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3DISEO Y CONSTRUCCIN DE UNA TURBINA PELTON PARA
GENERACIN ELCTRICA, CAPACIDAD 2 KW.
CONSTRUCCIN DEL PROTOTIPO
3.1. INTRODUCCIN
Seguidamente del diseo hidrulico y mecnico de los componentes de la
turbina, se elaboro los planos de fabricacin de cada una de las piezas que conforman la
turbina Pelton. Mediante estos planos se transfiere las especificaciones del material,
nivel de acabado, tolerancias y el proceso de produccin que se debe seguir para fabricar
cada pieza.
Como se puede observar en los planos de construccin, existen diferentes piezas
que conforman la turbina Pelton que se deben producir mediante procesos de
produccin. Adems, algunos componentes, como el inyector y los alabes del rodete,
estn sometidos a desgaste por la abrasin del agua que fluye por la turbina, por estarazn esta piezas se han construido en materiales con buenas propiedades antiabrasivas.
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Una vez definidas las alternativas de produccin de cada pieza se procedi a la
elaboracin de los planos de fabricacin, los cuales se recomienda posean las siguientes
caractersticas1.
- Para cada elemento de la turbina, se recomienda presentar un plano general en
donde se detalle el ensamble de las piezas que lo conforman y se indique las
especificaciones de los pernos, empaquetaduras, arandelas, que se requieran.
- Se debe elaborar un plano de fabricacin para cada pieza, en donde se mostrarn
vistas y detalles que aclaren su geometra. Tambin debe indicarse las
especificaciones de tolerancias y niveles de acabados superficiales.
- Cuando las piezas se produzcan mediante procesos de fundicin, se debern
elaborar los planos de los modelos que se utilizarn en este proceso. Tambin se
debe incluir las caractersticas del material que se utilizar e la fundicin de las
diferentes piezas.
- Debe presentarse un plano de ensamble general de la turbina en el cual se podrn
indicar todos los elementos de unin, retenes y sellos mecnicos que se utilizarn
en su ensamble.
1APUNTES PARA UN MANUAL DE DISEO, ESTANDARIZACION Y FABRICACION DE EQIPOS PARA
PEQUEAS CENTRALES HIROELECTRICAS. Volumen ll Olade
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Fig. 3.1. Conjunto de la turbina Pelton
3.2. PROCESOS DE CONSTRUCCIN
3.2.1. CONSTRUCCIN DE LA CARCASA
La carcasa es el lugar donde va alojada la turbina, su funcin general es de cubrir
y soportar las partes fijas y mviles de la turbina, su fabricacin debe ser de acuerdo a
los planos especficos para la aplicacin.
Fig. 3.2. - Carcasa
Los materiales utilizados para la fabricacin de la carcasa son los siguientes:
- Plancha de acero de 1/8 de espesor, equivalente a 3mm, de calidad comercial
laminada al caliente, equivalente a A569 (ASTM).
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Las dimensiones de la plancha son 1.20m x 2.40m. En la fabricacin de la
carcasa se utilizo la plancha de acero cortada y soldada elctricamente, pero
tambin es posible fabricarlo por otros mtodos como por ejemplo fundicin.
Fig. 3.3. - Tapa de carcasa
- El corte de las planchas se realiz por oxicorte, utilizando como insumos oxgeno
y acetileno principalmente.
- Los electrodos utilizados para unir las partes de la carcasa son:
E6011 para penetracin.
E6013 para acabados.
- Se utilizo pintura, anticorrosiva como base (base zincromato), luego para los
acabados pintura acrlica para metal.
Procedimiento.
El proceso de fabricacin de la carcasa y tubo de succin comprende desde el
trazado y corte del material hasta el acabado con pintura, pasando lgicamente por el
proceso de la unin por soldadura de las partes o segmentos.
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La unin de los segmentos, de la carcasa se realizo mediante el mtodo desoldadura por arco elctrico. El proceso de soldadura comienza con el apuntalado
que consiste en unir los segmentos o partes mediante puntos de soldadura,
chequeando las dimensiones y la perpendicularidad entre ellas, para finalmente
realizar la unin mediante cordones de soldadura, evitando al mnimo las
deformaciones, estas deformaciones se producen cuando hay recalentamientos en
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zonas especificas, por lo que se recomienda soldar por tramos, dejando enfriar
las otras partes en forma intercalada.
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Como las partes cortadas y soldadas sufrieron deformaciones debido al
calentamiento durante el proceso, se tuvo que enderezar las partes de la carca.
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Cuando se une los segmentos o partes de la carcasa mediante soldadura por arco,
al trmino de esta quedan algunas rebabas y pequeos sobresalientes de cordn
tanto en la parte interna como en la parte externa de la carcasa, estas rebabas hay
que eliminarlas. La eliminacin de las rebabas y sobresalientes de cordn en la
parte interna es conveniente para disminuir la friccin con el agua,
disminuyendo as las prdidas en la zona.
3.2.2.CONSTRUCCIN DEL RODETE
Como se conoce que existen dos alternativas de diseo de rodetes de turbinas
Pelton, una de ellas consiste en empernar cucharas a un disco, el cual se instala en el eje
mediante un buje macizo, la segunda alternativa consiste en producir el rodete en una
sola pieza fundida. Estas alternativas de diseo definen los procesos de produccin de
los rodetes.
Fig. 3.4. Modelo de alabe de la turbina Pelton
Para producir el rodete con cucharas empernadas, se considero la alternativa de
fundicin, con lo cual se obtiene una pieza que posteriormente se puli de forma
manual. Para dar el acabado superficial a las cucharas, es necesario preparar calibradores
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que permitan garantizar una geometra igual a la proyectada en el diseo (ver particular
1.4 y 1.5).
Fig. 3.5.
Plantillas de la geometra del alabe
La superficie interna de la cuchara debe tener un acabado del tipo pulido, esto
depende de las limitaciones de tecnologa.
La eleccin del material del cual va ha ser construido el rodete es importante para
seguir con el diseo y construccin de los dems componentes, de las propiedades delmaterial del rodete depende la eficiencia de la turbina, esto por la friccin que se
ejercer en los alabes de la turbina o rodete.
En la mayora de estas aplicaciones el material de mayor eficiencia es el acero
inoxidable fundido al cromo nquel (13% de cromo y 4% de nquel) obtenido de la
fundicin. El uso de acero inoxidable es por su mayor resistencia a la corrosin que
pueda presentarse por cavitacin.
En la aplicacin de la microcentral hidroelctrica que trabajamos, el rodete est
construido de fundicin de bronce.
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Procedimiento.
La fabricacin de rodete se inicia con la preparacin de los modelos y moldes en
una primera actividad. El modelo se elaboro de acuerdo a los planos teniendo en cuentalas tolerancias por contraccin del material fundido para este caso se utilizo un modelo
de los labes construido en aluminio.
La unin de los labes a la corona se hace mediante pernos. Esta unin se hace
labe por labe, teniendo en consideracin la correcta posicin del ngulo establecido
entre cada alabe, as como tambin teniendo cuidado de que los alabes mantengan su
posicin.
Despus de unidos los alabes a la manzana del rodete, se procede a realizar el
acabado final que consiste en pulir las partes del rodete que van a estar siempre en
contacto con el agua, as mismo se maquina las partes que van a ir acopladas con el eje
con su respectivo chavetero.
Para pulir los alabes del rodete se utilizo en primera instancia un rotaliner
neumtico, limas y lijas empezando por las de grano grueso hasta darle el acabado final
con las de grano fino. Cuando el rodete se encuentro totalmente acabado, entendindose
por acabado el maquinado y pulido, se le realizo un balanceo dinmico, este balanceo se
hizo en funcin a la velocidad de rotacin que va a operar. El balanceo dinmico es
necesario porque siempre en el proceso de fundicin no hay uniformidad en la
distribucin del material de la colada, de esta forma se disminuyen las vibraciones y se
incrementa el tiempo de vida til de los rodamientos y otros componentes.
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Fig. 3.6. Rodete Pelton
Control de calidad posterior a la colada
I nspeccin Visual
La inspeccin visual es el primer control del rodete, ya sea en el proceso de
fabricacin o cuando entre en operacin. Consiste en revisar la calidad de la superficie
de los alabes. Su objetivo es detectar defectos superficiales tales como:
Abrasin: ocasionada por arena y suciedad, las cuales causan un dao mecnico.
Daos mecnicos: normalmente golpes de piedras que dejan una huella. Estos
putos pueden influir en la resistencia del material por un efecto conocido como
concentracin de tensiones.
Daos de fundicin: conocidos como poros, estos se deben por la inclusin de
arena de en el proceso de fundicin.
Fisuras: es la ms graves de los defectos puede ocasionar fallas en el rodete.
Para nuestro caso se deber efectuar una inspeccin visual al 100 %, despus de
la colada y al final del proceso de construccin del prototipo, esto con la finalidad de
determinar imperfecciones superficiales.
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3.2.3.CONSTRUCCIN DEL INYECTOR
La construccin del inyector se realizo en diferentes componentes, esto con el fin
de que el mantenimiento sea ms accesible en todos los componentes.
Fig. 3.7. Componentes del inyector
La carcasa o tramo recto del inyector se construye de acero st-37, diferentes
componentes estn construidos en bronce fosfrico y en acero inoxidable, con el fin de
disminuir desgaste y friccin en los componentes que estn directamente en contactocon agua. El acople de los componentes del inyector se efecto mediante pernos y
asentados con empaques y sellos para evitar permeabilizaciones de agua.
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Fig. 3.8. Inyector rectilneo
Procedimiento.
Para la fabricacin de ciertas piezas como es la gua de la aguja, se ha credo
conveniente hacerlo por fundicin de bronce, luego maquinarlas y pulirlas. Para la
fundicin se debe contar con los modelos, elaborados de acuerdo a los planos de
fabricacin con sus respectivas tolerancias por contraccin del material y el maquinado.
- El codo cnico se construyo utilizando un codo a 90 de 2 ced - 80 negro
soldable
- El eje del inyector es construido en acero inoxidable, por el permanente contacto
con el agua que tendr este componente, se mecanizo y puli hasta dejar a las
medidas expuestas en el particular.
- La punta de la aguja o tambin llamada bulbo se construyo en acero inoxidable,
el contacto de este componente con el agua es continuo, y su desgaste es grande
por esta razn se construyo de un acero resistente a la corrosin, este
componente es roscado en un extremo para agilizar su cambi en el caso que su
desgaste haya sido excesivo.
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La gua de la aguja del inyector se la fundi en bronce y luego mecaniz segn
particular, ver lmina N 19. La importancia de este componente es primordial,
por lo que en esta gua se regula la apertura o cierre del inyector y por
consiguiente el aumento o disminucin de caudal que ingresa a la turbina.
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En un extremo del inyector ese colocaron empaques de tefln grafitado, el ancho
del empaque es de su longitud depende de la calidad de sellado que se desee.
3.2.4.CONSTRUCCIN DEL EJE DE LA TURBINA
Fig. 3.9. Eje de la turbina Pelton
El material del cual est construido el eje de la turbina es un acero inoxidable, la
utilizacin de este tipo de acero es por el continuo contacto que tendr el eje con el agua,
y el acero inoxidable por su dureza es apto para trabajos especiales de rotacin y flexin
y elevada resistencia a la corrosin (DIN: 34 CrNiMo 6, Boehler VCN 150).
Al adquirir el material para el eje, se considero una sobredimensin en el
dimetro (mnimo 4 mm) para el maquinado.
El maquinado, del eje se realiza de acuerdo a los planos o fabricacin ver lmina
N 5, para la construccin del eje, se debe considerar cada una de las indicaciones de los
planos relativos a tolerancias en los dimetros y dimensiones de chavetas, niveles de
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acabado en las zonas donde se ubica el rodete y los rodamientos, en el tramo donde se
ubica el rodete, se considera un ajuste a presin.
3.2.5.
CONSTRUCCIN DE LOS SOPORTES DE RODAMIENTOS
Fig. 3.10. Soporte de rodamientos
Se procede a la fabricacin de acuerdo a los planos indicados, el soporte del
rodamiento es el componente de la turbina que se encuentra en el voladizo de la carcasa,
va apoyado en la parte lateral de la estructura de la turbina o carcasa, esto es porque el
eje est en posicin horizontal.
Estos soportes de rodamientos pueden ser construidos mediante procesos de
fundicin, por el costo del componente se ha preferido realizarlo mediante procesos de
mecanizado, los materiales utilizados son, plancha negra de acero y acero St37.
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Plancha de acero de 1/4". Segn las dimensiones A569 (ASTM)
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Se ha utilizado un acero St 37, para las partes donde van alojados los
rodamientos
- Los electrodos usados para la fabricacin del soporte de chumaceras, son E6011
para penetracin y E6013 para acabados
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3.2.6.CONSTRUCCIN DE PRENSAESTOPAS
La prensaestopa es un componente de la turbina Pelton utilizada para sellar las
fugas de agua por los extremos del eje de la turbina.
Comnmente se suele construir las prensaestopas de un material con alto
contenido de bronce hasta el 90% (Cu 90% Zn 10%), el uso de este material se debe a su
resistencia a la corrosin ya que este componente estarn en contacto con agua. Para
sellar las posibles fugas en esta turbina especfica se ha credo conveniente utilizar como
prensaestopa una cinta de tefln grafitado de de espesor.
3.2.7.
POLEA DE TRANSMISIN
Conociendo que la velocidad de giro de la turbina es de 900 rpm y la velocidad
de giro del generador es de 3600 rpm, se procedi a construir un sistema de transmisin
mediante poleas para transmitir el movimiento, la polea que va conectada con el eje de
la turbina debe ser de mayor dimetro puesto que se tiene que aumentar las rpm del
sistema.
La relacin de transmisin del sistema es de 1:4, para este sistema de transmisin
de movimiento mediante poleas se ha calculado dos poleas, una de 16 pulgadas (polea
conductora) y una de 4 pulgadas (polea conducida), esta ltima est conectada al eje del
generador.
La banda utilizada es de tipo A y su longitud de 35 in
Por el largo proceso de construccin de estas poleas se procedi a comprarlas.
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Fig. 3.11. Polea de transmisin (16 in)
3.3.
BALANCEO DE LA TURBINA
Balanceo dinmico
El balanceo del eje es un fenmeno vibratorio autoexitado al cual potencialmente
son sometidas todas las flechas, para tener un buen funcionamiento de la maquina se
recomienda realizar un balanceo dinmico (si se operan a elevadas velocidades) 2 .
Cualquier balanceo residual de un elemento en rotacin hace que el centro verdadero de
masa quede excntrico del eje de rotacin de la flecha. Esta excentricidad genera una
fuerza centrifuga que tiene tendencia a flexionar la flecha en direccin de la
excentricidad, incrementando y aumentando la fuerza centrifuga. La nica resistencia a
esta fuerza proviene de la rigidez del eje.
Fig. 3.12. Movimiento de balanceo
2Diseo de Mquinas. ROBERT L. NORTON
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Queda claro que la rotacin de un sistema a su frecuencia crtica o cercana a ella
debe estrictamente evitarse. La frecuencia crtica para balanceo del eje es igual que para
la vibracin lateral. Esta razn de amplitud de vibracin de balanceo del eje empieza en
cero en vez de empezar en uno (vibraciones forzadas)3. Si se conserva la velocidad de
operacin debajo de ms o menos la mitad de la frecuencia crtica de balanceo del eje.
El balanceo de las flechas es una vibracin autoexitada, causada por la rotacin
del eje, que acta sobre la masa excntrica.
Vibracin torsional
Como la flecha tambin vibra torsionalmente, y tendr varias frecuencias
naturales a torsin. Los sistemas son anlogos. La fuerza se convierte en par de torsin,
la masa se convierte en momento de inercia de masa y la constante lineal de resorte se
convierte en constante torsional de resorte. Para determinar la frecuencia natural circular
utilizamos la siguiente ecuacin:
m
t
nI
k
(3.1)
La constante de resorte torsional tk para un eje circular solido es.
l
JGkt
(3.2)
3Diseo de Mquinas. ROBERT L. NORTON
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Donde:
G modulo de rigidez del material MPsi7.10 (ver anexo 23)
l longitud de la flecha.
J Segundo momento polar de rea se la flecha.
45
4
4
4
1033.6
098.0
32
1
32
mJ
inJ
J
dJ
La constante del resorte torsional es:
rad
inlbk
k
l
JGk
t
t
t
4,57144
35,18
098,0107.10 6
El momento de inercia de masa de una flecha circular slida respecto a su eje:
2
2
2
2
448,0
00013024,0
2
0127,0615,1
2
inlbI
mkgI
I
rmI
m
m
m
m
-
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La frecuencia natural circular ser:
sec14,357
448,04,57144
rad
I
k
n
n
m
t
n
Ver propiedades del eje de la turbina en el anexo 24
Balanceo esttico
El balanceo de la turbina se lo realizo en diferentes etapas:
- Nivelacin de la mesa para balancear.
- Montaje y sealamiento de la turbina en los puntos crticos.
- Se quita peso en las cucharas segn la ubicacin de los puntos crticos donde
exista ms masa, esto se lo realiza utilizando un rotalin.
Fig. 3.13. Turbina Pelton balanceada
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3.4. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO
Para realizar las pruebas de funcionamiento de la turbina se procedi a construir
un banco de pruebas, el cual consta de diferentes componentes, los cuales los
enumeramos a continuacin.
- Generador.
- Sistema de transmisin de movimiento
- Equipo de medida del generador.
-
Equipo de turbina Pelton.
- Bomba de alimentacin.
- Tablero de control.
- Manmetro anti vibracin.
- Vlvulas reguladoras de caudal.
Fig. 3.14. Banco de pruebas
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Generador.-El generador utilizado para el proyecto es un generador de corriente
alterna la potencia es de 2.5 kW, el generador consta de un equipo con tomas de energa
y un dispositivo para medir el voltaje.
Sistema de transmisin de movimiento.-el sistema de transmisin es realizado
utilizando dos poleas para banda trapezoidal tipo A, la relacin de transmisin es de 1:4.
Equipo de turbina Pelton.-la turbina Pelton consta de:
-
Inyector
-
Turbina Pelton- Rodamientos
- Eje de la turbina
- Carcasa
Bomba de alimentacin.- Utilizamos una bomba centrifuga de las siguientes
caractersticas.
Tabla No 3.1 Datos de la bomba
SAER
TYPE IR32160/A
N 1181168 YEAR 04
V 220 / 380 HZ 60
A 18.76 / 10.8 IP 55
HP 7.5 kW 5.5 3400 1/min
Q=m /h 624 H=m 51.5 36.6
-
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Fig. 3.15. Curva de la bomba
Tablero de control .-El tablero de control consta de diferentes pulsantes y focos
de alerta, como se muestra en la siguiente figura.
Fig. 3.16. Tablero de control de la bomba
-
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Para la construccin del tablero de mando se realizo previamente un circuito de
fuerza y uno de mando, ver particulares CE-1, CE-2 yCE-3.
Los materiales utilizados en el tablero son los siguientes:
- Breaker trifsico 30 Amp.
- Contactor trifsico.
- Rel trmico.
Manmetro anti vibracin.- El manmetro se utiliza en el banco es del tipo
vertical anti vibracin, el rango de medida es de 0100 Psi.
Vlvul as reguladoras de caudal.- En el banco de pruebas existen dos vlvulas de
compuerta de 1, la una se encuentra en la succin y la otra en la descarga.
3.4.1. PRUEBAS A VACIO
Realizadas las pruebas sin carga de la turbina obtuvimos los siguientes
resultados.
Tabla No 3.2 Resul tados de las pruebas a vacio
Altura Presin CaudalAperturainyector
N(Turbina)
N(Generador)
Voltaje
m Psi m/s vueltas % rpm rpm V19,53 13,0534 0,008 10 100 450 1862 6819,53 13,0534 0,008 9,5 95 481 1964 81
19,53 13,0534 0,008 9 90 500 2040 8521,57 15,954 0,0075 8,5 85 521 2111 9122,60 17,404 0,0073 8 80 545 2236 9623,62 18,854 0,0070 7,5 75 575 2331 10225,66 21,755 0,0064 7 70 820 3306 11225,66 21,755 0,0064 6,75 67,5 872 3572 11226,69 23,206 0,0061 6,5 65 904 3674 112
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Fig. 3.17. Pruebas de la turbina
En la tabla No 3.2,se presentan los resultados de las pruebas a vaco de la turbina, lasvariables que se manejaron son:
- Altura.
- Caudal.- Apertura del inyector.- RPM (turbina).- RPM (generador).- Voltaje.
A continuacin se presentan diferentes grficas que resultan de la combinacin deresultados de cada una de las variables medidas:
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Fig. 3.18. Resultados del voltaje vs caudal
Fig. 3.19. Resultados del voltaje vs altura
0
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
0,006
0,007
0,008
0,009
0 20 40 60 80 100 120
Caudal[m3/s]
Voltaje [V]
Voltaje vs Caudal
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
0 20 40 60 80 100 120
Altura[m]
Voltaje [V]
Voltaje vs Altura
-
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Fig. 3.20. Resultados del voltaje vs rpm
Fig. 3.21. Resultados del voltaje vs apertura del inyector
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 20 40 60 80 100 120
Velocidaddelaturbina[rpm]
Voltaje [V]
Voltaje vs rpm
0
2
4
6
8
10
12
0 20 40 60 80 100 120
Aperturadelinyector[vueltas]
Volyaje [V]
Voltaje vs Apertura del inyector
-
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Fig. 3.22. Resultados del apertura del inyector vs rpm
Para mantener estable el nmero de revoluciones de la turbina y, as mismo el
voltaje y la potencia que puede dar el generador elctrico, debemos mantener constante
el caudal y altura de ingreso a la turbina, durante las pruebas que realizamos se variaba
el ingreso de caudal y la presin con valores inferiores a los de diseo debido a que las
caractersticas de funcionamiento de la bomba no nos permiten cumplir con los
parmetros de diseo.
Durante las pruebas se determino que para alcanzar el nmero de revoluciones de
diseo de la turbina se utilizo un recurso hdrico de 26 m de cada neta y un caudal de 6
l/s, considerando que estas pruebas se realizaron sin conectarle carga alguna al
generador, ya que al consumir la potencia generada decaen las revoluciones de la
turbina, ese fenmeno se presenta al no tener el caudal requerido de diseo, por lo tanto
al momento de realizar las pruebas con carga se aumento la presin de entrada del
chorro para compensar la disminucin de caudal.
0100200300400500600700800900
1000
0 20 40 60 80 100 120Velocidaddelaturbina[rpm
]
Apertura del inyector [%]
Apertura del inyector vs rpm
-
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200
3.4.2. PRUEBAS CON CARGA
Pruebas de la turbina conectada una carga elctrica.
Tabla No 3.3 Resul tados de las pruebas con carga
Altura Presin Caudal Aperturainyector
N(Turbina)
N(Generador)
Voltaje Corriente Potenciaaparente Cos
m Psi m/s % rpm rpm V I VA
17,47 10,15 0,0084 100 302 1206 37 2,8 112 0,99
17,47 10,15 0,0084 95 309 1251 39 2,93 124,4 0,99
18,49 11,60 0,0082 90 318 1298 40 3,04 134 0,99
19,00 12,33 0,0081 85 325 1323 42 3,15 143 0,99
19,51 13,05 0,08 80 333 1331 44 3,27 154 0,99
20,53 14,50 0,0078 75 342 1376 46 3,4 172 0,99
21,55 15,95 0,0075 70 349 1413 48 3,6 184 0,99
22,57 17,40 0,0073 65 360 1448 51 3,8 208 0,99
24,61 20,31 0,0067 60 375 1495 53 4,03 224 0,99
25,63 21,76 0,0064 55 386 1558 56 4,25 260 0,99
28,68 26,11 0,0055 50 406 1598 60 4,5 292 0,99
34,80 34,81 0,0033 40 445 1803 69 5,2 386,8 0,99
Fig. 3.23.
Resultados del voltaje vs potencia
y = 0,091x2 - 1,100x + 27,900
50
100150
200
250
300
350
400
450
0 20 40 60 80
Potencia[VA]
Voltaje [V]
Voltaje vs Potencia
Voltaje vs Potencia
Polinmica (Voltaje vs
Potencia)
-
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201
Fig. 3.24. Resultados del apertura del inyector vs rpm
Fig. 3.25. Resultados del apertura del inyector vs rpm
Una vez realizado el ajuste de la tabulacin de datos obtenidos en la prueba de la
turbina acoplada a un generador elctrico y a su vez conectada una carga de elctrica con
y = 0,000x2 - 0,058x - 86,35
0
500
1000
1500
2000
2500
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
Potenia(VA)
Velocidad del generador (RPM)
RPM vs Potencia
y = 0,004x2 - 1,179x + 90,080
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 100 200 300 400 500
Potencia[VA]
Velocidad de la turbina [rpm]
RPM (Turbina) vs Potencia
RPM (Turbina) vsPotencia
Polinmica (RPM(Turbina) vs Potencia)
-
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202
una potencia de consumo de 1100 W, se obtuvo como resultado que la potencia aparente
mxima que se genera es 2268 VA, la misma se modifica al multiplicar por el factor de
potencia de la carga elctrica conectada (cos = 0,98) y el rendimiento elctrico del
generador obtenemos una potencia efectiva 2001 W.
Realizado el ajuste de curvas del nmero de revoluciones de la turbina y el
generador se determino que si se cumple la capacidad de generacin elctrica cuando la
turbina alcance girar a 900 RPM, con una altura neta de 25 m y 0,001 m3/s.
3.4.3. CURVAS CARACTERISTICA DE LA TURBINA
Las curvas caractersticas de la turbina que se grafican a continuacin,
determinan en cada uno de sus puntos un valor del rendimiento, las curvas de igual
rendimiento, que no son otra cosa que las proyecciones, sobre dichos planos, de las sucesivas
secciones originadas por la interseccin de planos paralelos a las mismas de h = ctte, con las
superficies de rendimientos correspondientes; las lneas de nivel, son lneas de igual rendimiento.
En la turbina Pelton, el punto de mximo rendimiento no se corresponde con la apertura
completa del inyector, si la velocidad es grande, el rendimiento disminuye debido a que parte del
agua pasa por la turbina, escapndose del rodete sin producir ningn trabajo, haciendo que el
rendimiento volumtrico disminuya rpidamente.
Esta disminucin se hace mucho ms ostensible a partir de un cierto valor de la
velocidad, por cuanto el chorro podra llegar a incidir sobre el dorso de la cuchara, frenndola.
Para llegar a conocer bien las particularidades del funcionamiento de la turbina,
realizamos con ella un gran nmero de ensayos, que abarcan la totalidad de las condiciones
posibles de trabajo, que viene determinadas por la variabilidad del salto, de la carga (par
resistente), de la velocidad.
-
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Tabla No 3.4 Fuerza de frenado de la turbinaApertura del inyector Cabeza Fuerza Caudal Revoluciones
% kN/m N m/s rpm
100
80 0 0,0082 835
80 39,22 0,0082 704
80 78,45 0,0082 599
80 117,68 0,0082 470
80 156,9 0,0082 350
80 196,13 0,0082 219
80 235,36 0,0082 120
80 274,58 0,0082 54
80 313,81 0,0082 0
75
100 0 0,0078 954
100 39,22 0,0078 844100 78,45 0,0078 745
100 117,68 0,0078 665
100 156,9 0,0078 535
100 196,13 0,0078 408
100 235,36 0,0078 301
100 274,58 0,0078 169
100 313,81 0,0078 0
50
180 0 0,0055 1273
180 39,22 0,0055 1122
180 78,45 0,0055 1002
180 117,68 0,0055 877
180 156,9 0,0055 773
180 196,13 0,0055 623
180 235,36 0,0055 498
180 274,58 0,0055 190
180 313,81 0,0055 0
Para diversas aperturas se obtienen una serie de rectas que tienen en comn el punto( 1/ 1= 1) es decir, la velocidad perifrica del rodete es igual a la velocidad del chorro
(u = c1), o lo que es lo mismo, la velocidad de embalamiento uemb, aunque en realidad
sta es algo menor.
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Tabla No 3.5 Ef iciencia de la turbinaApertura
delinyector
Cabeza Torque CaudalVelocidadangular
Potenciade
Turbina
PotenciaHidrulica
Eficiencia
%m deH20 N*m m/s rad/s W W %
100
18,49 0,000 0,0082 87,441 0,00 1487,373 0,000
18,49 4,314 0,0082 73,723 318,05 1487,373 0,214
18,49 8,630 0,0082 62,727 541,30 1487,373 0,364
18,49 12,945 0,0082 49,218 637,12 1487,373 0,428
18,49 17,259 0,0082 36,652 632,58 1487,373 0,425
18,49 21,574 0,0082 22,934 494,78 1487,373 0,333
18,49 25,890 0,0082 12,566 325,34 1487,373 0,219
18,49 30,204 0,0082 5,655 170,80 1487,373 0,115
18,49 34,519 0,0082 0,000 0,00 1487,373 0,000
75
20,52 0,000 0,0078 99,903 0,000 1570,149 0,000
20,52 4,314 0,0078 88,383 381,304 1570,149 0,243
20,52 8,630 0,0078 78,016 673,241 1570,149 0,429
20,52 12,945 0,0078 69,639 901,458 1570,149 0,574
20,52 17,259 0,0078 56,025 966,937 1570,149 0,616
20,52 21,574 0,0078 42,726 921,776 1570,149 0,587
20,52 25,890 0,0078 31,521 816,057 1570,149 0,520
20,52 30,204 0,0078 17,698 534,536 1570,149 0,340
20,52 34,519 0,0078 0,000 0,000 1570,149 0,000
50
28,68 0,000 0,0055 133,308 0,000 1547,429 0,000
28,68 4,314 0,0055 117,496 506,899 1547,429 0,328
28,68 8,630 0,0055 104,929 905,486 1547,429 0,585
28,68 12,945 0,0055 91,839 1188,840 1547,429 0,768
28,68 17,259 0,0055 80,948 1397,088 1547,429 0,903
28,68 21,574 0,0055 65,240 1407,516 1547,429 0,910
28,68 25,890 0,0055 52,150 1350,154 1547,429 0,873
28,68 30,204 0,0055 19,897 600,958 1547,429 0,38828,68 34,519 0,0055 0,000 0,000 1547,429 0,000
-
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Fig. 3.26. Comportamiento segn la eficiencia
Fig. 3.27. Comportamiento segn el rendimiento
Fig. 3.28. Comportamiento con la potencia al freno
0,000
0,200
0,400
0,6000,800
1,000
0 500 1000 1500
Eficiencia[%
]
Velocidad de la turbina [rpm]
Eficiencia vs rpm
100%
75%
50%
0,000
0,200
0,400
0,600
0,800
1,000
0,00 0,50 1,00 1,50
Rendimiento%
1/ 1
Comportamiento del rendimiento
100%
75%
50%
0,000
10,000
20,000
30,000
40,000
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20Potenciaalfre
noW
1/ 1
Comportamiento con la potencia
-
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Fig. 3.29. Curvas de isorendimiento
La curva de iso eficiencia al 10%, esta descrita por la presente ecuacin:
004,0xE1xE9y 05209
La curva de iso eficiencia al 20%, esta descrita por la presente ecuacin:
003,0xE1xE1y 05208
La curva de iso eficiencia al 30%, esta descrita por la presente ecuacin:
004,0xE1xE1y 05208
La curva de iso eficiencia al 40%, esta descrita por la presente ecuacin:
005,0xE1xE9y 05208
En la grafica 3.27 analizamos el comportamiento de la turbina, el rendimiento de
la turbina forma una parbola, al abrir el inyector hasta el 50% de su capacidad tenemos
el rendimiento mximo, puesto que disminuye el caudal y compensamos esa carencia
con altura.