Turbinas Pelton
Por: Cristian Duran
Generalidades sobre las TP
La tobera o inyector lanza directamente el
chorro de agua contra la serie de paletas en forma de cuchara montadas alrededor del borde de una rueda. Cada paleta invierte el flujo de agua, disminuyendo su energía. El impulso resultante hace girar la turbina. Las paletas se montan por pares para mantener equilibradas las fuerzas en la rueda.
La turbina Pelton es un tipo de turbina de impulso y es la más eficiente en aplicaciones donde se cuenta con un gran desnivel de agua, consiguiéndose rendimientos máximos del orden del 90%.
Lester Allan Pelton, carpintero y montador de ejes y poleas, inventó la turbina Pelton.
Obtuvo su primera patente en 1889.
Fosa de Carga
Conducto Forzado
Chorro a presión Cucharas
Tobera
Rueda Pelton (Turbina de Acción)
Generalidades sobre las TP
Turbina de acción, Gr = 0 (pe=ps)
Admisión parcial
Turbina de chorro
No tiene peligro de cavitación
Abrasión por sólidos en suspensión
H > 700mts. Solo TP
Hmáx 2000mts.
Pmáx 400MW, <90%
Ns = 2,4-66 (S-M)
Fosa de Carga
Conducto Forzado
Chorro a presión Cucharas
Tobera
Rueda Pelton (Turbina de Acción)
Campo de Aplicación de las TP
Turbinas Pelton en Venezuela
Perfil Técnico
CENTRAL SAN AGATÓN GENERADORES
Capacidad
Instalada 300 MW Número de Unidades 2 Capacidad
Garantizada 275 MW Potencia Nominal 2 * 158 MVA Energía Media
Anual 1275 Gwh Factor de Potencia 0,95 Energía Firme
Anual 1078 Gwh
Voltaje de Generación
() 13,8 kV
Cota de
Restitución 706 m.s.n.m Velocidad Sincrónica 225 r.p.m
Caudal de Diseño 100 m3/seg
Momento de Inercia
( T - m2) 2 * 10000
Perfil Técnico
TURBINAS TRANSFORMADORES
Altura Neta de Diseño 350 m Número de Unidades 6
Caudal de Diseño 50 m3/seg Tipo MONOFÁSICO
Tipo PELTON Capacidad 61 MVA
Número de Unidades 2 Tensión Nominal de Salida 230 kV
Potencia Nominal 2 * 153 MW Velocidad Sincrónica 225rpm
Elementos Constitutivos
LABCEM
Rueda Eje
Distribuidor
Inyector Servomotor
Deflector
Funcionamiento
La tobera debe colocarse lo más cerca del cuchara para evitar que el chorro se disperse
Elementos Constitutivos
Inyector: elemento que transforma la energía de presión en energía cinética. Regula el caudal de la máquina. Consta de una tobera y una válvula de aguja cuya carrera determina el grado de apertura del mismo; para poder asegurar el cierre, el diámetro máximo de la aguja tiene que ser superior al de salida del chorro cuyo diámetro do se mide en la sección contraída, situada aguas abajo de la salida del inyector y en donde se puede considerar que la presión exterior es igual a la atmosférica.
El chorro está constituido por un núcleo central convergente de agua y una sección anular creciente que contiene una emulsión de agua y aire.
Cucharas
Llegada de agua
Aguja
Deflector Chorro Chorro convergente
Chorro divergente
Servomotor
Elementos Constitutivos
Deflector: cuando la carga disminuye bruscamente debe cerrarse el chorro para que se embale la TP. Para ello se introduce un deflector en medio del chorro, dividiéndolo y desviando una parte del mismo, de forma que en vez de dirigirse contra las cucharas, sale lateralmente sin producir ningún efecto útil. De esta manera se evita un golpe de ariete y se cierra lentamente la válvula aguja.
Servomotor: cuya función es mantener la igualdad de los pares motores
(hidráulicos) y el resistente (demanda eléctrica). De esta manera se mantiene constante el número de revoluciones de la turbina.
En carga normal En carga alterada
En carga reducida
Elementos Constitutivos
Rotor: formado por el cubo y los álabes (cucharas). Se encuentra a presión atmosférica y sumergido sólo parcialmente
Cucharas: de esta forma son denominados los álabes por su peculiar forma
Elementos Constitutivos
Cucharas: Son piezas de bronce o de acero especial para evitar, dentro de lo posible, las corrosiones.
Están diseñados para recibir el empuje directo del chorro de agua. Su forma es similar a la de una doble cuchara, con una arista interior lo más afilada posible y situada centralmente en dirección perpendicular hacia el eje, de modo que divide a la cuchara en dos partes simétricas de gran concavidad cada una, siendo sobre dicha arista donde incide el chorro de agua.
Cada cuchara lleva, en su extremo periférico, una escotadura en forma de w, perfectamente centrada. Tiene como objeto conseguir que, la parte cóncava de la cuchara precedente, según el sentido de giro, reciba el chorro de agua cuando su arista se encuentra en posición lo más perpendicular posible, respecto al eje del chorro
Las escotaduras favorecen un mayor acercamiento de las toberas hacia el rodete.
Elementos Constitutivos
Carcasa: aísla la tubería del medio ambiente, para protegerla de las salpicaduras y reducir las pérdidas
Elementos Constitutivos
Distribuidor: Consiste en la prolongación de la tubería forzada, acoplada a ésta mediante brida de unión, posteriormente a la situación de la válvula de entrada a turbina, según la trayectoria normal del agua.
También se nombra cámara de inyectores.
Tiene como misión fundamental, conducir el caudal de agua. Igualmente, sirve de soporte a los demás mecanismos que integran el distribuidor
Distribuidor o Caja Espiral
Número de Chorros por rueda
Es mucho más ventajoso tener más chorros por rueda de forma de incrementar el gasto y la
potencia por unidad, reducir el diámetro de la rueda y aumentar su velocidad para un caudal en específico.
• La ecuación que relaciona el número de chorros por rueda en relación con la carga, la velocidad de giro y la potencia es la
siguiente:
Donde:
N=velocidad de giro[rpm]
H=carga [pies] n=número de chorros HP=potencia[HP]
25.H.(n)1/ 2
(HP)1/ 2
N
Clasificación de las TP
1. Según la disposición del Eje
TP de eje horizontal.
•El número de chorros por rueda se reduce generalmente a uno o dos, por resultar complicada la instalación en un plano, disponiéndose los chorros según dos tangentes inferiores a la circunferencia Pelton, inclinadas un mismo ángulo 30º, saliendo el agua de las cucharas sin interferir a la rueda.
•Con el eje horizontal se hace también posible instalar turbinas gemelas para un solo generador colocado entre ambas.
Equipos de Inyección
Clasificación de las TF
1. Según la disposición del Eje
TP de eje Vertical
•Para un número superior de inyectores, la rueda Pelton es de eje vertical ya que de ser horizontal, sería imposible evitar que el agua cayera sobre la rueda a la salida de las cucharas.
Clasificación de las TP
1. Según el número de chorros y de rodetes
Denominación No. Rodetes No. Chorros 1
2
2 1 c/u
Triple 1 3
1 2
4 2 c/u
Quíntuple 1 5
1 3
6 2 c/u Doble
Séxtuple Cuádruple
Triángulos de Velocidades
Triángulos de Velocidades
Elementos Constitutivos
D D
Cucharas: Dimensiones principales
Valores Empíricos Recomendados
Dimensionamiento de
las TP
Calidad del chorro
Limite máximo y mínimos de la relación de diámetros y del número específico de revoluciones
Las TP de mejor rendimiento deben tener un valor de < 1/10
ns M=6
M=1
Elementos Constitutivos
Cucharas: Número de cucharas en función del ns
Curvas Características
Formulas de Semejanza
Para los distintos valores del grado de apertura x del inyector se obtienen diversas familias de curvas
Q11 Caudal reducido N11 Potencia reducida
n11 Número de revoluciones reducido
Curvas Características
Curvas caracteristicas del caudal Curvas caracteristicas de la potencia
Diagrama de Conchas o Curvas de Nivel
Si las turbinas Pelton funcionan prácticamente con una altura de salto constante, las características de caudal, potencia, par y rendimiento, se pueden poner en función del número de revoluciones n
Q11 Caudal reducido N11 Potencia reducida
n11 Número de revoluciones reducido
Curvas Características
Curvas de igual velocidad específica
Q11 Caudal reducido N11 Potencia reducida
n11 Número de revoluciones reducido
Curvas Características
Colina de rendimientos
El rendimiento de la turbina Pelton cuando está poco afectada por la variación de potencia, es muy sensible a las variaciones de velocidad n Q Caudal reducido 11
N11 Potencia reducida
n11 Número de revoluciones reducido
Curvas Características
Para diferentes aperturas
H
H
Q
A=25%
A=50%
A=75%
A=100%
Potmáx
*Con el fin de asegurar buena regulacion, conviene diseñar el Inyector de forma que exista una proporcionalidad entre la potencia de la turbina y la carrera x de la aguja, por cuanto la potencia es proporcional al caudal y éste, a su vez, a la sección de paso normal al flujo.
*La variación del caudal del chorro para regular la potencia se consigue mediante una aguja de forma especial, con cuyo accionamiento se puede estrangular la sección de salida de la boquilla; su regulación puede ser manual o automática mediante un servomotor.
Regulación de Potencia
Regulación de Potencia
Otro Método de
Dimensionamiento
Elementos Constitutivos
Rodete: formado por el cubo y los álabes (cucharas). Se encuentra a presión atmosférica
n
1,25
n nP0,5 H
s t
ns general ns referido a un inyector
t
s n
1,25
P 0,5 n n H
i
Velocidad específica ns Altura de diseño Hn
Año de diseño ns,i 1960-1964
1965-1977
78,63Hn-0,243 85,3Hn-0,243 Cálculo del número
especifico de revoluciones
Elementos Constitutivos
Carcasa: aísla la tubería del medio ambiente, para protegerla de las salpicaduras y reducir las pérdidas
Dimensiones principales:
Elementos Constitutivos
Distribuidor: Dimensiones principales
Elementos Constitutivos
Rodete:
D2 D3
H2
H1
Se debe verificar que el ns determinado coincida con una velocidad de sincronismo en el criterio general de diseño. De no ser así, recalcular ns con el valor de n (de sincronismo) más cercano
Comparación TP y TF
Turbinas Pelton Turbinas Francis
1.Más robustas
2.Menos peligro de erosión de los álabes 3.Reparaciones más sencillas
4.Regulación e presión y velocidad más fácil 5.Mejores rendimientos a cargas parciales 6.Infraestructura más sencilla.
1.Menor peso
2.Mayor rendimiento máximo
3.Aprovechan mayor desnivel, debido al tubo de aspiración
4.Alternador más económico
5.Dimensiones en planta de la central más reducidas
Grandes Saltos (ventajas)
Comparación Turbinas Hidráulicas
Variación del rendimiento, en el punto de diseño, con la velocidad específica
Comparación Turbinas Hidráulicas
Límite de la velocidad específica (métrica) en función de la carga en m, para turbinas Francis, Kaplan y Pelton
UN POCO DE HISTORIA
Creada por Lester Pelton a mediados de los 1870. Fué patentada en 1880.
Obtuvo fama cuando la Idaho Mining Company en California organiza un concurso y la turbina Pelton obtiene la mayor eficiencia
(90.2 %).
En 1880 se funda en San Francisco la Pelton Water Wheel Company.
Entre las mas grandes instaladas se encuentran La de Mont-Cenis (Alpes franceses) de 202.8 MW.
Funcionamiento de la Turbina Pelton
• Instalaciones Típicas
1.- Codo de entrada 2.- Inyector
3.- Tobera
4.- Válvula de Aguja 5.- Servomotor
6.- Regulador
7.- Mando del deflector
8.- Deflector o pantalla deflectora 9.- Corro
10.- Rodete
11.- Álabes o cucharas 12.- Freno de la Turbina 13.- Blindaje
14.- Destructor de energía
• Clasificación General
1.- Turbina Pelton de eje vertical Generalmente 1 ó 2 inyectores.
Mayor facilidad de mantenimiento.
2.- Turbina Pelton de eje horizontal Mayor número de inyectores Mayor caudal
• Características Generales
1.- Su utilización es idónea en saltos de gran altura y bajo caudal.
2.- Suavidad de giro a cargas
parciales, obteniendo rendimientos superiores al 90%, con caudales desde el 40% del caudal nominal.
3.- Bajo mantenimiento del equipo.
4.- Ideal para ser empleadas cuando el agua trae sedimentos.
5.- Bajo costo de instalación.
EJEMPLOS DE CENTRALES HIDROELÉCTRICAS QUE
UTILIZAN TURBINAS PELTON
Represa la Honda Edo. Táchira
En Venezuela
Central Hidroeléctrica Leonardo Ruiz Pineda (San Agatón) (Primera etapa)
Capacidad Instalada 300 MW Número de Turbinas 2
Potencia Nominal por unidad 153 MW Altura neta de diseño de 350 m
Caudal de diseño 50 m³/seg.
Velocidad Sincrónica 225 r.p.m.
Generador con 16 pares de polos
(Edo. Barinas)
EN PERÚ
Represa Tablachaca
Central Hidroeléctrica Jose Antonio Páez (Santo Domingo)
Capacidad Instalada 240 MW Número de Turbinas 4
Potencia Nominal por unidad 67 MW Altura neta de diseño de 878 m
Caudal de diseño 8.72 m³/seg.
Velocidad Sincrónica 600 r.p.m.
Generador de 6 pares de polos
Represa Santo Domingo
Complejo Hidroenergético del Mantaro
(460 Km de la ciudad de Lima)Capacidad instalada 1008 MW
• 7 Turbinas de 114 MW con 4 inyectores para una caída de 77 m.
•3 Turbinas de 70 MW con 6 inyectores para una caída de 257 m.
OTRAS TURBINAS DE ACCIÓN
• Turbina Turgo
Entre 15 y 300 m.
Mayor velocidad angular.
• Turbina de Flujo Cruzado
Caudal entre 20 l/seg. y 10000 l/seg.
Salto entre 1 y 200 m.
Rendimiento inferior al 87 %,
practicamente constante
• Complejo hidroeléctrico La Vueltosa con dos (2) unidades de 257 MW, para un total de 514 MW, en servicio a partir del año 2007 .
Pelton (300 MW)
Francis (460 MW)
Francis (720 MW)
CENTRALES MINI-HIDRÁULICAS
pico centrales micro centrales mini centrales
P< 5 kW
P< 100 kW P< 1.000 kW pequeñas centrales P< 10.000 kW
