León, Nicaragua

Máquinas Hidráulicas

.

ÍndiceI. Introducción.................................................................................................................1

II. Antecedentes.............................................................................................................2

III. Objetivos...................................................................................................................4

A. Objetivo General........................................................................................................4

B. Objetivos Específicos.................................................................................................4

IV. Marco Teórico.......................................................................................................... 5

A. Estudios básicos realizados o considerados...............................................................5

1) Topografía Y Orografía..........................................................................................5

2) Aspectos Geográficos E Infraestructura Existente..................................................6

3) Geología Y Aspectos Relacionados.........................................................................6

4) Aspectos Hidrológicos............................................................................................6

B. Factibilidad Técnica...................................................................................................7

1) Valoración Del Recurso Hidroeléctrico.................................................................7

C. Centrales Hidroeléctricas..........................................................................................8

1) Definiciones............................................................................................................8

2) Clasificación de las Pequeñas Centrales Hidroeléctricas......................................9

D. Generalidades sobre las Turbinas Hidráulicas........................................................10

1) Definición.............................................................................................................10

2) Clasificación.........................................................................................................11

Según su grado de reacción..................................................................................11

E. Teoría básica para el estudio de Turbinas Hidráulicas...........................................11

1) Definición de Altura Neta.....................................................................................12

2) Pérdidas, Potencias y Rendimientos.....................................................................12

F. Generalidades sobre Turbinas Hidráulicas tipo Francis.........................................12

1) Clasificación de las Turbinas Francis..................................................................12

Según la disposición del eje..................................................................................13

Según el ns............................................................................................................14

2) Elementos Constitutivos........................................................................................14

3) Fenómeno de Cavitación en Turbinas Francis.....................................................16

Definición del fenómeno.......................................................................................16

V. Diseño Metodológico..................................................................................................17

VI. Resultados...............................................................................................................18

VII. Conclusiones...........................................................................................................19

I. Introducción

Para los países en desarrollo, especialmente en sus áreas rurales, el impulso de pequeñas

centrales hidroeléctricas juega un importante rol en cuanto a su situación energética. En el

Río El Tuma existen tres lugares que están siendo estudiados para analizar su

prefactibilidad técnica, con el objetivo de aumentar la capacidad hidroeléctrica instalada y

reducir con ello la dependencia del petróleo en la generación eléctrica de Nicaragua.

En el presente Estudio se analizan las posibilidades de la Central Hidroeléctrica a

desarrollar en el lugar conocido como SALTO del LORO en El Tuma- La Dalia,

departamento de Matagalpa mediante la selección de la turbina más adecuada para la

generación de energía hidroeléctrica, al mismo tiempo se realizarán una serie de cálculos

los cuales podrán determinar la potencia que generará dicha turbina en función de los

distintos parámetros o características de la zona por donde circula el fluido como por

ejemplo el caudal o la altura que determinaría la energía potencial y cinética que actuarían

sobre dicha turbina.

Un aspecto favorable para el sitio hidroeléctrico de SALTO del LORO es la fácil

accesibilidad y el potencial adicional que dan los saltos del río. La capacidad queda

reducida debido a la reducción de la cuenca sufrida por el río El Tuma con la construcción

del lago de Apanás y el bombeo desde el embalse Asturias.

Para el diseño de la turbina Francis nos auxiliaremos de la herramienta de modelado en 3D

Solidwork, la cual nos será de mucha ayuda para darnos una idea de la apariencia q esta

tendrá una vez realizado los cálculos correspondientes .

II. Antecedentes

Con anterioridad al presente documento se realizó una selección de 11 sitios de entre una

lista de 22 propuesta por la CNE. El estudio de la C.H. Salto del Loro no clasificó (aunque

en la lista de 22 estaba ubicado Santa Elisa, próximo al Salto del Loro). Este lugar fue

propuesto a la CNE, una vez descartada la viabilidad técnica de la C. H. Ilipo, por suponer

gran riesgo al poblado de El Tuma su construcción. El Plan Maestro de Desarrollo Eléctrico

1977 – 2000 del INE, elaborado por IECO – LAHMEYER (1980) proponía para este lugar

una capacidad instalada de 18 MW con una altura de presa de 260 m ubicada en el punto de

coordenadas UTM (634.2 Este, 1450.0 Norte) y establecía un caudal medio regulado de 8.6

m3/s. Adicional se establecía un Área de drenaje de 736 Km2. Posteriormente SWECO en

1983, realizó un estudio para INE de desarrollo del potencial del río El Tuma. Incluía los

lugares de Santa María, La Colombina y Santa Elisa. Éste último era implementado con la

construcción de un sistema de túneles y canales de manera que se aprovechaban las aguas

de los ríos El Tuma y Caratera. La revisión del estudio de Sweco ha sido de utilidad para

comparar ciertos datos hidrológicos, que por las verificaciones que ha hecho la ATDER-

BL, son bastante realistas. En el momento de proponer el lugar de Salto del Loro tuvimos

en cuenta las recomendaciones de Sweco que no recomendaba la ejecución de Santa Elisa

por las elevadas inversiones y la baja rentabilidad. ATDER-BL, después de las visitas y

mediciones realizadas en el lugar de Salto del Loro, lo consideró factible para su desarrollo

físico. Al constatar nuevamente, como en todos los lugares del río El Tuma, que el área de

drenaje es realmente un tercio de la establecida en el Plan Maestro, la capacidad resulta

bastante reducida por la curva de duración de caudal calculada. Adicional se ha de tener en

cuenta que el río El Tuma sufre extracciones, con destino el lago de Asturias, por la

construcción de la presa El Dorado y el sistema de canales y túneles asociados. Del lago

Asturias es bombeada hacia Apanás. De los 22 lugares inicialmente propuestos para este

estudio, fueron preseleccionados 11 en base a los siguientes criterios: accesibilidad,

cercanía a infraestructura de transmisión eléctrica, potencial de capacidad instalada, no

estar en área protegida o zona de amortiguamiento y que fuera factible desde el punto de

vista del impacto a las personas o bienes existentes. En la selección al detalle del sitio para

el eje de presa de este grupo de proyectos, se procede de la siguiente manera: primero se

analiza el tramo de interés del río para conocer los rasgos importantes de la zona que

pudieran ser afectadas por la construcción de una Central Hidroeléctrica tales como

poblados, carreteras, puentes, etc. Segundo se recorre el río aguas abajo de estos rasgos,

midiendo rápidos que hayan con clinómetro y cinta métrica y estimando la pendiente en los

tramos parejos en base a las curvas de nivel del mapa 1:50,000 de INETER, hasta acumular

aproximadamente 25 metros de desnivel por debajo del poblado, carretera, etc. De esta

manera se encuentra un tramo donde la construcción de una Presa de aproximadamente 20

metros de altura no causará afectaciones importantes. Tercero se procede a buscar en la

zona definida, el sitio más apropiado para el eje de presa que tenga las siguientes cuatro

características: (1) cauce estrecho, para minimizar el ancho y por ende el volumen y masa

de la obra de presa a construir, (2) lecho de roca sólida que facilita la buen cimentación de

la presa, (3) que el cauce aguas abajo del sitio de presa sea más amplia que el eje de presa

y/o tenga rápidos que propician el desalojo de las aguas de crecidas, de esta manera

minimizando los niveles de inundación en la zona de la Casa de Máquinas que se ubica al

pie de la presa, (4) el sitio de presa debe ubicarse de manera que capte la mayor cantidad

posible de quebradas y tributarios del río – si se encuentran dos sitios apropiados se

escogerá el de aguas abajo para maximizar el área de cuenca y por tanto el caudal

disponible para la generación. En el caso de Salto del Loro se buscó además aprovechar los

saltos naturales del río para lograr mayor potencial.

III. Objetivos

A. Objetivo General

Calcular la potencia eléctrica producida por una turbina hidráulica para el recurso

hídrico SALTO del LORO en El Tuma- La Dalia, departamento de Matagalpa,

Nicaragua.

B. Objetivos Específicos

Investigar datos característicos de la zona del SALTO del LORO en El Tuma-La

Dalia.

Conceptuar términos relacionados con el estudio de las turbinas Hidráulicas.

Mostrar un prototipo de diseño de una turbina Francis aplicable para el estudio

realizado.

IV. Marco Teórico

A. Estudios básicos realizados o considerados.

1) Topografía Y Orografía El conjunto presa y casa de máquinas para el proyecto SALTO DEL LORO se proponen en el lugar de coordenadas UTM 634345 Este y 1449622 Norte. El sitio está a poco menos de 1 Km aguas arriba de la desembocadura del río Caratera. El lugar propuesto para la presa es angosto y favorable, justo antes del comienzo de la serie de caídas que la gente conoce popularmente como Salto del Loro. Se analizaron otras posibilidades pero se concluyó que ésa era la más idónea por además existir más facilidades para la evacuación del agua en caso de crecidas grandes (rápido aguas abajo y mayor amplitud), además de minimizar el gasto en tubería. El cauce aguas arriba del lugar propuesto para la presa es parejo, con rápidos a 1 Km y sobre una depresión generada por la erosión del agua y elevación promedio de 470 m.s.n.m., atravesando principalmente potreros despalados que están a ambos lados de la depresión por donde transcurre el río. No se identificaron infraestructuras susceptibles de ser dañadas. Únicamente las Comunidades que habitan la zona, que tienen un buen nivel organizativo, han conseguido con su trabajo y gestiones en organismos y la Alcaldía de El Tuma – La Dalia la construcción de un puente peatonal que en el momento de la visita estaba en construcción. No causa ninguna incompatibilidad con el desarrollo de la C. H., por estar ubicado aguas abajo del sitio propuesto para la casa de máquinas. Inmediatamente aguas abajo del sitio seleccionado para la Presa, el cauce del río tiene diversos saltos con formas y chorros de gran belleza. Aproximadamente 360 m aguas abajo del eje de Presa existe una amplia poza con una cueva. En la poza es donde se propone descargar las aguas una vez turbinadas. Toda la zona de ubicación de la Central Hidroeléctrica (Presa, tubería forzada, Casa de Máquinas y Subestación) cuenta con un piso de roca sólida. En el levantamiento de campo del actual estudio, se ubicó el sitio de presa, la ruta de la tubería, la línea eléctrica trifásica más cercana, otros lugares descartados y otros rasgos del sitio con GPS. Se levantó el perfil del eje de presa en detalle con cinta métrica y clinómetro para permitir el diseño de la presa.

2) Aspectos Geográficos E Infraestructura Existente Localización. El lugar propuesto para la Central Hidroeléctrica Salto del Loro se encuentra ubicado en el Río El Tuma. En este sector el río transcurre paralelo a la carretera entre El Tuma – La Dalia, del departamento de Matagalpa.

Vías de Acceso. La vía de comunicación para acceder a la Central Hidroeléctrica Salto del Loro es la carretera El Tuma - La Dalia. A 7 Km de El Tuma se encuentra un lugar llamado La Empresa, ahí tendremos que tomar a la izquierda un camino que nos deja a 300 m del lugar de la presa, al que se llega por un sendero transitado por las personas que habitan el lugar y que conduce a un puente peatonal en construcción. El sendero se divide en dos y se camina para la derecha hasta llegar al río El Tuma. El lugar de la tuberíaforzada y la casa de máquinas se acceden caminando junto al río, hasta llegar a la poza de la cueva.

Líneas Eléctricas. Hasta prácticamente el lugar de la construcción llega un ramal monofásico de 14.4 KV. Hasta el circuito trifásico de DISNORTE más próximo hay 3.7 Km. La Subestación más próxima es la de El Tuma a 6 Km en línea recta.

3) Geología Y Aspectos Relacionados Desde el punto de vista geológico la zona de las obras es roca sólida basáltica. No existen volcanes activos en la zona. El riesgo sísmico corresponde a la Zona I del mapa elaborado por la Universidad de Stanford, 1970, Tomo 4.2 del Plan Maestro, es decir de bajo riesgo sísmico, con aceleraciones no mayores de 3% g con períodos de retorno de hasta 200 años.

4) Aspectos Hidrológicos La subcuenca de la Central Hidroeléctrica Salto del Loro tiene una extensión de 170 Km2, y pertenece a la cuenca número 55 del Río Grande de Matagalpa, del que el Río El Tuma es afluente. Un aspecto muy importante sobrevenido es que la extensión de la cuenca es realmente un tercio de lo que establece el Plan Maestro, lo que implica proponer bastante menos capacidad instalada. La temperatura promedio en el área de la subcuenca es de 25.1° C, lo que se traduce en una evaporación promedio anual de 470 mm. La precipitación promedio anual es de 1,873 mm, según los datos del Plan Maestro, Tomo 4.2. La zona pertenece a la clasificación climatológica sabana tropical semi-seco.

Los datos de caudales disponibles en INETER en el Río El Tuma que son de utilidad para la Central Hidroeléctrica Salto del Loro, son los de la estación de Tuma en Yasica (código INETER: 55-02-02) estación limnimétrica establecida en el año 1952 y vigente en la actualidad. Para el análisis hidrológico del estudio actual solicitamos a los especialistas de INETER los datos de caudales medios mensuales desde 1985 hasta 2003. Se hicieron ponderaciones para conformar la Curva de Duración de caudales que se presenta. El diseño del vertedero requirió calcular los caudales de inundación. Se realizó la proyección de caudales de inundación en base al análisis logarítmico Tipo Pearson III, utilizando el caudal máximo anual de los registros de INETER sobre el período de 13 años desde 1952 hasta 2005. Viendo que en el conjunto de los 11 sitios los resultados no eran congruentes con la gráfica para América Central del Plan Maestro, pensamos que debido a los pocos datos de caudales máximos disponibles en INETER, decidimos entonces emplear la gráfica mencionada y establecida en el Plan Maestro por IECO - LAHMEYER para los caudales de inundación según cada área de cuenca. Al igual que la gráfica generada de caudales de

inundaciones hasta un periodo de retorno de 10,000 años. Para el diseño inicial de las obras civiles se utilizó el caudal de inundación de 2,200 m3/seg que corresponde al período de retorno de 10,000 años con un nivel de confianza del 95%.

B. Factibilidad Técnica

1) Valoración Del Recurso Hidroeléctrico La presa tendrá un desnivel bruto de 20.4 m entre el nivel del vertedero y el nivel de las aguas de descarga. Adicional los saltos proporcionan 30 m de caída para la tubería forzada. Las pérdidas hidráulicas en la obra de toma y la tubería forzada siendo de 2 metros en total, obtenemos un desnivel neto del proyecto de 48 m. Se introdujeron estos datos y la curva de duración de caudal al software RetScreen 2004 (versión 3). Dicho software calcula la energía generada por el proyecto, el factor de planta, diámetro de las tuberías, costo de energía y otros parámetros en base a esta información. La capacidad de la Central Hidroeléctrica Salto del Loro, con el 25 % de disponibilidad de agua, con un factor de planta del 43 %, no alcanza el umbral de 5 Mw, proponiendo una capacidad de 2.5 MW.

Los resultados indican que desde el punto de vista de la rentabilidad (valor de la Tasa Interna de Retorno del inversionista), este proyecto no sería atractivo, tomando las condiciones financieras establecidas con la CNE. El volumen vivo del embalse es de 1.8 millones de m3, determinado por inspección de las curvas de nivel de los mapas de INETER y considerando el volumen de agua entre el nivel del vertedero y el nivel 1.5 metros por encima de la toma de la tubería forzada. Este es un volumen relativamente pequeño. Por ejemplo, con el caudal del río en la época más severa del verano (0.22 m3/s) turbinando 4 horas a plena potencia en hora pico, el embalse permitiría una autonomía de funcionamiento de aproximadamente 20 días. No se tuvo en cuenta en el análisis financiero el incremento de ingresos por mayor potencia garantizada al SIN o por “piquear” la energía en el verano y en épocas de transición a la estación seca, aunque se supondría mayores ingresos con esa práctica en el caso de ventas por contratos. El caso de Salto del Loro, por ser tan pequeño el volumen vivo, es todavía menor. Variando el valor de la celda de caudal disponible en el río, se aprecia a determinada generación en hora pico, cuantos días podemos mantener una capacidad instalada a disposición del comprador o del Mercado de Ocasión. Esta herramienta puede ser útil para la optimización en los resultados de la planta, aunque no se ha incorporado al análisis financiero preliminar actual.

C. Centrales Hidroeléctricas Las centrales hidroeléctricas permiten el aprovechamiento de la energía potencial que se transforma luego en energía cinética, a través de un caudal, al final de una caída. Cada central hidroeléctrica constituye un proyecto distinto. La central se debe adaptar a la configuración del terreno y a las características que ofrece el salto en la naturaleza. El aprovechamiento hidráulico podrá atender una demanda de energía, la cual puede estar

abastecida por líneas de transmisión interconectadas o estar completamente aislada. Si la central hidroeléctrica está aislada, como en general se encuentran las pequeñas centrales, el aprovechamiento hidroenegético deberá cubrir durante toda la vida útil del proyecto la demanda máxima proyectada (Potencia Máxima). Una vez adquiridos los derechos de explotación de un salto natural, se hace un estudio detallado del caudal instalado que han de absorber las turbinas. Este caudal no puede ser ni el caudal máximo, o caudal de crecida del río en un año lluvioso, ni el caudal mínimo de un año seco.

1) Definiciones Al hablar de centrales hidroeléctricas, es de importancia tener presentes las siguientes definiciones, ya que éstas serán utilizadas a lo largo de este proyecto hidráulico.

Caudal instalado: es el caudal total que absorberán todas las turbinas de la futura central en su carga nominal.

Se llama salto natural o altura bruta Hb, al desnivel entre la altura geodésica del nivel superior del agua (NS) y el nivel inferior (NI).

La Altura Neta de las TH, también llamada salto neto, es la altura puesta a disposición de la turbina y se puede expresar como la altura bruta menos las pérdidas que preceden y siguen a la TH.

2) Clasificación de las Pequeñas Centrales Hidroeléctricas Entre las clasificaciones más utilizadas, la clasificación según la altura de salto es la más importante porque es el salto neto más que ninguna otra característica, el que determina tanto la obra civil (presa, canal de derivación, tubería forzada) el tipo de turbina, así como la velocidad del grupo turbo-generador. De acuerdo con la potencia instalada, la Organización Latinoamericana de Energía OLADE ha clasificado las pequeñas centrales hidroeléctricas. Para la construcción de una pequeña central hidroeléctrica es necesaria la elaboración de distintos estudios con el fin de identificar los posibles aprovechamientos hídricos, y seleccionar los óptimos para el diseño y construcción de una central. A tal fin, se deben realizar estudios de pre-factibilidad que posibiliten la selección del aprovechamiento más viable a nivel técnico-económico; una vez selecto el aprovechamiento se profundiza en los estudios para garantizar que la alternativa es óptima, lo cual se precisa al abordar un estudio de factibilidad.

Los estudios de pre-factibilidad y factibilidad para las pequeñas centrales hidroeléctricas comprenden diferentes estudios técnico-económicos, cuya profundidad por el tipo y magnitud del proyecto. Entre los estudios principales se encuentran:

Estudio de la demanda, para identificar la potencia requerida por la comunidad. Para ello se puede realizar un censo de personas y de consumo de energía con distintas fuentes.

Estudio socioeconómico, para evaluar los recursos económicos, la organización y el desarrollo al que posiblemente pueda alcanzar la comunidad.

Estudio hidrológico y pluviométrico, para determinar los caudales de diseño disponibles en el aprovechamiento hídrico recolectando datos estadísticos de caudal durante un tiempo.

Estudio cartográfico y topográfico, que permite conocer los datos necesarios de la zona y conocer la caída aprovechable, para determinar la potencia del recurso hidroenérgetico.

Estudio geotécnico, para realizar una ubicación estable de las obras civiles. Estudio del impacto ambiental de las obras construidas, el estudio debe identificar

las características del impacto, y manera de atenuarlo.

D. Generalidades sobre las Turbinas Hidráulicas

1) Definición Las turbinas hidráulicas son máquinas que permiten la transferencia de energía del agua a un rotor provisto de álabes, mientras el flujo pasa a través de estos. Son instaladas en centrales hidroeléctricas en las que se acopla el rotor de la turbina a un eje que lo conecta a un generador de electricidad. Teóricamente, cualquier bomba puede trabajar como turbina invirtiendo la dirección del flujo. El problema radica en que el comportamiento del flujo, las pérdidas por fricción y turbulencia resultan generalmente diferentes, con grandes contrastes en su rendimiento según la función que se le exija cumplir

2) Clasificación

Según su grado de reacción Las turbinas se clasifican en dos grupos según su grado de reacción Gr, el cual se define de la siguiente forma:

Gr = Altura de presión absorbida por el rodete /Altura total absorbida por el rodete

Los dos grupos son: turbinas de reacción y turbinas de acción o de impulso. Las turbinas de reacción extraen la potencia de la acción combinada de la energía de presión y la energía cinética del agua. Son de este tipo las turbinas Francis (las más utilizadas) y las Kaplan. Las de impulso obtienen potencia a partir de la energía cinética de uno o más chorros de agua a alta velocidad.

E. Teoría básica para el estudio de Turbinas Hidráulicas. La turbina Francis, como máquina motriz, tiene como expresión de la energía transferida por unidad de peso, bajo la forma de Euler, También se puede tener la expresión que da la energía transferida por unidad de peso bajo la forma de componentes energéticas.

En donde, el primer término representa la carga cinética, y los dos términos restantes representan la carga estática. Los triángulos de velocidad a la entrada y salida del rodete de las TF:

1) Definición de Altura Neta.La definición de esta altura es de gran importancia para la definición de rendimientos de potencias y rendimientos por parte de los constructores de turbinas hidráulicas, por lo que se han fijado normas para la definición de dicho parámetro. La altura neta es la diferencia de alturas totales entre la entrada y salida de la turbina. Las normas más empleadas en la actualidad para definir la entrada y salida de una turbina son las “Normas internacionales para los ensayos de las turbinas hidráulicas en las Centrales Hidroeléctricas”. Y según dicha norma:

La sección de entrada (e): se encuentra inmediatamente detrás de la válvula de admisión.

La sección de salida (s): se encuentra a la salida del tubo de aspiración. De acuerdo a la definición, y aplicando la ecuación de Bernoulli entre la entrada y salida de la turbina, se tiene la siguiente expresión para la altura neta:

2) Pérdidas, Potencias y Rendimientos. Durante el recorrido del flujo a través de turbina, el fluido es sometido a diferentes pérdidas de energía que conllevan a una transferencia de energía inferior a la ideal, expresada por la ecuación de Euler.

Pérdidas hidráulicas: entre ellas se encuentran, fricción del agua sobre los contornos que definen los ductos de circulación del agua (álabes, cubiertas y carcasas), turbulencias debidas a la separación del fluido de los contornos de los álabes y por choque contra éstos en la incidencia.

Pérdidas volumétricas: fugas a través de los sellos o estoperas, flujo del agua entre el impulsor y la carcasa sin ser turbinado.

Pérdidas mecánicas: rozamiento del eje con cojinetes y prensaestopas, pérdidas por fricción de disco entre las paredes del rodete y el fluido que lo rodea.

F. Generalidades sobre Turbinas Hidráulicas tipo Francis

La turbina Francis es, en la actualidad, la turbina hidráulica típica de reacción de flujo radial. Ha evolucionado mucho en el curso de este siglo, encontrando buena aplicación en aprovechamientos hidráulicos de características muy variadas de carga y caudal. Esta versatilidad ha hecho que la turbina Francis sea la más generalizada en el mundo. De acuerdo con la ponderación de la carga sobre el caudal o viceversa, se originan unas particularidades características de la máquina, que dan lugar a dos tipos: la Francis pura (radial) y la Francis mixta (radial y axial).

1) Clasificación de las Turbinas Francis

Según la disposición del eje

Las disposiciones más comunes son:

TF de eje vertical.

TF de eje horizontal.

La disposición vertical se ha impuesto cada vez más sobre todo en las grandes potencias; pero también en potencias medias y pequeñas por las ventajas siguientes:

Superficie mínima requerida por la central.

Se evita el peligro de cavitación, causada por una depresión excesiva a la salida del rodete instalando la T más abajo con respecto al nivel del agua inferior.

Se evita la complicación adicional de la estructura en grandes potencias requerida para el soporte de la pesada caja espiral de una turbina horizontal.

Un solo cojinete de empuje puede soportar toda la disposición horizontal del rotor y del empuje hidráulico; mientras que en la disposición horizontal son frecuentemente necesarios dos cojinetes.

En general, el rendimiento de la turbina de eje vertical es más elevado. Esto es debido a que las T de eje horizontal requieren un codo adicional a la salida del rotor para la transición de la corriente de dirección horizontal a vertical. Por otra parte, la ventaja principal de la disposición horizontal consiste en la mayor accesibilidad del rodete.

Según el ns

Dentro del grupo de Turbinas Francis, se pueden clasificar, según su ns como sigue:

Entre las turbinas del rango 100 < ns < 420 se encuentran los ns más favorables para la aplicación de las TF.

2) Elementos Constitutivos. Los elementos principales que conforman una turbina Francis son los siguientes.

Tubería forzada: conducto de entrada del agua a la máquina a alta presión. Voluta o cámara espiral: conducto al que le llega el agua de la tubería forzada y que

la distribuye uniformemente por todo el perímetro de entrada del rodete en dirección radial.

Predistribuidor: conjunto de álabes fijos a la caja espiral. Están presentes en algunas turbinas. Conducen el fluido de la voluta al distribuidor.

Distribuidor: conjunto de paletas directrices dispuestas de forma circular. Se utilizan para regular el caudal de agua que llega de la cámara espiral y que ha de entrar en el rodete.

Las directrices llegan a tocarse en la posición de cerrado -en cuyo caso no entra agua en el rodete-, y se van abriendo a medida que giran un cierto ángulo sobre sus ejes, hasta llegar a la posición de máxima apertura, en cuyo caso el caudal de agua recibido por el rodete es máximo. El conjunto de directrices del distribuidor se acciona por medio de un anillo móvil, al que están unidas todas las paletas directrices.

Rodete: constituido por un cierto número de paletas o álabes. Pasa el agua a su través haciéndolo girar.

Tubería de aspiración: Para cualquier turbina a reacción, los objetivos de la tubería de aspiración son los siguientes:

o Conducir al flujo, después de haber cedido su energía en el rodete al canal de salida.

o Recuperar la altura estática de aspiración. Para recuperar esta altura estática bastaría un tubo de aspiración cilíndrico, el cual crea una succión a la salida del rodete.

o Recuperar la altura dinámica de la corriente a la salida del rodete. Para ello el tubo de aspiración ha de ser troncocónico.

3) Fenómeno de Cavitación en Turbinas Francis

Definición del fenómeno La cavitación es un fenómeno que ocurre en una corriente de un fluido al disminuir la presión en un punto de la misma por debajo de la presión de vaporización (Pv), produciéndose burbujas de vapor (cavidades), las cuales al llegar a una zona aguas abajo, donde la presión sea superior a la Pv, implotan ocasionando la erosión de las paredes del ducto en contacto con esta zona. Las burbujas se inician en las microcavidades presentes en todos los líquidos, denominadas precisamente gérmenes o núcleos y dentro de ellas coexisten gases disueltos y vapor en equilibrio estable.

La cavitación disminuye el rendimiento hidráulico, pero el efecto más grave es la corrosión de los álabes, que se acentúa más y más una vez iniciada, obligando a revisiones periódicas de la máquina y a la reparación de la parte afectada.

V. Diseño Metodológico

En esta sección se realizan los cálculos necesarios para el potencial que puede suministrar el salto Del Loro en el río Tuma ubicado en la Dalia, Matagalpa así mismo se deberá hacer la selección de la turbina más adecuada.

Datos de la zona

Hn = 48m

Q = 6.4 m^3/s

Teniendo en cuenta los dos parámetros anteriores, la turbina más adecuada en esta aplicación es una turbina Francis, los diámetros de entrada y salida han sido establecidos como criterios de diseño.

Dent=1.74m

Dsal=0.36m

Se asumirá una eficiencia teórica para la turbina la cual será del 85%.

Conociendo los datos anteriores podremos calcular la potencia de la turbina que nos puede proporcionar en función de las características del salto del Loro por la siguiente fórmula:

Potencia=γ∗Q∗Hn∗nt

Donde:

γ: Peso específico del agua.

Q: El caudal.

Hn: Altura neta.

Nt: Eficiencia de la turbina.

Potencia=9806∗6.4∗48∗0.85

Potencia :2.56 MW

La potencia calculada coincide con la indicada en los documentos publicados por el MEM.

A continuación deberemos calcular la velocidad específica a la que girara la turbina, primeramente hay que asumir una velocidad de 600rpm que está en el rango de trabajo de las turbinas Francis.

ns= N∗√PHn5 /4

Donde

Ns: Velocidad específica.

P: Potencia de la turbina en caballos de vapor.

Hn: Altura neta.

Para calcular la potencia en C.V simplemente trabajamos el peso específico en kgf/m^3 y dividimos toda la ecuación en 75.

Potencia=( 1000 kgf

m3 )∗6.4∗48∗0.85

75

Potencia=3481.6 C .V

Considerando la velocidad de giro de 600rpm podremos calcular la velocidad específica de giro.

ns=600∗√3481.6485 /4

ns=280.21

Las turbinas Francis pueden clasificarse en tres, teniendo en cuenta su velocidad específica

Debido a que el cálculo obtenido es de 280.21 la turbina Francis que se deberá utilizar es rápida.

VI. Resultados

Después de haber realizado los cálculos necesarios, se ha demostrado que el salto del Loro tiene un buen potencial para la generación de energía eléctrica y que resultaría totalmente factible su instalación.

En función de las características de la zona y los cálculos realizados se ha diseñado una turbina Francis mediante criterios propios, teniendo en cuenta que las dimensiones de la misma podrían satisfacer la demanda en MW que se ha estimado.

Vistas 2D Turbina Francis.

Vistas 3D Turbina Francis

VII. Conclusiones

En base a los resultados obtenidos en este estudio, se pueden emitir las siguientes conclusiones:

Logramos cumplir con el objetivo de calcular la potencia eléctrica producida

por una turbina hidráulica para el recurso hídrico SALTO del LORO en El Tuma-

La Dalia, obteniendo una potencia de la turbina de 3481.6 C . V que son 2560.71KW o

bien 2.56MW.

Se diseñó una Turbina Francis con las siguientes especificaciones: Altura

neta de m=48m, caudal de instalación 6.4 m^3/s. Para este punto de

operación se proyecta una eficiencia global de 85%.

Por medio de esta investigación se logró establecer las característicos de la zona del

SALTO del LORO en El Tuma-La Dalia, como son su topología, hidrología y

geología, dando muy buenos resultados para un futuro proyecto de central

hidroeléctrica.

La herramienta de modelado en 3D Solidwork fue de gran ayuda para mostrar el

prototipo de diseño de una turbina Francis aplicable para el estudio realizado, ya

que nos brinda un interfaz flexible para el diseño de la misma..

VIII. Referencias Bibliográficas

[1] Mecánica de fluidos y Máquinas Hidráulicas – Claudio Mataix, Ediciones del castillo S.A, Madrid.

[2] Mecánica de fluidos, Fundamentos y Aplicaciones – Yunus A. Cengel, John M. Cimbala, McGrawHill

IX. Anexos

Salto del Loro, Río Tuma

Dimensiones Turbina Francis