PRACTICA CON TURBINA PELTON

GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA

Si pensamos por un momento, siglos atrás la humanidad vivía bajo el alumbrado natural que ofrecen los satélites de la tierra y bajo la luz del sol, las fuentes de energía mas cercanas eran fogatas, cascadas de agua y la radiación solar.

Con la evolución del ser humano se generaron nuevas necesidades que fueron suplidas con diferentes artefactos, algunos de los artefactos eran netamente manuales, por otra parte, habían otros que requerían de una fuente de energía, en su mayoría eléctrica. Se desarrolla entonces con la mano del electromagnetismo la generación de energía eléctrica.

Imagen 1. Formas para mover un generador eléctrico.

El principio de la generación eléctrica es el mismo para todos los métodos, y consiste en hacer rotar el eje de un generador. Para lograr el giro del eje del generador se desarrollaron métodos como el aprovechamiento de la energía cinética del agua, la velocidad del viento, entre otros.

¿QUÉ ES UNA TURBINA PELTON?

La turbina pelton es una máquina que transforma la energía cinética del agua en energía mecánica para luego transformarla a través de un generador eléctrico en energía eléctrica.

Imagen 2. Dinámica del agua sobre la rueda pelton.

El agua que esta situada en una reserva a determinada altura, baja por efecto de la gravedad dentro de una tubería, luego a su salida de la tubería actúa tangencialmente en la rueda pelton sobre los álabes  situados en la periferia de esta haciéndola girar. conectado a la rueda sobre el mismo eje se encuentra el generador eléctrico.

Imagen 3. Conexión rueda pelton - generador eléctrico.

La velocidad de giro de la rueda pelton esta relacionada directamente con el caudal que sale a través de las toberas, si el paso de agua en la válvula es estrangulado, la rueda tenderá a reducir las revoluciones por minuto, en cambio si la válvula permite el paso de un mayor caudal, la rueda  aumentara sus revoluciones por minuto lo que haría que se genere más electricidad.

Cuando hay sobre demanda de energía eléctrica, en el generador aumenta el torque lo que hace necesario que se aumente el caudal en las toberas para que la rueda pueda vencer esas cargas adicionales.

Imagen 4. Disposición de la tobera.

Imagen 5. Interior de la tobera.

EXPERIMENTACIÓN

Materiales:

• Rueda pelton.
• Tanque de almacenamiento de agua con bomba de agua.

Procedimiento:

Primero se hace la conexión de la salida de la bomba del tanque a la válvula de entrada de la turbina pelton. Luego se monta la turbina sobre el tanque de almacenamiento (lleno) para cerrar el sistema y evitar el desperdicio de agua durante la practica.

Imagen 6. Turbina pelton con dinamómetros.

Imagen 7. Montaje experimental.

Con la turbina en reposo, se carga la rueda con la ayuda de los dinamómetros poniendo en los dos la misma carga. Una vez cargada la rueda, se comienza a abrir la válvula de la turbina, media vuelta por vez, y al mismo tiempo se estima las revoluciones por minuto (rpm) a la que gira la rueda y se consignan los valores registrados en los dinamómetros. (Cada media vuelta de la válvula de la turbina incrementa el área transversal en la salida de la tobera permitiendo más o menos flujo según su posición).

Información de la turbina pelton:

La turbina disponible en el laboratorio de fluidos de La Fundación Universitaria Los Libertadores, tiene 16 álabes o cucharas y cada una tiene una capacidad de 8 ml. El radio desde el centro de la rueda al punto de contacto del chorro de agua Rb = 0.025m. Además, la relación entre el área transversal a la salida de la tobera y la posición de la válvula se muestra en la Tabla 1.

Imagen 9. Cucharas de la rueda pelton.

Imagen 8. Válvula de la turbina pelton.

POSICIÓN (VUELTAS)		ÁREA      (m^2)
1/2		0.0000094
1		0.0000183
1 1/2		0.0000265
2		0.0000344
2.5		0.0000411
3		0.0000477
3.5		0.0000535
4		0.0000587
4 1/2		0.0000633

 Tabla 1. Área de la tobera

Datos Obtenidos:
En este laboratorio, los dinamómetros primero se cargaron con 10 Newton cada uno y se procedió a tomar los datos relevantes. Luego, se cargó la rueda con 12 Newton en cada dinamómetro y de igual manera se tomaron los datos.

POSICIÓN (VUELTAS)		FUERZA 1 (NEWTON)		FUERZA 2 (NEWTON)		RPM
2.5		13.5		6.5		66
3		14		6		144
3.5		16.5		8.1		78
4		16.5		8.5		114
4.5		17		8.5		144

 Tabla 2. Datos obtenidos. Con carga de 10 Newton en rojo, con carga de 12 Newton en azul.

Cálculos:

• Cálculo del Torque:

          Donde: 

                      F1: Fuerza 1.

                      F2: Fuerza 2.

                      Rb: Radio desde el centro de la rueda al punto de contacto del chorro de agua.

                           

POSICIÓN (VUELTAS)		FUERZA 1 (NEWTON)		FUERZA 2 (NEWTON)		TORQUE (N m)
2.5		13.5		6.5		0.175
3		14		6		0.2
3.5		16.5		8.1		0.21
4		16.5		8.5		0.2
4.5		17		8.5		0.2125

Tabla 3. Cálculo de torque. Con carga de 10 Newton en rojo, con carga de 12 Newton en azul.

• Cálculo de la potencia:

          Donde: 

                      N: Revoluciones por minuto.

                      T: Torque.

POSICIÓN (VUELTAS)		RPM		TORQUE (N m)		POTENCIA ( VATIOS)
2.5		66		0.175		1.209516
3		144		0.2		3.015936
3.5		78		0.21		1.7153136
4		114		0.2		2.387616
4.5		144		0.2125		3.204432

Tabla 4. Cálculo de potencia. Con carga de 10 Newton en rojo, con carga de 12 Newton en azul. 

• Cálculo del caudal Q y de la velocidad del fluido V:

          Donde: 

                      S: Capacidad de las cucharas.

                      C: Numero de cucharas.
                      N: Revoluciones por minuto.

          Donde: 

                      Q: Caudal.

                      A: Área de la sección transversal de la tobera.

POSICIÓN (VUELTAS)		ÁREA m^2		RPM		CAUDAL (m^3/min)		VELOCIDAD (m/s)
2.5		0.0000411		66		0.008448		205.547445
3		0.0000477		144		0.018432		386.415094
3.5		0.0000535		78		0.009984		186.616822
4		0.0000587		114		0.014592		248.586031
4.5		0.0000633		144		0.018432		291.184834

Tabla 5. Cálculo del caudal Q y la velocidad del fluido V. Con carga de 10 Newton en rojo, con carga de 12 Newton en azul. 

Gráficas:

Gráfica 1. Potencia v.s Velocidad del fluido con diferente torque.

Gráfica 2. Rpm vs.Potencia con diferente torque.

Gráfica 3. Torque vs. Potencia con diferente torque.

COLCLUSIONES

Debido a la dificultad de estimar las rpm de la rueda pelton, el laboratorio se ve limitado en cuanto a la toma de los datos. La velocidad en la rueda más alta que se pudo alcanzar fue de 144 rpm y la minima fue de 66 rpm.
Cuando hay mayor torque sobre la rueda, es necesario abrir la válvula para que el caudal de agua que es mayor pueda vencer esas fuerzas.
Como adición, adjunto una gráficas de Potencia vs. Rpm del fabricante de la rueda pelton.

Gráfica 4. Curvas de potencia y torque vs. rpm con la válvula completamente abierta.

Gráfica 5. Curvas de potencia y torque vs. rpm con la válvula  abierta al 50%

Gráfica 6. Curvas de potencia y torque vs. rpm con la válvula abierta al 25%

VÍDEOS:

Al abrir por completo la válvula de la turbina se aprecia un incremento en las revoluciones por minuto de la rueda, al estrangular el paso del agua se nota la disminución de las rpm.

Explicación breve del funcionamiento de una turbina pelton. (Audio en inglés)

BIOGRAFÍA DEL AUTOR

Daniel E. Rodriguez Martinez, nace el 24 de febrero de 1992 en Bogotá (COLOMBIA). Sus estudios escolares los realiza en el Colegio Nacional Nicolas Esguerra y obtiene el titulo de Bachiller Académico en 2008. En 2009 ingresa a la Universidad Distrital Francisco José de Caldas y posteriormente se gradúa como Tecnólogo Mecánico en 2012 luego de presentar su proyecto de investigación llamado COMPARACIÓN DE LOS VALORES DE TEMPLABILIDAD POR MEDIO DEL ENSAYO JOMINY Y LOS FACTORES DE GROSSMAN A LOS ACEROS (4340, 4140, 8620, 1045) junto a su coadyuvante Jhon Fonseca. En 2013 y por cuestiones personales ingresa a la Fundación Universitaria Los Libertadores a complementar sus estudios de Ingeniería Mecánica, espera obtener su titulo de ingeniero a mediados de 2015.