 10 066 88 075

5 10 066 81 081

6 10 066 91 073

7 10 066 83 080

8 10 066 85 078

9 10 066 86 077

10 10 066 91 073

PROMEDIO 077











70










Ec 3 119876 = 02785 ∙ 119862ℎ ∙ 119863263 ∙ 119878054 119876 = 152 1198983119904








71

Ec 2 119907 =119876

119860 119907 = 262 119898119904



hidraacuteulica



Ec 10 119877119890 =119907 ∙ 119863 ∙ 120588

120578 119877119890 = 10883 ∙ 106






Ec 11 119890 =119863

120598 119890 = 117391







72





Ec 12 ℎ119871119901 = 120582 ∙119871

119863∙

1199072

2 ∙ 119892 ℎ119871119901 = 1074 119898








Vaacutelvulas y

Acoplamientos

Coeficiente de

resistencia









Є = 46 10-5 m


73

Ec 11 119890 =119863

120598 119890 = 117391




119891119903 = 0019





resistencia


fr = 0019



25 middot fr 0475


8 middot fr 0152





Ec 13 ℎ119871119886 = 119896 ∙1199072

2 ∙ 119892 ℎ119871119886 = 0884

74



Ndeg de accesorios

Coeficiente de

resistencia

Perdidas (m)

Codo 45deg 5 038 0665


1 0475 0166


1 0152 0053

Total 0884










t 0005

b 003

α 0deg

75

Ec 14 ℎ119903 = 119896119903 ∙ (119889

119886)075

∙1199072

2 ∙ 119892∙ 119904119890119899120572 ℎ119903 = 022 119898




ℎ119871 = 1074 119898 + 088 119898 + 022 119898

ℎ119871 = 1184 119898



ℎ119879 = 28016 119898



tiene que






Ec 24 1198881 = 097 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 1198881 = 7192 119898119904



76


donde

Ec 25 1199061 = 045 ∙ radic2 ∙ 119892 ∙ ℎ119879 1199061 = 3336 119898119904




1205721 = 0deg

1205731 = 180deg



Ec 22 1199081 = 1198881 minus 119906 1199081 = 3856 119898119904


1199061 = 1199062 = 119906 = 3336 119898119904







aproximada a cero





77

Ec 26 119899119904 =120 ∙ 119891

119901 119899119904 = 900 119903119901119898







Ec 27 119889119894 = radic4 ∙ 119876

119911 ∙ 120587 ∙ 1198621 119889119894 = 7287 119898119898









78

Tabla 7 119861 = 32 ∙ 119889119894 119861 = 23312 119898119898











A 219middotdi 1596

B 32middotdi 23312

C 285middotdi 2077

D 095middotdi 692

E 095middotdi 692

F 14middotdi 102

G 044middotdi 321

H 055middotdi 402







Ec 29 119863119903 =60 ∙ 1198801

120587 ∙ 119899119904 119863119903 = 708 119898119898

79

Ec 30 119863119888 = 119863119903 + (2 ∙ (119863 + 119866)) 119863119888 = 9106 119898119898

Ec 31 119863119886 = 119863119903 + (2 ∙ 119863) 119863119886 = 8464 119898119898






Ec 32 119885 =

2 ∙ 120587

119896119901 ∙ (120579 minus 2 ∙ (119863119886

119863119903) ∙ 119896119906 ∙ 119904119890119899 (

1205792))

119885 = 1976 cong 20

Ec 33 120579 = 2 ∙ 119886119903119888119888119900119904 (119863119901 + 119889

119863119886) 120579 = 079 119903119886119889





que

119863119903

119889119894= 969 cong 10



1205734 = 11deg


80









Ba 18212 119898119898

Bio 27318 119898119898

Biu 9106 119898119898

Rio 54636 119898119898





Ec 36 119875119867 = 120574 ∙ ℎ119879 ∙ 119876 119875119867 = 164902 119896119882





81









el rodete



ecuacioacuten 38

Ec 38 1199081119906 = 1198881 minus 119906 1199081119906 = 3856 119898119904

Phellip

00

5000

10000

15000

20000

0 005 01 015 02 025 03 035 04 045 05 055 06


82




expresioacuten

Ec 39 1198882 = 2 ∙ 1199062 ∙ 1199041198901198992(1205732

2) 1198882 = 407 119898119904






Ec 37 119865 = 120588 ∙ 119876 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) 119865 = 4301 119896119873







83







Ec 41 119872 = 120588 ∙ 119876 ∙ 119903 ∙ (1199081119906 minus 1199082119906) 119872 = 1522 119896119873 ∙ 119898




84













Ec 42 119875119886 = 119872 ∙ 120596 119875119886 = 142585 119896119882 = 19028 119862119881

85



Ec 43 119899119904 =119899 ∙ radic119875119886

ℎ119879

54frasl

119899119904 = 3425 119903119901119898 = 057 119903119901119904











86










Ec 46 120578119887119890 =119896119887119890 ∙ 119899119902

119875119886 120578119887119890 = 00000003






Ec 48 119882119894 = 11989215 ∙(1 + 2 ∙ 119899119904)

5

1198991199042

119882119894 = 424446



Ec 47 120578119908119894 = 4211990910minus7 ∙ 119882119894 ∙119886

119885∙1198993

1198991198733 120578119908119894 = 00011



87





Ec 45 119875119894 = 119875119886 + 119875119898119903 119875119894 = 142742 119896119882





Ec 49 120578ℎ =119867119906

119867=

1199061 ∙ 1198621119906 minus 1199062 ∙ 1198622119906

119892 ∙ 119867 120578ℎ = 0867







Ec 50 120578119907 =119876 minus 119902119890 minus 119902119894

119876 120578119907 = 1





88

Ec 51 120578119898 =119875119886119875119894

120578119898 = 0998




Ec 52 120578119905119900119905 = 120578119898 ∙ 120578119907 ∙ 120578ℎ 120578119905119900119905 = 0865





eleacutectrico













89


ELEMENTOS

Carbono (C) 008

Manganeso (Mn) 2

Fosforo (P) 004

Azufre (S) 003

Silicio (Si) 075

Cromo (Cr) 16 a 18















elemento





90

CAPIacuteTULO 4

PROPUESTA



CAD ndash CAM














vector de velocidad









91







sistema




modelo propuesto






proceso







termoeleacutectrica






92











operacionales




estudio



93










operacional










94





















95




resultados








96


21505 N








el disentildeo

97

















98






Geometry









99

Mesh









Turbina Pelton



Setup






100





1 atm



Solution











101


Results



- Contour

- Volumen Rendering

- Streamline

- Vector


102













actual

103











Antes Despueacutes


104










105







106











velocidad

P1

P2

P3

P4

P5 P6

P7 P8

P9

P10

107


aacutelabe


P1 7533 0 007 -018

P2 7392 0 006 -014

P3 7225 0 006 -012

P4 5714 0 002 0

P5 493 001 002 002

P6 4289 002 002 004

P7 3101 005 002 0065

P8 4268 0095 002 004

P9 3328 011 002 0

P10 1244 014 002 -008











7533 7392 7225

5714

4934289

3101

4268

3328

1244

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10

Velocidad (ms)

108





frontera

Model



anaacutelisis


- Superficie 1

- Superficie 2


109

Setup










turbina Pelton

110





111


disentildeo











112












143449

153433

130298





087

093

079




Rendimiento

113









revmin


sistema







114

















Incremento de











115

















veces maacutes caro












116


0

02

04

06

08

1

12


KG CO2 MWH

117




la turbina Pelton


























118

RECOMENDACIONES



















119






























120







mecanizado CNC



de


neracionhtm




de Cantabria



Chile







Turbinas pelton

121





316html






















122












_n1a02pdf


Obtenido de






123

ANEXOS


124

ANEXO B


diaacutemetro

1) Codo 45deg

2) Codo 45deg

3) Codo 45deg

4) Codo 45deg

5) Codo 45deg

125

1) Vaacutelvula de

Mariposa


126

ANEXO C



127

ANEXO D



128






(psi)



No2 89 75 003 34 739 6100 3000 14900 8700 245 12 424

5X 87 9 4 6300 15000 25 13 470

No3 833 82 003 83 74 6600 3150 17600 9900 27 145 491

No7 10 15 75 -- 973 3550 1600 15650 6150 225 105 338

No8 5 15 80 -- 1004 3400 1750 15600 6150 20 95 341

Magnolia 3 14 83 -- 106 3380 1810 15500 5940 18

130

ANEXO G


131

ANEXO H




132






Material de relleno



133



134

ANEXO I


135

ANEXO J

PLANO AacuteLABE

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