SEMANA 6

– Turbinas tipo Pelton. Generalidades. Número de chorros. Posición del eje. Velocidad a máxima potencia útil. Velocidad del chorro. Relación: Radio de la rueda/Velocidad específica. Número de alabes. Forma y dimensiones de los alabes y del pico inyector.

– Regulación del movimiento de las turbinas. Naturaleza del problema. Equilibrio dinámico de la máquina. Recursos para la regulación del movimiento. Volante. Reguladores automáticos de velocidad. Distribuidores. Frenos.

TURBINAS PELTON

GENERALIDADES

• Las turbinas Pelton, son también conocidas como turbinasde

• presión, por ser la presión constante en el dominiode la turbina

• admisión parcial, por que flujo de agua sólo actúasobre una parte de la periferia del rotor

• chorro libre, puesto que no existe un conducto quedireccione el flujo hasta que se ponga en contactocon los alabes

• impulsión, por ser las fuerzas impulsivas debido a lavariación de la dirección de la velocidad lasresponsable del par motor en el eje

• La turbina Pelton pertenece al grupo de turbinasdenominadas turbinas de acción, y también a lasllamadas turbinas tangenciales

• Es utilizada en saltos de gran altura (alrededor de 200 m omayores), y caudales relativamente pequeños (10 m3/saproximadamente).

• Son de buen rendimiento para amplios márgenes devariación del caudal (entre 30 % y 100 % del caudalmáximo).

• Pueden ser instaladas con el eje en posición vertical uhorizontal, siendo posición horizontal la disposición lamás adecuada

COMPONENTES

• Los componentes esenciales de una turbina Pelton, son:

– El distribuidor

– El rotor

– La carcasa

– La cámara de descarga

– El sistema de frenado

– El eje de la turbina

EL DISTRIBUIDOR

• El distribuidor está constituido por uno o varios equiposinyectores

• Cada uno de dichos equipos tiene como misión dirigirconvenientemente un chorro de agua de forma cilíndricay sección uniforme sobre el rotor

• También permite regular el caudal preciso que ha de fluirhacia el rotor, pudiendo incluso cortarlo totalmentecuando fuera necesario

• El número de equipos inyectores, colocadoscircunferencialmente alrededor del rotor, depende de lapotencia y características del generador y de lascondiciones de la altura de salto

• Así mismo se pueden disponer de más de un rotormontados sobre un mismo eje, y cada uno de ellos dotadode un distribuidor apropiado

• Hasta un numero de seis inyectores, todos ellos derivadosde la misma la tubería forzada, son los responsables deinyectar los chorros de agua sobre un mismo rotor

COMPONENTES DEL DISTRIBUIDOR

• El distribuidor consta de las siguientes partes:

– Cámara de distribución

– Inyector

Tobera

Aguja

Deflector

– Equipo regulador de velocidad

CAMARA DE DISTRIBUCION

• La cámara de distribución se halla acoplada a la tuberíaforzada por una brida de unión, es en cierta forma laprolongación de la tubería forzada

• Entre la tubería forzada y la cámara de distribución selocaliza la válvula de entrada a turbina

• También es conocida como cámara de inyectores, y tienecomo misión fundamental conducir el agua hasta elinyector sirviendo de soporte a los demás mecanismos queintegran el distribuidor

EL INYECTOR

• Es el elemento mecánico destinado a dirigir y regular elchorro de agua. Está compuesto por:

LA TOBERA

– Que constituye una boquilla, con orificio de seccióncircular de un diámetro entre 5 y 30cm, instalada alfinal de la cámara de distribución

– Dirige el chorro de agua tangencialmente hacia laperiferia del rotor, de tal modo que la prolongación dela línea de la tobera forma un ángulo de 90º con losradios de rotor

LA AGUJA

– Se halla situado en el interior delcuerpo de la tobera yconcéntricamente posicionadorespecto a la boca de salida de lamisma

– De forma aerodinámica y fabricadoen un material especial, conmovimientos de desplazamientolongitudinal en ambos sentidos,permite regular la sección de salidade la tobera y de este modo variar lavelocidad de salida del chorroconforme los requerimientos

EL DEFLECTOR

– Es un dispositivo mecánico posicionado entre la toberay el rotor a fin de desviar total o parcialmente el agua

– Generalmente es de forma de pala o pantalla, que esintercalado con mayor o menor incidencia en latrayectoria del chorro de agua hacia los alabes delrotor, impidiendo el embalamiento del rotor

REGULADOR DE VELOCIDAD

• El regulador de velocidad es el mecanismo responsablede mantener la velocidad de rotación del eje dentro devalores nominales

• Está constituido por un conjunto de dispositivos a basede servomecanismos interconectados entre sí

• Actúa directamente sobre el avance o retroceso de laaguja del inyector

ROTOR DE UNA TURBINA PELTON

• Es la pieza clave de la turbina, mediante la cual setransforma la energía hidráulica del agua en energíamecánica en el eje. Esencialmente consta de lossiguientes elementos:

LA RUEDA MOTRIZ

Está unida rígidamente al eje por medio de chavetas yanclajes adecuados

Su periferia está mecanizada apropiadamente para sersoporte de los alabes, palas o cangilones

LOS CANGILONES

También denominado cucharasconstituye los alabes o palas delrotor

Están diseñados para recibir elempuje directo del chorro de agua

Su forma es similar a una doblecuchara, con una arista interior lomás afilada posible que divide alcangilón en dos partes simétricas

Sobre esta arista es donde incide el chorro de agua

Actualmente, para rotores de cualquier tamaño, loscangilones están forjados con la misma ruedaformando pieza única

Esto permite una economía en la construcción ymayor seguridad de funcionamiento, dado que elimpacto del agua en el arranque es bastante elevado,al igual que la fuerza centrífuga alcanzada en caso de“embalamiento” de la turbina

LA CARCASA

• Es la envoltura metálica que cubre los inyectores, el rotory los otros elementos mecánicos de la turbina

• Su principal objetivo es evitar que el agua salpique alexterior cuando, luego de abandonar los cangilones

• En turbinas instaladas con el eje en posición vertical, lacarcasa, situada horizontalmente, tiene en su periferiaunos conductos de paso de aire a fin de lograr eladecuado equilibrio de presiones.

• En el caso de turbinas con el eje horizontal, la aireaciónse efectúa desde la cámara de descarga.

LA CAMARA DE DESCARGA

• La cámara de descarga, también conocida como comotubería de descarga, es la zona por donde el agua caelibremente hacia el desagüe, después de haber incididosobre los alabes del rotor

• Para evitar deterioros por la acción de los chorros deagua, y especialmente los originados por la intervencióndel deflector, la cámara de descarga suele disponer deun colchón de agua de 2 a 3 m y blindajes o placas deamortiguación situadas adecuadamente

EL SISTEMA DE FRENADO

• Consiste en un circuito de agua derivado de la cámarade distribución.

• El agua, proyectada a gran velocidad sobre la zonaconvexa de los cangilones, favorece el rápido frenadodel rotor, cuando las circunstancias así lo exigen

EL EJE

• El eje esta rígidamente unido al rotor y sustentados porcojinetes

• Dependiendo de su posición, puede ser hueco o macizo

• Es responsable de la transmisión del par motor omovimiento de rotación al eje del generador

• El número de cojinetes, su función y tipo, depende de lascaracterísticas del grupo turbina - generador

FUNCIONAMIENTO DE UNA TURBINA PELTON

• La energía potencial del agua embalsada, o energía depresión en la tubería forzada, se convierte en energíacinética, al salir el agua a través de los inyectores en formade chorros libres

• Estos chorros de agua inciden tangencialmente sobre elrotor, específicamente sobre los cangilones, obteniéndosede esa forma el par motor que es convertido en trabajomecánico de rotación sobre el eje del generador

• Las forma cóncava de los cangilones cambian ladirección del chorro de agua, saliendo ya sin energíaapreciable por los bordes laterales, sin ningunaincidencia posterior sobre los cangilones sucesivos.

• De este modo, el chorro de agua transmite su energíacinética al rotor, donde queda transformadainstantáneamente en energía mecánica.

• La arista del cangilón corta al chorro de agua en dosláminas de fluido simétricas y teóricamente del mismocaudal

• Esta disposición permite contrarrestar mutuamentelos empujes axiales que se originan en el rotor,equilibrando las presiones sobre el rotor, al cambiarsimétrica y opuestamente los sentidos de ambasláminas de agua

• La aguja, gobernada por el regulador de velocidad,cierra más o menos el orificio de salida de la tobera,consiguiendo modificar el caudal de agua que fluyedel inyector, a fin de mantener constante la velocidaddel rotor.