trab nº2 tipos de turbinas y volante de inercia

UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICA

FACULTAD DE INGENIERIA MECANCICA ELECTRICA CENTRALES HIDROELECTRICAS

Escuela Acadmico Profesional de Ingeniera Mecnica y Elctrica

Curso: CENTRALES HIDROELECTRICASTema: TIPOS DE TURBINAS Y VOLANTE DE INERCIA Informe/Prctica/N2 Versin 1 Fecha Versin 15/01/2013 Seccin: IX MEApellidos y nombres

Grupo: 1

Compuesto por:N Carn Firma Nota

INFANZON ARANGOITIA JOSE EDUARDO 20081886 PACHECO APARCANA GUSTAVO 20081895 PARIONA CLEMENTE JOSE MIGUEL 20080655 Observaciones (Profesor) Incompleta Mala Presentacin Mal Tablas Mal Grficas Comentarios (Profesor)

Departamento Acadmico de Energa y ProduccinAv. De los Maestros s/n, Ciudad Universitaria Ica



DEDICATORIA

A nuestras madres por tenernos mucha paciencia Universidad Nacional San Luis Gonzaga de Ica Pgina 2



y amor para salir adelante. A nuestro profesor por tenernos paciencia y tolerancia al ensearnos.

INDICE

Introduccin Objetivos. Marco Terico I - Tipos de Turbinas.. Turbina tipo Francis Turbina tipo Helice 8 9 8

4 5 6

Turbina tipo Kaplan . 10 Turbina tipo Deriaz 11

Turbina tipo Pelton .12 Turbina tipo Tubulares 14 Turbina tipo Bulbo Turbina tipo Strafalo Turbina tipo Michell Banki Universidad Nacional San Luis Gonzaga de Ica Pgina 3 16 17 15



II Volante de Inercia

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Universidad Nacional San Luis Gonzaga de Ica Pgina 4



INTRODUCCION

Durante la revolucin industrial, el incremento de la demanda energtica de la industria encontr en las turbinas hidrulicas una solucin, por lo cual a partir del siglo XIX empezaron a construirse en forma masiva hasta nuestros das. El incremento vertiginoso en la construccin de estas mquinas acumul una gran cantidad de experiencia, y la consecuente competencia de las compaas constructoras oblig a la optimizacin en los diseos de las turbinas, dando lugar, por ejemplo, a la desaparicin de las turbinas centrfugas y al establecimiento de las turbinas centrpetas. As los modelos de turbinas hidrulicas que existen en la actualidad son el resultado de un largo proceso de seleccin histrica, en el que ciertas turbinas con una particular geometra han resultado ser aquellas que optimizan el rendimiento para ciertas condiciones de operacin.




OBJETIVOS

Conocer los diferentes tipos de turbinas, y conocer los principios y la funcin de un volante de inercia.




MARCO TEORICO CLASIFICACION DE LAS MAQUINAS HIDRAULICAS

CLASIFICACIN GENERAL DE LAS MQUINAS HIDRULICAS 1-Mquinas Hidrulicas Generatrices Reciben trabajo externo y transforman la energa mecnica en energa hidrulica, comunicando al fluido un aumento de su energa potencial, cintica o de presin. (Bombas Hidrulicas). 2-Mquinas Hidrulicas Motrices Transforman la energa hidrulica de sus distintas formas a energa mecnica, generalmente en forma rotativa. (Turbinas Hidrulicas). 3-Mquinas Hidrulicas Mixtas Transforman la energa hidrulica de un fluido de una forma a otra.

CLASIFICACION DE LAS TURBINAS HIDRAULICAS Las turbinas hidrulicas pueden ser clasificadas segn: El grado de reaccin Turbinas de accin. Turbinas de reaccin La trayectoria que sigue la partcula de fluido Universidad Nacional San Luis Gonzaga de Ica Pgina 7



Turbinas de accin total Turbinas radiales Turbinas axiales Turbinas de flujo mixto o diagonal

Turbinas de accin parcial. Turbinas de flujo tangencial.

Sus aspectos constructivos Turbinas Tipo Francis Turbinas Tipo Kaplan Turbinas Tipo Pelton Turbinas Tipo Hlice Turbinas Tipo Deriaz Turbinas Tipo Tubulares Turbinas Tipo Bulbo Turbinas Tipo Straflo Turbinas Tipo Michell Banki

GRADO DE REACCION DE UNA TURBOMAQUINA

Se define como grado de reaccin de una turbomquina, al cociente entre la altura de presin y la atura total que absorbe, en el caso de las turbinas, o que cede en el caso de las bombas.

Turbinas de accin total

Turbinas radiales




En las turbinas de flujo radial la trayectoria de la partcula de fluido en su accin sobre el receptor o rotor se mantiene aproximadamente en un plano normal al eje de la turbina. Pueden ser:

Centrifugas o exteriores como las turbinas tipo Ginard o Founeyron, yaobsoletas

Centrpetas o interiores como las turbinas Francis lentasTurbinas axiales

La trayectoria de la partcula de fluido recorre lneas contenidas en superficies cilndricas de revolucin en torno al eje de la turbina.

Son de este tipo las turbinas tipo Kaplan, Hlice, Tubulares, Bulbo y Straflo

Turbinas de flujo mixto o diagonal

El fluido recorre trayectorias sobre el receptor que pasan gradualmente de la direccin radial a la direccin axial, las trayectorias son lneas de doble curvatura.

Pertenecen a este tipo las turbinas tipo Francis normales, rpidas y extra-rpidas ascomo las turbinas tipo Deriaz.

TURBINAS DE ACCIN PARCIAL

TURBINAS DE FLUJO TANGENCIAL

En este tipo de turbinas el fluido es lanzado en forma de chorro sobre un numero limitados de alabes del receptor.

Pertenecen a este tipo las turbinas Pelton, Banki, Michell.

I - TIPOS DE TURBINAS TURBINA FRANCIS La turbina Francis fue desarrollada por James B. Francis.. Se trata de una turbomquina motora a reaccin y de flujo mixto. Las turbinas Francis son turbinas hidrulicas que se pueden disear para un amplio rango de saltos y caudales, siendo capaces de operar en rangos de desnivel que van de los dos metros hasta varios cientos de metros. Esto, junto con su alta eficiencia, ha hecho que este tipo de turbina sea el ms ampliamente usado en el mundo,




principalmente para hidroelctricas.

la

produccin

de

energa

elctrica

mediante

centrales

Rodete de una turbina Francis

Primitiva turbina Francis

TURBINAS TIPO HELICE




En las turbinas tipo Hlice o Propeller, el receptor toma la forma de hlice de propulsin El distribuidor mantiene el aspecto que tienen en las turbinas tipo Francis, si bien la distancia entre los alabes del receptor y las del distribuidor es bien mayor.




TURBINAS KAPLAN

Las turbinas Kaplan son uno de los tipos mas eficientes de turbinas de agua de reaccin de flujo axial, con un rodete que funciona de manera semejante a la hlice de un del motor de un barco, y deben su nombre a su inventor, el austriaco Viktor Kaplan. Se emplean en saltos de pequea altura. Las amplias palas o labes de la turbina son impulsadas por agua a alta presin liberada por una compuerta. Los labes del rodete en las turbinas Kaplan son siempre regulables y tienen la forma de una hlice, mientras que los labes de los distribuidores pueden ser fijos o regulables. Si ambos son regulables, se dice que la turbina es una turbina Kaplan verdadera; si solo son regulables los labes del rodete, se dice que la turbina es una turbina Semi-Kaplan. Las turbinas Kaplan son de admisin axial, mientras que las semi-Kaplan puede ser de admisin radial o axial. Para su regulacin, los labes del rodete giran alrededor de su eje, accionados por unas manijas, que son solidarias a unas bielas articuladas a una cruceta, que se desplaza hacia arriba o hacia abajo por el interior del eje hueco de la turbina. Este desplazamiento es accionado por un servomotor hidrulico, con la turbina en movimiento. Las turbinas de hlice se caracterizan porque tanto los labes del rodete como los del distribuidor son fijos, por lo que solo se utilizan cuando el caudal y el salto son prcticamente constantes.

Una turbina Kaplan vertical.




TURBINAS TIPO DERIAZ Se asemejan a las turbinas tipo Kaplan o Francis rpidas, los alabes del receptor estn articulados y pueden variar el ngulo de inclinacin de las mismas. Por la forma inclinada de sus alabes las turbinas tipo Deriaz consideradas como turbinas diagonales. pueden ser




TURBINAS TIPO PELTON Entre las turbinas de accin o de chorro es la mas utilizada. Como toda turbina hidrulica la turbina tipo Pelton posee un distribuidor y un receptor. El distribuidor es una tobera de forma apropiada a guiar el chorro de agua sobre las alabes o palas del receptor. El receptor consta de un cierto numero de alabes o palas en forma de concha y dispuestas en la periferia de un disco sujeto al eje Las turbinas tipo Pelton pueden ser de un, dos, cuatro o seis chorros.










TURBINAS TIPO TUBULARES El receptor, de alabes fijos y orientables, es colocado en un tubo por donde fluye el agua, el eje, horizontal o inclinado, acciona un generador conectado en su extremo exteriormente al tubo.




TURBINAS TIPO BULBO Pueden ser consideradas como una evolucin de las turbinas tubulares. El rotor poseen alabes orientables como los de una turbina tipo Kaplan. En el interior del bulbo, que es una cmara blindada, pueden colocarse un sistema de transmisin por engranajes para trasmitir el movimiento del eje del rotor al generador. Existen modelos mas avanzados en los cuales el propio generador esta instado dentro del bulbo. Las turbinas bulbo no precisan de la caja espiral y del trecho vertical del tubo de succin




TURBINAS TIPO STRAFLO Son turbinas de flujo rectilneo, de volumen reducido que conduce a una considerable economa en cuanto al costo de las obras civiles. Universidad Nacional San Luis Gonzaga de Ica Pgina 19



Las trayectorias de las partculas de fluido son hlices cilndricas que en proyeccin meridiana son lneas rectas paralelas al eje.




TURBINA TIPO MICHELL-BANKI 1. Caractersticas generales La turbina de flujo transversal o Michell-Banki es una mquina utilizada principalmente para pequeos aprovechamientos hidroelctricos. Sus ventajas principales estn en su sencillo diseo y su fcil construccin lo que la hace atractiva en el balance econmico de un aprovechamiento a pequea escala. No obstante esto no impide que la turbina se utilice en grandes instalaciones. Aunque la turbina de flujo transversal se conoce como una mquina de pequea escala, existen actualmente mquinas de este tipo de hasta 6 MW. Las principales caractersticas de esta mquina son las siguientes: La velocidad de giro puede ser seleccionada en un amplio rango. El dimetro de la turbina no depende necesariamente del caudal. Se alcanza un aceptable nivel de rendimiento con pequeas turbinas. Se puede regular el caudal y la potencia por medio de un labe ajustable. 2. Principio de funcionamiento La turbina consta de dos elementos principales: un inyector y un rotor. El agua es restituida mediante una descarga a presin atmosfrica. El rotor esta compuesto por dos discos paralelos a los cuales van unidos los labes curvados en forma de sector circular.

El inyector posee una seccin transversal rectangular que va unida a la tubera por una transicin rectangular - circular. Este inyector es el que dirige el agua hacia




el rotor a travs de una seccin que toma una determinada cantidad de labes del mismo, y que gua el agua para que entre al rotor con un ngulo determinado obteniendo el mayor aprovechamiento de la energa. La energa del agua es transferida al rotor en dos etapas, lo que tambin da a esta mquina el nombre de turbina de doble efecto, y de las cuales la primera etapa entrega un promedio del 70% de la energa total transferida al rotor y la segunda alrededor del 30% restante. (Los ensayos realizados por distintos investigadores sitan el rendimiento hidrulico de esta mquina entre un 65-70%, otros autores mencionan un 61% aclarando que la segunda etapa entrega un 17%, y en general muchos autores indican un 70% hasta un 84%.) Una caracterstica atractiva de esta mquina es la forma aplanada de su curva de rendimiento. Esto se logra con un diseo de la turbina con admisin parcial. Por ejemplo: si se divide el rotor en 3 partes iguales y la admisin del agua se puede realizar por 1/3, 2/3 o la totalidad del rodete.




II - VOLANTES DE INERCIA Almacenamiento de energa El volante de inercia es, bsicamente, un sistema de almacenamiento de energa mecnica. Su principal caracterstica frente a otros sistemas es la capacidad de absorber y ceder energa en poco tiempo. Es adecuado para sistemas mecnicos de ciclo energtico discontinuo donde el periodo de tiempo sea muy corto, por lo que, tradicionalmente, se ha utilizado en motores y compresores alternativos, prensas y troqueladoras, etc. En volantes tradicionales la cantidad de energa es menor que en otros sistemas de almacenamiento, pero en las ltimas dcadas se fabrican de materiales compuestos, lo que ha supuesto un aumento notable de su capacidad de almacenamiento. Esta innovacin permite aplicarlos a campos en los que antes era totalmente impensable, por ejemplo, para almacenamiento de energa en automviles, trenes o autobuses, satlites, etc. Con este nuevo tipo de volantes se superan, en algunos aspectos, los sistemas clsicos de almacenamiento de energa. Por ejemplo, si se comparan con las tradicionales bateras qumicas, los volantes ofrecen mayor potencia energtica, tanto entregada como absorbida.




Las bateras, debido a su proceso qumico, son muy lentas en el proceso de carga y descarga, y si se pretende disminuir el tiempo su rendimiento desciende a valores del 20 o el 30%. Para comparar los acumuladores cinticos con otros sistemas de almacenamiento se utilizan los conceptos de densidad de energa y de densidad de potencia para expresar la capacidad de almacenar y de intercambiar energa por unidad de masa del acumulador. En la figura 1.1 se presenta un grfico comparativo entre los volantes de inercia y algunos sistemas comunes aplicados a vehculos, obtenido de Kulkarni (1982) [30]. Se representan en coordenadas de densidad de energa, en Whkg1, y densidad de potencia, en Wkg1, las regiones de trabajo de los volantes, las bateras qumicas, los motores de combustin interna y la clula de combustin.

Figura 1.1: Comparacin de la densidad de potencia en funcin de la densidad de energaentre acumuladores de energa: volantes, motores de combustin interna, bateras y clulas de combustin, (Kulkarni [30]).

En la figura 1.1 se observa que la densidad de potencia en los volantes es muy elevada comparada con los diversos tipos de bateras qumicas, incluso con los motores de combustin interna. En cambio, su densidad de energa es parecida a las bateras convencionales y es ms baja que las bateras especiales y los motores. Por lo tanto, la principal caracterstica de los volantes es su alta densidad de potencia. Estos dos parmetros son muy genricos y dan una visin global de los sistemas. Si se quiere una comparacin completa hay que tener en cuenta otros factores, por ejemplo el nmero de ciclos de vida, los costes de fabricacin y explotacin, etc. En la figura 1.1 se comparan los volantes con los sistemas ms tradicionales pero existen otros sistemas alternativos, menos conocidos. Por ejemplo en Universidad Nacional San Luis Gonzaga de Ica Pgina 24



Olszewski y otros (1988) [36] se comparan con el almacenamiento neumtico y se deduce que la eficiencia y la densidad de energa es ms alta en los volantes. Elementos de un acumulador cintico En las aplicaciones ms clsicas los volantes reciben la energa a travs de una transmisin mecnica, como si fueran un subconjunto de la mquina. En estos casos es habitual que tengan un multiplicador para aumentar las revoluciones, o incluso un variador para adaptarse a distintos regmenes, como se expone en Jefferson y Ackerman (1996) [25]. Cada vez es ms frecuente que el volante incorpore un motor-generador elctrico propio, de forma que configura una mquina aislada, conectada al exterior nicamente por cables elctricos igual que una batera elctrica. Su principal ventaja es la versatilidad porque se adapta fcilmente a cualquier necesidad energtica mediante una adecuada regulacin electrnica. Fsicamente est formado por cinco elementos bsicos, figura 1.2: (1) el rotor, (2) los cojinetes, (3) el motor-generador, (4) el recipiente de vaco y (5) el sistema de regulacin.

Figura 1.2: Elementos de un acumulador cintico 1- El rotor es el elemento central del acumulador, donde se almacena propiamente la energa. Est formado principalmente por la masa cilndrica y el eje central. 2- Los cojinetes de giro suelen ser simples rodamientos de alta velocidad. En modelos ms sofisticados se montan cojinetes de levitacin magntica que eliminan las prdidas por rozamiento. 3 -El motor-generador convierte la energa elctrica en cintica y viceversa. Gira solidario al rotor y puede estar situado en paralelo con el disco, como se muestra en la Universidad Nacional San Luis Gonzaga de Ica Pgina 25



figura 1.2, o concntrico a la masa circular. En este ltimo las bobinas estatricas se sitan sobre el eje central fijo y las rotricas en el interior de la masa cilndrica. 4 -El conjunto est encerrado en un recipiente de proteccin que evita el acceso a los elementos mviles. En algunos casos se efecta el vaco para eliminar el rozamiento aerodinmico. 5- Adems de las partes mecnicas, incorpora un equipo de regulacin de la potencia elctrica que gestiona el flujo de energa con el exterior. Este tipo de acumuladores, adems de ser verstiles, minimizan las prdidas por friccin y la energa se mantiene durante horas o incluso das. Por contra, tienen prdidas en la entrada y salida de energa debido al rendimiento elctrico del motor. 1.1.3. El rotor En los rotores de la mayora de aplicaciones actuales los metales de alta resistencia se sustituyen por materiales compuestos ligeros. Su baja densidad est compensada por el aumento de la velocidad de giro y es muy frecuente que su velocidad perifrica supere la velocidad del sonido. Hay que tener en cuenta que la densidad del material afecta tanto a la energa cintica como a la tensin del material, porque ambas son funcin de la masa y del cuadrado de la velocidad. Por lo tanto, un material de alta densidad no es necesariamente mejor para un volante, su energa cintica mxima depende tanto de la masa como de la resistencia. Para una misma geometra la energa cintica del rotor depende de la tensin admisible y es independiente de la densidad, como se expone en Genta (1985) [19]. En efecto, como se observa en la ecuacin 1.11 la energa cintica Ec de un volante es funcin de la tensin admisible , del volumen de material V y de un coeficiente geomtrico K. Ec = K V (1.1) La energa cintica depende, adems del material, de la geometra del rotor. La fuerza centrfuga de una porcin de masa se compensa con otra opuesta situada a 180o y el recorrido de la fuerza por el interior del rotor determina los puntos sometidos a tensin. Luego, la configuracin geomtrica de un rotor depende tanto de la posicin de la masa como de las zonas intermedias preparadas para resistir el flujo de fuerzas. En este sentido, los rotores aplicados a volantes de inercia tienen unas Universidad Nacional San Luis Gonzaga de Ica Pgina 26



determinadas configuraciones que optimizan los resultados. El artculo de Post y Post (1973) [41] hace un resumen de los tipos bsicos de rotores y compara sus principales caractersticas. Las configuraciones de los rotores metlicos no son tiles para materiales compuestos, como expone Genta (1985) [19]. Por ejemplo, la unin de la llanta con el eje mediante un disco de espesor axial variable, frecuente en los rotores metlicos, es perjudicial para los materiales compuestos. Esta configuracin es excesivamente rgida y debe sustituirse por una unin elstica que permita cierta libertad radial a la llanta. En Post y Post (1973) [41] y Genta (1985) [19] se presentan las configuraciones ms tpicas para los rotores de materiales compuestos, que se resumen en la figura 1.3. Las configuraciones constructivamente ms complejas tienen un funcionamiento mecnico ms simple. En el modelo (a) el material de los radios es ms elstico que en la llanta y permiten la necesaria deformacin radial. En los casos (b) y (c) los aros curvados tienen tambin elasticidad radial. En el (f) la flexin del cubo en forma de z permite simultneamente el desplazamiento axial y radial. En los casos (d) y (e) el rotor est formado por mltiples anillos, en el primero estn unidos por una capa fina de material elastmero que permite un desplazamiento radial entre ellos y en el segundo cada anillo es de un material compuesto distinto, con elasticidad creciente en el interior.




Diseo de volantes de inercia En el diseo de volantes, atendiendo la diversidad de aplicaciones, se establecen tres variables de diseo distintas: la masa, el volumen y el coste del material. A cada campo de aplicacin se le puede asignar una variable de optimizacin propia, en este trabajo se han considerado las aplicaciones que necesitan optimizar la energa por unidad de coste. En el anlisis de la configuracin de los rotores se ha estudiado en primer lugar el lmite de los rotores simples, de un solo material, variando la relacin entre radio interior y exterior. Se aplica a los materiales que se consideran bsicos: el compuesto de fibra de carbono con matriz epoxi, el compuesto fibra de vidrio con matriz epoxi, el aluminio y el acero. Cada uno se analiza bajo las tres variables de diseo y se comprueba que los materiales compuestos ofrecen mejores prestaciones que los metales. La fibra carbono es superior en la densidad de energa y en la energa por unidad de volumen, mientras que la fibra de vidrio es superior en la energa por unidad de coste. Pero ambos casos las variables sufren una notable descenso en los rotores con una relacin de radios inferior a un determinado valor, debido a la falta de resistencia transversal a la fibra. Estos resultados se utilizan para valorar tress nuevas configuraciones desarrolladas a partir de los estudios analticos anteriores. Se pretende constrarrestar los efectos de la falta de resistencia transversal y, con ello, aumentar la energa por unidad de coste o, al menos, evitar su descenso en los rotores con una relacin de radios pequea. Si al rotor de fibra de vidrio se aade una capa de fibra de carbono, formando la configuracin tpica en multicapa, la energa por unidad de coste aumenta ligeramente pero solamente en los rotores con una relacin de radios pequea. Si se le aade una capa de material elstico diminuye el valor de la relacin de radios en que se produce el descenso, ampliando la gama de rotores de altas prestaciones. Si se sustituye el curado convencional por el curado con pretensado trmico aumenta la energa por unidad de coste para cualquier relacin de radios, aunque el aumento es pequeo. Finalmente, el sistema de anlisis de las tensiones residuales de bobinado permite descubrir las causas de los resultados experimentales negativos de otros autores y proponer una nueva estrategia de fabricacin que disminuye la relajacin de tensiones y favorece el pretensado.




Desarrollo

Producto a las continuas variaciones de velocidad en el conjunto turbina generador, debido a las constantes conexiones y desconexiones de las distintas cargas y a posibles errores en la proyeccin y ejecucin de las obras, existe una inestabilidad en los parmetros de calidad (frecuencia y voltaje), lo cual afecta gravemente a las cargas que se encuentran conectadas, aumentando la mala calidad de la energa suministrada, por lo que se hace necesario encontrar una solucin para mejorar la estabilidad del sistema. Unas de las vas a seguir, para el incremento del momento de inercia, es implementar el uso de volantes. Un volante de inercia es un elemento totalmente pasivo, nicamente aporta al sistema una inercia adicional. Al incrementarse la inercia del sistema, en igualdad de condiciones, se reducen las fluctuaciones de velocidad. Suelen emplearse volantes de inercia en maquinas cclicas para reducir las variaciones de velocidad cuando hay cambios en el par motor o en el par solicitado al motor (par de la carga), dentro del ciclo. Los volantes tienen por finalidad, en virtud de su masa e inercia, uniformar dentro de ciertos limites las velocidades en los ejes de las maquinas motrices expuestas a variaciones debido al trabajo motor variable que le es entregado y al momento resistente de la carga. Se encontr una primera variante para el clculo de dicho volante, la cual se explica a continuacin:

1ra VarianteLa inercia requerida es: J=0.012*PGen(kW)*(3600/neje(rpm))2 (kgf-m2) La masa del volante es: M=8J/D2 (kg) Ancho del volante: T=0.18*M/D2 (mm) Donde D es el dimetro del volante Esta variante considera que el grupo turbina generador esta acoplado directamente, hecho que conllevo a desechar dicha variante ya que en las mini hidroelctricas y micro hidroelctricas, que estn aisladas generalmente la relacin de transmisin no es la unidad debido a que las turbinas por general giran a baja velocidad.




Figura 1. Acoplamiento directo 2da Variante

Figura 2. Acoplamiento con transmisinDeterminacin de la constante de tiempo hidrulica.

La constante de tiempo hidrulica o tiempo hidrulico es el tiempo que tarda el agua en alcanzar su velocidad de rgimen por la tubera a partir del reposo. (s) (1)

L-longitud de tubera desde la toma hasta la mquina (m) V- velocidad de rgimen del agua por la tubera a la potencia de diseo (m/s) H-altura del salto (m) g- aceleracin de la gravedad. 9,81 m/s2 Una relacin muy grande del L/H aumenta el tiempo hidrulico dificultando la estabilidad de la regulacin. Se recomienda L/HTC>TH (5) 3. Se recomienda que la constante de aceleracin est entre 4 y 12 segundos. 4. Se despeja GD2 de la ecuacin 4 y luego se dimensiona o selecciona el volante. Se observa, que a medida que aumenta el valor de GD 2, el tiempo de respuesta de la mquina es ms lento, lo cual es una ventaja cuando se tienen pequeas variaciones de la carga. Sin embargo, cuando las variaciones de la carga (y de la frecuencia) de la turbina son grandes, es preferible una respuesta rpida.

Determinar el valor de la inercia necesaria para el grupo turbina generador.El momento de inercia del volante est dado por , pero generalmente

los fabricantes de turbina dan es el valor de GD2 en kg-m2. Universidad Nacional San Luis Gonzaga de Ica Pgina 31



Para volantes macizos, como el de la figura 1, el GD2 se determina por la siguiente frmula: kg-m2 (6)

Aqu: -densidad del material del volante (kg/m3) Ri- Radio del menor espesor del volante (m) Re- Radio exterior del volante (m) b- espesor hasta Ri (m) B- espesor hasta Re (m)

Figura 1. Esquema del volante

Para el dimensionado se recomiendan las siguientes relaciones: B=2b Re=1,35Ri El problema fundamental en el volante, es conocer que valor de GD 2 hace falta en cada caso. Para la ayuda del dimensionamiento del volante, contamos con un clculo en una hoja en el programa EXCEL, con la herramienta SOLVER. En la prctica a veces resulta casi imposible lograr la estabilidad de la regulacin por diferentes factores del proyecto de la central o por deficiencias en los sistemas de regulacin. Dentro de estos factores los ms frecuentes son: 1. Relacin L/H excesivas, lo cual implica altos valores de TC y Ta Universidad Nacional San Luis Gonzaga de Ica Pgina 32



2. Tuberas con varias pendientes, lo cual implica diferentes TH en una misma tubera, lo cual ocasiona aceleraciones diferentes del agua en cada tramo de tubera 3. Tiempo de cierre o de apertura del regulador muy lenta, lo cual ocasiona mayor consumo de potencia para llevar la turbina a las condiciones de rgimen. Mquina trabajando con un salto o un gasto muy alejados de su punto de diseo y con poca reserva de potencia hidrulica. Se realizaron pruebas en vaco y con carga sin volante y pruebas en vaco y con carga con el volante. Dicho volante esta conectado en el eje de la turbina. Los resultados fueron los esperados: 1. Disminucin considerable del tiempo de regulacin de la maquina, en los transitorios ya que el volante es capaz de absorber los escalones de cargas pequeos y en los medianos brinda la posibilidad de tener mas tiempo para la regulacin manual. 2. Decrecimiento considerable en la variacin de velocidad de la maquina, por lo tanto existe tambin el mismo decrecimiento en la variacin de los parmetros de calidad (frecuencia y voltaje). 3. Mayor estabilidad en el sistema. 4. Los equipos electrodomsticos que existen en la poblacin, no estn expuestos a constantes inestabilidades de la energa suministrada, por lo que aumenta el tiempo de vida til de los mismos y aumenta la calidad de vida de los habitantes. 5. La implementacin de los volantes no afecta en ninguna manera el grupo turbina generador, ni los rodamientos ya que estos son capaces de soportar el peso de los mismos. 6. Existe un mayor gasto de agua en el arranque para mover el grupo turbina generador, pero esto es recuperado luego, gracias a la inercia concentrada en el volante. 7. Estos volantes son de fcil construccin, no nesecitan gran tecnologa para su construccin y no necesitan ser exportados. 8. En la construccin de los volantes, tratar de no fabricarlos de forma liza, ya que de la forma descrita en trabajo aumenta la inercia con el mismo dimetro, porque concentra mayos masa en la parte exterior.

Ejemplos de la implementacin de los volantes de inercia.











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