FUNDAMENTOS TEORICOS DE LAS TURBINAS PELTON

1- Describir las características constructivas y el principio teórico de funcionamiento de las turbinas, Pelton.

Las turbinas hidráulicas se utilizan principalmente para la obtención de la energía hidroeléctrica. Las turbinas extraen energía de un flujo de agua y la convierte en energía mecánica para mover generadores eléctricos.

Hay dos tipos básicos de turbinas hidráulicas. En la turbina de impulso o de acción, un flujo libre de agua choca sobre el elemento giratorio de la máquina, que esta expuesto a la presión atmosférica. En una turbina de reacción, el flujo transcurre bajo presión en una cámara cerrada. La energía suministrada a una turbina de impulso es toda cinética, mientras que la turbina de reacción utiliza tanto la energía de presión como la energía cinética. Sin embargo, la acción de ambos tipos de turbinas depende del cambio de cantidad de movimiento del agua de manera que se ejerce una fuerza sobre el elemento rotatorio, o rodete.

1.1. Turbinas Pelton.

1.1.1. Descripción: Las turbinas Pelton constan de las siguientes partes ( Fig. 1 )

Fig. 1. Turbina Pelton doble de dos rodetes.

1- Codo de entrada.
2- Inyector. Es el distribuidor de las turbinas Pelton. Transforma la energía de presión del fluido en energía cinética. La velocidad del chorro a la salida del inyector en algunas instalaciones llega a 150 m/s y aún más. Consta de tobera y válvula de aguja.
3- Tobera.
4- Válvula de aguja. Se desplaza longitudinalmente. Tanto la boquilla como la aguja del inyector suelen construirse de acero muy duro. A pesa de esto si el agua contiene arena al cabo de cuatro mil horas de servicio estas piezas ya no producen un cierre estanco y deben reemplazarse.
5- Servomotor. Desplaza mediante presión de aceite la aguja del inyector.
6- Regulador.
7- Mando del deflector.
8- Deflector o pantalla deflectora. Sirve para evitar el golpe de ariete y el embalamiento de la turbina.
9- Chorro.
10- Rodete.
11- Alabes o cucharas.
12- Freno de la turbina por chorro de agua.
13- Blindaje.
14- Destructor de energía.

1.1.2. Funcionamiento.

Cuando el chorro choca con el borde divisor que divide la cuchara en dos partes simétricas. El chorro se divide en dos mitades que descargan a ambos lados de la cuchara. Los chorros normalmente son producidos por un inyector de aguja.

Fig. 2 Triangulo de velocidades de una turbina Pelton

La Fig. 2 muestra un esquema de una turbina de impulso rotatoria con una velocidad u en la línea central de las cucharas. La posición Fig. 2 d) representa el instante de entrada del agua en la cuchara, mientras que la posición Fig. 2 e) indica el momento en que el agua deja la cuchara. Se muestra el camino real que recorre el agua, siendo C1 la velocidad de entrada y C2 la velocidad de salida. En d) y e) se muestra el diagrama vectorial de velocidades a la entrada y salida. El vector v representa la velocidad del agua con respecto a la cuchara. Suponiendo que la fricción es despreciable, la magnitud c de la velocidad del agua relativa a la cuchara permanece constante, pero su dirección debería ser tangencial a la cuchara en Fig. 2 c). aplicando el principio de la cantidad de movimiento, la fuerza ejercida por el agua sobre la cuchara en la dirección del movimiento es

F = ρQ (C1 – C2 Cosα2) (1)

donde Q es el caudal de descarga del inyector. En términos de velocidades relativas.

F = ρQ (c – c Cosβ2) = ρQ (C1 – u)(1 – Cosβ2) (2)

Siendo la velocidad relativa c = C1 – u.
La potencia transmitida a las cucharas por el agua es el producto de la fuerza y la velocidad del cuerpo sobre el que la fuerza está actuando. Por tanto.

P = F u = ρQ (C1 – u)(1 – Cosβ2)u (3)

De la ecuación 3 se observa que cuando u = 0 o cuando u = C1 la potencia desarrollada es cero. Para un flujo y una turbina dada la máxima potencia se produce para un valor intermedio de u, que se puede obtener diferenciando la ecuación 3 e igual a cero. Por tanto.

dP/du = ρQ (C1 – u - u)(1 – Cosβ2) = 0 (4)

de donde u = C1/2. Por tanto, el mayor rendimiento hidráulico ( despreciando la fricción del fluido ) se produce cuando la velocidad periférica de la rueda es la mitad de la velocidad del chorro. Las pruebas realizadas con turbinas de impulso muestran que, debido a las pérdidas de energía, las mejores condiciones operativas se producen cuando u/C1 está entre 0,43 y 0,48.

Espero que les sea de mucha utilidad, gracias por visitar mi blog.
Ing. Rance Zambrano