TURBINA PELTON

 La Turbina pelton tiene la peculiaridad de aprovechar solamente la energía cinética del fluido, pues no existe gradiente de presión entre la entrada y la salida de la máquina.
 La energía cinética del agua, en forma de chorro libre, se genera en una tobera colocada al final de la tubería a presión. La tobera está provista de una aguja de cierre para regular el gasto, constituyendo el conjunto el órgano de alimentación y de regulación de la turbina.

 Las turbinas Pelton aumentan la velocidad del fluido mediante esta tobera, produciendo un chorro de agua dirigido a gran velocidad hacia las paletas. Debido a la forma de éstas, el chorro gira en casi 180º, con lo cual se produce un cambio de momentum que se traspasa al eje.

 El material de los alabes debe resistir a la fatiga, a la corrosión y a la erosión. Cuando estas acciones son moderadas puede bastar la fundición de grafito laminar. Si las condiciones de trabajo son más drásticas debe recurrirse al acero, al carbono aliado con níquel (0.7 a 0.1)-molibdeno (0.3). Aceros con 13% de cromo y los aceros austeno-ferríticos (Cr 20, Ni 8, Mo 3) presentan una resistencia extraordinaria a la cavitación y la abrasión. El material del disco de la rueda es de acero fundido o forjado.

El número de alabes suele ser de 17 a 26 por rueda, dependiendo de la velocidad específica de la turbina. Para alta velocidad específica el número de alabes es menor. Para una rueda de un diámetro determinado por una carga y una velocidad de giro si la velocidad específica es alta, el gasto es grande, lo exige alabes mayores y, por lo tanto, caben menos en la misma periferia de la rueda.

    El espacio requerido por alabe suele estar entre 1.4 y 1.6 veces el diámetro del chorro.

Forma y dimensiones de los Alabes

    Los alabes de una rueda Pelton tienen la forma de doble cuchara, con una arista mediana donde se produce el ataque del chorro de agua. Las dimensiones del alabe son proporcionales al diámetro del chorro y éste a su vez es función del diámetro de la rueda y de la velocidad específica. El valor del diámetro del chorro está entre el 5% y el 12% aproximadamente del valor del diámetro de la rueda pelton.

Ataque del chorro al alabe

    Sería deseable que el ángulo que forman las caras interiores del alabe fuera cero, para evitar componentes de choque de la velocidad en la incidencia, sin embargo, esto no es posible, ya que se debilitaría demasiado la arista media, expuesta a la acción directa del chorro de agua y a los efectos no solo mecánicos sino de erosión y corrosión. Este ángulo es del orden de 20º según recomendación de los constructores. 

    A la salida, el ángulo del alabe está normalmente entre 8º y 12º en la parte media del alabe. Aquí es también conveniente tener un valor reducido del ángulo para disminuir el valor de la velocidad absoluta de salida y mejorar la utilización de la energía del agua, pero se presenta el peligro de recirculación y de choque del agua contra el extradós del alabe siguiente. Hay que dar salida al agua con la propia forma del borde de fuga. 

    Como la energía cinética del chorro de agua decrece con la distancia al orificio de salida, conviene colocar los inyectores lo más cerca posible del rodete, para lo cual se produce en los alabes una entalladura en la parte periférica, la que además impide que el agua salpique por el borde de la cuchara e incluso que la ataque por la parte posterior. En las ruedas de alta velocidad específica debe acentuarse el tamaño de la entalladura de los alabes, por ser el caudal relativamente más abundante.

CONCLUSIONES

Para regular la velocidad se puede colocar una válvula de compuerta en la tubería de llegada esto ajustaría la salida del agua a la demanda de energía, pero como todo tiene sus inconvenientes este caso no es la excepción ya que al hacer esto se desprecia mucha energía y como se reduce la carga en la boquilla del chiflón hay una perturbación de velocidad y esto reduce la eficiencia del motor a la que esta acoplada la rueda.

Otra manera de regular la velocidad es acoplando una válvula de aguja que esta longitudinalmente dentro del chiflón, cuando la aguja entra en la abertura de la boquilla va quedando un espacio menor a través de un chorro circular. Entonces la válvula de aguja varía la sección del chorro. El único problema que presenta esta válvula es que al cerrarse muy rápido la boquilla se pueden producir fuertes presiones dinámicas en la tubería cerrada. 

Componentes de una turbina Pelton.

Los componentes esenciales de una turbina Pelton, enumerados, dentro de lo posible y cuando corresponda, siguiendo la trayectoria del agua a través de la misma son (Fig. 6).

  
Fig. 6 - Componentes de una turbina Pelton de eje horizontal, con dos equipos de inyección.

A continuación hacemos una amplia descripción de cada uno de ellos.

Distribuidor de una turbina Pelton.

Está constituido por uno o varios equipos de inyección de agua. Cada uno de dichos equipos, formado por determinados elementos mecánicos, tiene como misión dirigir, convenientemente, un chorro de agua, cilíndrico y de sección uniforme, que se proyecta sobre el rodete, así como también, regular el caudal preciso que ha de fluir hacia dicho rodete, llegando a cortarlo totalmente cuando proceda (Fig. 7).

Fig. 7 - Esquema de un distribuidor.
Fig. 8 - Grupo accionado por turbina Pelton con dos rodetes.

El número de equipos de inyección, colocados circunferencialmente alrededor de un rodete, depende de la potencia y características del grupo, según las condiciones del salto de agua. Así mismo, se puede disponer de más de un rodete en el mismo eje, cada uno de ellos dotado del distribuidor apropiado (Fig. 8).

Hasta seis suelen ser los equipos que proyectan chorros de agua sobre un mismo rodete, derivando todos y cada uno de ellos de la tubería forzada. Dicho número de equipos de inyección, se instala en turbinas Pelton con eje vertical, siendo, normalmente, uno o dos inyectores los instalados cuando la disposición del eje es horizontal (Fig. 3, 6 y 9).

Fig. 9 – Turbina Pelton de eje horizontal, con un equipo de inyección.

Para mejor comprensión, describiremos los elementos que forman un solo equipo de inyección, mediante el cual se obtiene un chorro de agua. Estos elementos son:

Cámara de distribución.

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 (Fig. 6). 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 (Fig. 10).

Fig. 10 – Cámara de distribución de una turbina Pelton.

Inyector.

Es el elemento mecánico destinado a dirigir y regular el chorro de agua. Está compuesto por:

¤ Tobera.

Se entiende como tal, una boquilla, normalmente con orificio de sección circular (puede tratarse de otra sección), de un diámetro aproximado entre 5 y 30 cm, instalada en la terminación de la cámara de distribución (Fig. 11).


Fig. 11 - Detalles de la tobera de una turbina Pelton.

Proyecta y dirige, tangencialmente hacia la periferia del rodete, el chorro de agua, de tal modo que la prolongación de éste forma un ángulo prácticamente de 90º con los imaginarios radios de aquel, en los sucesivos puntos de choque o incidencia del agua. Con lo últimamente expuesto se explica el concepto de turbina tangencial, del cual se hizo mención al iniciar el estudio de las turbinas Pelton.

¤ Aguja.

Está formada por un vástago situado concéntricamente en el interior del cuerpo de la tobera, guiado mediante cojinetes sobre los cuales tiene un libre movimiento de desplazamiento longitudinal en dos sentidos (Fig. 6).

Uno de los extremos del vástago, el orientado hacia el orificio de salida de la tobera, termina en forma esférico-cónica a modo de punzón, fácilmente recambiable, el cual regula el caudal de agua que fluye por la misma, de acuerdo con el mayor o menor grado de acercamiento hacia el orificio, llegando a cortar totalmente el paso de agua cuando se produce el asentamiento de dicho punzón sobre el mencionado orificio, según las circunstancias de funcionamiento del grupo (Fig. 11 y 12).

En el otro extremo (Fig. 10), están dispuestos mecanismos tales como un muelle de cierre de seguridad, que tiende a cerrar el orificio de tobera, presionando al punzón sobre el mismo, cuando la turbina está parada, o se pone fuera de servicio de manera brusca debido a un determinado defecto que afecte al grupo. También, sobre dicho extremo, actúan una serie de palancas o de servomecanismos, que regulan la posición del punzón, al que de ahora en adelante llamaremos aguja o válvula de aguja, según las órdenes recibidas del regulador de velocidad, al que nos referiremos más adelante.

Fig. 12 – Distintos aspectos de la aguja del inyector de una turbina Pelton. Detalle de punta de aguja erosionada.

¤ Deflector.

Es un dispositivo mecánico que, a modo de pala o pantalla, puede ser intercalado con mayor o menor incidencia en la trayectoria del chorro de agua, entre la tobera y el rodete, presentando la parte cóncava hacia el orificio de tobera (Fig. 11 y 13).

Fig. 13 – Representación esquemática de la actuación de un deflector. Distintas formas de acción sobre el chorro de agua.

Tiene como misión desviar, total o parcialmente según proceda, el caudal de agua, impidiendo el embalamiento del rodete al producirse un descenso repentino de la carga. Su intervención, evita variaciones bruscas de presión en la tubería forzada, al permitir una respuesta más lenta de la válvula de aguja, ante fuertes oscilaciones de carga..

La situación del deflector se controla con el regulador de velocidad; al igual que las distintas secciones de paso de agua por las toberas, al controlar las posiciones de la válvula de aguja. Oportunamente se ampliarán estas actuaciones.

Equipo de regulación de velocidad.

Está constituido por un conjunto de dispositivos electro-mecánicos, a base de servomecanismos, palancas y bielas. Su función, como veremos en el momento oportuno, es la de mantener constante la velocidad del grupo, a fin de que la frecuencia de la corriente generada tenga, en todas las circunstancias de carga, 50 períodos por segundo (p.p.s.). Este valor es general en toda Europa; sin embargo, en América del Norte y algunos países de Hispanoamérica, el valor normalizado es de 60 p.p.s

Rodete de una turbina Pelton.

Es la pieza clave donde se transforma la energía hidráulica del agua, en su forma cinética, en energía mecánica o, dicho de otra manera, en trabajo según la forma de movimiento de rotación. Esencialmente consta de los siguientes elementos

http://www.youtube.com/watch?v=-llzB_QjrzQ

http://www.youtube.com/watch?v=jhKGYEanq4M&feature=related