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Instituto Tecnológico de Tepic
CARRERA: Ingeniería civil
MATERIA: Hidráulica básica
TEMA: Flujo en compuertas hidráulicas
UNIDAD 3 TAREA 1: Flujo en compuertas hidráulicas
MAESTRO: Ing. María del Carmen Hernández Ramos
GRUPO: 2 “A”
EQUIPO 5:
MIRIAN YAZMIN RAMIREZ BRAVO
ERICK OMAR LOPEZ MONTES
CHRISTIAN ARTURO RAMIREZ RAMIREZ
OMAR IGNACIO ESTRADA PEÑA
JOSUE IVAN GUTIERREZ SALAZAR
ANGEL MICHAEL MERCADO LOPEZ
BETSAIDA GUADALUPE FLETES PÉREZ
IRWING JESUS CAMACHO REA
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Tabla de contenido
Introducción..........................................................................................................................3
Objetivo.................................................................................................................................5
Compuertas...........................................................................................................................6
Principales tipos de compuertas...........................................................................................7
Flujo a través de las compuertas hidráulicas......................................................................12
Ecuaciones para el caudal de flujo a través de compuertas................................................15
Conclusión...........................................................................................................................19
Bibliografía..........................................................................................................................20
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Introducción
En esta investigación se enseñará sobre las compuertas hidráulicas, las cuales son unos
dispositivos hidráulico-mecánico destinado a regular el pasaje de agua u otro fluido en una
tubería, en un canal, en una presa, en esclusas, obras de derivación u otra estructura
hidráulica. Las compuertas fueron creadas por los europeos pero en nuestro continente
los primeros en utilizarlas fueron los indígenas en Mesoamérica, las cuales eran hechas
con meras obstrucciones de tierra en los canales, sea como compuertas de cabecera y de
desagüe a manera de puertitas en los canales.
Las aplicaciones que tienen las compuertas son las de el control de flujo de agua, control
de inundaciones, proyectos de irrigación, crear reservas de agua, sistemas de drenaje,
proyectos de aprovechamiento de suelos, plantas de tratamiento de agua, incrementar
capacidad de reserva de las presas, entre otras. Entre los diferentes tipos compuertas
están la compuerta tipo anillo, compuerta tipo basculante, compuerta tipo cilindro,
compuerta tipo esclusa, compuerta tipo lagarto, compuerta tipo rodante, compuerta
tipo sector, compuerta tipo segmento, compuerta tipo Stoney, compuerta tipo tambor,
Compuerta tipo tejado, compuerta tipo vagón, compuerta tipo vicera, compuerta tipo
Stop Log.
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Las compuertas hidráulicas juegan un papel muy importante ya que nacen de una
necesidad o un problema bien sea social, político, económico en donde su objetivo no es
más que satisfacer nuestras necesidades ya que nos brinda un mejor desarrollo.
En el que hacer de de ingenieros sanitarios e ingenieros civiles, se incluye diseño de
estructuras hidráulicas que almacén, contengan y transporten fluidos, especialmente
agua, por ello es necesario conocer todos aquellos elementos aplicados para relacionar
las propiedades de los fluidos quietos y en movimiento con herramientas analíticas que
nos permitan dimensionar adecuadamente dichas estructuras, cuantificar los flujos a
través de ellos y enfrentar los fenómenos hidráulicos que el transporte de éstos genere.
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Objetivo
Determinar la gran importancia y el uso que tienen los diferentes tipos de
compuertas hidráulicas en la rama de la ingeniería.
Explicar las múltiples aplicaciones que tienen las compuertas hidráulicas.
Hablar de los diferentes tipos de compuertas hidráulicas que existen.
Mostrar esquemáticamente los tipos de compuertas hidráulicas.
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Compuertas
Puerta movible que se coloca en las esclusas de los canales y en los portillos de las presas
de río para detener o dejar pasar las aguas.
Las compuertas son equipos mecánicos utilizados para el control del flujo del agua y
mantenimiento en los diferentes proyectos de ingeniería, tales como presas, canales y
proyectos de irrigación. Existen diferentes tipos y pueden tener diferentes clasificaciones,
según su forma, función y su movimiento.
Las diferentes formas de las compuertas dependen de su aplicación, el tipo de compuerta
a utilizar dependerá principalmente del tamaño y forma del orificio, de la cabeza estática,
del espacio disponible, del mecanismo de apertura y de las condiciones particulares de
operación.
Aplicaciones:
Control de flujos de aguas
Control de inundaciones
Proyectos de irrigación
Crear reservas de agua
Sistemas de drenaje
Proyectos de aprovechamiento de suelo
Plantas de tratamiento de agua
Incrementar capacidad de reserva de las presas
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Principales tipos de compuertas
Para canales, presas, esclusas y obras hidráulicas de envergadura los principales tipos
de compuertas son:
Compuertas tipo anillo
Las compuertas tipo anillo son utilizadas
en la cresta de los vertederos tipo
"tulipa", en las presas que están
equipadas con este tipo de vertedero.
Compuerta tipo basculante
Compuerta basculante o clapeta puede
ser utilizada tanto en la cima del
vertedero de una presa como instalado
en el fondo de un río o canal.
Compuerta tipo cilindro
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Las compuertas cilíndricas se utilizan
para descargas en presión permitiendo la
colocación de la sección de toma a
cualquier profundidad, en un embalse.
En el mismo pozo se pueden disponer
tomas de agua a diversas alturas. Se
acopla fácilmente a una tubería de salida.
Compuertas tipo exclusas
Las compuertas tipo esclusa tienen las
bisagras verticales. Se accionan por
medios mecánicos o por pistones
hidráulicos. La compuerta se abre para
permitir el paso del buque. Sólo se puede
abrir cuando la diferencia entre los
niveles de agua fuera y dentro de la
esclusa es de unos pocos centímetros.
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Compuerta tipo lagarto
Las compuertas tipo "lagarto" son
utilizadas para abrir o cerrar tomas en
presión para descargas de fondo o para
centrales hidroeléctricas.
Compuerta tipo rodante
La compuerta rodante, utilizada en
vertederos de presas, es manipulada
desde los pilares del vertedero
accionando cadenas, una en cada punta.
La compuerta, constituida por un cilindró
vacío, rueda sobre sí misma al ser
elevada o descendida.
Permite liberar totalmente el vano del
vertedero, permitiendo la navegación.
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Compuerta tipo sector
Una Compuerta tipo sector es una
compuerta utilizada en vertederos de
presas, es manipulada utilizando el
desnivel de agua creado por estas, no
requiere de equipo mecánico para su
operación.
La necesidad de contar con una cámara
donde se abate la compuerta hace que el
vertedero no pueda tener la forma
óptima, lo que incrementa el volumen de
hormigón del mismo. Su utilización y
características son semejantes a la
compuerta tipo tambor.
Compuerta tipo segmento
Las compuertas de segmento son muy utilizadas en la cresta de los vertederos de las
presas. Antiguamente se movían jaladas por cadenas, mediante dispositivos instalados en
los pilares del vertedero. Actualmente son accionadas mediante pistones hidráulicos o
neumáticos.
Algunas compuertas de este tipo disponen, en la parte superior, de una parte abatiente.
Esto permite descargar caudales pequeños, liberar el embalse de materiales fluctuantes y
llenar la cuenca de disipación del vertedero para mejorar su funcionamiento en las fases
iniciales de grandes descargas.
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Compuerta tipo tambor
La compuerta tipo tambor es un tipo de compuerta hidráulica utilizada en vertederos de
presas. Es manipulada utilizando el desnivel de agua creado por estas y no requiere de
equipo mecánico para su operación.
La necesidad de contar con una cámara donde se abate la compuerta hace que el
vertedero no pueda tener la forma óptima, lo que incrementa el volumen de hormigón del
mismo. Su utilización y características son semejantes a la compuerta tipo sector.
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Flujo a través de las compuertas hidráulicas
Las compuertas tienen las propiedades hidráulicas de los orificios y, cuando están bien
calibradas, también pueden emplearse como medidores de flujo.
Las condiciones físicas, hidráulicas, climáticas y de operación, evaluadas apropiadamente,
imponen la selección del tipo y tamaño adecuado de las compuertas. Éstas se diseñan de
diferentes tipos y con variadas características en su operación y en su mecanismo de
izado, los cuales permiten clasificarlas en grupos generales de la siguiente manera:
Según las condiciones del flujo aguas abajo:
Compuerta con descarga libre.
Compuerta con descarga sumergida o ahogada.
Según el tipo de operación o funcionamiento:
Compuertas Principales: se diseñan para operar bajo cualquier condición de flujo;
se les llama de regulación cuando se les conciben para controlar caudales en un
canal abierto o sobre una estructura de presa, con aberturas parciales, y se
conocen como compuertas de guarda o de cierre aquellas que funcionan
completamente abiertas o cerradas
Compuertas de emergencia: se utilizan en los eventos de reparación, inspección y
mantenimiento de las compuertas principales, siendo concebidas para funcionar
tanto en condiciones de presión diferencial, en conductos a presión, como en
condiciones de presión equilibrada.
De acuerdo a sus características geométricas:
Compuertas planas: Rectangulares Cuadradas Circulares Triangulares, etc.
Compuertas curvas o alabeadas: Radiales: también llamadas compuertas Taintor,
tienen la forma de una porción de cilindro, y giran alrededor de un pivote o eje
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horizontal situado en el eje longitudinal de la superficie cilíndrica. Por su forma
algunas veces se les llama compuerta Sector.
Generalmente, en las compuertas radiales el agua actúa en el lado convexo y,
debido a las propiedades hidrostáticas de una superficie cilíndrica, la línea de
acción del empuje hidrostático resultante pasa a través del pivote o centro de giro.
En consecuencia, la fuerza requerida para levantar la compuerta es la necesaria
para vencer el peso propio de la misma y la fricción en los apoyos.
Este tipo de compuerta se usa en vertederos de presa, en obras de captación y en
canales de riego.
Tambor: consisten en una estructura hermética de acero, abisagrada en la cresta
de rebose de un vertedero de presa, y con una forma tal que, cuando está en su
posición más baja, ocupa un recinto dentro de la estructura de la presa, sin
interrumpir el perfil de dicha cresta.
Si el líquido penetra a dicho recinto, la compuerta se levanta por encima de la
cresta, debido al empuje de flotación, evitando el paso de la corriente.
Este mecanismo de operación constituye cierta ventaja sobre los otros tipos de
compuerta, puesto que no requiere de superestructuras que incluyan grúas,
cables, ni volantes, para su manejo.
Según el mecanismo de izado:
Compuertas deslizantes: el elemento de cierre u obturación se mueve sobre
superficies deslizantes (guías o rieles) que sirven, a la vez, de apoyo y sello.
Generalmente, se construyen en acero colado, y se emplean en estructuras de
canales y en algunas obras de captación, en presas o tanques de regulación. La
hoja de la compuerta o elemento de obturación se acciona con un mecanismo
elevador, a través de un vástago o flecha de acero.
Compuertas rodantes: el elemento de cierre u obturación se mueve sobre un tren
de ruedas, rodillos o de engranajes, hasta la posición de estanca. Se utilizan en
obras de toma profunda, para casos de emergencia y de servicio, así como para
cierre en mantenimiento, en conductos a presión. Ruedan a su posición de sello
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debido a su propio peso y se izan con cadenas o cables por medio de grúas
especiales, fuera de la superficie del agua, hasta una caseta de operación, donde
se les hace mantenimiento.
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Ecuaciones para el caudal de flujo a través de compuertas
A través de compuertas planas: para deducir la expresión, se considera el caso más
general, donde la compuerta está inclinada un ángulo Teta respecto a la horizontal, y tiene
un ancho B igual al del canal.
El flujo a través del orificio formado por el labio inferior de la compuerta y el fondo del
canal puede considerarse bidimensional. Nótese que la descarga supercrítica bajo la
compuerta reduce progresivamente su profundidad a lo largo de una corta distancia I,
aguas abajo, hasta una sección en donde la contracción del chorro es completa, llamada
Vena contracta.
La profundidad del flujo en la vena contracta y2, se relaciona con la abertura a, por medio
del coeficiente de contracción Cc, así:
Además, para compuertas planas verticales, se ha comprobado que:
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Suponiendo las hipótesis de fluido incompresible, flujo permanente y uniforme,
distribución hidrostática de presiones, lejos de la compuerta, y tensiones cortantes nulas,
en paredes y fondo del canal, la ecuación de Bernoulli expresa lo siguiente:
Por continuidad:
Sustituyendo y haciendo a1= a2 = a = 1, se tiene:
Reemplazando y2 = a.Cc en la anterior, se tiene:
Introduciendo el coeficiente de velocidad, Cv, resulta:
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Ahora, reemplazando las ecuaciones
Introduciendo el coeficiente de descarga, Cd, como:
De otro lado, a partir de la ecuación, para Cv, se tiene:
Ahora, haciendo:
Resulta:
Los coeficientes Cc, Cv y Cd dependen del número de Reynolds y de las características
geométricas del escurrimiento.
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H. Rouse afirma que los valores de Cd para compuertas planas verticales (q = 90º) son
esencialmente constantes y con ligeras variaciones alrededor de 0.61
A través de compuertas radiales: la ecuación para determinar el gasto a través de
compuertas radiales será la misma deducida para compuertas planas (16), con adecuados
valores de Cd. Para las compuertas radiales con descarga libre, la variación del coeficiente
de gasto depende del ángulo q y de la relación y1/a.
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Conclusión
Al terminar la investigación acerca de las compuertas hidráulicas, hemos podido
determinar la importancia y las aplicaciones que tienen las diferentes compuertas aquí,
ya explicadas y representadas en esquemas visuales, además pudimos concluir que las
compuertas son utilizadas mayormente en preseas de gran tamaño, las cuales tienen
la función general de aliviar, mantener o soportar un nivel de agua, dependiendo de la
función que se quiera poner a cumplir tal compuerta, un ejemplo bastante conocido,
son las compuertas en el canal de Panamá, las cuales son de vital importancia en la
economía mundial, ya que debido a estas el tiempo de transporte de cargas en barcos, se
hace más corto.
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Bibliografía
Sotelo A., G. Hidráulica General Vol. 1, Ed. Limusa, México 1990.
Mataix, C. Mecánica de fluidos y máquinas hidráulicas, Ed. Harla, México, 1990.
Munson R. Bruce. Fundamentos de mecánica de fluidos, Ed. Limusa Wiley, 1990
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