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pdf-imforme-de-turbina-pelton compress

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA ACADÉMICA- PROFESIONAL DE
INGENIERÍA MECÁNICA
PROYECTO DE DISEÑO FLUIDODINAMICO DE UNA
TURBINA
HIDRAULICA
PELTON
DOCENTE
: ING. Julca
Verastegui,TIPO
Luis Alberto
ASIGNATURA: TURBOMÁQUINAS.
INTEGRANTES: RAMIREZ QUISPE, Juan
ROMERO SERRANO, Hebert
MENDOZABERECHE, Luis
CHUQUIBALA DIAZ, Edy
MENDOZA HUACACOLQUE, Eric
RUIZ SANCHEZ, Carlos
CALDERON MENDO Luis
Guadalupe-Perú
2018
INTRODUCCIÓN
En estos tiempos como se sabe la energía eléctrica es muy importante en todo sentido, las
fabricas necesitan energía para que funcionen sus motores eléctricos, iluminen sus
instalaciones, y casi todo lo que podamos imaginar necesita de energía eléctrica, y ni que
decir de la energía que utilizamos en los hogares por este y muchos motivos más es que
cada día se ponen en funcionamiento más hidroeléc
hidroeléctricas
tricas y dependiendo de lugar y la altura
de la ciada del agua que se tenga , entonces sabiendo esos detalles se puede elegir que
turbina se instalara, y a partir de que turbina se instale también sabremos cuanta potencia
eléctrica podemos recibir de esta, en este informe hablaremos de la turbina Pelton.
La finalidad de este trabajo es la propuesta del diseño de una Turbina Pelton para satisfacer
de manera óptima a los usuarios beneficiarios del pueblo de Ciudad de Dios y Pakatnamú
RESUMEN
En el presente informe se hablara de la turbina Pelton y sus componentes principales,
luego desarrollaremos el algoritmo y diseñar una o varias turbinas Pelton para abastecer a
la población del pueblo de ciudad de DIOS y Pakatmanú (Ciudad
( Ciudad de Dios es una localidad
de la costa norte peruana ubicada en el distrito de Guadalupe, provincia de Pacasmayo
Pacasmayo,,
del Departamento de La Libertad.
Libertad. La ciudad forma parte del valle agrícola de
Jequetepeque).
La potencia de consumo de esta localidad es de 150Mw aproximadamente, se llegó a la
conclusión que se debería utilizar 5 turbinas Pelton cada una que produzca 30Mw y así
abastecer de energía eléctrica a todo el pueblo mencionado, además de esto se tomó
mucho cuidado en el diseño de las cucharas para esta turbina, como se sabe dentro de los
datos que se nos dio para diseñar esta turbina tenemos que la altura disponible es de 900m
y por ende el diseño de las cucharas y el rodete debe ser muy preciso y esto se logró
aplicando ingeniería e investigando sobre proyectos similares y los problemas que tuvieron
con esa altura.
Además de diseñar también se logró simular en el software SolidWo
SolidWords
rds 2017 y así ver
funcionar a la turbina. Los planos y conclusiones se muestran al final del informe.
ÍNDICE ANALÍTICO
I.
Generalidades:
1.1. Objetivos
1.2. Importancia y/o justificación
1.3. Referencias y/o requisitos de diseño
1.3.1. Antecedentes. Criterios. Aplicaciones:
1.3.2. Característ
Características
icas de funcionamiento
funcionamiento.. Especificac
Especificaciones
iones
1.3.3. Esquemas. Planos de instalacione
instalacioness reales.
II.
Marco teórico y metodología:
2.1. Algoritmo de diseño del rodete pelton.
2.2. Algoritmo de diseño de las cucharas.
2.3. Algoritmo de diseño de los inyectores.
2.4. Instalacio
Instalaciones
nes complementa
complementarias
rias al diseño (monta
(montaje,
je, accesor
accesorio,
io, eje, tornillos,
cojinetes, carcasa, válvula, tuberías, etc.
2.5. Regulación de las turbinas pelton.
III.
Procedimiento de cálculo:
3.1. Determinación de los parámetros de diseño de la instalación de turbina pelton:
Altura energética (H), caudal de operación (Q), velocidad de rotación(n), potencia
potencia
efectiva(N), Rendimiento total, etc.
3.2. Determinación de los parámetros dimensionales del rodete, cuchara, inyector,
carcasa, etc.
IV. Presentación y discusión de resultados:
4.1. Parámetros de flujo del fluido.
4.2. Dimensiones de la turbina y accesorios.(planos 2D,piezas y ensambles 3D)
4.3. Selección del gener
generador
ador eléctrico, ccojinetes,
ojinetes, ejes, sis
sistema
tema de regulación, etc.
(cálculos adicionales operacionales del sistema)
V.
Conclusiones:
VI. Identificación de pérdidas energéticas o factores desfavorables a remediar en el
sistema para su óptimo funcionamiento. Criterios de solución o tendencias de
investigación
VII. Sugerencias o recomendaciones.
VIII. Referencias bibliográficas.
I.
GENERALIDADES
1.1. OBJETIVOS.

Describir las característic
características
as y componentes generales de una turbina Pelton.

Describir e Identificar el funcionamiento del sistema mecánico de una turbina Pelton.

Desarrolla
Desarrollarr el algoritmo de diseño con los datos que nos proporcionó le docente.

Diseñar una o varias turbinas pelton para abastecer de energía eléctrica al pueblo
de ciudad de Dios y Pakatnamú (potencia 150Mw).

Analizar el diseño en el software SolidWorks 2017.
1.2. IMPORTANCIA Y O JUSTIFICACIÓN
JUSTIFICACIÓN..
El desarrollo de este proyecto nos ayuda a entender el funcionamiento y hacer el diseño de
la Turbina Pelton, todo esto es gracias al curso de Turbomaquinas y la orientación del
docente, también será muy importante para posibles proyectos en otros lugares donde se
pueda instalar esta turbina, también gracias a este proyecto tendremos referencia de
cuantas turbinas se debe utilizar para abastecer de energía eléctrica al pueblo de cuidad
de dios y Pakatnamú.
Estas máquinas hidráulicas en el Perú se pueden aprovechar, teniendo en cuenta las
siguientes ventajas:

Son fuente de energía inagotable, siempre que n
no
o se altere el ciclo del agua.

Bajo costo de mantenimiento.

Tiene bajo impacto ambiental y no contamina.

Es de alta fiabilidad.

Tiene larga vida útil.

Se pueden utilizar para abastecer de energía eléctric
eléctrica
a a pequeños pueblos así como
a ciudades.
1.3 REFERENCIAS Y/O REQUISITOS DEL DISEÑO.
1.3.1 Antecedentes. Criterios. Aplicaciones
Todo comienza con el inventor estadounidense Lester Allan Pelton, en su época de minero
ideo las formas de generar energía necesaria en el proceso de trituración y de bombeo de
aire hacia las minas, primero probo con molinos de agua y luego con máquinas de vapor
pero la eficiencia genética era muy poca así que con el principio de la turbina
el empezó a idear una
forma
para
aprovechar
al máximo el
chorro
de
agua, empezó probando con diferentes tipos formas y configuraciones de los alabes hasta
que dio con el principio que cambiar totalmente la turbina, diseño una cuchara la cual
recibiera el chorro en su extremo más alejado para aprovechar el máximo de
la energía cinética tomada del agua e hizo que esta cuchara tuviera la
forma característica de la actualidad (doble cuchara) para así permitir que el chorro saliente
no golpeara con la cuchara delantera y frenara la rueda, este sistema en la actualidad es el
más eficaz, se han realizado diferentes modificaciones en el sistema pero en general
permanece la misma esencia de funcionamiento.
Figura 1. Modelo de turbina Pelton.
DEFINICIÓN:
Es una turbo máquina motora, de flujo trasversal, admisión parcial y de acción. Consiste en
una rueda (rodete o rotor) dotada de cucharas en su periferia, las cuales están
especialmente realizadas para convertir la energía de un chorro de agua que incide sobre
las cucharas. Las turbinas Pelton están diseñadas para explotar grandes saltos hidráulicos
de bajo caudal. Las centrales hidroeléctricas dotadas de este tipo de turbina cuentan, la
mayoría de las veces, con una larga tubería llamada galería de presión para trasportar al
fluido desde grandes alturas, a veces de hasta más de doscientos metros.
Figura 2. Esquema de una turbina Pelton con su inyector.
Las posibilidades de montaje son múltiples, siendo posible su instalación con eje horizontal
o vertical, con uno o varios inyectores y con uno o dos rodetes.
Las turbinas Pelton pueden ser de eje horizontal cuando el número de chorros por rueda
se reduce generalmente
gener almente a uno o dos, ya que re
resulta
sulta complic
complicada
ada la instalación en
un plano vertical
vertica l de las tuberías de alimentación y llas
as agujas de inyección.
CLASIFICACIÓN
CLASIFICAC
IÓN DE LAS TURBINAS PELTON

Turbinas Pelton de Eje Vertical:
En este tipo de turbinas Pelton el número de chorros por rueda se reduce generalmente a
uno o dos, por resultar complicada la instalación en un plano vertical de las tuberías de
alimentación y las agujas de inyección. Este sistema de montaje encuentra aplicación en
aquellos casos donde se tienen aguas sucias que producen deterioros o notable acción
abrasiva. Con el eje horizontal se hace también posible instalar turbinas gemelas para un
solo generador colocado entre ambas, contrarrestando empujes axiales.
Figura 3. Turbina Pelton de eje vertical.

Turbinas Pelton de Eje Horizontal:
En este tipo de turbinas Pelton se facilita la colocación del sistema de alimentación en un
plano horizontal, lo que permite aumentar el número de chorros por rueda (4 a 6); con esto
se puede incrementar el caudal y tener mayor potencia por unidad. Se acorta la longitud del
eje turbina-generador; se amenguan las excavaciones; se puede disminuir el diámetro de
rueda y aumentar la velocidad de giro
Una turbina Pelton de eje vertical puede tener hasta seis inyectores, mientras que las
de eje horizontal suelen tener uno.
Figura 4. Turbina Pelton de eje horizontal.
APLICACIONES DE LA TURBINA PELTON
Existen turbinas Pelton de todos los tamaños. Hay turbinas de varias toneladas montadas
en forma vertical sobre cojinetes hidráulicos en las centrales hidroeléctricas.
En general, a medida que la altura de la caída de agua aumenta, menor volumen de agua
puede generar la misma potencia. La energía es la fuerza por la distancia, y, por lo tanto,
presiones más altas pueden aplicar la misma fuerza con menor caudal másico.
Cada instalación tiene, por lo tanto, su propia combinación de presión, velocidad y volumen
de funcionamiento más eficiente. Usualmente, las pequeñas instalaciones usan paletas
estandarizadas y adaptan la turbina a una de las familias de generadores y ruedas,
adecuando para ello las canalizaciones. Las pequeñas turbinas se pueden ajustar algo
variando el número de toberas y paletas por rueda, y escogiendo diferentes diámetros por
rueda.
Las instalaciones de Turbinas Pelton descritas pueden construirse localmente con buenos
resultados. Se describen métodos diferentes y materiales diversos para la construcción de
las cucharas en las ruedas así como para diferentes modelos de toberas y del mecanismo
regulador.
Varios impedimentos limitan el nivel de aplicación para Turbinas Pelton de fabricación local.
Por ejemplo, con caídas muy altas pueden surgir problemas en la poza de abastecimiento.
Aquí, no só
sólo
lo e
ess imp
importante
ortante la pre
presión
sión estática, pues, pueden presentars
presentarse
eo
ondas
ndas de presión
cuando se lleva el conducto, o cuando la turbina arranca ó es regulada. Esto puede traer
consecuencias desastrosas, caídas altas también implican alta velocidad de rotación que
puede causar problemas en el rotor debido a fuerzas centrífugas aunadas a fuerzas
dinámicas. Las ruedas más grandes se hacen para mayores niveles de descarga
usualmente, lo que requiere toberas y cucharas más grandes.
Estos límites no son obligatorios; pero, pueden ser tomados como sugerencias teniendo en
cuenta las condiciones locales para fabricación, tales como disponibilidad de materiales y
fundiciones, equipos de prueba y otros.
En comparación con lo dicho sobre las últimas mejoras
mejor as de las Turbinas Pelton, estos límites
restringen considerablemente el nivel de aplicación de las Turbinas Pelton. Pero, aun así,
abren un campo nuevo e interesante para la fabricación local de las mismas.
VENTAJAS DE LA TURBINAS PELTON
Podemos mencionar las siguientes:
.

Menos peligro de erosión de los alabes.

Reparaciones más sencillas.

Regulación de presión y velocidad más fácil.


Mejores rendimientos a cargas parciales.
Infraestruc
Infraestructura
tura más sencilla.

Gira con alta velocidad, entonces se puede conectar el generador en forma
directa, sin pérdidas de transmisión mecánica.

Con el eje horizontal se es posible instalar turbinas gemelas para un solo
generador colocado entre ambas, contrarrestando empujes axiales

Con el eje vertical se permite aumentar el número de chorros por rueda (4 a 6);
con esto se puede incrementar el caudal y tener mayor potencia por unidad.
DESVENTAJAS:

Altura mínima para su funcionamiento:
funcionamiento : 20 Metros.

Costo de instalación inicial.

Requiere de múltiples inyectores para grandes caudales. Cuando se utilizan
grandes caudales y se emplee un solo inyector las cazoletas resultan muy grandes
y pesadas ,por lo que se encuentra el inconveniente de que toda fuerza tangencial
se ejerce en un solo punto de la rueda , lo que representa un desequilibrio dinámico
1.3.2 Características de funcionamiento. Especificaciones.
CONDICIONES PARA LA ELECCIÓN DE LA TURBINA PELTON
La turbina, su
s u geometría y sus dimensiones son ffactores
actores que vienen condicionados
por una serie de aspectos que se describen a continuación.
• Salto neto:
Según la magnitud del salto que se va a turbinar, se puede establecer que las turbinas
Kaplan son adecuadas para operar entre 2 y 20 metros, las Francis entre 10 y 350 metros
y las Pelton entre 50 y 1.300 metros.
• Número específico de revoluciones:
Se trata de un parámetro fundamental a la hora de seleccionar la turbina y sus
características. Depende del caudal, la velocidad de giro y el salto, y se definirá en el
apartado de cálculos, más adelante.
• Caudal:
Es el caudal característico o unitario de la turbina, la cantidad de agua que pasaría
por un rodete instalado en un salto de un metro de altura. Las turbinas Pelton son
adecuadas para caudales reducidos.
• Riesgo de cavitación:
Se produce cavitación si la presión del agua desciende por debajo de la presión de
saturación a la temperatura a la que se encuentre. Se crearán burbujas de vapor saturado
que posteriormente
posteriorm ente colapsarán. Dichos colapsos sost
sostenidos
enidos en el tie
tiempo
mpo son causa
de corrosión y daños en la maquinaria, y se producen principalmente a la salida del
rodete y en el tubo de aspiración, donde se dan las presiones
pr esiones más bajas. Se deberá calcular
calcul ar
la altura máxima a la que se puede instalar la turbina respecto del canal de desagüe para
que no se produzca este fenómeno.
RENDIMIENTO DE LA TURBINA
Figura 5. Rendimiento frente al caudal de los diferentes tipos de turbina:
El rendimiento de la turbina varía tanto con cambios de caudal como de salto. Al alejarse
de las condiciones de trabajo se producen caídas de rendimiento importantes que es
necesario cuantificar. Se define el rendimiento como el cociente entre la potencia que se
entrega al alternador y la potencia que el agua es capaz de entregar a la entrada de la
turbina. La potencia se pierde sobre todo en la fricción que tiene lugar en la cámara espiral,
los álabes directric
directrices,
es, el rodete y el tubo de aspiración. La ausencia de tubo de
aspiración puede acarrear una pérdida de rendimiento del 50% en las turbinas con rodetes
de alta velocidad específica.
Funcionamiento:
Por el desnivel el agua con energía potencial cae y golpea las turbinas, estas al ser
impactadas giran y conectadas a generadores generan electricidad que luego se conduce
a transformadores donde se eleva y se transporta a los diferentes puntos de consumo final
que se tiene.
Figura 6. Esquema de una central hidroeléctrica.
.
Partes:
Presa: Almacena el agu
agua
a a una cierta al
altura
tura de tal modo que pued
pueda
a gara
garantizar
ntizar un golpe de
suficiente fuerza para mover las turbinas.
Turbinas: Es el elemento rotatorio que hace girar al generador.
:
Generador Como su mismo nombre lo dice, genera electricidad.
Otra parte importante es la tubería que lleva el agua.
Figura 7. Partes de una central hidroeléctrica.
1.3.3 Esquemas. Planos de Instalaciones Reales.
INSTALACIONES DE LA MINICENTRAL
TURBINA PELTON DE LA MINICENTRAL HIDROELÉCTRICA DEL DISTRITO DE
PATAZ::
PATAZ
TUBERIA DE CAPTACION DE AGUA
Figura 8.
CAMARA DE CARGA
Figura 9.
TUBERIA DE PRESIÓN
Figura 10.
CASA DE MÁQUINAS
Figura 11.
TURBINA PELTON
Figura 12.
TURBINA PELTON
Figura 13.
GENERADOR ELECTRICO
Figura 14.
TURBINA Y GENERADOR ELECTRICO
PLACA DEL GENERADOR
Figura 15.
Figura 16.
TABLERO
Figura 18.
II. MARCO TEÓRICO Y METODOLOGÍA
Recordemos que las Turbinas Pelton son Turbinas de Acción, y son apropiadas para
grandes saltos y pequeños caudales, por lo cual sus números específicos son bajos.
Se crea un chorro de agua que choca a muy alta velocidad sobre unas cazoletas que están
fijas en la periferia de un disco, a las que transfiere toda su energía. Después el agua cae
al canal de descarga.
Recordemos también que la altura neta está dada por:





 =       2
Así mismo el
el Número Es
Específico
pecífico es
está
tá dado p
por:
or:

TRIANGULO DE VELOCIDADES.
 = √/
En la turbina Pelton, el chorro con velocidad absoluta c1 golpea simétricamente a la arista
mediana de la cazoleta, dividiéndose en dos partes iguales y deslizándose sobre las dos
mitades de la misma, saliendo desviados con una velocidad relativa w2 = ψw1, y ángulo de
salida β2= 180º.
 =   
 
 =
(1)
(2)
En las relaciones anteriores se han despreciado la componente de choque, al considerar
nulo el ángulo (en la práctica no es rigurosamente nulo).
1

 =   
A la salida,
salida, la dirección d
de
e la vvelocidad
elocidad relativa (
tiene:
) está definida por el ángulo

, luego se
(3)

De la figura se observa que la velocidad de entrada ( ) es igual a la del chorro:
 =  = 2
Donde:
 =
(4)
0.95 – 0.98, Se le acostumbra denominar coeficiente de tobera.
En términos del coeficiente de velocidad, u puede expresarse como:
Donde

 = 2
se determina de la siguiente gráfica de valores de para
(5)

en función de

Figura 19.
Además:

 =  = 
(6)
FUERZA DEL CHORRO, POTENCIA, Y RENDIMIENTO
De acuerdo al principio del cambio de la cantidad de movimiento, la fuerza del chorro está
dada por:
 = ..  
 = . 
(7)
(8)
Donde

se denomina coeficiente de cazoleta (depende del espesor de la capa de agua,
terminación de la cazoleta, tipo de material). Su valor varía entre 0.88 y 0.92.
De esta forma, la fuerza del chorro quedará expresada por:
(9)

 == ....121

Combinando (1) y (4) con (9) se obtiene:
(10)
La expresión (10) representa la fuerza ejercida por el chorro sobre la rueda, a cual gira
con velocidad (u). De esta forma, la fuerza será máxima cuando u = 0 (en la partida) y
mínima cuando

tiende a (u).
La potencia está definida por la fuerza y la velocidad, entonces tenemos:
(11)
=2.=  .. .=. . .((2).1)1 . 
Introduciendo (5) en (11) y ordenando se obtiene:
(12)
Con la potencia, altura neta y el caudal se obtiene el rendimiento, Cabe hacer notar que en
este análisis teórico se han considerado sólo las pérdidas hidráulicas, de esta forma el
rendimiento que se determinará es el manométrico (hidráulico
(hidráulico).
).
 = ..
(13)
Remplazando (12) en (15) se obtiene:
=2. . (  ). 1  
 →  =0=0→→  = 
(14)
Para el rendimiento máximo se tiene:
(15)
La relación (15) indica que el rendimiento (también la potencia) es máxima, cuando:
 = 
(16)
Sin embargo; la práctica indica que la velocidad óptima es algo menor, comprendida entre
0.41 y 0.5

(valor práctico
curvas de la figura 03.
=0.45.
). Los resultados teóricos se resumen en las
Del gráfico se observa que la velocidad de embalamiento teórica es igual a la velocidad del











 =̃ 1.8.   = 
chorro,
es decir,
, sin embargo, la práctica demuestra que es:
Figura 20.
2.1 Algoritmo de diseño del rodete Pelton.
Generalmente son datos el caudal (Q), la altura neta (


) y la velocidad de rotación (n); y
se desea conocer el número específico ( ) y definir el número de chorros (j) para un
convenientemente bajo.


La velocidad del chorro
Queda definido por la relación (4) por lo tanto su diámetro (d) queda definido (para la
carga de diseño) por:
Donde:
 =
 =  /
(17)
Diámetro del chorro.
= número de chorros.
La velocidad tangencial (u) referida al diámetro Pelton (o primitivo) D, está dado por
(5)
Los límites de la razón
Se en encuentra en el rango:
 = ááℎ

 <  < 
En los extremos el funcionamiento es defectuoso:
defectuoso: en el primero
(18)

, el agua tiene un
camino largo que recorre antes de entrar en contacto con las cazoletas.
En el segundo
 

, la experiencia demuestra que aumentan las pérdidas en las
cazoletas. Los mejores rendimientos se obtienen para un diámetro de la rueda de 8 a 15
 = á
á

 = 


 288.  . 
veces el del chorro. Anteriormente se demostró que
relacionado con
, aproximadamente por:
está
19
2.2 Algoritmo de diseño de las cazoletas o cucharas.
Las dimensiones de la cazoleta son proporcionales al diámetro del chorro, la figura (a)
muestra las proporciones habituales. Para evitar una destrucción rápida de la arista media
el ángulo
̂
no debe ser inferior a 20°. El ángulo
̂
tiene que ser de 8 a 12°; no puede ser
más pequeño pues el agua que sale de una cazoleta no debe golpear la siguiente. De la
misma forma, al comienzo del ataque, el agua que sale de la cazoleta debe ser desviada al
exterior para no tocar la rueda. Los diámetros de las circunferencias exteriores
puntas


y de
dependen de las proporciones de la cazoleta. Cada fabricante dispone de
relaciones empíricas para estos diámetros; para un primer cálculo se pueden utilizar las
relaciones dadas por A. Tenot.
 =2. .
 =   
(20)
(21)
Figura 21 Proporciones de las cazoletas, referidas al
Diámetro del chorro (d=l)
De acuerdo a las tendencias modernas, en la fabricación de este tipo de turbinas, el
diámetro exterior ( ) esta relacionado con (D) y (n), por.


 = 1.1.0280.013.. 
(22)
Número de cazoletas
El número de cazoletas debe ser seleccionado de forma tal, que cualquier partícula de agua
proveniente del chorro, no pasara por la rueda sin ser desviada por alguna cazoleta, la
determinación del paso es facilitada por el trazado de las trayectorias relativas.
El trazado de una trayectoria relativa se ilustra en la figura (b).
Figura 22. Trazado de trayectorias relativas.
El punto A es el comienzo de la trayectoria correspondiente a la generatriz superior del
⃗

 
 = .   = . 
̅
 =  = 
chorro, en este mismo punto la trayectoria es tangente a . Esta trayectoria corta a la
circunferencia de las puntas (
) en un punto
, tal que:
y
Pues la partícula que parte de A recorre el segmento
(23)
, en el mismo tiempo que el
punto de la circunferencia de puntas, que deben rencontrarse en (a) describe el arco
̅
, de donde:
24
Esta trayectoria corta al círculo Pelton en dos puntos M y N definidos por:
 =  = 
25
La trayectoria relativa perteneciente a la generatriz inferior del chorro se extiende de B a

. Todas las trayectorias relativas se encuentran, de esta forma, comprendidas entre las
de A y B. El paso de la cazoleta es, a lo más, igual al arco

.
Sin embargo; en la práctica, el número de cazoletas es elegido mayor al que resulta del
paso (arco)
, de manera que asegura que, al tomar en cuenta el escote de la cazoleta,

la parte del chorro que no toca la cazoleta atrapará la siguiente.
Un aumento de número específico ( conduce
conduce a una disminución del número de cazoletas
 
(z). En la práctica se obtienen buenos resultados haciendo uso de la relación dada por A.
Ribaux.
=15 2
26
2.3 Algoritmo de diseño de los inyectores.
Los inyectores de la turbina Pelton están formados por un codo de sección circular el cual
decrece en forma progresiva, un tramo recto de sección circular donde se monta una aguja
con cabeza en forma de bulbo y una boquilla que orienta el flujo
flu jo de agua en forma tangencial
al rodete.
Además de la regulación con agua, generalmente se considera la regulació
regulación
n de caudal
mediante un deflector. Esta regulación permite evitar riesgos de golpe de ariete, producto
de un cierre brusco de la aguja. En la tobera se da lugar una fuerte aceleración, porque la
velocidad del agua en la tubería que termina en el inyector suele ser del orden de 1 m/s
para nuestro caso esta velocidad alcanza un valor de 1.19 m/s y la altura de presión en los
saltos de gran altura característicos de las turbinas Pelton, la cual se transforma totalmente
en altura dinámica en el inyector, suele ser muy elevada. Por lo que transporta arena y se
produce erosión en la cabeza de la tobera y la punta de la válvula puede deteriorarse
rápidamente. De aquí que se justifica la construcción de la tobera y la punta de la válvula
de aguja en unidades separadas, para su fácil recambio, los materiales suelen ser de
bronce o acero inoxidable.

Diámetro de salida de la tobera.
Para facilitar la regulación es conveniente diseñar el inyector de manera que exista
proporcionalidad entre la turbina y la traslación (x) de la aguja medida a partir de la
obturación total de la tobera. Suponiendo, como sucede en la realidad que
Kc
(coeficiente
de velocidad de la tobera) no varía impresionablemente con el caudal, entonces la potencia
será proporcional al caudal
c audal y éste a la sección de paso de la tobera normal al flujo. Tenemos
que (x) es el avance de la aguja para que se cumpla la proporcionalidad deseada.
Las dimensiones de la tobera están en función del diámetro del chorro, el cual se determina
utilizando la fórmula:
Donde:




 = .. 4.2..


= Es el diámetro de la sección del chorro expresado en m
= Es caudal que fluirá por la tobera de la turbina
= Coeficiente de velocidad de la tobera estimado (mencionado
= Aceleración de la gravedad
= Salto neto con que operará la turbina, en metros.
Entonces el caudal nominal de la turbina Pelton será:
anteriormente)
anteriorment e)
 = .4.
 =1.25.
Y el diámetro de la salida de la tobera será:
Figura 23. Tobera de una Turbina Pelton.

Radio de curvatura del bulbo.
El radio de curvatura del bulbo ha de ser grande, a fin de evitar desprendimientos, el
diámetro (b) del mismo suele hacerse de manera que:
=1.25.
Figura 24. Bulbo de la aguja del inyector.
El diámetro
chorro

de salida de la tobera se diseña, de manera que el diámetro máximo del
se alcance cuando

sea:

 = 2
Los valores ordinarios o comunes que se construye el bulbo son
20° ≤  ≤30°
La carrera del vástago de la válvula de aguja suele hacerse mayor que la necesaria para
obtener el diámetro máximo del chorro, esto con el fin de obtener una reserva de potencia.

Fuerza necesaria para mover la aguja.
Para el diseño del sistema de regulación
regulaci ón es esencial un conocimiento de la fuerza necesaria
neces aria
para mover la válvula de la aguja, así como la reducción de ésta a un mínimo, procurando
que sea constante en toda la carrera de la válvula, sobre dicha válvula de aguja del inyector
cerrado actúa la fuerza hidrostática que el agua ejerce sobre el bulbo de la válvula de aguja
 = .. 4    
y la prensaestopa. La fuerza total hidrostática en este caso será:
Donde los valores de

corresponden a la altura bruta del salto. Al abrirse el inyector con
el desplazamiento de la aguja la fuerza hidrodinámica va disminuyendo paulatinamente
porque disminuye la presión alrededor del bulbo. El valor exacto de la fuerza hidrodinámica
en este caso solo puede obtenerse mediante experimento valiéndose de un dinamómetro
de resorte intercalado entre el vástago de la válvula y su mando. Obtenida dicha fuerza es
posible crear mediante un resorte una fuerza elástica, de manera que combinando el
diámetro del embolo de la prensaestopa y la constante
k
del resorte, permita conseguir
reducir a su mínimo la fuerza total y hacerla prácticamente constante.
Figura 25. Fuerzas ejercidas en el inyector.
Trazando el esquema de fuerzas del inyector en función de la apertura del mismo. En el
esquema con el inyector cerrado la fuerza sobre la aguja F a es máximo y decrece
linealmente a medida que el inyector se abre, y siempre es una fuerza de cierre. La fuerza
sobre el embolo de la prensaestopa
Fe
es constante y siempre es una fuerza de apertura.
El resorte ejerce una fuerza nula cuando el inyector permanece cerrado, y una fuerza de
cierre F k , creciente con la apertura del inyector. La resultante R de las tres fuerzas es muy
pequeña y aproximadamente constante, con lo que estaremos consiguiendo nuestro
objetivo de reducir al mínimo la fuerza total ejercida sobre el inyector y lograr que dicha
fuerza sea lo más constante posible.

Rendimiento del inyector.
El rendimiento del inyector depende de la velocidad del chorro de agua a la salida del la
tobera o inyector, de la fuerza de gravedad y la caída de agua o altura neta, el rozamiento
del agua en las paredes del inyector es un parámetro que está presente en disminución del
rendimiento del inyector.

 =  2.2. 
2.4 Instalaciones complementarias al diseño.
El elemento principal de toda turbina hidráulica es el rodete mismo. Sin embargo, el rodete
por sí solo no puede hacer mucho, requiere de ciertos accesorios, ya sea para la
distribución, direccionamiento, control etc.
PARTES DE UNA TURBINA PELTON
La figura muestra las secciones transversal y longitudinal de una central hidráulica equipada
con una turbina Pelton y las partes que la componen
Figura 26. Servomotor encargado de mover la válvula de aguja
2. Tubería forzada
3. Codo de entrada
4. Inyector
5. Válvula de aguja (regula el flujo de agua que llega a los álabes)
6. Tobera
7. Deflector (se encarga de desviar el chorro mientras la válvula de aguja se está cerrando,
o para evitar el golpe de ariete que produciría un
cierre de ésta si se quiere impedir que se embale la máquina ante una desconexión del
alternador)
8. Rodete
9. Canal de salida o cámara de descarga.
10. Alternador
11. Carcasa
Las turbinas Pelton carecen de tubo de aspiración, por lo que no cuentan con la ganancia
de rendimiento que éste produce.
A continuación
continuación hab
hablaremos
laremos bre
brevemente
vemente de algun
algunas
as de ella
ellass
2.5 Regulación de las turbinas Pelton.
La regulación de la turbina Pelton se realiza a través de la aguja la cual avanza y retrocede
en el orificio de salida de la tobera y reduce o aumenta la sección de paso, por lo cual, el
caudal que impacta la rueda en forma de chorro disminuye o crece y lo mismo ocurre con
la potencia y el salto neto, en el supuesto que la altura neta de aquel permanezca
constante; pero los fenómenos debidos al cierre del distribuid
distribuidor
or dependen del tiempo
empleado en esta operación, por lo que conviene que éste sea largo para evitar las
sobre presiones debidas al golpe de ariete; sin embargo, la duración del cierre lleva
consigo un aumento de velocidad en el rotor del alternador y esto presenta un
inconveniente.
Para evitarlo se utiliza con este tipo de turbina la doble regulación, que consiste en desviar
parte o la totalidad del chorro hacia el socaz y esto con suficiente rapidez para
impedir la aceleración excesi
excesiva
va de las masas
mas as giratorias
giratorias,, realizado llo
o cual se va
cerrando la aguja con
c on mayor lentit
lentitud,
ud, para evitar llas
as sobre presion
presiones
es producidas por
un golpe de ariete de importancia
Los inyectores, los deflectores y la válvula de globo ubicada en la tubería de
presión son accionados en algunos casos por un servomotor y en otros manualmente. El
servo motor que acciona la aguja funciona por medio de la presión de una bomba destinada
exclusivamente a este objeto, y provista de un depósito de aire; en las turbinas de poca
potencia las bombas de aceite para la aguja y para el deflector se maniobran
conjuntamente.
Figura 27.Sistema de regulación de turbina Pelton.
III PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO
3.1 Determinación de los parámetros de diseño de la instalación de Turbina Pelton:
Altura energética (H), caudal de operación (Q), velocidad de rotación (n), potencia
efectiva (N), rendimiento total, etc.
DATOS CONSIDERADOS PARA EL DISEÑO DE LA TUBRINA PELTON:

H= 900 m
T=10°C
P=101.325 KPa


n=750 rpm
g= 9.81m/s^2


=
∅=
999.7kg/m^3
=0.45
0.975
N=151Mw. (ciudad de dios, incluido Pakatnamu). Para este diseño se
considerara solo 30Mw (para bastecer este pueblo necesitaremos 5
turbinas Pelton).
Q= ¿?





3.2 Determinación de los parámetros dimensionales del rodete, cuchara, inyector,
carcasa, etc.
METODOLOGÍA Y PROCEDIMEINTO DE CÁLCULO:
POTENCIA IDEAL: (

 10

= *g*Q*H
30*




= (999.7kg/
Q=3.4
/s
)
)(9.81)(Q)(900m)
.
.

rp∗.

C.
V
.



 ∗ .
((

NUMERO ESPECÍFICO IDEAL: (( ))i
))i=
(( ))i=

((

))i= 30.72
NUMERO DE CHORROS: (z)
1C.V=73505W
2


(
)

i

576∗∅2∗∗
z=
z=
donde:


∗.


.
 ≈ ∗.∗.

=0.1667
z=0.56 1 inyector
Ahora determinamos la fricción
)i)i 
 = 576∗∅( ∗∗
 = 576∗0.97530.7∗0.2 45∗1
12
∗∗∅∗4∗2∗∗ℎ
0.12


real p
para
ara la turbina:
………………………………………………
………………………………… …………… (A)
DIAMETRO DEL CHORRO:
d=

∗∗.∗
∗∗∗.../ ∗ 

d=

d= 0.18m

DIAMETRO DEL RODETE: (D)

Reemplazando en (A):
 =
0.12

D=
D= 1.5 m
DIAMETRO EXTERIOR: (
=D + (2*d)

0.0.1182

=1.5 + (2*0.180) = 1.86m
 
DIAMETRO INTERIOR: (
)


=D – 2*d

= 1.5 – (2*0.180) = 1.14m
LONGITUD DE ARCO ENTRE CUCHARA Y CUCHARA: (s)
Figura 28.
+d
∆ 

−
∆θ cos Dext
Cos( )=
= 2*
∆θ∆θ cos− 1.1.50.8618
= 2*
= 50.8°
°
Convertimos a radianes: (50.8°)(

ARCO

)=
)= 0.87 rad
, ∆θ Dext
 , 0.87 1.86
=
*
*
=

= 0.8m
̅,
LONGITUD O SEGMENTO
̅, .  sin ∆ .°
̅,  . sin 
̅, 
′:
= 2*(
)*
= 2*(
( )
)*
(
)
= 0.79m

ARCO
′



.

∗

∗

 ′ =  ∗ ̅
 ′ = 0.45∗1.0.975∗1.86∗0.579
 ′=0.45

LONGITUD DE ARCO
′  4′5
 =0.= 3850.
=0.= 0.88 ∗∗∗ 0.0.355
=

POR LO TANTO:
0.28 m
2.1.11. NUMERO DE CUCHARAS (N cu)
∗ . ………120.74∗ 
∗.. … … … 12  0.74 ∗ .. 
 =max
=max21………18
21………18
Ncu = máx.
Ncu = max

POR LO TANTO:
Ncu = 21 cucharas

RECALCULANDO S
= = ∗∗..
 = ∗1.2186
=0.278

ANALISIS DE VELOCIDADES:
→ = =22∗9.∗ 81 ∗  ∗ 9000

 9000

 =132.9 
→  = ∗ 
 = 0.0.97575 ∗ 132.9 
 =129.6 
 
→=0.
→=
=

∗

4
5∗
132.
9






=59.8 



ANGULO DE SALIDA:
Promedio:

= 0.88
ALTURA DE EULER: (He)
 = 1 ∗ 1    
 = 9.811  ∗10.88cos9°129.6  59.4  59.8  
 =795.3

RENDIMIENTO HIDRAULICO: (

 = 
 = 795.9003
 =0.88

RENDIMIENTO TOTAL REAL:
 =  ∗  ∗ 


Donde:
=1
 = 0.0.88 ∗ 1 ∗ 0.0.935
 =0.82

POTENCIA REAL EN EL EJE: (Neje)
 =  ∗ 
 == 02460
.2486002 ∗03003000000 

)

POTENCIA ELECTRICA REAL:
 ∗ 
 == 24600
 ∗0.9825
 24600 
 = 242416169.9.5 


DIMENSIONES DE LA TURBINA PELTON
o
DIMENSIONES DEL INYECTOR CARCAZA

I = NUMERO DE INYECTORES:
i=1

NUMERO ESPECÍFICO IDEAL POR CADA INYECTOR:
 = ∗.



30000


7
750
50
∗


 = 900900 3
 =26.4

CÁLCULO DEL DIAMETRO: (D2)
 = 46.46.04  0.0.3333  ∗ 
√900
 =(46.040.33326.26.4) ∗ 750
 =1.49.
 =1.87 2.24∗ 


3.
4
 = 1.87  2.2.24 ∗ 30.30.72.506
 =2.1
.





∗



 = 3.20 ∗ 250.74 1.1.80∗ 
.




1
17.
7
.
5
8
∗
1.1.
49
4
9

 = 3.20 ∗ 250.744 1.1.80∗80 ∗ 26.26.4

 =0.66

ALTURA: (Hs)

DISTANCIA (H1)

DISTANCIA (H2)
.





∗



 = 3.23 ∗ 250.74 1.1.80∗ 
.
 = 3.23 ∗ 250. =0.726.2446.641∗1.11..840∗26.
99 4

DIAMETRO (D3)
280.0.00.0137∗17.

 = =1.1.499∗(1. ∗1.028028
5
8
)
.0137∗26.4

 =2.1


=0.
7
8
2
2.
.
0
6∗




=0.
7
8
8
2
2.
.
0
6∗2.
1


=5.1
DIMENSIONES I,G,F,H,I,B,C,D,E


=0.91=0.
96 10.096
96
96.376∗2.0.0.3176∗
 
856


=1.
0
9
0
0.
.
7
1∗


=1.
0
9
9
0
0.
.
7
1∗5.
1


=4.7


=3.
=0.26=0.
422 0.06.52213∗5.0.0.5113∗
13∗
 


=1.
2
8
8
0
0.
.
3
7∗
7∗
=1. 2 8 0.0.37∗5.1
=0.
5
=0.
95
95

5
0.
0
95
95
.
6
94∗5.

0
0.
.
6
1
94∗
94∗




=3.
2

=4.13


=0.
3
62
62
0
0.
.
6
8∗
8∗


=0.
3
62
0
0.
.
6
8∗5.
1

=3.83




= 0.42=19
190.20.01.970∗5. 0.01.70∗0∗ 
=3.


=0.
4
3
0
0.
.
7
0∗


=0.
4
3
3
0
0.
.
7
0∗5.
1


=4


ANALISIS DE LA VELOCIDAD DE ENTRADA A LOS INYECTORES
=0.= 0.8822 0.00..33558∗900
8 ∗  
=323.02 
)

ANALISIS DEL AREA DE ENTRADA A LOS INYECTORES
= = 1.886∗86 ∗ 2.2.29 
== 1.886∗ 2.2.2299 3.4909000
= = 7.10707∗∗ 10− 
AGUJA
Figura 29.
DIMENSIONES DE LA CUCHARA

DIAMETRO DE LA PUNTA:
 =   [2 76]
 =1.5 2  0.0.188
 =1.2557

DIAMETRO EXTERIOR:
 =1.= 920.  18

 =1.21
=100.5°
=3∗
=3∗0.18=0.54
=3.5=3.
∗0.18=0.5 ∗ 63
=2.
5
5∗
=2.55∗0.18=0.459
=0.
7
5∗
=0.75∗0.18=0.135
=1.1=1.
5∗0.18=0.5∗207

=0.
1
9∗

 =0.19∗0.0908=0.017252
=1∗
=1∗0.18=0.18
2 ∝ = 12.2.5°










CALCULOS INTERNOS EN LA CUCHARA:

ANGULOS DE CORTE:

CORTE I:
=35° 330°……40°
=35°
0°……40°
=25° 20°……30°
20°……30°
=15° 10°……20°
10°……20°
=7.5° 5°……10°
5°……10°
 == 129.129. 659.1 410.
10.889°
∗∗ ∗ 9779773.3.4
 =201.6 
 =  ∗ 2 1.4
=141.
= 201.162. ∗ 2 

CORTE II:

CORTE III:

CORTE IV:

FUERZA DE CHORRO:
10. TORQUE:
IV. PRESENTACIÓN Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS:
4.1 Parámetros de flujo del fluido.
Parámetros




.. ⁄⁄
° 
Magnitudes

.
0.82
4.2 Dimensiones del rodete. (Planos 2D y piezas y ensambles 3D)
(Los planos y en 2D y 3D se adjuntan en el CD)
RODETE
DIMENSIONES
d
0.18m
D
1.5m

# cucharas
1.86m
1.14m
21
V. COCLUSIONES:

Se logró calcular el algoritmo con los datos base que se nos entregó el
docente y también se halló el caudal y se tomó la d
decisión
ecisión de uti
utilizar
lizar 5
turbinas Pelton para poder generar 50Mw y poder abastecer de energía eléctrica al
pueblo de Ciudad de Dios y Pakatnamú.

Habiendo calculado el diámetro del rodete y otros datos más se pudo realizar en el
software Solidworks
Solidwork s 2017 y así poder ver el diseño en 3D de nuestra Turbinas Pelton
y corregir algunos detalles.

La turbina Pelton es uno de los tipos más eficientes de turbina hidráulica,
hidr áulica,
consiguiendo rendimientos máximos del orden del 85%. Si se realizara un análisis
más detallado sobre el perfil hidráulico y ángulos de los filos de ataque y nervio
central se podría tener un mejor aprovechamiento de la energía hidráulica.

Se deben tener en cuentas las curvas que ofrece estas turbinas y así poder sacar
el máximo provecho ya que estas turbinas tiene un rendimiento muy alto con
respecto a otras turbinas, también se debe tener mucho cuidado en escoger el
material con el que se va construir las piezas y mucho más cuidado con la selección
de material para las cucharas.
VI. IDENTIFICACIÓN DE PERDIDAS ENERGETICAS O DESFAVORABLES A
REMEDIAR EN EL SISTEMA PARA SU ÓPTIMO FUNCIONAMIENTO.
CRITERIOS DE SOLUCIÓN O TENDENCIA DE INVESTIGACIÓN
Los factores desfavorables que se presentan en este tipo de turbinas debido a su continuo
uso a lo largo de los años provocando desgaste en todo su perfil hidráulico son:
- Se originan profundas erosiones, debido a que la distancia de la punta del filo de ataque,
con el paso del tiempo llega a cortar aproximadamente el 70% del chorro, por
consiguiente parte del chorro impacta por debajo del filo.
- El recorrido del agua en la parte interna de la cuchara se torna anormal a consecuencia
del desgaste por el impacto del agua, originando erosiones severas.
- Los ángulos de salida de la cuchara se abren con el paso del tiempo, esto origina
pérdidas de eficiencia del rodete, no se aprovecha al máximo la potencia hidráulica.
Para un buen funcionamiento de la maquina se recomienda realizar: BALA
BALANCEO
NCEO
DE LA TURBINA
Balanceo dinámico

El balanceo del eje es un fenómeno vibratorio autoexitado al cual potencialmente son
sometidas todas
toda s las flec
flechas,
has, para tener un buen fu
funcionamiento
ncionamiento de lla
a maquina se
recomienda realizar un balanceo dinámico (si se operan a elevadas velocidades)
Cualquier balanceo residual de un elemento en rotación hace que el centro verdadero de
masa quede excéntrico del eje de rotación de la flecha. Esta excentricidad genera una
fuerza centrífuga que tiene tendencia a flexionar la flecha en dirección de la
excentricidad, incrementando y aumentando la fuerza centrífuga. La única resistencia a
esta fuerza proviene de la rigidez del eje.
Figura 30.
Queda claro que la rotación de un sistema a su frecuencia crítica o cercana a ella debe
estrictamente evitarse. La frecuencia crítica para balanceo del eje es igual que para la
vibración lateral. Esta razón de amplitud de vibración de balanceo del eje empieza en
cero en vez de empezar en uno (vibraciones forzadas). Si se conserva la velocidad de
operación debajo de más o menos la mitad de la frecuencia crítica de balanceo del eje.
El balanceo de las flechas es una vibración autoexitada, causada por la rotación del eje,
que actúa sobre la masa excéntrica.

Balanceo estático
El balanceo de la turbina se puede realizar en diferentes etapas

Nivelación de la mesa para balancear.

Montaje y señalamiento de la turbina en los puntos críticos.

Se quita peso en las cucharas según la ubicación de los puntos críticos
donde exista más masa, esto se lo realiza utilizando un rotalin.
Figura 31.
SISTEMA DE BALANCEO ESTÁTICO
Figura 32.
1- ROTOR DE TURBINA
2- EJE DEL ROTOR
3- BASE
4PLATINAS DE BALANCEO
5- PERNOS Y TUERCAS
VII. SUGERENCIAS Y RECOMENDACIONES.

Se debe realizar inspecciones visuales y de partículas magnéticas cada cierto tiempo
(para verificar la existencia de discontinuidades lineales o poros), tanto en el rodete
como en las cucharas. Semestralmente se deben realizar un mantenimiento correctivo
de rectificado y pulido de las cucharas.

Tener cuidado en el acabado superficiales de la parte interna de la cuchara, así como
en la parte posterior a la punta de la arista.

La carcaza de la turbina Pelton debe ser sometida a un proceso de galvanizado en
caliente o pintarla con pintura resistente a la erosión.

Para reducir costos hay que incursionar en el uso de otros materiales para
elaborar modelos tales como, polímetros, espumas, etc.

Brindar planos de fabricación de los elementos totales de la turbina Pelton para
fabricación en nuestro entorno haciendo uso de normas
VIII BIBLIOGRAFÍA.

ZUCCHI G."Turbomáquinas",
G."Turbomáquinas", Edit. CITEC 1996 U.N.T. Trujillo -Perú

Wilfredo Jara T., Máquinas Hidráulicas. Instituto de investigación de la Facultad de
Ingeniería Mecánica (INIFIM) 1998

Mattaix, "TURBOMAQUINAS \ HIDRAULICAS"; Ed. ICAI; Madrid, 1975.
C. Mattaix,

Pedro Fernández Díaz, Turbinas hidráulicas. Departamento de Ingeniería Eléctrica y
Energética Universidad de Cantabria.
LINKOGRAFIA:

https://www.gunt.de/es/productos/principio-de-funcionamiento-de-una-turbinapelton/070.15019/hm150-19/glct-1:pa-150:pr-566
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http://www.turbinas3hc.com/Pagina2.html

http://www.hidroagoyan.com/Pucara/Pucara_introduccion.htm

http://www.todo-argentina.net/Geografia/provincias/Corrientes/yacireta.htm
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