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8/17/2019 mi parteWGT3WEARFAW

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I. INTRODUCCIÓN

II. OBJETIVOS

III. MARCO CONCEPTUAL

3.1 MÁQUINAS HIDRÁULICAS

3.2 FLUJO EN TUBERÍAS CON SALIDA LIBRE

3.3 SALIDA POR TOBERA

3.4 CONDUCCIÓN DE HIDROELÉCTRICA VILLARINO

3.5 POTENCIA DE UN FLUJO

3. TURBINA DE ACCIÓN

3.! TRIÁN"ULOS DE VELOCIDADES

3.# ECUACIÓN DE EULER

3.$ VELOCIDAD ESPECÍFICA

IV. MARCO HISTÓRICO

4.1 HISTORIA DE LAS PRIMERAS TURBINASV. MARCO TEÓRICO

5.1 TURBINAS HIDRÁULICAS

5.2 CARACTERÍSTICAS "ENERALES

5.3 CLASIFICACIÓN

5.3.1 SE"%N EL "RADO DE REACCIÓN TURBINAS DE ACCIÓN

TURBINAS DE REACCIÓN

5.3.2 SE"%N LA TRA&ECTORIA QUE SI"UE LA PARTÍCULA DEL

FLUIDO



TURBINAS RADIALES

TURBINAS AXIALES

TURBINAS DE FLUJO MIXTO O DIAGONAL

TURBINAS DE FLUJO TANGENCIAL

5.3.3 SE"%N SUS ASPECTOS CONSTRUCTIVOS TURBINAS TIPO FRANCIS

TURBINAS TIPO KAPLAN

TURBINAS TIPO PELTON

TURBINAS TIPO HÉLICE

TURBINAS TIPO DERIAZ

TURBINAS TIPO TUBULARES

TURBINAS TIPO BULBO

TURBINAS TIPO STRAFLO

5.4 ESTUDIO "ENERAL DE LAS TURBINASHIDRÁULICAS

5.4.1 MOVIMIENTO DEL AGUA

5.4.2 PÉRDIDAS DE CARGA



Las pérdidas de carga que tienen lugar entre los niveles del embalse y el

canal de desagüe, aguas debajo de la turbina, se pueden resumir en la

siguiente forma:

Dónde:

- ht : perdida de carga aguas arriba de la turbina desde la cámara de

carga presa!, "asta la sección de entrada en el distribuidor de la

turbina# esta pérdida no es imputable a la turbina, siendo

despreciable en las turbinas de cámara abierta# en cambio, en las

turbinas de cámara cerrada, con largas tuber$as con corriente for%ada

de agua, s$ son importantes&

- hd : es la perdida de carga en el distribuidor&

- hd ' : es la perdida de carga entre el distribuidor y el rodete, sobre

todo por c"oque a la entrada de la rueda&

- hr : es la perdida de carga en el rodete&

- hs: es la perdida de carga en el tubo de aspiración&

- hs ' : es la perdida de carga a la salida del difusor, por

ensanc"amiento brusco de la vena liquida# seg'n (elanguer es de la

forma:

hs' =

(c3−ca )2

2 g

={ca→0}= c

3

2

2g



5.5 ACCESORIOS DE TURBINAS

)l elemento principal de toda turbina "idráulica o máquina generatri%! es elrodete mismo& Los más populares en la actualidad son: *elton de impulso!,

+rancis y aplan estos 'ltimos, de reacción!& in embargo, el rodete por s$

solo no puede "acer muc"o, requiere de ciertos accesorios, ya sea para la

distribución, direccionamiento, control etc& Del .uido que trabaje con él& /

continuación presentaremos al menos esquemáticamente, algunos de estos

dispositivos "idráulicos&

A''()*+,*) -( /0 +,/0 P(*/ -( (( *+,6*/07 '*/ -*) (8,9*)

-( ,/:('',;/.

IN&ECTOR )ste dispositivo se utili%a en las turbinas *elton& 0onsiste en una boquilla o

tobera, terminal de una conducción for%ada& )ste accesorio lan%a el .uido

c"orro& )s el equivalente al distribuidor otro accesorio el cual citaremos

después!& e puede utili%ar más de un inyector dependiendo del dise1o,

colocación, carga y gasto del rodete *elton&

)ste dispositivo contiene una aguja de cierre, cuyo movimiento disminuye o

aumenta la apertura de la boquilla y con esto el caudal& e puede construir

de acero al n$quel, esmerilada y pulida para reducir el ro%amiento& )l

movimiento de esta aguja se logra mediante un mecanismo de control, elcual se muestra a continuación&



0abe se1alar que el inyector cuenta con un de.ector el cual desv$a al

c"orro& )sto es muy 'til en los casos en el cual ocurra una falla en el

generador& )sta falla se traduce en una violenta aceleración de la turbina,

pudiendo ésta entrar en resonancia y destruirse& )l de.ector desviar$a el

c"orro, ayudando as$ a disminuir la velocidad del rodete& )n la página

posterior se puede ver un esquema del inyector, y su colocación paradiversos montajes y combinaciones de la turbina *elton&

CARACOL

e utili%a en las aplan y +rancis& u función el de conducir el agua a través

de un ducto de sección circular la cual se va reduciendo uniformemente

conforme se vaya perdiendo el .ujo, y as$ se mantiene una velocidad

constante de entrada al siguiente elemento, el distribuidor& u forma es el

motivo de su nombre& )n páginas posteriores se encuentra una fotograf$a de

un caracol&

DISTRIBUIDORe le conoce como paletas directrices giratorias o de +in2& )n él la

regulación se efect'a, por la variación de sección de las cámaras del

distribuidor, mediante giros de los álabes directrices de "ierro o acero

fundido!, los cuales van montados en espigas y "acen de ejes con bielas de

accionamiento, que las conducen y van unidas, por un e3tremo, a pernos de

las paletas, y por el otro, a una corona e3terior o anillo, que puede desli%ar

sobre la corona, y accionado por ejes con sus palancas y tirantes,

consiguiendo por rotación el giro simultáneo de todas las paletas,arrastradas por las bielas, y cerrando o abriendo el espacio entre paletas

para dejar pasar menos o más cantidad de agua caudal!& / continuación

presentaremos una clasi4cación de estos dispositivos, seg'n la disposición

de los ejes de giro de los álabes directrices:

0il$ndrico: si los ejes de giro se encuentran en la super4cie de un cilindro

cuyo eje coincide con el eje de la máquina y el .ujo en el distribuidor carece

de componente a3ial& Los diagramas presentados corresponden a este tipo&

/3ial: i los ejes de giro se encuentran en un plano transversal al eje de la

máquina y el .ujo en el distribuidor carece de componente radial encentrales en que el .ujo es a3ial no solo en el rodete, sino a la entrada de la

turbina: 5rupo bulbo!&

0ónico: i los ejes de giro se encuentran en una super4cie cónica&

QUICIOS7 RAN"UAS O SUSPENSIONES

on disposiciones de apoyo de los árboles de las turbinas y una de las

partes más importantes de las mismas& )l cálculo de las suspensiones, que

soportan cargas muy considerables, entra de lleno en la 6esistencia de7ateriales& Desec"ados los sumergidos, "oy se emplean los quicios anulares



sencillos, con cojinetes de bolas y cojinetes de presión& Las 4guras a

continuación presentan dos suspensiones modernas&

TUBO DE ASPIRACIÓN

La misión del tubo de aspiración o difusor de las turbinas a reacción tiene

como misión:

• 6ecuperar la altura comprendida entre la salida del rodete y el nivel

del agua en él socas&• 6ecuperar la mayor parte posible de la energ$a cinética a la salida del

rodete&

La tuber$a de enlace con la turbina, es decir, el tubo de aspiración, debe

tener sección su4ciente y de forma tal que permita la má3ima recuperación

de la energ$a cinética del agua a la salida del rodete, factor sumamente

importante en las turbinas +rancis, "élice y aplan, en las que dic"a energ$a

aumenta con el incremento de la velocidad espec$4ca& De otro modo, el

rendimiento ser$a muy bajo&

*ara calcular el tubo de aspiración "abrá que determinar previamente la

altura, desde la sección inmediata al rodete "asta la super4cie del agua del

canal de descarga, que "a de ser compatible con el valor má3imo de *a, de

la presión admisible a la salida del rodete# es decir, "ay que "allar el grado

má3imo de vac$o posible para evitar que se corte la columna de agua en el

tubo de aspiración y conseguir además que no se produ%can los fenómenos

de cavitación y de contragolpe de ariete&

0uando la altura de aspiración disponible es reducida, no podrá conseguirse

la recuperación deseada de la energ$a cinética por no ser posible dar al tubo

la longitud necesaria para ir disminuyendo paulatinamente la velocidad de

salida del tubo# en este caso se "a de recurrir a tubos de aspiración

acodados de la longitud necesaria en el cual se realice la recuperación de la

velocidad que se convierte en presión, por cuanto el codo tiene sección

igual a la entrada y a la salida del mismo&

7uc"as veces estos tubos requieren ser fabricados en el maci%o de la

fundación, y como el agua puede tener en ellos velocidades muy

importantes, es aconsejable proveerlos de un revestimiento metálico en las



partes en las que la velocidad sea superior a 8 m9seg& )s preciso tener en

cuenta que para caudales importantes la velocidades pueden alcan%ar los

; y < m9seg&

=tro tipo de tubo de aspiración es el que se encuentra en la 4gura acontinuación en forma de cono recto abocardado a la salida y con otro

elemento cónico en la segunda mitad, que de4ne con el cono principal un

área de paso anular en esa %ona& )l ensanc"amiento 4nal del área permite

reducir la longitud del tubo de desfogue& La sección anular creada por los

dos conos coa3iales favorecen la difusión reduciéndose las perdidas de

recirculacion del agua debido a las componentes tangenciales de la

velocidad del agua a la salida del rotor&

5. SELECCIÓN DEL TIPO DE TURBINA

La siguiente 4gura corresponde a un ábaco para la selección del tipo de

turbina, dependiendo del saltocabe%a! y del caudal&



+uente: )sc"er >yss& 0atálogo de fabricante&

e puede observar como para saltos altos y caudales relativamente bajos,

aplican las turbinas tipo *elton y para saltos medios y caudales

relativamente altos se seleccionan turbinas tipo +rancis, mientras que para

cabe%as e3tremadamente bajas y grandes caudales las turbinas aplan,

resaltando estos tres tipos de turbinas como los más representativos&

e encuentran %onas de intercesión en las cuales cumplen dos tipos de

turbinas, por ejemplo *elton y +rancis, caso en el cual se utili%an criterios

económicos para la selección 4nal& )s posible que en ciertos casos en loscuales las variables económicas son muy similares se utilicen otros criterios

de selección como la calidad de agua&

5.! TURBINAS PELTON

Las turbinas *elton, como turbinas de acción o impulso, están constituidas

por la tuber$a for%ada, el distribuidor y el rodete, ya que carecen tanto de

caja espiral como de tubo de aspiración o descarga& Dado que son turbinas

dise1adas para operar a altos valores de ?, la tuber$a for%ada suele ser



bastante larga, por lo que se debe dise1ar con su4ciente diámetro como

para que no se produ%ca e3cesiva pérdida de carga del .uido entre el

embalse y el distribuidor&

5.!.1 ELEMENTOS DE LA TURBINA PELTON

Las turbinas *elton, como turbinas de acción o impulso, están constituidas

por la tuber$a for%ada, el distribuidor y el rodete, ya que carecen tanto de

caja espiral como de tubo de aspiración o descarga& Dado que son turbinas

dise1adas para operar a altos valores de ?, la tuber$a for%ada suele ser

bastante larga, por lo que se debe dise1ar con su4ciente diámetro como

para que no se produ%ca e3cesiva pérdida de carga del .uido entre el

embalse y el distribuidor&

1 CARACTERISTICAS DEL DISTRIBUIDOR

)l distribuidor de una turbina *elton es una tobera o inyector, como el

esquemati%ado en la siguiente 4gura:

E)8(<0 0 -( ,/:('*+ -( /0 +,/0 P(*/.

La misión del inyector es aumentar la energ$a cinética del .uido,disminuyendo la sección de paso, para ma3imi%ar la energ$a de .uido

aprovec"ada en la turbina, ya que en el rodete de este tipo de turbinas sólo

se intercambia energ$a cinética tanto la sección , de entrada al rodete,

como la sección <, de salida del rodete, están abiertas a la atmósfera!&

De esta manera, no "ay problema para que la sección de la tuber$a for%ada

sea mayor, "aciendo esta transformación a energ$a cinética

inmediatamente antes de la entrada del .uido al rodete&



@na turbina *elton puede tener entre y un má3imo de A inyectores&

0uando tiene un solo inyector, el eje del rodete es normalmente "ori%ontal&

0uando el n'mero de inyectores es superior, el eje del rodete es

normalmente vertical, con el alternador situado por encima& )n este caso,

la tuber$a for%ada se bifurca tantas veces como n'mero de inyectores, y

cada inyector tiene su propia tuber$a independiente&

)l inyector dispone de una válvula de aguja para regular el caudal y

ajustarlo a la demanda de energ$a eléctrica& La válvula de aguja está

dise1ada para que el módulo de la velocidad, c, se mantenga

prácticamente constante aunque var$e el caudal la sección de salida

cambia en la misma proporción que el caudal!& *ara evitar cambios

bruscos de caudal, que podr$an ocasionar golpes de ariete en la tuber$a

for%ada, cada inyector dispone de un de.ector que cubre parcialmente el

c"orro durante los cambios de caudal y permite reali%arlos más lentamente&

D(0( -( -(=('*+ -( /0 +,/0 P(*/.

2 CARACTERISTICAS DEL RODETE

)l rodete de una turbina *elton es una rueda con álabes en forma de

cuc"aras o cangilones, con un dise1o caracter$stico, situados en su

per$metro e3terior, como se puede observar en la siguiente 4gura:



E)8(<0 0 -( +*-(( -( /0 +,/0 P(*/.

obre estas cuc"aras es sobre las que incide el c"orro del inyector, de tal

forma que el c"oque del c"orro se produce en dirección tangencial al rodete,

para ma3imi%ar la potencia de propulsión *t!&

Las cuc"aras tienen una forma caracter$stica, tal como puede apreciarse en

la siguiente 4gura:



V,)0 >+*/0 : )('',;/ 0(+0 ?,68,(+-0@ : )('',;/ ,/>(+,*+ -( /0

''0+0.

Donde se aprecia la sección de entrada ! y la sección de salida <!:

presentan una mella en la parte e3terna, son simétricas en direccióna3ial, y presentan una cresta central a4lada& Las dimensiones de las

cuc"aras, y su n'mero, dependen del diámetro del c"orro que incide sobre

ellas d!: cuanto menor sea ese diámetro, más peque1as serán las cuc"aras

y mayor n'mero de ellas se situarán en el rodete&

La mella, con una anc"ura ligeramente superior al diámetro del c"orro

t$picamente, ,Bd!, tiene como función evitar el rec"a%o& )l má3imo

aprovec"a- miento energético del .uido se obtiene cuando el c"orro incide

perpendicularmente sobre la cuc"ara& *ero, al girar el rodete, cuando se

aparta una cuc"ara y llega la siguiente, ésta tapa a la anterior antes de

estar en condiciones de aprovec"ar su energ$a adecuadamente& La mella

evita que una cuc"ara tape a la anterior demasiado pronto&

La simetr$a a3ial de la cuc"ara tiene que ver con evitar que se produ%ca

fuer%a neta en dirección a3ial por acción del c"orro& La 'nica fuer%a que

ejerce el .uido que se puede aprovec"ar como potencia de propulsión, *t,

es la que se produce en la dirección del despla%amiento de la cuc"ara

tangencial, u!, de acuerdo con la ecuación:

Pt = ρ.Q .(C 1.U 1.cosα 1−C 2.U 2 .cos α 2)

Donde *t se ma3imi%a cuandoα

1 es 0o

cos0o=1 ! y

α 2 es C;

cos C; E -!, es decir, cuando el c"orro de agua a la entrada lleva la

dirección tangencial de giro del rodete y a la salida sale rebotado en sentidocontrario:

Ptmáx= ρ .Q .(C 1 .U 1−C 2 .U 2)

in embargo, en la práctica, el c"orro no puede salir rebotado directamente

en sentido contrario al giro del rodete, porque c"ocar$a con la cuc"ara

situada inmediatamente delante, frenando el giro& /s$ que necesariamente

"ay una cierta componente radial que debe ser compensada& De no ser as$,se da1ar$a el eje&



La cresta a4lada, en dirección del c"orro, reduce el c"oque por paso de

una cuc"ara a otra, produciendo una entrada del c"orro tangencial al álabe&

VI. TRIÁN"ULO DE LAS VELOCIDADES

VII. RENDIM IENTO H IDRÁULICO DE UNA TURBINAPELTON

VIII. POTENCIAS7 RENDIM IENTOS & PAR M OTOR ENTURBINAS PELTON

I. RENDIM IENTO DE LA TURBINA PELTON AVELOCIDAD AN"ULAR CONSTANTE

. DISEO BÁSICO DE UNA TURBINA PELTONI. CONCLUSIONES

II. BIBLIO"RAFÍA

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