Diseño de un módulo interactivo de generación hidráulica de energía eléctrica

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(1)DISEÑO DE UN MÓDULO INTERACTIVO DE GENERACIÓN HIDRÁULICA DE ENERGÍA ELÉCTRICA. MARCELO BETANCOURT JURADO. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA PEREIRA 2007. 1.

(2) DISEÑO DE UN MÓDULO INTERACTIVO DE GENERACIÓN HIDRÁULICA DE ENERGÍA ELÉCTRICA. MARCELO BETANCOURT JURADO Trabajo de grado para optar al título de Ingeniero mecánico. Director del proyecto Ing. JUAN FERNANDO LÓPEZ LÓPEZ. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA PEREIRA 2007. 2.

(3) Nota de aceptación _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________. _________________________________ Gabriel Calle Trujillo Decano Facultad de Ingeniería Mecánica. _________________________________ Juan Fernando López López Director de proyecto. _________________________________ Edison Henao Jurado Calificador. Pereira, febrero 8 de 2007. 3.

(4) CONTENIDO Pág. RESUMEN INTRODUCCIÓN. 8. 1.PRINCIPIOS FÍSICOS Y GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA. 10. 1.1 TURBINA PELTON. 20. 1.1.1 Cazoletas o cucharas. 20. 1.1.2 El rodete. 22. 1.2 EL ALTERNADOR. 22. 1.3 BOMBA CENTRÍFUGA. 23. 1.4 VARIADOR DE FRECUENCIA. 25. 1.5 ACCESORIOS DE TUBERÍA. 25. 1.5.1 Tubería de presión. 25. 1.5.2 Válvula de compuerta. 27. 1.6 EJE. 28. 1.7 COJINETES Y RODAMIENTOS. 29. 1.8 TRANSMISIÓN POR CORREAS. 30. 2. DISEÑO CONCEPTUAL Y MECÁNICO DEL MÓDULO. 33. 2.1 DISEÑO CONCEPTUAL. 36. 2.2 DISEÑO MECÁNICO. 37. 2.2.1 Turbina pelton. 37. 2.2.2 Tobera. 41 1.

(5) 2.2.3 Alternador. 42. 2.2.4 Barra de leds. 43. 2.2.5 Polea y correa. 44. 2.2.6 Eje. 50. 2.2.7 Unidad de rodamientos. 56. 2.2.8 Válvula. 57. 2.2.9 Estructura. 57. 2.2.10 Tubería PVC. 61. 2.2.11 Bomba centrífuga. 62. 2.2.12 Sistemas de protección. 72. 2.2.13 Materiales. 72. 3. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 75. BIBLIOGRAFÍA. 77. ANEXOS. 79. 2.

(6) LISTA DE TABLAS Pág. Tabla 1. Diferentes dimensiones de turbina que resultan al variar el diámetro del orificio.. 38. Tabla 2. Valores del coeficiente de fricción f entre la polea y la correa. 48. Tabla 3. Cálculo del ángulo de polea menor. 49. Tabla 4. Relación F1/F2. 49. Tabla 5. Coeficiente concentrador de esfuerzos. 51. Tabla 6. Coeficiente de confiabilidad {K c }. 52. Tabla 7. Coeficiente de temperatura. 52. Tabla 8. Selección de unidad de rodamientos. 57. Tabla 9. Propiedad de los materiales. 58. Tabla 10. Criterios de fallo de cosmos/works. 59. Tabla 11. Longitud de los tramos de tubería. 68. Tabla 12. Coeficiente K para reducciones de diámetro en tubería. 69. Tabla 13. Valores de K para accesorios en la succión. 69. Tabla 14. Valores de K para accesorios en la descarga. 69. Tabla 15. Valores de la curva del sistema y la bomba. 70. Tabla 16. Materiales de construcción. 73. 3.

(7) LISTA DE FIGURAS Pág. 11. Figura 1. Energía hidráulica Figura 2. Energía mareomotriz. 13. Figura 3. Energía de las olas. 14. Figura 4. Turbina de reacción. 16. Figura 5. Turbina de acción. 17. Figura 6. Turbina pelton. 20. Figura 7.. Forma de las cucharas o cazoletas. 21. Figura 8.. Partes de un alternador. 22. Figura 9.. Bomba centrífuga. 24. Figura 10.. Tubería. 27. Figura 11. Válvula de compuerta. 28. Figura 12. Soporte y rodamiento. 30. Figura 13. Conjunto de polea y correa. 32. Figura 14. Diseño previo 1. 33. Figura 15. Diseño previo 2. 34. Figura 16. Diseño final. 35. Figura 17. Dimensiones de la cuchara. 39. Figura 18. Fuerzas en la cuchara. 40. Figura 19. Tobera. 41. Figura 20. Transformador de 120:12v. 43. Figura 21. Circuito integrado de leds. 44 4.

(8) Figura 22. Diseño de correa. 45. Figura 23. Tipo de correa (perfil). 46. Figura 24. Selección de correa. 47. Figura 25. Fuerzas actuantes en el eje. 50. Figura 26. Diagrama de cuerpo libre del eje 1, planos (XY-XZ). 51. Figura 27. Diagrama de cuerpo libre del eje 2, planos (XY-XZ). 53. Figura 28. Diagrama de cuerpo libre del eje 3, planos (XY-XZ). 54. Figura 29. Distribución de esfuerzos y factor de seguridad del cubículo. 60. Figura 30. Distribución de esfuerzos y factor de seguridad de tapa cubículo. 61. Figura 31. Operación del sistema de bombeo. 71. 5.

(9) LISTA DE ANEXOS Pág. ANEXO A. Esfuerzo a fatiga (S`n) del acero inoxidable tipo 304, Esfuerzo de fluencia del acero inoxidable.. 79. ANEXO B. Factor de acabado superficial.. 80. ANEXO C. Curva característica de la bomba centrífuga.. 81. ANEXO D. Propiedades de la resina de polyester reforzada con fibra de vidrio.. 82. ANEXO E. Plano de despiece 01. 85. Plano de despiece 02. 86. Plano de conjunto 03. 87. Plano de conjunto con lista de materiales 04. 88. 6.

(10) RESUMEN Las Empresas de Energía de Pereira en convenio con la Universidad Tecnológica de Pereira plantean el diseño de módulos interactivos de generación, distribución y comercialización de la energía eléctrica para la construcción de un parque temático en la ciudad de Pereira. El diseño planteado del módulo hará parte del parque temático interactivo. El proyecto se elaboró en cuatro etapas, desarrolladas en los capítulos que presenta el documento. Estas etapas son: recopilación de la información necesaria acerca del funcionamiento de cada uno de los componentes que forman parte del módulo, una segunda fase es la elaboración del diseño conceptual y mecánico que describe un paso a paso de lo que se hacía en el proceso de elaboración del diseño del módulo; tercera etapa, teniendo en cuenta los costos de las piezas y dispositivos validar la selección con base a los criterios de diseño y a los requerimientos especificados de funcionamiento; y por último, la elaboración del documento con los respectivos planos de la piezas necesarias para la construcción utilizando como fuentes de información libros, Internet, notas de clase entre otras que abarcan toda la ejecución del proyecto. El sistema de funcionamiento del módulo es un circuito cerrado, que opera con una bomba centrífuga autocebante, la cual toma el agua por el tubo de aspiración o succión, y dependiendo de las revoluciones y potencia del motor acoplado a la bomba, aumenta la presión del fluido y proporcional a éste se acopla una tobera al final de la tubería de descarga elevando la energía cinética del chorro para impactar en las cucharas de la turbina haciéndola girar. La turbina dispone de una carcaza para evitar salpicadura de agua y aprovecharla para la conducción del agua por efecto de la gravedad al mismo depósito de toma de agua de la bomba, siendo un proceso cíclico y repetitivo.. 7.

(11) INTRODUCCIÓN La utilización de la energía hidráulica data de la época de los griegos, quienes empleaban la rueda hidráulica para bombear agua. Tanto la rueda hidráulica vertical como la horizontal se usaron en la edad media y el renacimiento en la agricultura, minas, industria textil, industria forestal y en el transporte. Al inicio del siglo XIX se instaló la primera turbina hidráulica. La energía hidráulica tuvo mucha importancia durante la revolución industrial; impulsó las industrias textiles y del cuero y los talleres de construcción de máquinas a principios del siglo XIX. Aunque las máquinas de vapor operaban óptimamente, el carbón era escaso y la madera poco satisfactoria como combustible, por lo que la energía hidráulica ayudó al crecimiento de las nuevas ciudades industriales que se crearon en Europa y América. La generación de energía eléctrica es tal vez una de las principales fuentes de desarrollo y de mejoramiento de la calidad de vida del hombre actual, ya que gracias a ella, hoy en día es posible llevar a cabo un sin número de actividades que contribuyen al crecimiento integral de la sociedad, tanto desde el punto de vista científico y tecnológico, como industrial, cultural y económico. Por esta razón, la energía eléctrica se ha convertido en uno de los servicios sociales de mayor demanda e importancia en nuestro medio, haciéndose cada vez más indispensable para la ejecución de actividades de gran trascendencia. En general puede decirse que la energía de origen hidráulico ha sido la de mayor acogida hasta el momento, a pesar del surgimiento de otras formas de obtención de energía eléctrica a partir de diversas fuentes de generación, tales como la energía nuclear, la eólica, la solar, entre otras; y debido a esa gran aceptación o respuesta que se logró de la generación hidroeléctrica (por facilidades de construcción, economía, impacto ambiental y costos de mantenimiento, pues utiliza como materia prima un recurso renovable), y a la importancia de la electricidad, cada vez se ha vuelto más especializado el estudio de este proceso, convirtiéndose en un amplio campo de acción de la ingeniería [11]. La Empresa de Energía de Pereira propone la construcción de un parque temático partiendo del diseño preliminar, que es lo que hace la necesidad de plantear este proyecto como trabajo de grado y notar la conveniencia en cuanto al acercamiento o correspondencia del principio físico de funcionamiento de las grandes hidroeléctricas existentes y de las dificultades que se presentan con el uso no racional de la energía eléctrica, además, el aporte a las actuales y futuras generaciones respecto de una actitud responsable y que partiendo del conocimiento de la situación energética actual del país, garantice una toma de. 8.

(12) conciencia de la necesidad del uso racional de la energía eléctrica, y la consecuente contribución a la protección del medio ambiente. Teniendo en cuenta el principio de generación hidráulica de energía eléctrica y utilizando agua como fuente para generar electricidad, la realización del diseño del modulo interactivo de generación hidráulica de energía eléctrica comprende un análisis de selección muy detallado de cada uno de los componentes a utilizar, como también creatividad en la disposición y creación de piezas que requieran, teniendo en cuenta costos y planos para llevar a cabo su construcción. El modulo es una minicentral hidroeléctrica a pequeña escala, con el fin de que cualquier persona lo manipule o interactúe, dándose cuenta como funciona realmente una central hidroeléctrica.. 9.

(13) 1. PRINCIPIOS FÍSICOS Y GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA La energía eléctrica hace parte de nuestra vida diaria y sin ella, difícilmente podría notarse el progreso que el mundo ha alcanzado. Es conveniente señalar que existen varias fuentes para generar electricidad entre ellas las fuentes de energía no renovable como el calor, la geotermia (calor interior de la tierra), energía nuclear, y las energías renovables como la solar, eólica, biomasa e hidráulica. La energía eléctrica se genera y se transmite simultáneamente de acuerdo a la demanda que se ve afectada por aspectos socioeconómicos, temperatura y consumo, uno de los retos para la ciencia es encontrar la forma de almacenar energía eléctrica en grandes cantidades. Como alternativa para este problema son los acumuladores o aprovechar la energía remanente para bombear el agua a depósitos o presas situados a cierta altura. La energía eléctrica se produce en los generadores o alternadores que constan en su forma mas simple de una espira que gira impulsada por algún medio externo y un campo magnético uniforme, generado por un imán, en el seno del cual gira la espira anterior. En la actualidad, la generación de electricidad por medio de los aprovechamientos hidráulicos sigue siendo una excelente vía para el desarrollo de un país. En particular, brinda una solución muy viable técnica y económicamente para resolver las necesidades de las comunidades aisladas de la red nacional, donde generalmente disponen de ríos y pequeñas quebradas con las características apropiadas para la instalación de pequeños o medianos equipos. Esto permite disponer de energía mecánica o eléctrica para atender las necesidades básicas de una agroindustria o una pequeña comunidad rural. Una de las grandes ventajas que presentan los aprovechamientos hidráulicos es que se pueden implementar soluciones de pequeña escala (micro plantas) con tecnología ya probada y de muy fácil acceso en todos los países del mundo [2]. Adicionalmente, estas tecnologías contribuyen a obtener energía útil para diversas aplicaciones supliendo nuestras necesidades de energía presentes y futuras, disminuyen la contaminación del medio ambiente causada por las emisiones de gases de los sistemas convencionales, que utilizan combustibles fósiles como el carbón y productos derivados del petróleo. Estos gases contribuyen al efecto invernadero y al calentamiento global de nuestro planeta. Sin embargo, existen barreras que dificultan un mayor desarrollo de este tipo de energía: la falta de conocimiento de las tecnologías y capacidad institucional y técnica sin mucha experiencia.. 10.

(14) •. Energía hidráulica. La energía hidráulica se refiere al aprovechamiento de la energía potencial que tiene el agua (por diferencia de altura) que se obtiene buscando una caída de agua desde cierta altura a un nivel inferior, la que luego se transforma en energía mecánica (rotación de un eje), con el uso de una rueda hidráulica o turbina. Esta energía se puede utilizar directamente para mover un pequeño aserradero, un molino o maquinaria de un beneficio de café. También es posible conectar la turbina a un generador eléctrico y de esta manera transformar la energía mecánica en energía eléctrica, con la ventaja de trasladar con mayor facilidad la energía a los puntos de consumo y aplicarla a una gran variedad de equipos y usos productivos. Por lo tanto, la cantidad de potencia y energía disponible en el agua de un río o una quebrada, está en relación directa a la altura o caída disponible, así como de la cantidad de agua que se trasiega (caudal). Como estrategia inicial para escoger un posible aprovechamiento hidráulico se debe buscar la mayor caída o altura disponible y de esta manera usar la cantidad mínima de agua que se requiera para satisfacer las necesidades de energía y potencia [11]. Figura 1. Energía hidráulica. Fuente. Tomado de [11]. 11.

(15) Ventajas y desventajas Hay varios beneficios en el uso de la energía del agua. La energía hidroeléctrica tiene de moderada a alta cantidad de energía útil y bajos costos operacionales y de mantenimiento. Las plantas de energía hidroeléctricas emiten muy poco dióxido de carbono, que tiene efecto en el calentamiento global y es poco contaminante del agua durante el proceso de operación. Tienen una duración de vida de dos a diez veces más que las plantas de carbón y nucleares. Las presas que son usadas en las plantas de energía ayudan a prevenir las inundaciones y suministran una regulación del flujo, para el agua de riego, en las áreas por debajo de ésta. De cualquier manera, hay algunas desventajas en el uso de la energía hidroeléctrica. Las plantas de energía hidroeléctrica requieren mucho espacio y esto causa la desaparición de hábitat para animales. Proyectos de gran escala pueden amenazar las actividades recreativas e interrumpir los flujos del río. Debido a la presencia de presas y reservorios, los peces posiblemente no sean capaces de nadar hacia el mar y la vida acuática puede decrecer en el área de la planta hidroeléctrica. . Energía mareomotriz. La energía de la marea es la principal vía que se ha explotado para generar electricidad a partir del mar. El funcionamiento de las centrales mareomotrices es similar al de las grandes centrales hidroeléctricas. En un estuario1 se construye una presa que lo cierre de orilla a orilla. En la pleamar2, se cierran las compuertas, que se abren un par de horas antes de la bajamar3 para, aprovechando el desnivel generado entre ambos lados de la presa, producir electricidad. Las turbinas están colocadas en los túneles que desaguan la presa a través del dique.. Cuando se iguala el nivel del agua a uno y otro lado de la presa, no se puede seguir generando electricidad. Se cierran de nuevo las compuertas, y nuevamente, poco antes de la pleamar, vuelve a aprovecharse el desnivel, ahora del lado contrario, ya que está más alta el agua en el mar que en la ría4. Se abren las 1. Es la parte inferior de un valle fluvial que está cubierta de agua a consecuencia, generalmente, de la subida del nivel del mar. 2 Estado de la marea cuando alcanza su máxima altura. 3 Es la altura mínima del mar en un ciclo de marea. 4 Penetración del mar por la desembocadura de un río.. 12.

(16) puertas y nuevamente la corriente, que ahora procede del mar, acciona las turbinas y genera electricidad [16]. Estas centrales, lamentablemente, provocan un fuerte impacto ambiental. Para empezar, las aguas que vierten al mar no lo alcanzan como es debido. Además, los estuarios son los ecosistemas más productivos y sensibles del mundo; y la inundación que provoca la presa, tiene un efecto descomunal sobre la fauna del estuario, especialmente las aves. Consecuencia de ello es que se han empezado a explorar otras maneras alternativas para aprovechar las mareas. Una de ellas es crear estanques artificiales. El principio es el mismo, pero en este caso se renuncia a usar la totalidad del agua de la ría, y únicamente se aprovecha la que penetra a (y sale de) los estanques. Pero para que este tipo de centrales sean rentables, los estanques deben ser de capacidad muy grande [16]. Figura 2. Energía mareomotriz. Fuente www.consumer.es/web/es/medio_ambiente/energia_y_ciencia/2005/02/23/140205.php. Energía de las olas Para aprovechar la fuerza de las olas se coloca en la costa una estructura que tenga una 'boca' abierta. Las olas llenan la 'boca' de agua, y el aire atrapado sale 13.

(17) a presión por unos orificios practicados en la parte superior de la estructura. Una turbina puesta a la altura de esos orificios mueven el generador. [16] Otra forma de aprovechar esta energía es usar boyas que flotan sobre las olas. Existen varios sistemas, en función de cómo se aprovecha el movimiento de las boyas. Las olas mueven una serie de flotadores tan largos como un tren de cinco vagones; cuando se mueve el fluido de su interior, a gran presión, produce energía. Además, estas boyas no tiene por qué disponerse en la costa; una central de un kilómetro cuadrado puede rendir hasta 30 MW [16]. Figura 3. Energía de las olas. Fuente www.consumer.es/web/es/medio_ambiente/energia_y_ciencia/2005/02/23/140205.php. Ventajas y desventajas La energía del mar es limpia y renovable. Una vez construida la central de marea o de olas, la energía es gratuita e inagotable. No produce gases ni otros residuos. La tecnología más desarrollada es la que aprovecha las mareas. Aún así, parece que cada vez se usarán menos. Dado que los costos e inversiones que conlleva la construcción de este tipo de centrales son muy altos para la energía que producen. Además , no se pueden instalar en cualquier sitio. Su rentabilidad. 14.

(18) únicamente es atractiva en aquellas zonas donde la diferencia de cota entre las mareas alta y baja es significativa. Las centrales de marea únicamente pueden funcionar cuatro veces al día, es decir, coincidiendo con las pleamares y con las bajamares (durante unas 10 horas al día). Además, dado que existe un desfase entre la duración del día y la del ciclo de marea, que es lunar y dura 24,8 horas), las horas de producción varían de un día para otro y genera complicaciones en el sistema general de energía. Se están desarrollando turbinas capaces de aprovechar las corrientes subacuáticas generadas por las mareas, en lugar de tener que levantar costosas presas. Ya que no hay que construir presas, además de reducirse el costo, se reduce también el impacto. No obstante, de momento sólo existen prototipos capaces de aprovechar esas corrientes de marea. Por lo tanto, todo indica que serán las olas la fuente de energía del mar más importante. Las centrales de olas están aún en fase de desarrollo, pero para ahora ya han cosechado buenos resultados; posiblemente conozcan una evolución similar a la de los aerogeneradores en los próximos años.. Para aprovechar las alternativas de energía anteriormente mencionadas es conveniente tener una selección adecuada de la turbina hidráulica, y es por ello que a continuación damos una breve descripción de ellas [16]. •. Turbinas hidráulicas. La turbina hidráulica es el componente principal de una central hidroeléctrica, donde se transforma la energía contenida en el agua, en energía mecánica. Comparada con una rueda de agua, una turbina hidráulica logra mayores velocidades rotacionales y eficiencias de conversión que la hace más apropiada para la generación de electricidad. Existen diferentes tipos de turbinas. El tipo más apropiado para un proyecto depende de las condiciones topográficas e hidrológicas del sitio, siendo el caudal y caída las más importantes. Se distinguen turbinas de reacción y acción. Turbinas de reacción En este tipo de turbina, el elemento de rotación o estator está totalmente sumergido en el agua y encerrado en una caja de presión. El flujo del agua sobre las aspas causa diferencias de presión del agua que hacen girar al estator. La velocidad de rotación de las turbinas de reacción en comparación con turbinas de acción y bajo las mismas condiciones de caudal y caída, es alta [11].. 15.

(19) Esto hace que una turbina de reacción muchas veces se pueda acoplar directamente al generador sin necesidad de un sistema que incremente la velocidad. Algunos fabricantes producen combinaciones de turbina y generador, lo cual ayuda a disminuir el costo y simplifica el mantenimiento. La fabricación de turbinas de reacción es más sofisticada que las turbinas de acción porque tiene aspas más grandes y perfiladas. El costo adicional de producción se compensa con una mayor eficiencia y un simple mantenimiento. La fabricación más complicada hace que estas turbinas sean menos atractivas para sistemas nano- y micro-hidroeléctricas. Francis: Es la turbina más aplicada en centrales grandes. Se caracteriza por que recibe el flujo de agua en dirección radial, orientándolo hacia la salida en dirección axial. Es más conveniente usar esta turbina cuando los saltos de agua están entre 15 y 150 m. Estas tienen una eficiencia de conversión entre el 90 y 94%. Kaplan: Es una turbina de tipo hélice. Se compone básicamente de una cámara de entrada que puede ser abierta o cerrada, un distribuidor fijo, un rodete con cuatro o cinco palas fijas en forma de hélice de barco y un tubo de aspiración. Se puede usar esta turbina para caudales grandes y saltos de agua menores de 50 m. Las turbinas tipo Kaplan se consideran con eficiencia del 93-95%. Figura 4. Turbinas de reacción. FRANCIS. KAPLAN. Fuente. www.gom.com/EN/3d.coordinate.measurement/quality.control/turbines.html,. Turbinas de acción El estator de una turbina de acción opera en aire y se propulsa por la energía cinética del agua que lo impacta a alta velocidad, provocada por uno o más chorros de agua. El agua está a presión atmosférica antes y después del contacto con el estator, por lo tanto sólo se necesita una cubierta para controlar el chapoteo. 16.

(20) del agua y prevenir accidentes. Este tipo de turbina es muy apropiada para sitios con pequeños caudales y grandes caídas, un escenario común para proyectos micro-hidroeléctricas. En comparación con la turbina de reacción, la de acción es más económica, de simple fabricación y mantenimiento, así mismo es menos susceptible a daños por la arena u otros materiales en el agua. Sin embargo, tiene menor eficiencia, gira a velocidades menores y no es muy apropiada para sitios con caídas bajas [11]. Pelton: Este es el tipo de turbina de acción más común. Consta de un disco circular que tiene montados en su periferia unas paletas en forma de doble cuchara y de un inyector que dirige y regula el chorro de agua que incide sobre las cucharas, y que provoca así el movimiento de giro de la turbina. Se usa cuando la caída de agua es grande (alrededor de 80 m). La eficiencia está entre el 84 y 92%. De flujo cruzado: también conocida como de doble impulsión o Michael-Banki. Constituida principalmente por un inyector de sección rectangular provista de un álabe longitudinal que regula y orienta el caudal que entra en la turbina, y un rodete de forma cilíndrica, con múltiples palas soldadas por los extremos a discos terminales. Se usa para caídas bajas y medianas (10 – 80 m). La eficiencia se considera que alcanza del 70 al 80% [11]. Figura 5. Turbina de acción. PELTON. Fuente. www.pelton.vatew.com.mx/archivos/gallery.htm. Con frecuencia, los dilemas en la elección del tipo de turbina se presentan entre las Pelton y las Francis, debido a su buena comercialización y las condiciones de. 17.

(21) funcionamiento que ambas ofrecen. Por esta razón, resulta ser de gran ayuda hacer un análisis específico de estas dos clases de turbinas, el cual se presenta a continuación: En la elección del tipo de turbina de reacción (Francis) o de acción (Pelton) se presenta una zona de indiferencia cuando Ns (velocidad específica) se ubica en las proximidades de 50. Lo mismo puede decirse respecto a la elección entre turbinas rápidas y de hélice cuando Ns tiene un valor máximo de 400. Entonces la elección depende de otras consideraciones de economía o de circunstancias de explotación de la central. Por ejemplo, cuando las aguas arrastran caudal sólido, que puede erosionar las turbinas, es más conveniente la turbina Pelton, en la que es muy fácil reponer la aguja y la boquilla de los inyectores a un bajo costo, mientras que en la Francis la reposición es más costosa en valor y tiempo. Si una central está destinada a suministro de fuerza con carga muy variable, como los casos de tracción eléctrica, es preferible emplear la Pelton que la Francis, porque ésta, a carga fraccionaria tiene mejor rendimiento.. Ventajas a grandes alturas de salto [1000 m] Turbina Pelton . Turbinas Francis. Más robustas Menos peligro de erosión de los álabes Reparación más sencilla Regulación e presión y velocidad más fácil Mejores rendimientos a cargas parciales Infraestructura más sencilla. . . 18. Menor peso Mayor rendimiento máximo Aprovechan mayor desnivel, debido al tubo de aspiración Alternador más económico Dimensiones en planta de la central más reducidas.

(22) Ventajas a alturas medias de salto [400m] Turbinas Francis . . . Mayor economía en la turbina. Menos coste de excavación y cimientos. Mejores rendimientos a cargas parciales que las hélices de palas fijas. Menor peligro de cavitación.. Turbinas Kaplan . . . . Mejores rendimientos a cargas parciales. Mejores rendimientos con alturas de salto variables. Menos obra de fábrica que las hélices de palas fijas. Alternador más barato.. Turbinas con hélices de palas fijas . . Buen rendimiento máximo. Más baratas que las Kaplan. Gran admisión con saltos pequeños. Alternador barato.. más. Fuente. Tomado de [21] y [22]. Las propiedades anteriores no deberán considerarse como absolutas, sino más bien como las más probables con alturas de salto en que pueden quedar duda de emplear uno u otro tipo de turbina. En una forma más general, puede decirse que estando definido el campo de aplicación por la altura del salto principalmente y por el caudal, deberá emplearse el tipo normal y rápido Francis para saltos de pequeña y regular altura (hasta 200m) aún con grandes caudales, y Francis lenta para altura grande y gran caudal, y para mucha altura (mayor de 60m) y pequeños caudales la rueda tangencial Pelton [21]. Partiendo del principio de funcionamiento de generación hidráulica de energía eléctrica se plantea el diseño del módulo interactivo utilizando un dispositivo mecánico como es la bomba centrífuga para elevar la presión del fluido y al mismo tiempo aumentar la energía cinética del fluido al pasar por la tobera ubicada al final de la tubería de descarga de la bomba, para luego impactar sobre las cucharas de la turbina y hacerla girar simultáneamente con el eje acoplado generando energía mecánica rotacional y al igual que las pequeñas centrales hidroeléctricas aprovechar esta energía mecánica por un generador o alternador para generar corriente eléctrica. Esta corriente generada es la que se pretende utilizar para alimentar un circuito de diodos leds que permiten visualizar que proporciones de corriente genera la turbina al variar el caudal de la bomba mediante un variador de frecuencia instalado en el motor de la bomba.. 19.

(23) A continuación describimos los principios físicos de los componentes pertinentes a la generación hidráulica de energía eléctrica del módulo. • • • • • • • • •. Turbina pelton Alternador Bomba centrífuga Variador de frecuencia Tubería de presión Accesorio de tubería (válvula de compuerta) Eje Rodamientos Transmisión por correas. 1.1 TURBINA PELTON Las turbinas Pelton son turbinas de chorro libre que se acomodan a la utilización de saltos de agua con un alto desnivel y caudales relativamente pequeños, con márgenes de empleo entre 60 y 1500 metros, consiguiéndose rendimientos máximos del orden del 90% [9]. Figura 6. Turbina pelton. 1.1.1 Cazoletas o cucharas En una rueda Pelton la dirección del chorro no es ni axial ni radial, sino tangencial; el elemento constructivo más importante es la cazoleta en forma de doble cuchara que recibe el chorro exactamente en su arista media donde se divide en dos,. 20.

(24) circulando por su cavidad y recorriendo hasta la salida casi un ángulo de 180º, contrarrestándose así los empujes axiales por cambio de dirección de los dos chorros [9]. Las cazoletas, en las versiones más modernas, tienen forma de elipsoide; la arista que las divide en dos puede quedar al ras de los bordes de las mismas, o a veces se queda algo adentro. Las medidas se adoptan en función del diámetro del chorro, para un óptimo funcionamiento de la turbina. Las cazoletas no se colocan exactamente en sentido radial, sino en forma tal que el chorro al alcanzar de lleno una de ellas, se halle perpendicular a la arista de la misma, quedando separada la cazoleta del inyector el mínimo que permita la construcción, atacándola el chorro lo más cerca posible de la corona del rodete, para que las pérdidas a la salida resulten más pequeñas [9]. Las cazoletas tienen que ir dispuestas de tal forma, que su separación no permita que se pierda agua, es decir, cuando el chorro abandone una, debe encontrarse con la siguiente. Figura 7. Forma de las cucharas o cazoletas. 21.

(25) 1.1.2 El rodete Llamado también rotor de rueda, este elemento es el órgano fundamental de las turbinas hidráulicas. Consta, en esencia, de un disco provisto de un sistema de álabes, paletas o cucharas, el cual está animado por cierta velocidad angular. La transformación de la energía hidráulica del salto en energía mecánica se produce en el rodete, mediante la aceleración y desviación, o por la simple desviación del flujo de agua a su paso por los álabes. 1.2 ALTERNADOR Es un generador de corriente alterna que al pasar por una serie de diodos rectificadores se convierte en corriente continua, y que hemos seleccionado para la producción de energía eléctrica. Es el encargado de la transformación de energía mecánica en energía eléctrica. Esta acoplado mecánicamente al eje de la turbina, bien sea por acople directo o a través de una transmisión que por lo general es multiplicadora o divisora como para este caso (relación de diámetros). La demanda de energía eléctrica conectada a los bornes del generador tiene una componente activa y una reactiva; la activa se regula en el generador ajustando en la turbina el caudal a la demanda de energía activa y la componente reactiva causa variaciones de tensión, la cual se regula en un regulador de tensión.. Figura 8. Partes de un alternador. Fuente. www.mimecanicapopular.com/vernota.php?n=266. 22.

(26) En la figura 8 se puede ver un plano de explosión, donde se observan y nombran los dispositivos o elementos que componen un alternador trifásico 1.3 BOMBA CENTRÍFUGA La acción del bombeo es la adición de energías cinética y potencial a un líquido con el fin de moverlo de un punto a otro. Esta energía hará que el líquido efectúe trabajo, tal como circular por una tubería o subir a una mayor altura. [8] Una bomba centrífuga transforma la energía mecánica de un impulsor rotatorio en energía cinética y potencial requerida. Aunque la fuerza centrífuga producida depende tanto de la velocidad en la punta de los álabes o periferia del impulsor y de la densidad del líquido, la cantidad de energía que se aplica por masa de líquido es independiente de la densidad del líquido. Por tanto, en una bomba dada que funcione a cierta velocidad y que maneje un volumen definido de líquido, la energía que se aplica y transfiere al líquido, es la misma para cualquier líquido sin que importe su densidad. Por tanto, la carga o energía de la bomba se debe expresar en metros (m). Para el sistema de bombeo se debe recordar que: 1) la carga se puede medir en diversas unidades como metros de líquido, presión en Pa, milímetros de mercurio, etc. 2) las lecturas de presión y de carga pueden ser manométricas o absolutas (la diferencia entre presión manométrica y absoluta varía de acuerdo con la presión atmosférica según sea la altitud). 3) Nunca se debe permitir que la presión en cualquier sistema que maneje líquidos caiga por abajo de la presión de vapor del líquido. Los elementos constructivos de los que consta la bomba centrífuga son: a) Tubería de aspiración, que concluye prácticamente en la brida de aspiración. b) Impulsor o rodete, formado por una serie de álabes de diversas formas que giran dentro de una carcasa circular. El rodete va unido solidariamente al eje y es la parte móvil de la bomba. El líquido penetra axialmente por la tubería de aspiración hasta el centro del rodete, que es accionado por un motor, experimentando un cambio de dirección más o menos brusco, pasando a radial, (en las centrífugas), o permaneciendo axial, (en las axiales), adquiriendo una aceleración y absorbiendo un trabajo. Los álabes del rodete someten a las partículas de líquido a un movimiento de rotación muy rápido, siendo proyectadas hacia el exterior por la fuerza centrífuga, de forma que abandonan el rodete hacia la voluta a gran velocidad, aumentando su presión en el impulsor según la distancia al eje. La elevación del líquido se. 23.

(27) produce por la reacción entre éste y el rodete sometido al movimiento de rotación, en la voluta se transforma parte de la energía dinámica adquirida en el rodete, en energía de presión, siendo lanzados los filetes líquidos contra las paredes del cuerpo de bomba y evacuados por la tubería de impulsión. c) Carcasa o voluta. La carcasa, (voluta), está dispuesta en forma de caracol, de tal manera, que la separación entre ella y el rodete es mínima en la parte superior; la separación va aumentando hasta que las partículas líquidas se encuentran frente a la abertura de impulsión; en algunas bombas existe, a la salida del rodete, una directriz de álabes que guía el líquido a la salida del impulsor antes de introducirlo en la voluta. La finalidad de la voluta es la de recoger el líquido a gran velocidad, cambiar la dirección de su movimiento y encaminarle hacia la brida de impulsión de la bomba. La voluta es también un transformador de energía, ya que disminuye la velocidad (transforma parte de la energía dinámica creada en el rodete en energía de presión), aumentando la presión del líquido a medida que el espacio entre el rodete y la carcasa aumenta. [8].. Figura 9. Bomba centrífuga. Fuente. Tomado de [19]. 24.

(28) En la figura 9, se observan cada uno de los elementos principales que componen a una bomba centrífuga, entendiéndose entrada como succión, y salida como descarga. 1.4 VARIADOR DE FRECUENCIA El variador de velocidad, es un control para el motor de inducción tipo "jaula de ardilla" que es el motor más económico y simple que hay y se distingue por ser el mas usado en la industria por estas ventajas. Es el único control que energiza, protege y permite la variación de la velocidad en el motor. La ventaja principal de los variadores de velocidad es que disminuyen los consumos de energía eléctrica en algunos de los procesos que controla, dando como resultado considerables disminuciones de costos de operación. El variador de frecuencia regula la frecuencia del voltaje aplicado al motor, logrando modificar su velocidad. Sin embargo, simultáneamente con el cambio de frecuencia, debe variarse el voltaje aplicado al motor para evitar la saturación del flujo magnético con una elevación de la corriente que dañaría el motor. Los variadores electrónicos se basan en la conmutación de dispositivos electrónicos para generar corriente trifásica de frecuencia y amplitud variable. El número de veces que éste se enciende y apaga por segundo se denomina frecuencia y se expresa en Hertz (Hz). Los primeros variadores daban una frecuencia hasta de 50-60 Hz pero los actuales llegan a dar hasta 750 Hz y se denominan de alta frecuencia. Cuanto mayor sea la frecuencia mayor será la velocidad. Las ventajas de este dispositivo son dos: 1) por una parte ahorra el consumo de energía, ya que limita la corriente que llega al motor evitando que se sobrecaliente; 2) gracias a esa limitación de corriente, también prolonga la vida del motor. 1.5 ACCESORIOS DE TUBERIA 1.5.1 Tubería de presión La tubería de presión debe ser preferiblemente recta, aunque en algunas ocasiones es difícil de obtener, debido a las condiciones de espacio de trabajo. La tubería de presión esta compuesta por los siguientes elementos: •. Toma de agua, la cual está acompañada de una rejilla.. •. Codos para variación de pendiente.. 25.

(29) •. Juntas de unión.. •. Juntas de expansión ubicadas entre anclajes, las cuales asimilan la contracción o dilatación del material por variación de temperatura.. •. Bifurcaciones que le permiten dividir el caudal para varias unidades.. •. Válvulas independientes a la tubería de presión ubicadas entre el final de la tubería y la turbina.. •. Anclajes y apoyos que se encargan de sostener y variar la pendiente de la tubería de presión.. Para el dimensionamiento de la tubería deben de tenerse en cuenta los siguientes parámetros: •. El diámetro se selecciona de acuerdo con un análisis técnico y económico que permita determinar el diámetro que causa las menores perdidas y el de menor costo.. •. El espesor se determina de acuerdo con los esfuerzos generados por el golpe de ariete, el peso del agua y de la tubería.. •. El material de la tubería permite seleccionar tuberías de mayor resistencia a los esfuerzos mecánicos.. Debido a que el costo de tubería puede representar gran parte del presupuesto de una pequeña central es prioritario, entonces, optimizar su diseño para reducir no solo costos de mantenimiento sino la inversión inicial. Una selección adecuada del material y del espesor de la tubería de presión podrá significar beneficios económicos en la reducción del número de anclajes y de apoyos. Para que los costos de mantenimiento sean bajos se deben de colocar los soportes y los anclajes de la tubería en pendientes estables y encontrar buenos cimientos; es importante aclarar que para la construcción del módulo no es mucho el tramo y diámetro de tubería necesario, por lo tanto, no influye mucho en los costos de inversión [14].. 26.

(30) Figura 10. Tubería. 1.5.2 Válvula de compuerta Una válvula de compuerta consiste básicamente en un disco metálico que sube y baja a voluntad y que está ubicado en el cuerpo de la válvula. A mayores presiones las válvulas de gran diámetro se precisa una fuerza importante para operarlas y vencer la fuerza de fricción en la válvula. Por esta razón, cuando se coloca una válvula de compuerta grande en la parte inferior de la tubería de presión, se coloca también una pequeña válvula de bypass para conectar el lado de alta presión con el de baja presión [4]. En la categoría para cierre y paso, la válvula de compuerta supera a todas en porcentaje de unidades en operación, pero aún así tiene limitaciones. Estas válvulas no se prestan a un control preciso del flujo porque ocurre un porcentaje anormal de cambio de flujo cuando está casi cerrada y a alta velocidad. Tampoco se destina para servicio de estrangulación porque la compuerta y el asiento se erosionan con rapidez en cualquier posición que no sea la de apertura o cierre total. Cuando se abre ligeramente la válvula en un servicio de estrangulación, el disco y el asiento quedan sometidos a esfuerzos que causarían deformación y erosión que, a fin de cuentas impedirán un cierre hermético. Cuando están abiertas del todo, la mayor parte de las válvulas de compuerta permiten flujo lineal en un conducto que tiene el mismo diámetro que la tubería. Aunque hay variaciones, la válvula de compuerta, por lo general, produce menor caída de presión en el sistema que cualquier otro tipo de válvula.. 27.

(31) Es generalmente necesario instalar la válvula en la impulsión y alguna vez en la aspiración, a fin de poder aislar la bomba del resto de la instalación para repararla o retirarla de su lugar sin necesidad de descargar toda la tubería [6]. Figura 11. Válvula de compuerta. 1.6 Eje Los ejes son elementos indispensables en todo sistema de transmisión de potencia. Se construyen en acero, de sección maciza o hueca. Las fallas mas frecuentes que pueden presentarse en los ejes son: •. Fracturas por los esfuerzos combinados repetitivos que originan las cargas y el torque que actúa en ellos. •. Deformaciones laterales (flechas) y/o torsionales.. En cuanto al dimensionamiento de los ejes, la medida principal es el diámetro, el cual se determina para evitar que se produzcan las fallas anteriormente indicadas. En principio la longitud del eje debe ser lo más corta posible y la ubicación de los cojinetes de apoyo debe hacerse de modo que los momentos flectores resultantes en el eje sean bajos [14].. 28.

(32) 1.7 COJINETES Y RODAMIENTOS Los cojinetes son elementos que permiten soportar los ejes en movimiento, constituyendo elementos intermedios entre un cuerpo en movimiento (eje) y otro fijo (soporte) ligado a la estructura de la máquina. En el contacto entre ejes y cojinetes forzosamente se producirá un rozamiento y pérdidas de potencia en forma de calor; lo importante de las formas constructivas de los cojinetes radica en que permitirán que las pérdidas por rozamiento sean pequeñas [14]. Existen dos tipos de cojinetes que corresponden a los dos tipos de rozamiento conocidos: los cojinetes de deslizamiento, a los que comúnmente se les conoce como cojinete, a secas, y los cojinetes de rodamiento, a los que se conoce como rodamientos [14]. Los cojinetes de deslizamiento constructivamente pueden ser enteros (bocinas) o partidos; se construyen con materiales que permiten un bajo coeficiente de fricción en el contacto con los ejes de acero, como el bronce grafitado y el babit. Deben estar permanentemente lubricados. Sus dimensiones radiales son más reducidas que las de los rodamientos, lo que lo hacen preferidos en el caso de grandes dimensiones de los ejes. De acuerdo con el tipo de carga soportado, los cojinetes pueden ser radiales y axiales; en el caso de turbinas y generadores de eje vertical, el cojinete superior tomara la carga axial de peso, llamándose de empuje, los otros cojinetes serán de guía. Se cuenta con una amplia variedad constructiva de rodamientos aptos para atender diversos requerimientos de servicio. Los rodamientos constan sustancialmente de dos anillos, uno ligado al eje y el otro ligado al soporte; entre ambos se encuentra dispuestos los elementos de rodadura que pueden ser bolas o rodillos. De acuerdo con el tipo de cargas para la cual son mas aparentes, pueden también distinguirse como rodamientos radiales y rodamientos axiales. Para el caso de pequeñas y medianas dimensiones de los ejes, los rodamientos son preferidos a los cojinetes de deslizamiento por su mayor sencillez de lubricación y el mantenimiento. La selección del tipo de rodamiento a utilizar depende de muchos factores como magnitud y tipo de carga, existencia de cargas variables, limites de velocidad, precisión de giro, rigidez, autoalineación, etc. Para pequeños montajes se. 29.

(33) emplean en general rodamientos de bolas por ser menos costosos. Una tabla del fabricante permite seleccionar el tipo de rodamiento El tamaño del rodamiento se determina de acuerdo con las cargas que deberá soportar y por las exigencias sobre la duración y la seguridad de funcionamiento. Estos aspectos se comparan con la capacidad de carga dinámica del rodamiento que está definida como la carga constante admisible para una duración nominal de un millón de revoluciones [14]. Figura 12. Soporte y rodamiento. 1.8 TRANSMISIÓN POR CORREAS Tienen una amplia aplicación en el caso de micro centrales hidroeléctricas. En ellas, la capacidad de transmisión de potencia depende de la fricción entre las correas y las ruedas que, a su vez, depende del coeficiente de rozamiento y del ángulo de contacto de la correa con la polea menor [14]. Ventajas •. Posibilidad de unir el árbol conductor con el conducido, dispuestos a distancias relativamente grandes.. •. Aparte de los cojinetes, no se requiere lubricación.. 30.

(34) •. Debido a que la transmisión es por fricción, en caso de sobrecarga se produce resbalamiento entre correa y poleas, lo que protege otros elementos en la transmisión y los equipos involucrados.. •. Funcionamiento relativamente suave sin golpeteo originado por la propia transmisión.. •. Sencillez.. •. Costo inicial relativamente bajo.. Desventajas •. Grandes dimensiones exteriores.. •. En caso de bajas velocidades, su empleo se limita a pequeñas potencias, ya que si las potencias fueran grandes, el número de correas y las dimensiones exteriores serian desproporcionadamente altas.. •. Debido al resbalamiento relativo entre correas y poleas no puede garantizarse una relación de transmisión constante ni una sincronización entre los movimientos conductor y conducido.. •. Duración relativamente baja.. •. Normalmente se producen grandes cargas sobre los ejes y apoyos, y por consiguiente, considerables pérdidas de potencia.. Las correas de transmisión pueden ser planas y trapezoidales, aunque también existen las correas especiales dentadas. Las correas planas son relativamente más antiguas en los equipos y maquinarias. En un principio se fabricaban en cuero tratado; en la actualidad se fabrican en tejido de algodón y/o fibras sintéticas con entrecapas y recubrimientos exteriores de caucho o neopreno. En el caso de correas tejidas debe tomarse en cuenta que los tejidos soportan las cargas de tensión, y que los recubrimientos exteriores proporcionan la fricción necesaria, por lo que deben ser resistentes al desgaste superficial [14]. En el caso de correas tejidas con diferente número de telas, las correas planas se fabrican de diferente ancho y espesor. Deben empalmarse por sus extremos para alcanzar la longitud requerida; estos empalmes se obtienen mediante articulaciones metálicas de diferente tipo y también por vulcanizado, siendo este último el que les hace más eficientes, alcanzando hasta 100% de la resistencia de la faja. El lugar de empalme suele ser rígido y a veces más pesado que las otras partes de la correa, lo que produce un golpeteo en la polea y causa oscilaciones en la velocidad del movimiento. Las correas trapezoidales se fabrican en longitudes cerradas estándares a las que debe adaptarse la transmisión. El efecto. 31.

(35) de cuña que debe producirse en el contacto entre fajas y poleas crea el efecto equivalente a un altísimo coeficiente de fricción, lo que permite que la capacidad de tracción sea mayor que la correspondiente a correas planas y, por consiguiente, que se permitan menores ángulos de contacto y distancias más cortas entre los ejes de las poleas. El correcto tensado y alineamiento de los ejes es un requisito necesario para un buen funcionamiento, una duración adecuada de las correas, y para que no se produzcan cargas irregulares en los cojinetes. Las correas dentadas se diferencian de las anteriores porque en ellas la transmisión es a través de una fuerza de contacto directo y no por fricción, lo que permite la sincronización en la transmisión del movimiento. Se fabrican empleando como elementos de tracción mas usuales cables de acero, aunque también se emplean tejidos de algodón y/o fibras, los forros y los cauchos o neopreno. Como se emplean cables, las correas dentadas se estiran poco bajo carga y, en consecuencia, la tensión inicial puede ser baja con bajas cargas en los cojinetes y prescindiendo de dispositivos tensores. Otras características notables de las correas dentadas son: gran capacidad en pequeño espacio, funcionamiento silencioso a bajas velocidades, y tolerancia a un pequeño arco de contacto. En cambio, transmiten golpeteos debido a la forma del contacto [14]. Figura 13. Conjunto polea y correa. 32.

(36) 2. DISEÑO CONCEPTUAL Y MECÁNICO DEL MÓDULO A continuación se ilustra y se describe los 3 diferentes diseños planteados para la realización del diseño del módulo interactivo. Inicialmente la idea que se tenía para el diseño del módulo, era a partir de el aprovechamiento de la turbina pelton como generador de energía mecánica rotacional y convertirla en energía eléctrica y como es un módulo interactivo, entonces, combinar esa turbina con elementos o materiales que se puedan construir de una forma tal que se asemejaran a los elementos que hacen parte de una verdadera central hidroeléctrica; bajo estas iniciativas de ideas se elaboró un primer diseño previo como se puede observar en la figura 14. Figura 14. Diseño previo 1. La represa es un elemento que forma parte del diseño mecánico y es más representativo que funcional, ya que proporciona mejor claridad en cuanto a tener la suficiente altura o cabeza estática de presión requerida por la turbina para generar la suficiente demanda de energía eléctrica. Observando la figura 14 y la figura 16, se puede notar la gran diferencia en cuanto a configuración de muchos de los elementos, entre ellos el cubículo o depósito de. 33.

(37) succión de la bomba, que es de gran importancia para el dimensionamiento de los elementos a construir y a seleccionar; también se puede observar la ausencia del generador, que es esencial en la transformación de energía. Plantear un buen diseño y una selección óptima de materiales es partir de definir tamaños y proporciones de los elementos que van a formar parte del módulo. El cubículo tiene una longitud aproximada de seis veces el diámetro de la turbina y las demás dimensiones son proporcionales a la misma longitud, esto con el fin de justificar poco espacio, peso y facil transporte. Otra consideración es estimar las cargas a las que están sometidos algunos de los elementos para calcular el factor de seguridad de diseño o dimensionamiento de la pieza si es el caso. Figura 15. Diseño previo 2. 34.

(38) En la figura 15 se incluyen todos los componentes que forman parte del diseño final a excepción del conjunto de polea y correa que en ese instante no se concebía por tener la opción de acoplar directamente el alternador al eje de la turbina y descartarla en el diseño final debido a que el alternador que se seleccionó tiene datos característicos de operación como 1450 rpm, entonces, mediante la polea y correa que es un elemento de transmisión de potencia del eje al alternador y con una relación de transmisión de 2,5:3 garantiza el no sobrepaso de la velocidad angular limite del alternador. Teniendo en cuenta lo mencionado anteriormente que se describe más detallado en los siguientes subcapítulos, se obtiene el diseño final para una futura construcción ilustrada en la siguiente figura. Figura 16. Diseño final. 35.

(39) 2.1 DISEÑO CONCEPTUAL DEL MÓDULO El principio básico de funcionamiento del módulo es muy similar al de una PCH (pequeña central hidroeléctrica); la represa en el módulo es una representación muy sencilla que no cumple ninguna función de operación; sin embargo es un elemento que es de gran importancia en la realidad, ya que es el que proporciona la altura necesaria para que el chorro al final de la conducción tenga la suficiente energía cinética para impactar sobre las cucharas de la turbina y la haga girar. La bomba centrífuga es un elemento mecánico que tiene como función transportar un fluido de un lugar a otro y para este caso se tiene un circuito cerrado que consiste en tomar agua de un depósito y transportarlo a través de una tubería que está acoplada con una tobera en la descarga, aumentando la energía cinética del chorro e impactactando en la turbina al igual que la PCH. Seguidamente, esta misma cantidad de agua que sale y pasa por la turbina se atrapa, y se aprovecha la gravedad para conducirla al mismo depósito de succión de la bomba. La turbina se acopla al eje mediante un chavetero y un prisionero, garantizando el no deslizamiento de la turbina y evitando una velocidad angular relativa entre turbina-eje. Al mismo tiempo este eje está apoyado o soportado por dos rodamientos en los extremos que descansan en los respectivos cojinetes; estos rodamientos están acoplados al eje con un ajuste de interferencia, y así permiten una rotación libre del eje y en conjunto con los rodamientos, para que al mismo tiempo se aproveche la energía rotacional del eje y por medio de un conjunto de polea y correa se transmita la rotación del eje al alternador, que es el dispositivo generador de corriente y es proporcional a las revoluciones de la turbina. Finalmente la parte interactiva del módulo es indicar o visualizar la energía que se esta generando, por eso, se instala un variador de frecuencia al motor de la bomba centrífuga. Este variador lo que hace es modificar la frecuencia, y a su vez, variar las revoluciones del motor. Consiguiendo intencionalmente una variación en el caudal de descarga de la bomba. Esta variación se puede hacer desde el tablero de control, que esta dispuesto en la parte frontal de visualización del módulo, una vez que se varía el caudal en la bomba, varían las revoluciones de la turbina debido a que el chorro impacta con mayor o menor energía cinética. Y como se mencionó anteriormente, esto se logra con el control del variador de velocidad. Proporcional a esta acción varía la velocidad en el alternador.. 36.

(40) Debido a que el alternador gira de acuerdo a la variación de caudal de descarga, el alternador genera corriente alterna que se utiliza en la visualización de la energía que se está generando, mediante un circuito integrado que contiene una barra de10 leds de color amarillo, verde y rojo. En ese orden de colores los leds se encienden de acuerdo a la energía que se está generando en el alternador, y es ocasionado directamente por la variación de velocidad en el motor. 2.2 DISEÑO MECÁNICO 2.2.1 Turbina pelton Criterios de selección Para la selección de la turbina pelton, se toma como punto de partida el trabajo de grado [20], donde se puede observar el diseño detallado de este elemento del módulo. A continuación se hace un resumen de los parámetros utilizados y de los resultados obtenidos en dicho diseño. Datos obtenidos para el punto de partida en el diseño. Caudal = 4,99 l/s Cabeza estática = h= 17,59 metros columna de agua (m.c.a). Determinar el diámetro adecuado para el chorro con una velocidad tangencial y un número de revoluciones por minuto adecuada a nuestras necesidades, el procedimiento es como sigue: • • • •. Se calcula la velocidad del chorro: Q= Caudal; A= Área del orificio. Obtener la velocidad tangencial de la rueda en el diámetro con la ecuación U= 0,41 V Hallar el diámetro D de la turbina con la relación D/d= 12 aconsejada para un máximo rendimiento. Obtener a partir de D y U velocidad angular de la turbina así: N=. U (2.1) π *D. 37.

(41) •. tomando diferentes diámetros de orificio entre 10 y 20 mm. Se obtuvieron los resultados anotados de la tabla 1.. Tabla 1. Diferentes dimensiones de turbina que resultan al variar el diámetro del orificio.. 1 2 3 4 5 6 7. Diámetro Tobera mm 10 12 14 15 16 18 20. Velocidad del chorro m/s 63,50 44,12 32,41 28,23 24,80 19,60 15,80. Diámetro turbina mm 120 144 168 180 192 216 240. Dimensiones de la cuchara Los siguientes son las configuraciones de dimensiones de la cuchara: a= 3,13 d b= 2,6 d c= 0,9 d w= 1,2 d ϕ = 20 β =8 Las convenciones se pueden ver en la siguiente figura.. 38. N RPM 4145 2399 1510 1228 1012 710 518.

(42) Figura 17. Dimensiones de la cuchara. Número de cucharas Partiendo de la relación D/d=12 y de la velocidad especifica Ns, se obtiene un total de 17 cucharas. Fuerzas en la cuchara. Las cucharas tienen un peso aproximado de 85,5 gr, dato necesario para calcular la fuerza centrifuga: WU 2 / gr. (2.2). donde: W = peso de la cuchara, U = Velocidad tangencial en el diámetro medio de la rueda, r = Radio medio desde el eje hasta el centro de gravedad de la cuchara (aproximadamente de 90 mm). Se obtiene:. Fuerza centrífuga= 12,99 kgf. 39.

(43) Fuerza producida por el chorro La fuerza producida por el chorro se calcula asumiendo una sola cuchara que se mueve con una cierta velocidad U, la cual es incidida por un chorro que lleva una velocidad V. Esta fuerza se calcula así: Fuerza del chorro= Q * Vr. (2.3). En donde Vr = Velocidad relativa del chorro con respecto a la rueda: Vr = (28,24 - 11,57) m/s. Fuerza del chorro= 8,47 kgf Con esta fuerza puede calcularse el valor del torque desarrollado en el eje; Torque = (fuerza chorro)*(radio medio)= 76,23 kg*cm. Cálculo de tornillos Debemos calcular las fuerzas resultantes en cada tornillo y para ello hacemos diagrama de cuerpo libre de la cuchara con las fuerzas actuantes. Figura 18. Fuerzas en la cuchara. F1 = 24.48 kg F2 = 32.95 kg F3 = 6.49 kg F4 = 6.49 kg Las resultantes de las dos fuerzas actuantes en cada tornillo. Se obtiene: F resultante en 1= 25,32 kg F resultante en 2= 33,14 kg. 40.

(44) Con la relación: Esfuerzo cortante = Fuerza/Área de la sección, se puede obtener un diámetro de 3,2 mm adoptando un factor de seguridad de cuatro. Sin embargo se seleccionó tornillos de 3/16” (4,76 mm). 2.2.2 Tobera La tobera convergente es un dispositivo que esta ubicado al final de la tubería para aumentar la energía cinética del chorro e impactar en las cucharas de la turbina haciéndola girar. La energía cinética requerida por la turbina es obtenida de la tabla 9 con su respectivo diámetro de salida. El paso del chorro a través del cambio de sección transversal de la tobera aumenta la velocidad y esto no quiere decir que el caudal sea regulado por este dispositivo. El caudal es regulado mediante un dispositivo electrónico llamado variador de frecuencia y esta conectado directamente al motor de la bomba. Teniendo en cuenta estos conceptos se selecciona la tobera como un accesorio reductor de tubería y con un coeficiente de perdida de k=0,36 (ver tabla 2). Las pérdidas que se producen en el sistema de operación de bombeo por la instalación de este dispositivo son estimadas en la selección de la bomba para el cálculo de la curva del sistema de operación. Las dimensiones y configuraciones se observan en los planos de despiece (ver anexo E). Figura 19. Tobera. 41.

(45) 2.2.3 Alternador Es el generador utilizado en los automóviles combinado con algún sistema interno de rectificadores para la generación de corriente, que ha desplazado por completo al generador de corriente contínua de seis voltios. En el alternador el campo o rotor es el que gira y las escobillas que funcionan sobre anillos deslizantes casi lisos, no requieren rectificadores y el acumulador no puede devolver la corriente al alternador cuando el voltaje que produce es menor que el del acumulador. Por tanto, no se requiere corta corriente como en los sistemas antiguos con generador [20]. El alternador es el resultado del perfeccionamiento de rectificadores con semiconductores (diodos) de germanio y silicio. Para transformar la energía mecánica rotacional en energía eléctrica es necesario un generador o un alternador que para este caso es un alternador de automóvil trifásico, independiente de la capacidad de corriente que pueda generar, pero a mayor capacidad de corriente mayor es el costo. Para propósitos de aprovechar la potencia generada por la turbina se seleccionó un alternador de vehiculo con una capacidad de 40 amperios a 12 voltios. Para el funcionamiento del alternador es necesario de una fuente de excitación de 12 voltios para alimentar los polos electromagnéticos que forman el campo magnético del alternador. El rotor es la parte móvil giratoria que se localiza en el interior del estator. Está hecho a base de placas apiladas y montado sobre el eje del alternador. Dispone de unas ranuras donde van colocados los conductores que forman la bobina de inducido que están cerrados sobre sí mismos constituyendo un circuito cerrado. Al ser afectados los conductores por un campo magnético variable se generan en ellos f.e.m. que dan lugar a corrientes eléctricas. Al circular las corrientes eléctricas por unos conductores dentro de un campo magnético, aparecen fuerzas que obligan al rotor a moverse siguiendo al campo magnético. A continuación se muestran las conexiones respectivas de la fuente de 12v.. 42.

(46) Figura 20. Transformador de 120:12v. 2.2.4. Barra de leds.. La parte didáctica del proyecto es representar la energía que se está generando por medio de una barra de 10 leds que indican en un rango luminoso desde amarillo hasta rojo, la energía que esta generando el impacto del chorro de agua sobre la turbina pelton. La instalación de esta barra requiere del siguiente circuito eléctrico a la salida del generador.. 43.

(47) Figura 21. Circuito integrado de leds. El ajuste de referencia se hace con base en el voltaje máximo que entrega el generador. El valor de las resistencias R1y R2 se hace con base en la siguiente ecuación: R2 (2.4) Vref = 1.25(1 + ) + 80 x10− 6 R 2 R1 Si el voltaje máximo es 10v aproximadamente los valores pueden ser R1=1,24 kΩ y R2=8,06 kΩ Vref = 10,0198 V, cuando este voltaje este en el pin (SIG) se enciende el ultimo led (D9). El divisor de tensión a la entrada (SIG) sirve para ajustar la tensión máxima que entra al circuito integrado. 2.2.4 Polea y correa. Seleccionar una polea de 3” para el eje garantiza el no sobrepaso de la velocidad angular límite del alternador en caso de operar la bomba por encima del punto de mejor eficiencia, ocasionando mayor impacto en la turbina.. 44.

(48) Criterios de selección correa Datos iniciales: Velocidad Angular = N =1228 rpm; Potencia ≈ 1 HP Distancia entre centros = C = 30,48 cm. (asumida) Diámetro primitivo polea eje = D1 = 3” Diámetro primitivo polea alternador = D2 = 2 -1/2” (Propia del alternador) Con la velocidad angular en rpm y potencia en HP de la turbina, utilizamos la siguiente figura para la selección del tipo de correa. Figura 22. Diseño de correa. Fuente: tbwoods.com. En la figura se ilustra la región perteneciente a los dos tipos de correa opcionales para la transmisión de potencia del eje de la turbina al alternador. El fabricante recomienda la correa AX (correa dentada) para potencia alta y la correa AP (correa plana) para potencia baja. De acuerdo a lo mencionado anteriormente se seleccionó la correa “V” plana tipo AP ya que es mas comercial y cuenta con las siguientes características de perfil ilustradas en la figura.. 45.

(49) Figura 23. Tipo de correa (perfil). Fuente www.tbwoods.com. Longitud de la correa La siguiente ecuación da un valor lo suficientemente exacto de la longitud externa de la correa para una configuración abierta. L = 2C +. π 2. ( D1 + D 2) +. ( D 2 − D1)2 (2.5) 4C. L=32,64” Longitud interior=32,64-1,3=31,34” De la siguiente tabla seleccionamos correa AP30 L=31,3=Longitud interior L=31,3+1,3=32,6”. 46.

(50) Figura 24. Selección de correa. Fuente: www.tbwoods.com. Precisión de la distancia entre centros La distancia entre centros, se recalcula para la longitud de la correa seleccionada en la tabla C=. 4 L − 2π ( D1 + D 2) +. C=11,9777” ≅ 12”. [4 L − 2π ( D1 + D2)]2 − 32( D 2 − D1)2 16. Ángulo de contacto El ángulo de contacto de la polea menor es. 47. (2.6).

(51) θ1 = 2 cos −1 (. D 2 − D1 ) (2.7) 2C. θ1 = 177,61º Fuerzas en el lado flojo y tenso y fuerza sobre el árbol Fórmula de Euler. F1 = e fθ (2.8) F2. La máxima relación entre las fuerzas en el lado tenso F1, y en el lado flojo F2, para evitar el resbalamiento entre la correa y las poleas. Para asegurar una adecuada transmisión de potencia, esta relación debe ser menor que la dada por dicha ecuación (lo que implica mayor tensión inicial). La superficie de la correa es de tejido de algodón y la polea es de hierro ACRO, el coeficiente de fricción, f, es de 0.22 (tabla 6), para correas en V debe calcularse un coeficiente de fricción reducido. f '=. f sen(α / 2). ≅ 3 f = 0,66. (2.9). Tabla 2. Valores del coeficiente de fricción f entre la correa y la polea. Material de la correa Cuero curtido en roble Cuero curtido con minerales Lona Balata Tejido de algodón Caucho CauchoLona. Acero con aceite 0,12. Acero con grasa 0,15. 0,20. Material de la polea Acero Hierro húmedo acero. madera. papel. 0,20. 0,25. 0,30. 0,35. 0,25. 0,35. 0,40. 0,45. 0,50. 0,10 0,10. 0,12 0,12. 0,15 0,20 0,15. 0,20 0,32 0,22. 0,23 0,35 0,25. 0,25 0,80 0,28. -. -. 0,18 0,2. 0,30 0,35. 0,32 0,38. 0,35 0,4. 48.

(52) Donde α es el ángulo de la ranura de la polea (34 a 38º; dependiendo del tamaño de la polea (Tabla 7). Reemplazando f’ en la ecuación, para la polea pequeña (que es la mas critica en cuanto al riesgo de deslizamiento) se obtiene. F1 = e0.66*1 = 1.935 (2.10) F2 Tabla 3. Cálculo del ángulo de polea menor. Tipo de correa A. Rango diámetro Hasta 3”. A 0,4375. α 34º. Como se dijo esta relación debe ser menor que el valor obtenido con la ecuación de Euler. La tabla 3.3 recomienda que para θ = 177.61º , F1/F2=5 Tabla 4. Relación F1/F2. Ángulo de contacto 180 175 170 165 160 155. F1/F2 5,0 4,78 4,57 4,37 4,18 4,0. El torque en una transmisión por correas es producido por la diferencia de las fuerzas en el lado tenso y lado flojo, multiplicada por el radio primitivo de la polea. Velocidad periférica de la polea menor V2 =. πD2 n2. = 3,4m / seg 60 * 1000 P * 75 F= = 22,67 kgf V2. F1/F2=5. y. F=F1-F2. (2.11) (2.12) (2.13 y 2.14). F1=28,3375 kgf F2=5,6675 kgf Estas fuerzas se tienen en cuenta en el diagrama de fuerzas actuantes en el eje para cálculos del diámetro.. 49.

(53) 2.2.6 Eje La distribución de cargas y las dimensiones para el cálculo del eje aparecen en la siguiente figura. Criterios de diseño Figura 25. Fuerzas actuantes en el eje. Datos calculados a partir de las cargas en el eje; Material del eje = acero inoxidable Peso de la turbina= 2,38 kg Fuerza total (F1+F2) producida por la banda en “V” = 34,05 kg; Momento torsor máximo = 76,23 kg-cm Momento flector máximo = 272,4 kg-cm; Diagrama de las fuerzas que actúan en el eje.. 50.

(54) Figura 26. Diagrama de cuerpo libre del eje 1, planos (XY-XZ). Análisis por fatiga según método ASME.   32 N d =  π .     K f M  + 3  T  KS ' n  4  S y    2. 2.    . 1. 2.     . 1. 3. (2.15). K f = 1,6 Chavetero recocido de perfil; se analiza por ser un punto concentrador. de esfuerzos y donde podría ocurrir falla. Tabla 5. Coeficiente concentrador de esfuerzos. CHAVETERO Perfil. FLEXION 1,6. Ka = 0,89 Coeficiente de acabado de superfície (ver anexo B); Kb = 1,189*de-0,097 = 0,889 Coeficiente de tamaño para flexión; Donde: Sección circular de=d K c = 0,814 Confiabilidad del 99%. 51.