Murray ge

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS Fundada en 1551

FACULTAD DE CIENCIAS FISICAS

E.A.P. DE INGENIERIA MECANICA DE FLUIDOS

CONTROLES DE CALIDAD EN LA FABRICACIÓN DE UN RODETE PELTON

MONOGRAFÍA

Para optar el Título Profesional de :

INGENIERO MECÁNICO DE FLUIDOS

AUTOR

HARRY ERNESTO MURRAY GARCIA

LIMA – PERÚ 2005

INDICE

INTRODUCCION

CAPITULO I OBJETIVOS

1.1.- Objetivos Generales.

1.2.- Objetivos Específicos.

CAPITULO II MARCO TEORICO

2.1.- Estudio Teórico de las Turbinas Pélton.

2.1.1.- Triangulo de Velocidades.

2.1.2.- Fuerza del Chorro, Potencia y Rendimiento.

2.2.- Teoría General del Rodete Pélton.

2.2.1.- Determinación de los Diámetros Principales.

2.2.2.- Forma y Dimensiones de las Cazoletas.

2.2.3.- Número de Cazoletas.

CAPITULO III EVALUACION DEL RODETE PELTON

CAPITULO IV PROPUESTA DE SOLUCION AL PROBLEMA

CAPITULO V CALCULOS PARA EL DISEÑO DEL RODETE PELTON

5.1.- Cálculos de Velocidades.

5.2.- Cálculos de Fuerza del Chorro, Potencia y Rendimiento.

5.3.- Cálculos de los Diámetros Principales.

CAPITULO VI MODIFICACIONES REALIZADAS

CAPITULO VII FABRICACON DEL RODETE PELTON

7.1.- Criterios para el Diseño.

7.2.- Especificaciones para el Material del Rodete Pélton

7.3.- Propiedades Mecánicas del Acero COR 13-4.

7.4.- Composición Química del Acero COR 13-4.

7.5.- Confección de Plantillas.

7.6.- Moldes del Rodete Pélton para la Fundición.

7.7.- Maquinado, Rectificado y Acabado.

CAPITULO VIII CONTROLES DE CALIDAD 8.1.- Controles de Calidad Posterior a la Colada.

8.1.1.- Tratamiento Térmico de Templado.

8.1.2.- Tratamiento Térmico de Revenido.

8.2.- Ensayos no Destructivos luego de los Tratamientos Térmicos.

8.2.1.- Inspección Visual.

8.2.2.- Inspección con Radiografía Industrial.

8.2.3.- Inspección con Partículas Magnéticas

8.3.- Ensayos no Destructivos durante los Procesos de Maquinado, Rectificado y Acabado.

8.3.1.- Inspección con Tintes Penetrantes.

8.3.2.- Inspección con Partículas Magnéticas.

8.3.3.- Control de Dureza.

8.3.4.- Balanceo Dinámico.

CAPITULO IX CONCLUSIONES

CAPITULO X RECOMENDACIONES

ANEXOS

ANEXO I: PLANOS

ANEXO II: FORMATO DE CONTROLES

INTRODUCCION

La presente monografía técnica trata sobre los controles de calidad que se deben seguir durante la

fabricación de un Rodete Pelton para la Central Hidroeléctrica Huayunga, localizada en la

Provincia de Cajabamba en el Departamento de Cajamarca a 3082 msnm.

Esta central tiene dos grupos de generación, ambos con Rodetes Pelton de eje horizontal de 19

cazoletas postizas y con las siguientes características por grupo:

• Potencia : 283 KW.

• Altura : 247 m.

• Caudal : 0.135 m3/s.

• Nº de inyectores : 01

• Velocidad : 1200 RPM.

• Diámetro exterior : 704 mm.

• Diámetro del eje : 120 mm.

• Nº de cazoletas : 19

Los Rodetes Pelton que se encuentran en actividad constan de 19 cazoletas postizas y tienen una

antigüedad aproximada de 20 años. Estos rodetes presentan problemas de falta de material en la

parte posterior de la zona del filo de ataque de las todas cazoletas, ocasionados por fuertes

erosiones. Este problema se viene presentando desde la puesta en marcha de los rodetes.

Por lo que esta monografía técnica esta dirigida principalmente a los controles de calidad que se

deben de efectuar durante los diferentes procesos en la fabricación de un Rodete Pelton de una

sola pieza, la cual fue la solución tomada para erradicar el problema de las erosiones en la parte

posterior del filo de ataque

Controles de Calidad en la Fabricación de un Rodete Pelton. Murray Garcia, Harry Ernesto

Derechos reservados conforme a Ley

CAPITULO I

OBJETIVOS

Los objetivos a los cuales se quiere llegar con esta monografía técnica, se pueden

dividir en 2 grupos, los objetivos generales, que nos darán una idea general del

problema al cual estamos enfrentando y a su vez buscar la mejor manera de atacar al

problema y con ello conseguir una solución.

El otro grupo de los objetivos son los específicos, los cuales nos darán una idea de los

procedimientos que se tienen que seguir para lograr las metas trazadas en os objetivos

generales. A continuación se especifican estos dos grupos de objetivos.

1.1.- Objetivos Generales

1. Evaluar el Rodete Pelton que actualmente se encuentra en servicio y

determinar si es el apropiado para la Central Hidroeléctrica de Huayunga.

2. Determinar los factores que producen los problemas de las fuertes erosiones

en la zona posterior del filo de ataque de todas las cazoletas.

3. Realizar la adecuada aplicación de los controles de calidad durante los

procesos de fabricación del Rodete Pelton, de acuerdo a normas

internacionales de calidad establecidas para este tipo de trabajo.



1.2.- Objetivos Específicos

1. Conocer el proceso de fabricación del molde y caja de alma del Rodete

Pelton.

2. Conocer el procedimiento para efectuar la fundición y los tratamientos

térmicos que se requieren para garantizar una buena colada de la pieza a

fundir.

3. Aplicación de las normas técnicas para efectuar los controles de calidad a los

que el Rodete Pelton debe ser sometido para asegurar su adecuado

funcionamiento.



Figura 01: Mapa de Cajamarca en Perú



Figura 02: Mapa de Cajabamaba en Cajamarca



CAPITULO II

MARCO TEORICO

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.

Referente a las partes constructivas de este tipo de turbinas, ellas se componen de:

• Inyector(es) principal.

• Deflector.

• Rodete (rueda).

• Inyectores auxiliares (de partida y/o de freno).

• Carcasa.

Recordemos también que la altura neta está dada por:

g

cPzzH ee

sen 2

2

++−=γ

Así mismo el Número Específico esta dado por:

4/5n

sH

Nnn =



De acuerdo a los dispositivos actuales de este tipo de turbina, se distinguen dos tipos

uno de eje horizontal y el otro de eje vertical. Las primeras pueden tener 1 ó 2

inyectores; en cambio las de eje vertical se construyen hasta de 6 inyectores.

2.1.- ESTUDIO TEÓRICO DE LAS TURBINAS PELTON

2.1.1.- TRIANGULO DE VELOCIDADES

De la Figura 1 se observa que a la entrada de la cazoleta ó cuchara, las

velocidades absoluta ( 1c ) y tangencial (u1) tienen la misma dirección y sentido;

por lo tanto se puede escribir:

111 ucw −= (1)

11 ccu = (2)

En las relaciones anteriores sen ha despreciado la componente de choque, al

considerar nulo el ángulo â1 (en la práctica no es rigurosamente nulo).



Chorro

co

c1=c0

u1 w1

u2

c2

w2

Figura Nº 03: Triangulo de Velocidades

A la salida, la dirección de la velocidad relativa (w 2) está definida por el ángulo

â2, luego se tiene:

2222 cos βwucu −= (3)

De la figura se observa que la velocidad de entrada (c1) es igual a la del chorro:

nc gHkcc 2001 == (4)

98.095.00

−=ck

A “kc0” se le acostumbra a denominar “coeficiente de tobera”.


Derechos reservados conf orme a Ley

En términos del coeficiente de velocidad, u puede expresarse como:

nu gHku= 2? (5)

Donde ku se puede obtener de la figura 04:

Figura Nº 04: Grafica de valores del ku en función del nS

Además:

21 uuu == (6)

2.1.2.- Fuerza del Chorro, Potencia, y Rendimiento

De acuerdo al principio del cambio de la cantidad de movimiento, la fuerza del

chorro está dada por:



)cos( 221 βρ wwQFch +⋅⋅= (7)

12 wkw m ⋅= (8)

Donde km 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:

)cos1( 21 βρ mch kwQF +⋅⋅⋅= (9)

Combinando (1) y (4) con (9) se obtiene:

)cos1()2( 20

βρ mncch kugHkQF +⋅−⋅⋅= (10)

La expresión (10) representa la fuerza ejercida por el chorro sobre la rueda, la

cual gira con velocidad u. de esta forma, la fuerza será máxima cuando u = 0 (en

la partida) y mínima cuando c0 tienda a u.

La potencia está definida por la fuerza y la velocidad, entonces tenemos:

ukugHkQuFN mncch ⋅+⋅−⋅⋅=⋅= )cos1()2( 20βρ (11)



Introduciendo (5) en (11) y ordenando se obtiene:

)cos1()(2 20βγ mucnu kkkHkQN +⋅−⋅⋅⋅⋅⋅= (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 determinara es el manometrito

(hidráulico).

nHQ

N⋅⋅

=γ

η (13)

Reemplazando (12) en (15) se obtiene:

)cos1()(2 20βη mucu kkkk +⋅−⋅= (14)

Para el rendimiento máximo se tiene:

[ ]2

0 0cu

u

m

máx

kk

k=⇒=

∂∂⇒ η

η (15)

La relación (17) indica que el rendimiento (también la potencia) es máxima,

cuando:

20c

u = (16)



Sin embargo; la práctica indica que la velocidad óptima es algo menor,

comprendida entre 0.41 y 0.5 c0 (valor práctico 045.0 cu ⋅= ). Los resultados

teóricos se resumen en las curvas de la figura 03.

Del grafico se observa que la velocidad de embalamiento teórica es igual a la

velocidad del chorro, es decir, 0cu kk = Sin embargo, la práctica demuestra que

es: óptimotoembalamien n⋅≅ 8.1η

Figura Nº 05: Funcionamiento teórico de la Turbina Pelton

Curvas características



2.2.- TEORIA GENERAL DEL RODETE PELTON

2.2.1.- Determinación de los Diámetros Principales

Generalmente son datos el caudal (Q), la altura neta (Hn) y la velocidad de

rotación (n); y se desea conocer el número específico (ns) y definir el número de

chorros (j) para un ns 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:

2/1

0

4

⋅

⋅=cj

Qd

π (17)

Donde: d: diámetro del chorro.

J: número de chorros.

La velocidad tangencial (u) referida al diámetro Pelton (o primitivo) D, está

dado por (5).

Los límites de la razón Pelton diámetro

chorro del diámetro=

D

d, se encuentran en el rango:

6

1

80

1<<

D

d (18)



En los extremos el funcionamiento es defectuoso: en el primero

801

, el agua

tiene un camino largo que recorrer antes de entrar en contacto con las cazoletas.

En el segundo

61

, la experiencia demuestra que aumentan las pérdidas en la

cazoleta. Los mejores rendimientos se obtienen pa ra un diámetro de la rueda de

8 a 15 veces el del chorro. Anteriormente se demostró que

Pelton diámetrochorro del diámetro=

Dd

esta relacionado con ns, aproximadamente por:

η⋅⋅

=0

288Dd

c

s

k

n (19)

2.2.2.- Forma y Dimensiones de las Cazoletas

Las dimensiones de la cazoleta son proporcionales al diámetro del chorro, la

Figura (06) muestra las proporciones habituales. Para evitar una destrucción

rápida de la arista media, el ángulo á no debe ser inferior a 20º. El ángulo â de 8

a 12º; 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 exterior (De) y de puntas (Dp) 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.



⋅+= dDDp 6

72 (20)

dDD pe += (21)

D = (2,6 - 3) d

C = (1,2 - 1,25) d

d

d

A = (0,8 - 1) d

B =

(2,

25 -

2,8

) d

Figura Nº 06: Proporciones de las cazoletas, referidas al

Diámetro del Chorro (d=1)

De acuerdo a las tendencias modernas, en la fabricación de este tipo de turbinas,

el diámetro exterior (De) está relacionado con D y ns por:

DnD se ⋅⋅+= )013.0028.1( (22)

2.2.3.- 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 (07). El punto A es el

comienzo de la trayectoria correspondiente a la generatriz superior del chorro, en

este mismo punto la trayectoria es tange nte a →w . Esta trayectoria corta a la

circunferencia de las puntas (Dp) en un punto A1, tal que:

tuaA p∆=11 Y tcAa ∆= 01 (23)

Pues la partícula que parte de A recorre el segmento Aa1, en el mismo tiempo

que el punto de la circunferencia de puntas, que deben reencontrarse en a1

describe el arco A1a1, de donde:

001

11

c

upp

k

k

c

u

Aa

A==

α (24)

Esta trayectoria corta al círculo Pelton en dos puntos M y N definidos por:

0c

up

k

k

AnNn

AmMm == (25)



Figura Nº 07: Trazado de trayectorias relativas.

La trayectoria relativa perteneciente a la generatriz inferior del chorro se

extiende de B a B1. 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 BB1.

Sin embargo; en la práctica, el número de cazoletas es elegido mayor al que

resulta del paso (arco) BB1, 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 del número específico (ns) 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.

d

Dz

215 += (26)



CAPITULO III

EVALUACION DEL RODETE PELTON

De la evaluación realizada al Rodete Pelton de 19 cazoletas postizas se encontraron las

siguientes anormalidades:

1. EL Rodete Pelton presenta un mal diseño del nervio central, este se encuentra

por debajo del impacto del chorro.

2. El ángulo posterior del filo de ataque, presenta un ángulo cerrado

aproximadamente de 20º, esto influye directamente en los vacíos que se forman,

cuando el agua ingresa a la cazoleta, creando depresiones y zonas de erosión.

Figura Nº 08: Cazoleta Postiza del Rodete Pelton Original.



3. La distancia de la punta del filo de ataque, llega a cortar aproximadamente el

70% del chorro, por consiguiente parte del chorro impacta por debajo del filo de

ataque creando profundas erosiones.

4. El recorrido del agua en la parte interna de la cazoleta es anormal a consecuencia

del mal diseño del perfil hidráulico interno, originando erosiones severas en el

fondo de la cazoleta.

5. Los ángulos de salida de las cazoletas se encuentran muy abiertos, esto origina

perdida de eficiencia del Rodete Pelton, no se aprovecha al máximo la potencia

hidráulica, perdiéndose el vector axial, el cual se anula con la otra media de la

cazoleta.

27.8mm

17.2

mm

10

°

12.1mm

20°

Figura Nº 09: Plano Transversal de la de Cazoleta Postiza del Rodete Pélton Original



CAPITULO IV

PROPUESTA DE SOLUCION AL PROBLEMA

Para la solución del problema de las erosiones que se presentan en todas las cazoletas de

la Turbina Pélton, se propone la fabricación de un Rodete Pelton de 19 cazoletas de una

sola pieza y con un nuevo diseño.

Para la fabricación del Rodete de una sola pieza, se utilizó rodete Pélton de 19 cazoletas

postizas que se encontraba en servicio, el cual sirvió como referencia para tener las

dimensiones generales del rodete, tales como el diámetro exterior (De), los anchos de las

cazoletas y la forma de la misma.

En especial se considero el peso del rodete que se encontraba en servicio, ya que el

nuevo rodete Pelton no puede sobrepasar el peso del rodete de cazoletas postizas, esto

ocasionaría problemas en los equipos que conforman la Central Hidroeléctrica, tales

como los cojinetes de apoyo, el eje de la turbina, la volante, etc.

Para la realización de este trabajo se contó con la siguiente información:

1. Antecedentes y bases técnicas de la Central Hidroeléctrica Huayunga.

2. Inspección técnica a la Central Hidroeléctrica Huayunga.

El diseño esta basado en el know how de la Empresa CM Asociados Industriales, con

similares experiencias en otros rodetes.



CAPITULO V

CALCULOS PARA EL DISEÑO

DEL RODETE PELTON

5.1.- Calculo de Velocidades

Para determinar la velocidad del chorro recurrimos a la ecuación (4):

nc gHkc 200 =

Donde:

− 0c , es la velocidad del chorro.

− 0ck , es el coeficiente de tobera.

− nH , es la altura neta.

− g , es la aceleración de la gravedad.

Para nuestro caso el valor del coeficiente de tobera será de 97.00 =ck , entonces

tendremos:

smcc /52.6724781.9297.0 00 =→⋅⋅⋅=

Para determinar la velocidad tangencial, se toma la ecuación (5):

nu gHku ⋅⋅= 2

Donde:

− u , es la velocidad circunferencial.



− uk , es el coeficiente de velocidad.



Para el determinar valor del coeficiente de velocidad se tomará el valor de la

figura 02, que para nuestro caso será 478.0=uk .

smuu /27.3324781.92478.0 =→⋅⋅⋅=

5.2.- Cálculos de Fuerza del Chorro, Potencia, y Rendimiento.

Para determinar la Fuerza del Chorro utilizamos la ecuación (10):

)cos1()2( 20

βρ mncch kugHkQF +⋅−⋅⋅=

Donde:

− chF , es la Fuerza del Chorro.

− ρ , es la densidad del agua.

− Q, es el caudal.


− mk , es el coeficiente de cazoleta.

− u , es la velocidad circunferencial.



− 2β , es el ángulo de salida

Luego tenemos:



NF

F

ch

ch

66.8695

)12cos90.01()27.3324781.9297.0(135.01000

=→

+⋅−⋅⋅⋅⋅=

Para determinar la Potencia utilizamos la ecuación (12):

)cos1()(2 20βγ mucnu kkkHkQN +⋅−⋅⋅⋅⋅⋅=

Donde:

− N, es la Potencia.

− γ , es la densidad específica del agua.



− mk , es el coeficiente de cazoleta.

− uk , es el coeficiente de velocidad.



− 2β , es el ángulo de salida

Luego tenemos:

KWN

N

3.289

)12cos90.01()478.097.0(247478.0135.098102

=→

+⋅−⋅⋅⋅⋅⋅=



Para determinar el Rendimiento utilizamos la ecuación (13):

nHQ

N⋅⋅

=γ

η

Donde:

− η, es el Rendimiento.

− N , es la potencia.



− γ , es la densidad especificadle agua.

Luego tenemos:

%44.88247135.09810

103.289 3

=→⋅⋅

⋅= ηη

5.3.- CALCULOS DE LOS DIAMETROS PRINCIPALES

Para determinar el Diámetro del Chorro utilizamos la ecuación (17):

2/1

0

4

⋅

⋅=cj

Qd

π

Donde:

− d, es el Diámetro del Chorro.

− 0C , es la velocidad del chorro.


− j, es el número de chorros.

Luego tenemos:



mdd 050.052.671

135.042/1

=→

⋅⋅=

π

Determinaremos el Número Específico para poder calcular el diámetro Pelton,

luego la ecuación esta dada por:

4/5n

sH

Nnn =

Donde:

− sn , es el Número Específico.

− n, es la velocidad en RPM.

− N, es la potencia en HP.


Luego tenemos:

14.24247

95.38712004/5 =→= ss nn

Para determinar el Diámetro Pelton utilizamos la ecuación (19):

η⋅⋅

=0

288Dd

c

s

k

n

Donde:

− D, es el Diámetro Pelton.

− d, es el Diámetro del Chorro.


− η, es el rendimiento..



Luego tenemos:

mD 552.08844.097.0288

14.24D

0.050=→

⋅⋅=

Para determinar los Diámetros Exterior como de Puntas utilizamos las

ecuaciones (20) y (21):

⋅+= dDDp 6

72

dDD pe +=

Donde:

− Dp, es el Diámetro de Puntas.

− De, es le Diámetro Exterior.

− d, es el Diámetro del Chorro. − D, es el Diámetro Pelton.

Luego tenemos:

mDpp 668.050.067

2552.0D =→

⋅⋅+=

mDee 718.0050.0668.0D =→+=

Para determinar el Número de Cazoletas utilizamos la ecuación (26):

d

Dz

215 +=



Donde:

− z, es el Número de Cazoletas.

− D, es le Diámetro Pelton. − D, es el Diámetro del Chorro.

Luego tenemos:

52.20050.02

552.015 =→

⋅+= zz

5.4.- PROPORCIONES DE LA CAZOLETA, REFERIDAS AL

DIAMETRO DEL CHORRO (d)

Estas proporciones de las dimensiones de las cazoletas que se pueden determinar

una vez calculado el diámetro del chorro, nos sirve para tener un rango de las

principales mediadas para el diseño final de la cazoleta.

Para obtener los rangos de las medidas reemplazaremos el valor del diámetro del

chorro con lo que podemos obtener el rango para la altura de la cazoleta (A), el

largo de la cazoleta (B), el ancho del filo de ataque (C) y el ancho de la cazoleta

(D) así tenemos:

05.0105.08.018.0)18.0( ⋅<<⋅→⋅<<⋅→−= AdAddA

mmAmm 5040 <<

05.08.205.025.28.225.2)8.225.2( ⋅<<⋅→⋅<<⋅→−= BdBddB

mmBmm 1405.112 <<

05.025.105.02.125.12.1)25.12.1( ⋅<<⋅→⋅<<⋅→−= CdCddC



mmCmm 5.6260 <<

05.0305.06.236.2)36.2( ⋅<<⋅→⋅<<⋅→−= DdDddD

mmDmm 150130 <<

D = (130mm - 150mm)

C = (60mm - 62.5mm)

d

d =

50m

m

A = (40mm - 50mm)

B =

(11

2.5m

m -

140

mm

)

Figura Nº 10: Rango de Medidas Principales de la de Cazoleta del Rodete Pélton Original

Se debe tener presente que estos valores no se deben tomar como definitivos, ya

que estas medidas obtenidas están referidas a las ecuaciones obtenidas por un

autor en especial, por lo que al evaluar las ecuaciones de otro autor las mediadas

obtenidas no coincidan en magnitud. Por lo que estas medidas de la grafica solo

se deben de tomar como referenciales.



CAPITULO VI

MODIFICACIONES REALIZADAS

Las modificaciones que se efectuaron en el Rodete Pelton fueron:

1. Se incremento la altura del Nervio Central con respecto al rodete de cazoletas

postizas. Antes se tenia en la punta 17.5mm por debajo del borde de la cazoleta,

se redujo a 14.2mm; a demás el ángulo del Nervio Central se disminuye de 10º a

7º. Con esta modificación se mejorara el ingreso del agua hacia la cazoleta.

2. Se incremento el ángulo del Filo de Ataque de 20º a 38º, de esta manera se

minimizan los vacíos que originan las erosiones.

3. Se disminuyo la distancia de la punta del Filo de Ataque a 13.6mm, a demás se

le da una curvatura de 20.5mm, para optimizar el ingreso del agua. Esta

modificació n asegura que el chorro será cortado al 100%, y que el impacto no

será directo a la parte posterior del Filo de Ataque.

4. Se reduce la profundidad de la cazoleta, siendo la mayor en 1.5mm. a partir de

esta modificación se traza el nuevo perfil hidráulico que evitara cambios bruscos

de dirección.

5. El número de cazoletas se mantiene en 19, igual al del rodete de cazoletas

postizas que se encuentra en servicio.



129.4mm

14.2

mm

3.3mmR2.5mm7°

38°mm

R20.5m

m

13.6mm

Figura Nº 11: Plano de las Modificaciones al Filo de Ataque y Nervio Central

7°

185mm

54,6

mm

12°

73,7

mm

160mm

Figura Nº 12: Plano de las Modificaciones de la Sección de Mayor Ancho de la Cazoleta



CAPITULO VII

FABRICACION DEL RODETE PELTON

7.1.- CRITERIOS PARA EL DISEÑO

Para elaborar el rediseño se tomo como base el diseño actual del rodete en uso,

considerando modificaciones dimensionales, rodete de una sola colada en vez de

al actual con cazoletas postizas, este rediseño se baso en criterios técnicos para

el mayor aprovechamiento de la energía hidráulica.

En función de los resultados obtenidos de la experiencia en la construcción y

reparación de diferentes rodetes Pelton, realizamos las siguientes correcciones:

1. Incremento del recorrido del agua en las cazoletas, para un mejor

aprovechamiento de la energía hidráulica.

2. Variación del perfil hidráulico y ángulos de los filos de ataque y nervio

central.

3. Variación de los ángulos de salida de las cazoletas para mejorar la eficiencia.

7.2.- ESPECIFICACIONES PARA EL MATERIAL DEL RODETE PELTON

El rodete Pelton fue fundido en una sola pieza, el material de rodete es G X5 Cr

Ni 13 4 (Acero Inoxidable COR 13-4) mas empleado hoy en día en rodetes

Pelton. Esta combinación de cromo-níquel acero fundido, de gran pureza de

aleación, se caracteriza sobre todo por su gran resistencia a la corrosión y al



CAPITULO VII

FABRICACION DEL RODETE PELTON

7.1.- CRITERIOS PARA EL DISEÑO

Para elaborar el rediseño se tomo como base el diseño actual del rodete en uso,

considerando modificaciones dimensionales, rodete de una sola colada en vez de

al actual con cazoletas postizas, este rediseño se baso en criterios técnicos para

el mayor aprovechamiento de la energía hidráulica.

En función de los resultados obtenidos de la experiencia en la construcción y

reparación de diferentes rodetes Pelton, realizamos las siguientes correcciones:

1. Incremento del recorrido del agua en las cazoletas, para un mejor

aprovechamiento de la energía hidráulica.

2. Variación del perfil hidráulico y ángulos de los filos de ataque y nervio

central.

3. Variación de los ángulos de salida de las cazoletas para mejorar la eficiencia.

7.2.- ESPECIFICACIONES PARA EL MATERIAL DEL RODETE PELTON

El rodete Pelton fue fundido en una sola pieza, el material de rodete es G X5 Cr

Ni 13 4 (Acero Inoxidable COR 13-4) mas empleado hoy en día en rodetes

Pelton. Esta combinación de cromo-níquel acero fundido, de gran pureza de

aleación, se caracteriza sobre todo por su gran resistencia a la corrosión y al



desgaste, así como por su soldabilidad y grandes propiedades de imantación,

necesarias para las pruebas de partículas magnéticas, su dureza promedio se

encuentra entre 270HB-310HB.

PAIS NORMA DENOMINACION

Republica Federal de Alemania

DINN° Material: 1.4313

X4 Cr Ni 13 4 G - X5 Cr Ni 13 4

Italia

Japon

Suecia

Estados Unidos

AFNORZ4 CND 13.4M Z8 CD 17 - 01

Gran Bretaña B.S.425 C11 425 C12

Francia

UNI

JIS

SS

AISI/SAE

G X 6 Cr Ni 13 04

SCS 5 SCS 6

2385

CA 6 - NM

Cuadro 01: Comparación de Normas Internacionales para el

Acero Inoxidable COR 13-4

7.3.- PROPIEDADES MECANICAS DEL ACERO COR 13-4

Las principales propiedades del acero inoxidable COR 13 4 se pueden preciar en

el siguiente cuadro:



SIMBOLO RANGO UNIDADES

Rm 760 - 960 N/mm2

RØ Min. 540 N/mm2

HB 270 - 310

Av Min. 55 J (20ºC)

Av Min. 50 J (0ºC)

%

Resiliencia (DVM)

PROPIEDADES

Ro Min. 15

Fuerza de Atracción

Límite de Elasticidad

Alargamiento de Ruptura (Lo=5do)

Dureza (Brinel)

Cuadro 02: Principales propiedades del

Acero Inoxidable COR 13-4

7.4.- COMPOSICION QUIMICA DEL ACERO 13-4

Los aceros al Cromo blando martensítico de mayor uso hoy en día son: 13-4 (Cr-

Ni), 13-6 (Cr-Ni) y 16 -5-1 (Cr-Ni-Mo) y dentro de este tipo de aceros, el acero

13-4 es el que más preponderancia ha alcanzado. El resultado del análisis de la

composición química del acero inoxidable COR 13 4, realizado en las

instalaciones de HIDROSTAL se puede apreciar en el cuadro N° 03.

ELEMENTO SIMBOLO

Carbono C

Silicio Si

Manganeso Mn

Fosforo P

Azufre S

Cromo Cr

Molibdeno Mo

Niquel Ni

CANT. MAX. (%)

0.052

0.500

0.610

3.900

0.010

0.010

12.220

0.800

Cuadro 03: Composición Química del Acero

Inoxidable COR 13-4



Figura Nº 13: Prueba de Composición Química del

Acero COR 13 4

7.5-. CONFECCION DE PLANTILLAS

Se confecciono una plantilla con zócalo de madera que permita el control del

perfil hidráulico de los filos de ataque durante la fabricación.

Figura Nº 14: Plantilla con Zócalo de Madera para el Control del Filo de Ataque



Se confeccionaron plantillas para el control de los perfiles internos de las

cazoletas del rodete, los cuales se emplearon durante la construcción y posterior

verificación de los desgastes como consecuencia de las horas de servicio, estas

fueron elaboradas para 3 secciones diferentes, las cuales son consideradas, como

zonas que potencialmente presentan mayor incidencia de desgaste en un rodete

Pelton, estas plantillas son importantes para determinar los perfiles cuando se

realicen reparaciones como, pulido, rellenados, ajustes de los ángulos de salida,

etc.

La primera plantilla correspondiente a la sección Q1-Q1’ la cual se encuentra a

una distancia de 31.4mm a partir del borde interno de la cazoleta. La segunda

plantilla correspondiente a la sección Q2-Q2’, el cual se encuentra a una

distancia de 37.7mm a partir de la sección Q1-Q1’. La tercera plantilla es la que

corresponde a la sección Q3-Q3’, el cual se encuentra a una distancia de 35.4mm

a partir de la sección Q2-Q2’.

Se confecciono una plantilla para el control de las dimensiones externas así

como también las dimensiones internas de los anchos de las cazoletas del rodete.

Se confeccionaron dos plantillas para el control de las dimensiones así como la

alineación del nervio central de las cazoletas de rodete.



Figura Nº 15: Plantillas de las Secciones

Q1-Q1’, Q2-Q2’ y Q3-Q3’

7.6.- MOLDES DEL RODETE PELTON PARA LA FUNDICION

Los moldes se fabricaron en madera según planos, se fabricaron 03 moldes, el

primero correspondiente al eje del rodete, un segundo correspondiente a la

corona del rodete y el último que corresponde a la cazoleta del rodete. Se

consideró un 2.2% de contracción, valor sugerido para el acero inoxidable.

Previo a la fundición, se realizo la simulación computarizada de la colada para

asegurar un resultado óptimo.



Figura Nº 16: Molde para la fundición

7.7.- MAQUINADO, RECTIFICADO, PULIDO Y ACABADO

El maquinado se realizó en torno de eje horizontal. Las zonas maquinadas fueron

las laterales externas de las cazoletas tomando como punto de referencia la punta

del nervio central. Luego del maquinado en las cazoletas se realizo el maquinado

del eje del rodete, con un ajuste H7. El rectificado se realizo según diseño y el

desbaste fue controlado con las plantillas, en las secciones correspondientes, se

tuvo especial énfasis en los ángulos de salida.

El pulido se realizo en todas las cazoletas, estas fueron realizadas según

rediseño, y con los nuevos perfiles hidráulicos que eliminen las constantes

erosiones, depresiones originadas por ondulaciones irregulares en las superficies

pulidas.



Figura Nº 17: Maquinado en torno del rodete Pelton.



CAPITULO VIII

CONTROLES DE CALIDAD

8.1.- CONTROLES DE CALIDAD

Los rodetes necesariamente deben someterse a controles de calidad durante su

fabricación así como cuando están en servicio, ya sea para confirmar las

propiedades mecánicas garantizadas durante su fabricación o para prevenir

daños de los mimos en servicio, evitando así daños catastróficos.

Los controles del tipo destructivos solo tienen lugar durante la fabricación o en

elementos inservibles con la finalidad de investigar las causas de la falla que los

llevo a ese estado.

Los ensayos no destructivos sin embargo entran en acción durante varios estados

de la fabricación y también durante las inspecciones de servicio. Durante la

fabricación, los ensayos no destructivos permitirán detectar piezas defectuosas y

durante el servicio en las plantas revelar defectos, desgaste, etc. antes que la

maquina pase a un estado de operación peligroso. Estas inspecciones deben

llevarse a cabo por el personal de planta en intervalos regulares o después de

alguna ocurrencia extraordinaria.

Dentro de los ensayos no destructivos se tienen:

1.- Inspección Visual.

2.- Inspección con Tintes Penetrantes.

3.- Inspección con Partículas Magnéticas.



4.- Inspección con Ultrasonido.

5.- Inspección con Radiografía.

8.2.- CONTROL DE CALIDAD POSTERIOR A LA COLADA

Realizado en los hornos de la empresa HIDROSTAL SA se realizaron los 2

tratamientos térmicos, según la norma “ASTM A743/a 743M Table 1 Tratament

Requirements Grade Ca6NM”, estos se realizaron para uniformizar y eliminar

las tensiones internas del material, esta norma establece:

8.2.1.- Tratamiento Térmico de Templado

Efectuado para darle uniformidad al materia l, el rodete es calentado hasta

1010ºC (1859ºF), con una gradiente de 95ºC/hora, a esta temperatura se

mantiene constante por 3 horas, luego es enfriado rápidamente mediante

inyección de aire forzado frió, hasta una temperatura de 565ºC a 620ºC, el

enfriamiento total se realiza con horno abierto y con una gradiente descendente

de 30ºC/hora.

8.2.2.- Tratamiento Térmico de Revenido

Efectuado para el alivio de tensiones de la estructura interna del rodete, el rodete

es calentado hasta 610ºC con una gradiente de 50ºC/hora a esta temperatura se

mantiene constante por 3 horas, luego es enfriado con una gradiente descendente

de 40ºC/hora.

Resultado: Las curvas de los tratamientos realizados por la empresa

HIDROSTAL SA se encuentra dentro de lo recomendado por la norma ASTM

A743/a 743M Table 1 Tratament Requirements Grade Ca-6NM., la calidad de

los tratamientos térmicos realizados al rodete, fueron encontrados aceptables.



8.3.- ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS LUEGO DE LOS

TRATAMIENTOS TERMICOS

El rodete construido en una sola pieza, fue sometido a ensayos no destructivos

para comprobar la calidad del material del rodete Pélton una vez terminados los

tratamientos térmicos estos fueron:

8.3.1.- Inspección Visual.

La inspección visual es el primer control de componentes nuevos y también de

aquellos durante su servicio. Consiste en revisar la calidad de las superficies,

revelando defectos de superpie durante la manufactura y posteriormente en la

operación. Su objetivo es detectar defectos superficiales tales como:

§ Abrasión: ocasionada generalmente por arena y suciedad, las cuales

ocasionan un daño mecánico.

§ Daños mecánicos : normalmente golpes de piedras que dejan una huella.

Estos puntos pueden influir en la resistencia del material por un efecto

conocido como concentración de tensiones.

§ Daños de fundición: (poros) mayormente por la inclusión de arena de

fundición.

§ Fisuras: es la más grave y que puede ocasionar fallas en el rodete.

La limitación principal de este método es en cuanto se refiere a la detección de

fisuras, pues como es comprensible, la visión humana tiene sus limitaciones.

Para nuestro caso se efectuó al 100% del rodete, después de la colada y al final

del proceso, para determinar imperfecciones superficiales, ondulaciones, falta de

linealidad, etc.



Resultado: las diferentes imperfecciones halladas, fueron eliminadas durante el

proceso de rectificado.

Figura Nº 18: Inspección Visual al Rodete Pelton

después de Colada. 8.3.2.- Inspección con Radiografía.

La inspección radiográfica es aplicada para la detección de defectos internos,

entonces, la inspección radiográfica puede ser considerada como un método de

investigación para determinar la calidad de los aceros fundidos.

Generalmente, este método puede ser aplicado para la inspección de toda clase

de fundiciones de acero, salvo que espesores importantes, la geometría o la falta

de accesibilidad a ciertas zonas lo impidan.

Para nuestro caso el tipo de control es Gammgrafía al 100% de los cuellos de las

cazoletas del rodete. El equipo de gammagrafía empleado fue el de Fuente de

Iridio-192 radioisótopos. Marca Tech – Ops, modelo 660 actividad 25 Curies.

• La técnica empleada es de Pared Simple -Vista Simple, distancia y

longitud de la película 8”. Se tomaron 19 placas. El criterio de aceptación

fueron la Norma ASME: sección V. Art. 7 y 4; la CCH 70-3



Specification for Inspection of Steel Castings for Hydraulic Machines y

la ASTM 03.03 Nondestructive Testing.

Resultado: el informe entregado por la empresa Control Service Group SAC

indica que las placas radiográficas muestran un material continuo sin defectos

internos.

Figura Nº 19: Inspección con Radiografía.


Los rodetes Pélton están con frecuencia a sufrir daños como la erosión por arena,

los deterioros producidos por sustancias solidas que se encuentran en el agua y

por grietas de fatiga. Estos deterioros y desgastes reducen la potencia hidráulica

y la disponibilidad de las turbinas. Las grietas de fatiga, producidas por

pequeños desperfectos del material localizados inmediatamente debajo de la

superficie del rodete (que no pueden ser detectados por una inspección con tintes

penetrantes), se consideran los deterioros más peligrosos.



La inspección con partículas magnéticas permite la detección y localización de

discontinuidades superficiales y subsuperficiales en los materiales

ferromagnéticos. Las discontinuidades subsuperficiales capaces de ser detectadas

por este proceso son aquellas que se encuentran hasta 2mm por debajo de la

superficie, dependiendo esto de ciertas condiciones de magnetización y de la

experiencia de las personas que los realizan.

Para nuestro caso se efectuó al 100% del rodete, después de la colada, teniendo

mayo cuidado en los cuellos de la s cazoletas con en los nervios centrales. Fue

realizado con partículas fluorescentes en medio húmedo. Equipo utilizado:

− Yugo Magnético

− Luz Negra

− Partículas Magnéticas Fluorescentes

−

Las normas de aceptación fueron: ASTM E 709-80 Standart Practice for

Magnetic Particlre Examination y ASME E-144.

Resultado: El controle realizado no arrojo rajaduras que comprometan al rodete,

solo poros superficiales en la zona del nervio central, las mismas que fueron

eliminados durante el proceso de esmerilado.



Figura Nº 20: Inspección con Partículas Magnéticas después de la Fundición.

8.4.- ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS DURANTE LOS PROCESOS

DE RECTIFICADO, PULIDO y ACABADO.

Los controles se realizaron en los talleres durante todo el proceso de

rectificación y pulido del rodete.

Todos los controles realizados se encuentran dentro de la norma técnica

internacional de calidad CCH 70-3. Los Ensayos no destructivos que se

efectuaron fueron:

8.4.1.- Inspección con Tintes Penetrantes.

El ensayo no destructivo por tintes penetrantes es uno de los más usados por su

sencilla aplicación. Esta prueba tiene como objetivo la detección de defectos



abiertos en la superficie de las piezas. El método es aplicable tanto a férreos

como no férreos.

El examen por líquidos penetrantes depende fundamentalmente de aquellas

propiedades de los líquidos que les comuniquen un determinado poder

humectante, suficiente para mojar la superficie del sólido u objeto sometido a

examen al tiempo que les permitan fluir sobre ella formando una película

razonablemente continua y uniforme, así como una facultad o poder de

penetración que les faculten para introducirse en la discontinuidad abierta a la

superficie.

Para nuestro caso se efectuó al 100% del rodete, durante el proceso de

esmerilado y al final del proceso, para verificar porosidades y rajaduras

superficiales, el criterio de aceptación será los contemplados por la norma

internacional para centrales PT70-3.

• Clase I, sección cuello, nervio central, filo de ataque y zona de

acoplamiento.

• Clase II, cazoleta interna

• Clase III, zonas externas.

Resultado: en el control final no se encontraron discontinuidades lineales ni

poros, encontrándose dentro de los criterios aceptables por la norma PT 70-3.



Figura Nº 21: Inspección con Tintes Penetrantes luego del Pulido Final.


Al igual que en la prueba realizada al rodete salido de la colada, se efectuó esta

prueba al 100% del rodete., después de acabado los trabajos de rectificación,

pulido y acabado del rodete, teniendo mayo cuidado en los cuellos de las

cazoletas con en los nervios centrales. Fue realizado con partículas fluorescentes

en medio húmedo. Equipo utilizado fue:

− Yugo Magnético

− Luz Negra

− Partículas Magnéticas Fluorescentes

−

Las normas de aceptación fueron: ASTM E 709-80 Standart Practice for

Magnetic Particlre Examination, ASME E-144 y la Norma CCH 70-3.

Los criterios de aceptación fueron:



− Clase I, sección cuello de cazoleta, nervio central, filo de ataque y

la zona de acoplamiento.

− Clase II. Cazoleta interna.

− Clase III, zonas externas

−

Resultado: En los controles realizados no se encontraron discontinuidades

lineales ni poros.

Figura Nº 22: Inspección con Partículas Magnéticas luego del Pu lido Final.

8.4.3.- Control de Dureza.

Se efectuó al 100% de los cazoletas del rodete., con el fin de asegurar la calidad

de los tratamientos térmicos. El instrumento utilizado para el control es un

medidor de dureza Marca Krautkramer, de energía de impacto de

aproximadamente 12 Nxmm. La unidad de control es en HB, se controlaron en



38 puntos del rodete. Los criterios de aceptación están regidas a la calidad del

material acero G X5 Cr Ni 13-4 (270HB – 310HB)

Resultado: Los controles fueron realizados dieron como resultado una dureza

promedio de 303HB, el cual se encuentra dentro de los márgenes característicos

del acero G X5 Cr Ni 134.

Figura Nº 23: Control de Dureza del rodete Pelton.



8.4.4.- Balanceo Dinámico.

Lo realiza la Empresa IMABSA INGENIERIA DE MANTENIMIENTO;

ANALISIS Y BALANCEOS SA, el equipo utilizado es una balanceadora Serie

IRD; modelo B-50; capacidad 2300Kg

Resultado: El desbalance del rodete queda en:

− Plano izquierdo 2 gramos a 294º

− Plano derecho 3 gramos a 214º

− Este desbalance residual se encuentra dentro de los márgenes aceptables por

la norma ISO 1940.

Figura Nº 24: Control de Balanceo Dinámico.



CAPITULO XI

CONCLUSIONES

1. Todo el proceso de controles de calidad se realizó de acuerdo a la Norma

Técnica Internacional CCH 70-3, la cual nos asegura un adecuado

procedimiento en la realización de los en los ensayos no destructivos como

Tintes Penetrantes, Partículas Magnéticas y Radiografía, los cuales aseguran que

el material base del Rodete Pelton se encuentre dentro de los márgenes óptimos

de calidad.

2. La corrección realizada del perfil hidráulico en los filos de ataque de las

cazoletas han tenido como resultado la disminución de las erosiones prematuras

que presentaba el rodete original de cazoletas postizas.

3. Se realizaron modificaciones del ángulo posterior del filo de ataque, así como la

forma y dimensión del nervio central, con lo cual se diminuyeron las erosiones

prematuras en el rodete de cazoletas postizas.

4. Las medidas de los espesores, anchos externos e internos así como el plantillado

de todas las cazoletas del rodete se encuentran dentro de los diseños de Plano,

asegurando el mejor aprovechamiento de la energía hidráulica.

5. Los resultados de los controles no destructivos de radiografía industrial, tintes

penetrantes y de partículas magnéticas, aseguran que el material del rodete se

encuentra dentro de las características propias del material.



CAPITULO X

RECOMENDACIONES

Se recomienda que los controles a efectuarse después de la puesta en servicio deben ser

los siguientes:

1. Inspección visual a los 15 días.

2. Inspección visual y de partículas magnéticas a los 30 días.



Los siguientes controles deben realizarse semestralmente:

1. Realizar mantenimiento correctivo de rectificado y pulido de cazoleta cada 6

meses.

2. Inspección visual al 100% del rodete.

3. Controles con Tintes Penetrantes y Partículas Magné ticas a todo las cazoletas,

teniendo especial énfasis en las zonas del cuello de las cazoletas, los filos de

ataque y los nervios centrales.



BIBLIOGRAFÍA

Wilfredo Jara T. , Maquinas Hidráulicas. Instituto de Investigación de la Facultad de

Ingeniería Mecánica (INIFIM), 1998.

Ing. César Pinto , Captación Técnica Controles No Destructivos en Rodetes Pelton,

EDEGEL 1998

Patricio Artiagoitia A., Curso de Maquinas Hidráulicas. Departamento Mecánico y

Civil (EPMH) Empresa Nacional de Electricidad S. A. (ENDESA), 1984.

Rodolfo Bennewitz Bastian y Jorge Espinoza Inen, Elementos de Diseño de un

Grupo Generación.

Jeremy Thake, The Micro-Hydro Pelton Turbine Mqnual,ITDG Publishing London

2000.

Cahierdes Charges Hydrauliques, Specification for Inspection of Steel Csting for

Hydraulic Machines (CCH 70-3), Groupe D´etude 1996.



ANEXOS

( REVISAR EN FORMATO IMPPRESO)

Engineering

Murray ge