Disenio Turbina de Rio Para Generacion de Electric Id Ad

8/14/2019 Disenio Turbina de Rio Para Generacion de Electric Id Ad

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UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOSFACULTAD DE CIENCIAS FSICAS

EAP. DE INGENIERA MECNICA DE FLUIDO

Diseo de una turbina de ro para la generacin de electricidad enel distrito de Mazn-Regin Loreto

MONOGRAFA TCNICA

para optar el ttulo profesional de Ingeniero Mecnico de Fluidos

AUTORFrancisco Maldonado Quispe

Lima - Per2005


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AGRADECIMIENTOS

Al Ing. Carlos Pedrosa por su apoyo en la asesora a tiempo y fuera de tiempo parael desarrollo de la presente monografa.

A ITDG en la persona del Ing. Sal Ramrez por su ayuda incondicional en larecoleccin de informacin de campo.

A la Universidad Nacional Mayor de San Marcos Escuela Acadmica deMecnica de Fluidos por haber sido mi alma mater y brindarme las facilidades en eluso de su biblioteca para realizar la recopilacin de la informacin terica para la

presente monografa.

A mi madre quien desde el cielo me dio fuerzas para no desmayar en el intento dedesarrollarme como profesional.

A mi familia por su comprensin en mis horas de estudio.

A mis profesores y amigos de quienes siempre recib lo mejor.


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a) Turbina Garman 18 b) Turbina Aquacharger o Cargador de Batera 19

4. DISEO DE LA TURBINA DE RO 204.1 Diseo Hidrulico 20

4.1.1 Principios Hidrulicos 20

4.1.2 La Ley de Cantidad de Movimiento para el modelo matemtico 204.1.3 Transformacin de la Energa Cintica a travs del rotor 234.1.4 Grado de Reaccin 244.1.5 Consideraciones de Semejanza 25

a) El anlisis adimensional 254.2 Principio Aerodinmico 30

4.2.1 Teora del Diferencial de la Pala 304.2.2 El Nmero de Palas 33

5. ASPECTOS TCNICOS DE LA TURBINA DE RIO 35

5.1 La Energa del Agua 355.2 Potencia Suministrada 355.3 Factores que afectan la Potencia suministrada 36

a) La velocidad de la corriente de agua 36 b) rea de barrido del rotor 36c) Coeficiente de Potencia 36

5.4 Esquema del proceso de transformacin de energa 375.5 Componentes de una Turbina de Ro 37

5.5.1 El rotor 37

a) Rotor de eje horizontal 38 b) Rotor de Eje inclinado 39

5.5.2 Las palas o alabes del rotor 40a) Dimensionamiento del alabe de la turbina 40

b) La linealizacin del alabe 40c) Consideraciones sobre la Velocidad Angular de las Turbina 40

5.5.3 El eje de transmisin 415.5.4 Rodamientos del Rotor 415.5.5 La Transmisin 41

5.5.6 El Generador Elctrico 42a) Caractersticas de los generadores 42

b) Generadores de Corriente Alterna 435.5.7 El tablero de Control 43

a) El convertidor 43 b) El regulador de carga 43c) La Batera 43

5.6 Seleccin del Rotor 445.6.1 Materiales para la Construccin del Rotor 46

5.7 Seleccin del Lugar 475.7.1 Mnima Velocidad de Corriente til 475.7.2 Profundidad Mnima til 47


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5.8 Sistema de Anclaje 475.9 Eficiencia Total y Perdidas en una Turbina de Ro 49

a) Eficiencia Total del Sistema 49 b) Perdidas en una Turbina de Ro 49

6. RESULTADOS 50

6.1 Del diseo conceptual 506.2 Del diseo de Ingeniera 50

6.2.1 Clculo del dimetro del rotor 506.2.2 Clculo de la seccin del alabe y seleccin del perfil 526.2.3 De la linealizacion del alabe 53

a) Linealizacion de la Cuerda 53 b) Linealizacion del ngulo beta 53

6.2.4 De la Eficiencia total y perdidas del sistema 55a) De la Eficiencia total 55

b) De las perdidas 556.2.5 De la Fabricacin del Alabe 566.2.6 Del Generador Elctrico 576.2.7 Ensayos de Campo 58

7. COSTOS DE FABRICACIN DE LA TURBINA 597.1 Rotor axial 597.2 La Transmisin 59

7.2.1 El rbol de transmisin 597.2.2 Componentes intermedios de transmisin 59

7.3 Generacin de Energa 607.3.1 Generador de Imanes Permanentes 607.3.2 Tablero de Control 607.3.3 Regulador de Carga 60

7.4 Soporte del Sistema 607.4.1 Balsa Flotante 607.4.2 Sistema de Amarre 60

7.5 Costo total del grupo turbina generador 618. PLANOS DE FABRICACION 62

8.1 Linealizacion de la Pala 628.2 Rotor de la Turbina 62

CONCLUSIONES 63RECOMENDACIONES 64BIBLIOGRAFA 64ANEXOS 65FOTOS 67


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RESUMEN

El presente trabajo describe el proyecto de calculo y diseo del prototipo de una Turbinade Ro que ser del tipo tripala de eje inclinado con respecto al nivel del agua del ro yfabricado en fibra de vidrio y resina con un dimetro nominal de 2 m y una velocidad de

giro de 42 7 r.p.m. que van unidos a dos platos de sujecin en acero inoxidable para elmontaje de los alabes. Adems, se cuenta con un rbol de transmisin de acero galvanizadode 1.5 pulg. de dimetro nominal el cual esta acoplado directamente al rotor, este tubo vaencapsulado en otro de las mismas caractersticas con 2.5 pulg. de dimetro nominal quesirve de soporte y proteccin. El sistema de transmisin incluye un amplificador develocidades activada para faja y poleas el cual es un componente intermedio entre el rbolde transmisin y el generador. El sistema cuenta adems con un generador de imanes

permanentes de neodimio ferrtico el cual permite reducir la velocidad de generacin porun lado y por el otro obtener un bajo costo del equipo, el mismo que es adaptado al rotor de

la turbina de ro generando corriente alterna y que a travs de un sistema de diodosrectificadores transforma el voltaje de 12 V y potencia 250 W y 360 r.p.m. a corrientecontinua. Otro componente del sistema es el tablero de control el cual cuenta coninstrumentos de medicin bsicos como voltmetro y ampermetro y los respectivos diodosrectificadores de 12 V. Todos los componentes del sistema estn instalados en una balsaflotante de fabricacin local el cual puede ser un pontn. Finalmente la energa elctricagenerada es almacenada en una batera para su posterior utilizacin domestica.Con los datos de diseo como son la potencia, la velocidad del agua del ro, la densidad delagua, la celeridad de diseo o relacin de velocidad en la punta del alabe, el nmero de

alabes, el radio de la turbina y el tipo de seccin del perfil, se realizan los clculosnecesarios y luego se tabulan estos resultados que sirven de datos para la fabricacin de laturbina.El trabajo abarca adems la descripcin comparativa de algunos esquemas hidrulicosclsicos, el diseo hidrulico de la turbina, seguidamente se presentan los planos del

proyecto y los costos de fabricacin del mismo.


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1. FORMULACION DEL PROBLEMA

1.1 IntroduccinEn zonas rurales donde vive la mayor parte de la poblacin tpico en los pases en vas dedesarrollo, la densidad poblacional es muy baja y el consumo de energa esta confinada a

pequeas escalas. As, la provisin de la misma desde los distantes centros de generacin,no resulta factible econmicamente. Como consecuencia de esta desfavorable situacin ydesde el punto de vista del abastecimiento de energa elctrica en reas rurales, un gran

porcentaje de la poblacin no se beneficia con las ventajas que sta brinda. La fuente deenerga bsica del rea rural sigue siendo la lea con un consumo importante, usada

principalmente en requerimientos de calor, tales como coccin y calefaccin, originandoimpactos negativos contra el medio ambiente. En lo que se refiere a iluminacin, utilizan:velas, mecheros (kerosn), lmparas a gas, que aparte de tener una intensidad luminosadeficiente, a la larga producen daos a la salud, especialmente en la vista y los pulmones.

As, la idea de utilizar la fuerza de la corriente de los ros no es nueva, existen muchaspropuestas de diseo de turbinas para aprovechar este recurso a pequea y gran escala. Sinembargo, poco se conoce sobre experiencias de aplicacin masiva mas all de algunosmodelos artesanales de aplicacin muy restringida. La experiencia ms destacableconocida por su largo esfuerzo de desarrollo ha sido el caso de la Turbina Garmandiseado por el Britnico Peter Garman. Las Turbinas de Ro (o de Garman), no son masque turbinas elicas que funcionan dentro del agua, por lo que en el diseo de las aspas seutilizan todos los principios de una turbina elica y en lo nico que se diferencia de estoses en el fluido de trabajo.

1.2 Objetivos1.2.1 Objetivo General Dada la posibilidad de que una vez probado el funcionamiento de la Turbina de Ro, se

pueda transferir dicha tecnologa a otras regiones donde existan recursos hdricosutilizables mediante esta maquina, adems de que este tipo de sistemas no necesita degrandes obras civiles ni mecnicas para funcionar, lo cual trae grandes beneficios encuanto a la reduccin de costos frente a otras formas convencionales para generarelectricidad.

1.2.2 Objetivos Especficos Adaptar el diseo de la Turbina de Ro para la generacin de electricidad en pequeas

potencias (de 250 W) aprovechando la energa cintica del Ro Napo. Satisfacer las pequeas demandas de energa en las pequeas comunidades ribereas.


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2.2.2 Vas de accesoEl acceso a esta comunidad se realiza en transporte bi - modal partiendo del Puerto deProductores en Iquitos en los llamados rpidos hasta el Puerto de Varadero en Mazn (1hora de viaje por el ro Amazonas), se continua va terrestre en motocarro hasta el Puertode Mazn, para finalmente cruzar el ro Napo, normalmente en pequepeque, hasta la

comunidad El Paraso. El tiempo total de viaje efectivo es de aproximadamente 1.5 horas.

2.2.3 El acceso a la energaLa comunidad El Paraso como la gran mayora de comunidades rurales de la selva

peruana tiene problemas muy serios para el acceso a la energa; especialmente en lo que serefiere al alumbrado, ya que cuenta con limitadas opciones energticas; su posibilidad deacceso a la red nacional es nula, no existen lugares donde se pueda utilizar energahidrulica bajo la ptica y las tecnologas existentes en el medio, existen abundantesrecursos de biomasa en base a una muy rica y variada flora de la zona, por lo que su uso o

viabilidad en la generacin de energa a pequea escala est an en investigacin, laenerga solar fotovoltaica es una alternativa pero aun es costosa. El uso de bateras sirveactualmente para satisfacer pequeas demandas de energa (radio, TV, iluminacin). Ladesventaja, es el alto costo que implica el servicio de recarga, el cul slo se puede realizaren las grandes ciudades o capitales de distrito, con el consiguiente gasto en tiempo y dinero(pasaje, alimentacin y el costo del servicio). Dependiendo del lugar y la oferta, el costo

por recargar una batera vara entre S/.3 a S/.7. No obstante, las comunidades ribereas dela selva tienen la oportunidad de utilizar un recurso natural existente en los ros, potencialque ha sido confirmado por ITDG en una breve evaluacin de campo, en las que se

realizaron mediciones de la velocidad en algunos ros de la selva alta y baja del Per. Heaqu algunas mediciones de velocidades promedios de algunos ros ms importantes denuestra selva:

Tabla 2.1 Velocidad Promedio de algunos ros de la Selva

E n V a c i a n t e E n C r e c i e n teA m a z o n a s 0 . 7 7 a 1 . 3 1 . 5 4 a 2 . 0 6N a p o 0 . 7 7 a 1 . 3 2 . 0 6 a 2 . 8 3A g u a r i c oP u t u m a y oN a n a yY a v a r iM a r a o n 3 . 1 4 . 1S a n t i a g o 0 . 7 7 1 . 0 3M o r o n a 0 . 7 7 1 . 5 4P a s t a z a 0 . 7 7 2 . 5 7T i g r e 1 . 1 3 2 . 1C o r r ie n t e s 1 . 0 3 2 . 1H u a l la g a 1 . 1 3 2 . 5 7U c a y a l i 1 . 0 3 2 . 1 y 4 . 1 2U r u b a m b aT a m b oP e r e n eE n eP a c h i t e a 1 . 0 3 2 . 1

P i c h i s 1 . 0 3 2 . 1

V e lo c i d a d ( m / s )R i o

1 . 2 91 . 0 3 a 1 . 5 4

4 . 1 2 a 6 . 1 71 . 5 4 a 2 . 5 7

1 . 0 30 . 7 7 a 1 . 8

2 . 1 a 5 . 6 61 . 0 3


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2.3 Demanda Energtica de la ZonaEn Primer lugar hay que sealar que este desarrollo tecnolgico fue pensando

principalmente en las necesidades energticas de la poblacin rural. Es importante indicartambin, que antes de hacer los diseos tcnicos e inclusive hacer la propuesta financiera alos que apoyaron el proyecto, fue necesario hacer un anlisis de las necesidades del sector

rural a fin de disear un modelo que por un lado ofrezca una solucin al problema de lafalta de energa de la poblacin rural y por otro lado que su costo est al alcance al menosde una buena fraccin de esta poblacin rural peruana.Entre otros datos relevantes para el diseo, por ejemplo, se encontr que la demandaenergtica oscila entre los 20 y 45 Kwh. al mes y que los ingresos anuales de la poblacinestn concentradas en el rango de US$ 450 a US$ 800 por familia (con pocas excepciones),que las necesidades de consumo ms urgentes de energa elctrica para ese sector de la

poblacin que se estima en base a 60 familias es la iluminacin (2 focos de 50 W),pequeas radios de 20 W, TVs de 70 W y 1 VHS de 60 W en un tiempo aproximado de 4

horas.Tomando en cuenta todos estos elementos y otros, se lleg a determinar que una turbina dero de 250W podra satisfacer medianamente estas necesidades, ya que una turbina de esta

potencia puede producir aproximadamente un promedio de 1.5 Kw hora. de energa por daa velocidades de ro promedio de 1 m/s. Obtenindose as un promedio de generacinmensual de 45 Kwh., cantidad que como se indica en el prrafo anterior, cubre lasnecesidades bsicas promedio de una familia.

Consumo Energtico por Familia

2 focos de 50 W = 100 W1 radio de 20 W = 20 W1 Tv de 70 W = 70 W1 VHS de 60 W = 60 WEntonces:Consumo Promedio por familia = 250 WTiempo de consumo = 4 horas/dia.Consumo Promedio diario por familia = 250 W x 4 (horas/dia) = 1000 W x horaConsumo Promedio diario por familia = 1 Kw.hora

Consumo Promedio mensual = 1 (Kw x hora/familia) x 30 das = 30 Kw. hora/familia.

Potencia Generada por la TurbinaPotencia media = 250 WTiempo en Funcionamiento = 6 horas/diaPotencia Generada diaria = 250 W x 6 (horas/dia) = 1500 W.= 1.5 Kw. hora.Potencia Generada mensual = 1.5 Kw. hora x 30 das = 45 Kw.hora.Asimismo, tecnolgicamente se ha optimizado el uso de materiales y componentes demodo que permita bajos costos y pueda en un plazo corto ser una alternativa real en el

mercado, es as que el costo aproximado de esta mquina para el comprador final se estimaque ser de aproximadamente US$ 2451.4 incluyendo la embarcacin y todos sus


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componentes (excepto la batera), costo que puede fcilmente competir con otrasalternativas tcnicas.2.3.1 Instalacin del primer prototipo

La instalacin de un equipo en calidad de prueba fue la primera fase del desarrollo, esteequipo fue donado en su totalidad por Thropton Energy Systems (TES-UK). El equipo

estaba compuesto por un rotor tripala (de fibra de vidrio), un generador elctrico acopladodirectamente a un generador multipolo a travs de un eje tubular y un tablero de control decarga de bateras. Los resultados del modelo instalado sirvieron como una fuenteimportante de informacin en el proceso de aprendizaje del equipo tcnico, no solamenteen el tema tcnico sino en el tema social, sirvi para obtener informacin valiosa para eldesarrollo de un nuevo modelo bajo el concepto de tecnologa apropiada, utilizandomateriales locales as como conocimientos y habilidades locales.Ese proceso de desarrollo se inici en Agosto de 1999, con la instalacin del primer

prototipo por el equipo Tcnico del Programa de Energa de ITDG y los pobladores de la

comunidad de El Paraso. El funcionamiento de la mquina prototipo instalada fuealtamente irregular, entre otras cosas debido a que la mquina donada no haba sido

probada en campo. Las fallas fueron tanto en los componentes elctricos y electrnicos, ascomo en los componentes mecnicos. A pesar de ello, en el poco tiempo que estuvofuncionando el equipo los resultados fueron alentadores.

Fig. 2.3 Instalacin del primer prototipo

2.3.2 La organizacin de la comunidadSi bien el proyecto tena esencialmente objetivos tcnicos y por lo tanto la mquina decarcter piloto, deba mostrar principalmente resultados sobre su comportamiento. Elequipo encargado del desarrollo consider de mucha importancia trabajar en el tema de la

organizacin, tanto para el apoyo necesario de la comunidad durante toda la etapa dedesarrollo as como para la futura operacin y mantenimiento del equipo y el uso de laenerga. Fue as que se realiz un estudio socioeconmico de la comunidad con la


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participacin activa de la poblacin a fin de identificar las principales necesidades bsicas,el nivel de organizacin y el grado de instruccin y habilidades de los pobladores. En basea este estudio se consider muy importante trabajar en el tema de creacin de la capacidadlocal y de la organizacin para el correcto manejo de los equipos y el eficiente uso de laenerga. Un tema importante fue definir el tipo de organizacin que tendra a cargo la

responsabilidad del manejo y administracin del sistema en su conjunto (generacin,cargador de bateras, TV, VHS). Despus de un anlisis conjunto entre la poblacin,autoridades e ITDG se lleg a la decisin de formar un Comit de Administracin yGestin, que se encargara de dar cuenta del manejo del sistema en su conjunto, as comode velar por su buen estado.

2.3.3 La capacitacin en Operacin y MantenimientoLos miembros del Comit y los encargados de la operacin del equipo deban sercapacitados para el manejo y administracin de los servicios instalados. En consecuencia la

capacitacin se dio en dos rubros: tcnico y administrativo. En la capacitacin se utilizcon bastante insistencia el principio de aprender haciendo, es decir en la medida en que sehaca la instalacin las autoridades y pobladores intervenan en el montaje de los equipos;esta metodologa tuvo importantes resultados, ya que al final del proceso de instalacin se

poda contar con un grupo importante de pobladores con el conocimiento y habilidadnecesarias para el montaje y desmontaje de la turbina en su conjunto. La capacitacin no selimita a la formacin de los comuneros a cargo de la operacin y mantenimiento de losequipos, sino a toda la poblacin, por cuanto era imprescindible que los pobladoresconozcan algunos temas crticos como la capacidad de generacin de los equipos y por

ende la capacidad de suministro de energa, la necesidad de cuidado en trminos deoperacin y mantenimiento y la necesidad de contar con sistemas sostenibles en el tiempo.

2.4 Los impactos en la poblacinEl proyecto durante su desarrollo, atraves etapas de incertidumbre, sin embargo pese aello la organizacin comunal continu impulsando el desarrollo total del mismo. Elliderazgo de los representantes de la comunidad ha sido muy importante para contar con lamano de obra local, as como el apoyo brindado a la instalacin de los equipos. Esto haservido para que otras comunidades como Petrona se hayan beneficiado con la

implementacin de otros equipos, como parte de este proyecto. La economa de lasfamilias de El Paraso se ha visto favorecida ya que es posible brindar el servicio decargado de bateras en la propia comunidad y a un costo menor en relacin a Mazn, sinincluir los gastos en transporte o tiempo dedicado para este efecto. Se estima que cadafamilia que haca uso de este servicio estara ahorrando un promedio de 6 soles por cadarecarga que realice.El impacto de los servicios de educacin y salud han servido para identificar dos factoresimportantes: la utilizacin de la energa para el alumbrado de aulas y el funcionamiento deTV y VHS son importantes, ya que no slo han mejorado el servicio de iluminacin sino

que los docentes tienen la oportunidad de utilizar dichos equipos en el proceso deenseanza - aprendizaje, mejorando as el aprovechamiento de los educandos. La


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salubridad, beneficiada tambin por la iluminacin en el tpico, es la que hace posible quela atencin se realice en condiciones ms favorables.

2.5 Estado Hidrolgico del Ro Napo2.5.1 Anlisis del nivel de agua

El comportamiento del nivel del agua de los ros Amazonas, Nanay, Napo y Corrientes, semuestra en la Tabla 2.2 y la Fig. 2.3, donde podemos observar que los niveles de los rosdescendieron con respecto al mes anterior; as mismo, en el caso de los ros Nanay yCorrientes sus niveles medios mensuales superaron a sus valores normales de agosto en0,3m y 2,5m. respectivamente. En el caso del ro Amazonas no presenta anomalasrespecto a su valor normal y el ro Napo presenta en sus niveles una anomala de -1,0m conrespecto a su valor normal de agosto.

RIO Julio Agosto - 2003 NORMAL ANOMALIA

Nmed. (m) Nmed (m) Nmax (m) Nmin (m) AGOSTO (m)

AMAZONAS 114.2 110.9 111.4 110.3 110.9 0.0

NANAY 113.6 110.8 111.2 110.4 110.5 0.3

NAPO 4.1 2.9 3.5 2.6 3.9 -1.0

CORRIENTES 5.1 5.0 6.4 4.1 2.5 2.5

Tabla 2.2 Comportamiento de los niveles de los ros de la selva norte

Fig. 2.4 Limnigrama de niveles medios mensuales del Ro NapoFuente: Boletn Meteorolgico e Hidrolgico del Per (Senamhi, Agosto del 2003)


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2.5.2 Medidas de Proteccin contra palizadasNo existe un mecanismo de proteccin contra las palizadas que funcionesatisfactoriamente en los ros de la amazona. Sin embargo, se tuvo en consideracin unmecanismo de proteccin contra palizadas utilizada en el Ro Amazonas el cual consiste de

una lnea de troncos flotantes amarrados a cables mediante complementos de sujecin yelementos de amarre. En el extremo de tierra esta anclado a un macizo de anclaje en laribera y la lnea de troncos asegura su flotabilidad por la densidad de la madera siendofijada su posicin por boyas, que con sus respectivos anclajes al ro aseguran la posicindel sistema.

BM. SAN PABLO

105105105

100

100

100

100

100

9595

SAN

PABLO

10410310299

99

101

9897

96 9899

101

102

104

103 102101

100

97

9694

9499

9 555 600,00-N

PONTON

PU ENTE

BAS C U LANTE

ESTRIBO

BOYA 2

BOYA 3

EMBARCACION

MACIZO 2

PANTALLA 2

MACIZO 3

VEREDA

9697

CABLE

C1

CABLE

C2

CABLE

C4

CABLE

C3

CABLE

C4A

EJEBISAGRA (101,15)

CABLE

C1A

96.64

100.21

97.30

95.30

98.18

P-4

C-5

C-4 C-3

P-3

102.16

98.25

102.30

C-2

P-2

C-1

P-1

BOYA 1

FLOTANTEANCLA 2

ANCLA 1

ANCLA 3

??

??

PANTALLA 3

MACIZO 1

PANTALLA 1

CABLE

C1B

CABLE C8

CABLE C6

CABL

EC1

0

CABL

EC11

CABL

EC12

CABLE C7

CABLE C5BCABLE C5A

SISTEMA PROTECTOR DEPALIZADA

H

J

Mecanismo de Proteccin contra palizadas

En el caso de la Turbina de Ro, se sabe que en el periodo que ha estado enfuncionamiento, sta no ha tenido problemas con arrastre de materiales (ramas, troncos,

etc), no necesariamente por la resistencia del material, sino por la ubicacin de la turbinarespecto a las corrientes de agua. Por tanto, en la evaluacin de campo tambin esimportante identificar el lugar de instalacin de la turbina. Adems, el sistema se desinstalasencillamente para su traslado a lugares alternativos y de mejores condiciones ante la

presencia de palizadas con un mnimo de mano de obra y esfuerzo. Se puede apreciar en laFig. 2.5, un Sistema de Anclaje alternativo de la Turbina de Ro el cual mantiene a laTurbina funcionando correctamente.


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Fig. 2.5 Sistema de Anclaje

2.5.3 Consideraciones para satisfacer la Potencia NominalLas consideraciones necesarias para satisfacer la Potencia Nominal de generacin deenerga elctrica estn relacionadas a la seleccin del lugar de instalacin de la Turbina deRo, por lo tanto es necesario contar con la siguiente informacin bsica en Temporadasde Vaciante y Creciente:

= Tramo aconsejable

= Tramo ideal

= Tramo no aconsejable

UBICACION APROPIADA PARA UNA TURBINA DE RIO

Orilla del RioMadera o Varillade Control

Velocidad del RoAprox. 1 m/s

Cable de Anclaje

Poste de Anclaje


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a) La Mxima y Mnima velocidad de la corriente del Ro NapoEn la Tabla 2.1 se da un rango de velocidades del Ro Napo para la Temporada deVaciante las cuales estn comprendidas entre 0.77 m/s y 1.3 m/s.De la misma tabla, en la Temporada de Creciente, el rango de velocidades flucta entre2.06 y 2.83 m/s. Adems para efectos de generacin de energa elctrica, la mnima

velocidad de la corriente del ro es de 0.5 m/s, a partir de la cual se puede comenzar con lacarga de la batera. Cuando la velocidad de la corriente del Ro Napo supera el valor de1.5 m/s existe la posibilidad de tener sobrecargas en la generacin de energa elctrica. Sinembargo, el Sistema (que incluye a la Turbina, el Pontn, el Sistema de Anclaje, etc.),cuenta adems con un Regulador de Carga, el cual regula el estado de carga entre limites

preestablecidos (para la Turbina de Ro ste limite se encuentra entre 0.5 y 1.5 m/s), con locual se estara evitando sobrecargas de generacin de energa elctrica.

b) Nivel Mnimo til

El nivel mnimo til del Ro Napo depende de la componente vertical del dimetro de laTurbina de Ro, sta es igual a 2 x Cos30 1.73 m, lo que nos indica que ste nivelmnimo til debe ser al menos de 1.75 m. para nuestro caso. A continuacin, se presenta elRgimen Hidrolgico del Ro Napo.

2.5.4 Rgimen Hidrolgico del Ro NapoSe caracteriza por presentar su temporada de creciente o aguas altas durante los meses deMayo a Agosto, y su temporada de vaciante o aguas bajas de Diciembre a Febrero, talcomo corresponde a los ros originados en la vertiente de los andes del norte.

Temporadasde creciente y vaciante de los ros Amazonas, Putumayo y Napo

Como se puede apreciar en las Tablas 2.3 y 2.4, en la temporada de vaciante (Diciembre Febrero), el nivel del Ro Napo desciende a un nivel mnimo (2.2 m). Aun as, los valoresde los niveles mnimos del Ro Napo que se muestran en ambas tablas, satisfacen losrequerimientos de nivel mnimo til para la Turbina de Ro (1.75 m.).En Temporada de Creciente se tiene la Tabla 2.5 en donde se puede apreciar el nivelmximo del Ro Napo (7.50 m). Existe la posibilidad de que bajo estas condiciones elsistema pueda tener sobrecargas en la generacin de energa. Sin embargo, el sistema seregula manualmente por el operario que se encuentra en el bote quien deber elevar laTurbina cuando esta sufra cambios bruscos en el nivel de la corriente del ro.


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Por lo tanto, tomando en cuenta estas consideraciones como lo son la Mxima y Mnima

Velocidad de la corriente del Ro Napo (0.5 Vrio 1.5 m/s) y el Nivel mnimo til de lamisma (Nivel mnimo =1.75 m), se llega a la conclusin de que la Turbina de Ro notendr ningn inconveniente para satisfacer la potencia nominal en la generacin de

energa elctrica.

RIO Diciembre Enero - 2004 NORMAL ANOMALIA

Nmed. (m) Nmed (m) Nmax (m) Nmin (m) ENERO (m)

*AMAZONAS 113.62 115.35 115.91 113.35 114.17 1.19

*NANAY 113.07 114.86 115.29 113.07 113.41 1.46

**NAPO 2.78 2.68 3.78 2.31 2.24 0.45

**CORRIENTES 5.2 2.7 5.21 2.1 2.34 0.33

Tabla 2.3 Comportamiento de los niveles de los ros de la selva norte durante la

Temporada de Vaciante (Diciembre Enero del 2004)

RIO Enero Febrero - 2004 NORMAL ANOMALIA

Nmed. (m) Nmed (m) Nmax (m) Nmin (m) FEBRERO (m)

*AMAZONAS 115.21 112.08 112.82 111.67 114.78 -2.7

*NANAY 114.55 111.23 112.04 110.83 114.12 -2.89

**NAPO 2.28 2.25 2.9 2.2 4.05 -1.8

**CORRIENTES 2.46 5.06 6.4 4.1 2.5 2.5

Tabla 2.4 Comportamiento de los niveles de los ros de la selva norte durante laTemporada de Vaciante (Enero Febrero del 2004)

RIO Julio Agosto - 2004 NORMAL ANOMALIA

Nmed. (m) Nmed (m) Nmax (m) Nmin (m) AGOSTO (m)

AMAZONAS 113.62 110.32 112.84 107.60 110.90 -0.58

NANAY 113.06 110.33 112.33 108.73 110.52 -0.19

NAPO 7.39 6.24 7.5 4.73 4.90 1.34

CORRIENTES 5.22 2.58 3.78 1.35 2.73 -0.15

Tabla 2.5 Comportamiento de los niveles de los ros de la selva norte durante laTemporada de Creciente (Julio Agosto del 2004)

* Niveles expresados en m.s.n.m.** Niveles expresados en m.

Fuente: Boletn Meteorolgico e Hidrolgico del Per (Senamhi, Diciembre Febrerodel 2004)


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14

Estticas o de presin: Celulares (paletas), de engranajes, helicoidales, etc.Las ruedas hidrulicas son mquinas capaces de transformar la energa del agua, cinticao potencial, en energa mecnica de rotacin. En ellas, la energa potencial del agua setransforma en energa mecnica, como se muestra en la Fig.3.1 c, o bien, su energacintica se transforma en energa mecnica, como se indica en la Fig. 3.1 a y b.

a b cFig. 3.1 Rueda Hidrulica

Se clasifican en: Ruedas movidas por el costado Ruedas movidas por debajo Ruedas movidas por arriba

Su dimetro decrece con la altura H del salto de agua. Los cangilones crecen con elcaudal. Los rendimientos son del orden del 50% debido a la gran cantidad de engranajesintermedios. El numero de rpm es de 4 a 8. Las potencias son bajas, y suelen variar entre 5

y 15 Kw., siendo pequeas si se las compara con las potencias de varios cientos de MWconseguidas en las turbinas.Por su parte, una turbomquina elemental o monocelular tiene bsicamente, una serie dealabes fijos, (distribuidor), y otra de alabes mviles, (rueda, rodete, rotor). La asociacin deun rgano fijo y una rueda mvil constituye una clula; una turbomquina monocelular secompone de tres rganos diferentes que el fluido va atravesando sucesivamente: eldistribuidor, el rodete y el difusor.El distribuidor y el difusor,(tubo de aspiracin), forman parte del estator de la mquina, esdecir, son rganos fijos; as como el rodete est siempre presente, el distribuidor y el

difusor pueden ser en determinadas turbinas, inexistentes.El distribuidores un rgano fijo cuya misin es dirigir el agua, desde la seccin de entradade la mquina hacia la entrada en el rodete, distribuyndola alrededor del mismo, (turbinasde admisin total), o a una parte, (turbinas de admisin parcial), es decir, permite regular elagua que entra en la turbina, desde cerrar el paso totalmente, caudal cero, hasta lograr elcaudal mximo. Es tambin un rgano que transforma la energa de presin en energa develocidad; en las turbinas hlico centrpetas y en las axiales est precedido de una cmaraespiral (voluta) que conduce el agua desde la seccin de entrada, asegurando un repartosimtrico de la misma en la superficie de entrada del distribuidor.

El rodete es el elemento esencial de la turbina, estando provisto de alabes en los que tienelugar el intercambio de energa entre el agua y la mquina.


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b) Turbomquinas generatrices, que aumentan la energa del fluido que las atraviesabajo forma potencial, (aumento de presin), o cintica; la energa mecnica que consumenes suministrada por un motor, pudiendo ser:a) Bombas de alabes, entre las que se encuentran las bombas centrfugas y axiales

b) Hlices marinas, cuyo principio es diferente a las anteriores; proporcionan un empuje

sobre la carena de un buquec) Turbomquinas reversibles, tanto generatrices como motrices, que ejecutan una seriede funciones que quedan aseguradas, mediante un rotor especfico, siendo las msimportantes:Grupos turbina-bomba, utilizados en centrales elctricas de acumulacin por bombeo.Grupos Bulbo, utilizados en la explotacin de pequeos saltos y centrales maremotricesd) Grupos de transmisin o acoplamiento, que son una combinacin de mquinasmotrices y generatrices, es decir, un acoplamiento (bomba turbina), alimentadas encircuito cerrado por un fluido, en general aceite; a este grupo pertenecen los cambiadores

de par.3.2.2 Segn la presin en el rodeteLas turbinas se clasifican en:a) Turbinas de accin o impulsinEn las turbinas de accinel agua sale del distribuidor a la presin atmosfrica, y llega alrodete con la misma presin; en estas turbinas, toda la energa potencial del salto setransmite al rodete en forma de energa cintica. En las turbinas de accin, el empuje y laaccin del agua coinciden. Ejemplo la Turbina Pelton

Fig. 3.2 Turbina de Accin

b) Turbinas de reaccin o sobrepresinEn las turbinas de reaccin el agua sale del distribuidor con una cierta presin que vadisminuyendo a medida que el agua atraviesa los alabes del rodete, de forma que, a lasalida, la presin puede ser nula o incluso negativa; en estas turbinas el agua circula a

presin en el distribuidor y en el rodete y, por lo tanto, la energa potencial del salto setransforma, una parte, en energa cintica, y la otra, en energa de presin.El difusor o tubo de aspiracin, es un conducto por el que desagua el agua, generalmentecon ensanchamiento progresivo, recto o acodado, que sale del rodete y la conduce hasta elcanal de fuga, permitiendo recuperar parte de la energa cintica a la salida del rodete paralo cual debe ensancharse; si por razones de explotacin el rodete est instalado a una ciertaaltura por encima del canal de fuga, un simple difusor cilndrico permite su recuperacin,

que de otra forma se perdera. Si la turbina no posee tubo de aspiracin, se la llama deescape libre. En las turbinas de reaccin, el empuje y la accin del agua son opuestos. Esteempuje es consecuencia de la diferencia de velocidades entre la entrada y la salida del agua


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16

en el rodete (w1w2), segn la proyeccin de la misma sobre la perpendicular al eje degiro.

Fig. 3.3 Turbina de Reaccin

3.2.3 Segn la direccin de entrada del aguaEstas pueden clasificarse en:a) Turbinas AxialesEn las axiales, (Kaplan, hlice, bulbo), el agua entra paralelamente al eje, tal como semuestra en la Fig. 3.4:

Fig. 3.4 Turbina Axial

b) Turbinas Radiales (centrpetas y centrfugas)En las radiales, el agua entra perpendicularmente al eje, siendo centrfugas cuando el aguava de dentro hacia afuera, y centrpetas, cuando el agua va de afuera hacia adentro,(Francis).

Fig. 3.5 Turbina Radial

c) Turbinas Tangenciales

En las tangenciales, el agua entra lateral o tangencialmente (Pelton) contra las palas,cangilones o cucharas de la rueda.


23/74

17

Eje de Giro

Fig. 3.6 Turbina Tangencial

3.2.4 Turbinas de Ro o de Cada CeroLa Turbina de Ro no es mas que un aerogenerador subacutico con un rotor de dos o tres

palas. El rotor se suspende desde un pontn flotante, con la transmisin, generador, etc.por encima de la cubierta. Una turbina de ro transforma la energa cintica de una masafluida de agua. A diferencia de un esquema convencional, su instalacin no requiere untrabajo de ingeniera civil aparte de un poste de amarre. Esta flexibilidad hace que la turbinasea conveniente para el uso en las corrientes de las mareas y estuarios. El diseo de laTurbina de Ro desarrollado y mejorado es la turbina Garman, siendo el Cargador deBateras (Aquacharger) un complemento de esta. Adems, dichas turbinas son generadorasde energa descentralizadas aplicables a ciertas reas sin acceso a una gran red dedistribucin de energa. La Turbina de Ro convierte la fuerza del agua en energa rotatoriadel eje, una transmisin que utiliza faja y poleas aumenta la velocidad y un generadortransforma la energa mecnica del eje en energa elctrica.

a) Turbina GarmanLa Turbina Garman fue diseada originalmente como una maquina para el bombeo deagua, para el suministro de agua a las comunidades para uso agrcola en frica del Norte.Posteriormente esta turbina se ha adaptado para generar electricidad y puede adems serutilizado como una maquina para un propsito doble, bombeo de agua o generacin deelectricidad. Dependiendo de la disponibilidad del recurso, puede producir por encima delos 2 Kw. de potencia generada (o de salida) y es un reemplazo para la bomba diesel (3HP)de tres pulgadas utilizada en muchas situaciones agrcolas.

Fig. 3.7 Canoa con la Turbina Garman en el Ro Napo


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18

b) Turbina Aquacharger o Cargador de BateraEl Aquacharger (o cargador de batera) es una turbina para cargar bateras para elsuministro de energa elctrica domstica o para el uso de los centros de salud del pueblo,las escuelas o instalaciones similares. Es ms pequeo que la Turbina Garman y puede

producir por encima de los 500W de energa elctrica.

Fig. 3.8 Cargador de Bateras (Aquacharger)


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19

4. DISEO DE LA TURBINA DE ROEste capitulo tiene por objeto el de exponer ciertos criterios que se deben tener en cuenta

para el diseo del rotor optimo de una turbina.

4.1 Diseo Hidrulico

Se describe los principios bsicos de las turbomquinas aplicados a los rotores, laobtencin de los coeficientes de potencia y de celeridad (relacin de velocidad en la puntade la pala) tambin llamado coeficiente de velocidad tangencial, muy importantes en eldiseo de las turbinas, luego de un anlisis adimensional.4.1.1 Principios HidrulicosPara facilitar el anlisis terico de la transferencia de energa entre el agua y las palas delrotor consideraremos al rotor como una turbomquina axial tal como se representaesquemticamente en la figura siguiente:

Fig. 4.1

Como se puede observar, al agua ingresa axialmente sufriendo un cambio en la direccin alentrar en el rotor. En el presente estudio, se analiza primero el modelo matemtico simplede un rotor y un flujo ideal, es decir, un modelo matemtico simple de las siguientescondiciones:

1. Flujo de agua bidimensional y sin friccin interna.2. Proceso estacionario y posicin inclinada del eje del rotor.3. Se asume que las palas son de espesor imaginario.

En realidad se tiene un flujo con friccin y paletas reales, las cuales influyen en ladireccin de las lneas de corriente y por ello la transformacin ideal de energa sufreinfluencias los cuales se corrigen usando coeficientes de diseo experimentales.

4.1.2 La Ley de Cantidad de Movimiento para el modelo matemtico

La potencia tcnica en el eje del rotor es igual al producto de la velocidad angular

(rad/s), por el torque entregado por el rotor (Kg. x m). Como para un proceso estacionariola velocidad angular es constante obtenemos en realidad la transferencia de este torque.

c1u

u11

c1a c1

w 1

1

c2a

c2uu22

2

w2

c2

FRONTERA DELVOLUMEN FIJO


26/74

20

El torque es el producto de un brazo por una fuerza originada en el cambio de impulso delflujo de agua. Como en un proceso estacionario el flujo de masa es constante y la rotacindel rotor tiene lugar en el volumen fijo del proceso, este cambio de impulso dependesolamente del cambio de la velocidad absoluta a travs del volumen fijo, es decir, a travsdel rotor.

Por lo tanto, analizamos el problema de la transformacin de la energa a partir del cambiode las velocidades absolutas del modelo matemtico simple.

Fig. 4.2

Los vectores de velocidades absolutas, de arrastre y relativa se designan por convencininternacional como los escalares c, u y w respectivamente, suponiendo que estnmultiplicados por sus vectores unitarios correspondientes.Las velocidades u de arrastre son iguales a:

u1= r1 (m/s)

u2= r2 (m/s)

El flujo entra al volumen fijo con la velocidad relativa w1 (m/s) y sale con la velocidadrelativa w2 (m/s) orientado en la direccin de la lnea de corriente relativa. El vector de lavelocidad absoluta es la suma de los vectores de las velocidades de arrastre y relativa. Deesta manera se construyen los tringulos de velocidades de entrada y salida con los ngulos

y respectivos entre las direcciones de las velocidades de arrastre (u) y absoluta (c) yentre las velocidades de arrastre y relativa.Aplicando la Ley de Impulso en la direccin tangencial (la suma de las componentes de las

presiones en la direccin tangencial es cero) se encuentra la fuerza resultante que ejerce elflujo sobre las palas:

, ya que el flujo es estacionario:cdAccdVt

dVgFAVV

).().( +=+

r1

FRONTERA DEL VOLUMEN FIJO

r2

w2

c1a

1

u1

c1u

1

c1

w12

u2c2u2

c2a c2


27/74


28/74

22

)( 12 uu cRcRmMW ==

ya que Ru =

Entonces: )()( 12 Ws

JccumW

uu==

El trabajo especifico transformado o trabajo especifico de Euler es:

)/()( 12 KgJccuw uuE =

El caudal es igual al producto del rea de salida por la componente de la velocidad absolutac2a en la direccin axial, es decir:

)/( 32 smcAV as=

que es lo mismo: )/( 32 smcAQ as=

4.1.3 Transformacin de la Energa Cintica a travs del rotor

Aplicando la Ley de cosenos a los tringulos de velocidades de entrada y salida, se obtiene:

22222

22

22 cos2 cuucw += (1)

Pero: ucc 222 cos =

En (1): ucuucw 2222

22

22 2+= (2)

Tambin: 11121

21

21 cos2 cuucw += (3)

Como:ucc 111 cos =

En (3): ucuucw 1121

21

21 2+= (4)

Luego (2) (4):

)(2)()( 112221

22

21

22

21

22 uu cucuuuccww +=

De aqu se deduce que como:

)( 12 uuE ccuw = Entonces, el trabajo especifico de Euler resulta:

)/()(2

1)(

2

1 21

22

21

22 KgJwwccwE

+=

El trmino )(2

1 21

22 cc representa el cambio de la energa cintica especifica.

El trmino

)(2

1 21

2

2 ww representa el cambio en la energa esttica especifica (J/Kg)

/west/.


29/74

23

4.1.4 Grado de ReaccinEs la relacin entre la transformacin de la energa esttica especifica en el rotor y latransformacin de la energa especifica de Euler /wE/:

)]([)(

)(21

22

21

22

21

22

wwcc

wwGR

+

=

Entonces:)()(

)(21

22

21

22

21

22

wwcc

wwGR

=

Con el grado de reaccin se puede sacar conclusiones sobre la forma necesaria de laspaletas.Entre puntos situados inmediatamente antes y despus de la rueda para un mismo radio

existe una diferencia de presiones p, por lo tanto, el rotor recibe un empuje. Puesto que lacada de presin es solo en el rotor, el grado de reaccin es igual a uno, es decir, 100% dereaccin: la energa total a travs del rotor se transforma en energa esttica.

Como w2 w1, de la ultima ecuacin de GR:

uu ccycccc 121221

22 0 ===

Este resultado se muestra en la Fig. 4.4.

c1 w2

c2 = c1

w1

u u

Luego: u1 + w1 = u2 + w2

c2u = c1u

c2 = c1

Grado de Reaccion (G.R.) = 1

Fig. 4.4 Triangulo de Velocidades

Como se puede apreciar, la expansin se realiza totalmente en las paletas del rotor, lascuales tendrn un perfil como el indicado en la Fig.4.5


30/74

24

Fig. 4.5 Perfil de las Palas

4.1.5 Consideraciones de SemejanzaEntre los diferentes tipos de turbomquinas existe una semejanza. Como adems el anlisisdel flujo portador de energa (agua) es complejo, se pueden y tienen que hacerinvestigaciones con modelos, para obtener informaciones que se pueden referir a nmerosadimensionales para un prototipo, en base a consideraciones de semejanza geomtrica,cinemtica y dinmica con el modelo. Se necesita seleccionar las variables caractersticasfsicas de las turbinas de ro y deducir los nmeros adimensionales con el Teorema deBuckingham.Siendo parmetros experimentales, valen para el punto de diseo, es decir, en el puntooptimo del aprovechamiento de la energa.

a) El anlisis adimensionalLas variables fsicas ms importantes para turbinas son:

La potencia tcnica producida en el eje, )//( sNxmsJWt =

Radio del rotor, representa la dimensin del rotor para una serie de rotores similares,

R (m).

Densidad del agua, (Kg/m3) Componente de la velocidad del flujo, v0 (m/s).

Viscosidad absoluta del portador de energa, (Nxs/m2)

Velocidad angular del rotor, (rad/seg) Presin del agua, p (N/m2);. Relacin de las presiones de entrada y de salida del rotor, p1/p2 adimensional.Las variables fsicas con sus dimensiones en el sistema F, L, T son:

Potencia tcnica producida en el eje ( tW

) = F L T-1

Radio del rotor (R) = L


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25

Densidad del agua () = F T2 L-4 Componente de la velocidad del flujo (v0) = L T

-1

Viscosidad absoluta del portador de energa () = F T L-2

Velocidad angular del rotor () = T-1 Presin del agua (p) = F L-2

Relacin de las presiones de entrada y de salida del rotor (p1/p2) = 0

Por el teorema de Buckingham, se sabe que se pueden formar cinco gruposadimensionales, pues se tienen tres dimensiones o unidades independientes.

0,,,,,,,22

14

2

L

F

L

FxTT

T

L

L

FxTL

T

FxL

Estos cinco grupos adimensionales se pueden desarrollar combinando tW

, R y con cadauna de las otras variables de tal modo que:

01 ...11

1

vRWt

=

=

... 222

2

RWt

... 333

3 RWt

=

pRWt ... 444

4

=

2

15

p

p= , ya es adimensional

Entonces:1421

1 .)(..)(111 = TLLTFLTLF ... (1)

1421 ...

1111111 = TLLTFLTLF

1111 0 ==+

15014 11111 =+=++

3/2,3/1,3/113012 111111 =====+

En (1):13/1423/23/11

1 .)(..)(= TLLTFLTLF

Luego: 03/13/2

3/1

1 ... vRWt

=

03

2

1 ..

v

W

R

t

=

14212 .)(..)( 222

= TLTFLTLF ...(1)142

22222222 .. = TLTFLTLF


32/74

26

2222 0 ==+

0504 22222 =+=+

3/5,3/1,3/1013012 222222 =====+

En (1):13/1423/53/11

2 .)(..)(= TLTFLTLF

=

... 3/13/53/1

2 RWt

Entonces: = ..

3

5

2

tW

R

24213 .)(..)(

333 = LTFLTFLTLF ...(1)242

33333333 .. = LTFLTFLTLF

101 3333 =+=++ ...(a)

24024 333333 =+=+

)...(12012 3333 b=+=++

(a) + (b): 3/1,3/13/223 3333 ====

En (1):23/2423/3/11

3 .)(..)(= LTFLTFLTLF

... 3/23/13/1

3

= RWt

Entonces:

.1

32

3

RWt

=

24214 .)(..)(

444 = LFLTFLTLF ...(1)242

44444444 .. = LFLTFLTLF

101 4444 =+=++ ...(a)

24024 444444 =+=+

)...(202 4444 b ==+

(b) en (a): 3/4,3/23/113 4444 ====

En (1):23/1423/43/21

4 .)(..)(= LFLTFLTLF

pRWt ... 3/13/43/2

4

=

Entonces:p

W

R

t

.

.

32

4

4

=


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27

La solucin de los nmeros adimensionales o 's es:

03

2

1 ..

v

W

R

t

=

, = ..

3

5

2

tW

R ,

...

13

23

RWt

=

p

W

R

t

.32

4

4 =

,2

1

5 pp=

y la ecuacin anterior se reduce a:

f ( 1 , 2 , 3 , 4 , 5 ) = 0

De acuerdo al anlisis dimensional, la relacin entre los 's solo se puede establecer

experimentalmente. Los 's permanecen constantes para rotores similares y condiciones

cinemticamente y dinmicamente similares, independientemente de la velocidad angular ylas dimensiones de los rotores; son criterios del flujo.Para las turbinas de ro, el agua se considera incompresible. Las variables significativas

para este tipo de maquina son: la velocidad del ro v0, la velocidad angular, el radio del

rotor R, con la potencia tW

como variable dependiente.

Con el fin de obtener los nmeros adimensionales ms importantes con respecto a estasvariables significativas se acostumbra reagrupar los nmeros adimensionales de la ultimaecuacin de la siguiente manera:

El coeficiente de Potencia (Cp)Da la relacin entre la potencia entregada en el eje tW

y la energa cintica por unidad de

tiempo que lleva la corriente de agua antes de atravesar el rotor 302

21 vR :

)(12

130

221

3

1

fvR

WC t

p==

=

La celeridad de diseo o relacin de velocidad en la punta de la pala (0)Da la relacin entre la velocidad en la punta de la pala R (velocidad tangencial) y la

velocidad del agua delante del rotor v0:),( 21

01

20

f

v

R=

==

La velocidad angular especifica (ns)

Es la relacin entre tW

, v0 y en conjunto. Se puede desarrollar esta relacin a partir de

Cp y 0, eliminando el radio R:

2/5

0

2/1

2/12/1

02/1 2

v

WCn tps

==


34/74

28

Entonces:2/5

02/1

2/12/1

2

v

Wn ts

=

El Nmero de Reynolds (Re)Expresa la influencia de las fuerzas viscosas de un flujo no ideal.

Reagrupando 1 y 3 :

0

3

03

2

3

1 ..

.2

1

..

..

vD

t

v

t

R

RW

W==

),(Re 310

f

Dv==

Cabe sealar que estos conceptos se tomaron del libro Energa del Viento y Diseo deTurbinas Elicas", Autor R. Bastianon, 1992, Ed. Tiempo de Cultura, Argentina.

Las ecuaciones de los nmeros adimensionales despus de reagrupar los nmeros 's se

transforman en: f ( pC , 0 , sn , Re ,manH

p

,

2

1

p

p) = 0

f ( 1 , 2 , 3 , 4 , 5 ) = 0

La influencia del Nmero de Reynolds Re con respecto de la resistencia del flujo es

pequea cuando la velocidad aumenta, debido al aumento de la influencia de la energa dela turbulencia y a la disminucin de las fuerzas viscosas.Como las velocidades utilizadas en turbinas de ro son pequeas por lo tanto la influenciadel Re resulta considerable para esta teora general.

El nmero adimensionalmanman H

RT

H

p=

indica la influencia de la temperatura para

portadores de energa compresibles similares a la relacin de presiones2

1

p

p. Por lo tanto, la

influencia de estos nmeros adimensionales es despreciable para este tipo de turbinas. Laecuacin de los nmeros adimensionales resulta ahora:

f (Cp, 0, ns. Re) = 0El mximo valor que puede alcanzar Cp es 0.592, nunca puede excederse de este valormximo terico (este concepto es el denominado Lmite de Betz (1927) y expresa losiguiente: "La mxima potencia que se puede obtener, en teora, de una corriente de airecon una aeroturbina ideal nunca puede superar al 59,2% de la potencia del vientoincidente.". Es as que se toma este valor referencial del aerogenerador para el diseo de laTurbina de Ro). En general, Cp depende del grado de reduccin de la velocidad del agua,de la disposicin geomtrica de la maquina y de la celeridad. Cp ha sido determinado en

pruebas o ensayos efectuados en tnel de viento para diversas disposiciones de las palassiendo este de 0.8 x Cpmax = 0.47. Cuanto ms alta sea la celeridad, mayor ser el


35/74

29

coeficiente de potencia. De la Fig. 4.6 se determina el coeficiente de potencia con 0 = 5,obtenindose el valor aproximado de 0.35.

Fig. 4. 6 Tipos de RotoresDe la Fig. 4.6 se puede observar que el rango de los rotores lentos esta entre 0 y 5, y elrango de los rotores rpidos entre 5 y 10.

4.2 Principio Aerodinmico

Se expone la teora aerodinmica Teora del Diferencial de Pala, cuyo resultado seutilizara para determinar el funcionamiento y la geometra de un rotor ideal de tres palasconsiderado sin friccin viscosa.

4.2.1 Teora del Diferencial de PalaEsta teora considera que el rotor esta constituido por un nmero determinado de palas conseccin transversal en forma de perfil aerodinmico.Sea un diferencial de pala extendindose sobre una longitud dr del radio a una distancia rdel eje de rotacin como se muestra en la Fig. siguiente:

Fig. 4.7 Esquema del Diferencial de Pala

La cuerda del perfil aerodinmico esta inclinada un ngulo respecto del plano de rotacindel rotor y el movimiento del fluido sobre el diferencial de pala es el que resulta de la

velocidad frontal v del fluido y la velocidad tangencial r, correspondiente a la


36/74

30

velocidad angular del rotor. La velocidad resultante wdel fluido sobre el diferencial de

pala y el ngulo de inclinacin de esta velocidad con respecto del plano de rotacin estndeterminados por consiguiente por las ecuaciones:

w2 = v2+ 2r2 (1)

tan = v/ r (2)

Tambin el ngulo aparente de incidencia sobre el perfil aerodinmico es el ngulo : = - (3)En la Fig. 4.8 se muestra el triangulo de velocidades correspondiente, incluyendo losngulos caractersticos:

Plano de Rotacion

Cuerda de laseccion del alabe

Borde deataquev0

Vt = xr

dL

dD

Borde de Fuga

w = Vresultante

Fig. 4.8

El desarrollo de la teora del diferencial de pala se basa en las suposiciones que la fuerzaaerodinmica que acta sobre el diferencial de pala se puede estimar como la fuerza sobreun perfil aerodinmico determinado de seccin transversal constante, atravesado por el

agua que avanza con velocidad w0 y un ngulo de inclinacin y que la fuerza sobre lapala entera se puede obtener sumando las contribuciones de todos los diferenciales de palaa lo largo de esta. La teora admite claramente la no-interferencia entre los sucesivosdiferenciales de pala. Se supone que los coeficientes de sustentacin y de arrastre de cadadiferencial de pala son conocidos como funcin del ngulo de incidencia y de la forma dela seccin transversal.Segn la Fig. 4.8, el diferencial de pala experimenta una fuerza de sustentacin dL

perpendicular a la direccin del movimiento relativo del agua y una fuerza de arrastre dDen el mismo sentido del movimiento del agua. El empuje sobre el diferencial de pala en ladireccin perpendicular al plano de rotacin es:

dWa = dL cos + dD sen (N)

y el torque que se opone al giro del rotor se obtiene resolviendo en la direccin de lavelocidad tangencial:

dMr= (dL sen dD cos)x r (N x m)


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31

Borde de Fuga

Borde de ataquedD

v0

dL Sen

dL

dD Cos

Vt =xr

dL Cos

dD Sen

Plano de Rotacion

Cuerda de laseccion del alabe

w = Vresultante

Fig. 4.9

Asimismo, si c es la cuerda del diferencial de pala, las fuerzas de sustentacin y dearrastre pueden expresarse en trminos de los correspondientes coeficientes adimensionalescomo:

dL = (1/2) CL w2 c dr (N)

dD = (1/2) CD w2 c dr (N)

donde:CL, es el coeficiente de sustentacin del diferencial de pala considerada como ala del avin.CD, es el coeficiente de arrastre del mismo.Entonces, sumando las contribuciones de los correspondientes diferenciales de cada una delas B palas del rotor, el empuje y el torque para un anillo diferencial viene a ser:

dWa = (1/2) B c w2 (CL cos + CD sen) dr (4)

dMr= (1/2) B c w2 (CL sen CD cos) dr (5)

Estas dos ecuaciones representan la solucin completa del comportamiento de un rotorsegn la Teora del Diferencial de Pala y es suficiente para determinar las caractersticas decualquier rotor dado. El rotor queda definido por el numero B de sus palas, por la cuerda

variable c, por el ngulo de pala variable a lo largo de la misma y por la forma de lassecciones transversales, los coeficientes de sustentacin y de arrastre de cada una de estas

secciones se conocen como funcin del ngulo de incidencia .

El estado de operacin del rotor esta definido por la celeridad 0 = R/v0, adems se

define: )(0

mRr r

= , entonces: r

Rr

0 =

Donde: r= coeficiente de celeridad local para el radio r (r< 0)Si: r= 0, entonces r = R


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Adems, se sabe que para r = R:0

0 1tan

=

=R

v

Para r = r :0

0 1.1

tan

r

R

r

v

r

==

=

De modo que el ngulo se conoce para cada diferencial de pala sucesivo:

0

0 1.tan

r

R

r

v=

=

El ngulo de incidencia se obtiene de la ecuacin (3), el empuje y el torque totales delrotor se pueden obtener por integracin de las ecuaciones (4) y (5) a lo largo de la pala. Engeneral, esta integracin debe ser ejecutada grficamente.

4.2.2 El Nmero de Palas

Una vez definido el valor el valor nominal de la celeridad 0 de un rotor (0 = 5,

0 0 15) y del coeficiente de potencia (Cp = 0.35), estamos en condiciones deestablecer para cada radio de la pala sus respectivos valores de la cuerda c y del ngulo

, teniendo en cuenta que:

)(0

mRr

=

Para que el problema de la variacin longitudinal de la pala quede completamente resuelto

falta determinar el ngulo de inclinacin de la pala llamado tambin ngulo de torsinel cual como se sabe es igual a:

=

donde es el ngulo de incidencia aparente sobre el perfil aerodinmico, es decir, elngulo que forma la direccin de la velocidad resultante w con respecto a la direccin del

perfil que no produce sustentacin alguna. El ngulo esta directamente relacionado con

el Coeficiente de Sustentacin CL del perfil para valores de no mayores de 10 segn eltipo de perfil aerodinmico.Cuando se disea las palas de una Turbina de Ro se busca que en condiciones optimas lainfluencia del rozamiento del perfil a elegir sea reducida al mnimo, lo cual se logra para

valores de comprendidos entre 4 y 9, segn el perfil de modo que para toda la pala se

toma el mismo valor de , esto trae como resultado que el Coeficiente de Sustentacin CLsea tambin constante para todas las secciones de la pala.Para seleccionar el perfil aerodinmico que se utilizar en el rotor de una Turbina de Ro,se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones:a) La sencillez en su fabricacin.

b) Una relacin de aspecto (longitud de pala / longitud de la cuerda mayor) adecuada conel fin de obtener una profundidad de envergadura razonable. El menor desplazamiento

posible del centro de presiones del perfil aerodinmico con respecto al eje longitudinalde la pala, con el fin de evitar efectos torsionales indeseables.

Sin embargo, no todos los perfiles aerodinmicos conocidos satisfacen estas condiciones.Entre otros, se mencionan los siguientes como los perfiles mas comnmente aplicados y


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son: Clark Y, Naca 0012, Naca 0015, Naca 4412, Naca 23000 (simtrico), Naca 23018, ylos perfiles Gottingen G 419, G 428, G587, G 590, G 623 y G 682.En la eleccin del nmero de palas se requiere tener en cuenta razones no solo de tipoanaltico sino, tambin emprico que ayudaran a una mejor solucin.En las Turbinas de Ro utilizadas para generar electricidad se desea altos valores de

celeridad, de 5 a 8 o mas. Una mayor celeridad permite obtener mayores rpms del rotor ascomo requerir una menor reduccin para accionar al generador.Las Turbinas de Ro utilizan dos, tres y hasta cuatro palas de forma aerodinmica. Enaquellos lugares donde la velocidad del ro es baja, el diseo de tres palas extraer mas

potencia. La bajsima solidez (0) de los rotores de dos palas les da una celeridad y unaeficiencia aerodinmica ligeramente superior que los de su contraparte de tres palas. Unahlice de tres palas opera mas suavemente que los diseos de dos palas, los cuales tienen

problemas con el balance y vibracin conforme se incrementa la carga. La vibracinproducida por los rotores de dos palas se transmite seriamente a toda la estructura.

El rotor de tipo hlice de dos palas es muy potente, toma mas energa del agua que los detres, cuatro y que los de mltiples palas y adems gira a una velocidad de punta de pala deseis a ocho veces mayor que la velocidad del ro.Para todos los fines prcticos, el rotor de tres palas es tan bueno como el de dos palas, perotiene la ventaja adicional de poseer gran estabilidad y una baja velocidad de arranquedebido a la mayor rea efectiva de sus palas.

Fig. 4.10 Rotores de diversos tipos con sus celeridades y nmero de palas


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5. ASPECTOS TCNICOS DE LA TURBINA DE RIO

5.1 La Energa del AguaUno de los parmetros ms importantes en el tratamiento de cualquier fuente energtica esla potencia. En este caso, cuando se instala una turbina, lo que se hace es interceptar una

cierta cantidad de agua en un rea de tamao A que viene a ser el rea de la turbina,tambin se le llama rea de barrido por la maquina.

Fig. 5.1 Area de Barrido

En dicha rea se produce la transformacin de la energa cintica del agua (Ec) en potenciamecnica (P), que es entregada a travs del eje de la turbina.

5.2 Potencia SuministradaLa potencia suministrada por una Turbina de Ro, depende de la superficie barrida por lahlice y, por tanto, de la longitud y del nmero de palas.La energa cintica del agua, debida a la masa de agua en movimiento es:

Ec =(1/2) x m x v2Donde:m = masa del agua, Kg.v = velocidad instantnea del agua, m/s.La masa de esta cantidad de agua es:

m =x VDonde:

= densidad del agua,=1000 Kg./m3.V = volumen del cilindro barrido, (m3).Pero, el volumen del cilindro es: V =A x LDonde:A = superficie o rea barrida, (m2)L = longitud del cilindro, (m)Adems, L es un espacio:

Entonces: L = v x t


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Donde:v = velocidad del agua, m/st = tiempo, (s)Al reemplazar la Energa Cintica del agua (Ec) es igual a:

Ec =(1/2) xx V x v2=(1/2) x x A x L x v2=(1/2) x x A x v x t x v2=(1/2) x x A x v3 x t

Entonces:Ec = (1/2) x x A x v3 x t (Joule)

Por tanto la Potencia terica del agua (P)ser:

P = Ec/t=(1/2) x x A x v3 (Joule/s) (W)En la practica no es posible extraer toda la potencia disponible de una corriente de ro pordos razones:Primero, para que el agua ceda toda su energa cintica tendra que detenerse, lo queclaramente no se puede hacer o lograr en un flujo libre.Segundo, se debe usar alguna clase de rotor de turbina para convertir la energa cintica del

agua en potencia del eje y este rotor esta limitado a ser tema de fuerzas de arrastre quedisiparan un poco de la energa. Aadiendo una constante para representar la eficiencia deconversin del flujo del ro en potencia en el eje de la turbina, la ecuacin anterior se puedeescribir:

P = (1/2) x x A x v3 x CpDonde: Cp = Coeficiente de Potencia

5.3 Factores que afectan la Potencia SuministradaA partir de la ecuacin anterior se puede observar que hay tres factores que afectan la

potencia de salida en el eje de la turbina:

a) La velocidad de la corriente de agua (vro)La potencia del eje de la turbina es proporcional al cubo de la velocidad de la corriente

aguas arriba. Esto significa que si se duplica la velocidad del agua, la potencia de salida delrotor ser incrementada por un factor de ocho.b) rea de barrido del rotor (As)La potencia en el eje de la turbina es directamente proporcional al rea de barrido del rotor.c) Coeficiente de Potencia (Cp)

La potencia de salida es adems directamente proporcional al coeficiente de potencia. Esimposible extraer toda la energa del agua fluente porque el agua que ha pasado por el rotordebe alejarse de este y por lo tanto debe aun tener alguna energa cintica. Se puedemostrar tericamente que el mximo coeficiente de potencia (Cpmax) es 0.59 para unamquina que opera sobre fuerzas de sustentacin tales como un propulsor (o hlice) o unrotor Darrieus y el valor de 0.33 para una maquina que opera sobre fuerzas de arrastre talescomo una rueda hidrulica que flota en una corriente libre.De lo anterior se puede observar que para obtener la mxima potencia de salida en el ejedeberamos usar el tipo de rotor disponible ms eficiente, logrando que este barra un rea

de seccin transversal de corriente de agua tan grande como sea posible y ms


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pretenciosamente, colocarlo en una velocidad de corriente ms rpida que se puedaencontrar.

5.4 Esquema del proceso de transformacin de energaEn la figura que a continuacin se presenta se puede comprender mas claramente los

distintos procesos de transformacin que sufre la energa manipulada en una Turbina deRo y un esquema de sus componentes vitales. La energa es capturada en su forma

primitiva como energa cintica del agua, punto 1 de la figura, hasta llegar a representarsepor un determinado valor de tensin y corriente elctrica, punto 4, pasando por diversastransformaciones mecnicas.

RotorTransmision,rodamientos,etc.

GeneradorElctrico

EnergiaCineticadel agua

PotenciaElectrica Utilobtenida

[1] [2] [3] [4]

Perdidas:HidraulicasMecanicas

Perdidas por:Rozamiento, Deslizamiento,Viscosidad, Friccin, etc.

Perdidas por:Dispersin de flujo, Histeresismagntica, Resistencia elctrica,Calor, etc.

(Calor,deformacionesmecnicas)

Fig. 5.2Proceso de transformacin de energa5.5 Componentes de una Turbina de RoPara que una Turbina de Ro pueda realizar la conversin de la energa cintica del ro enenerga elctrica para consumo humano, requiere de un conjunto de componentes talescomo: El rotor, las palas del rotor, la transmisin, el generador, el tablero de control, elregulador de carga, el banco de bateras y el convertidor de corriente alterna en continua

(diodos rectificadores)

5.5.1 El RotorEs el componente ms importante de la Turbina, su funcin es extraer del ro una fraccinde su energa cintica convirtindola en energa mecnica que ser entregada luego a ungenerador elctrico. El Rotor puede estar constituido por dos o tres palas con seccintransversal en forma de perfil aerodinmico. Uno de los problemas ms significativo entrminos de la confiabilidad y larga duracin de los rotores es el problema general de lafatiga. Las uniones son particularmente el foco de los problemas de fatiga local acelerados

por la vibracin que aparece cuando hay embalamiento.


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a) Rotor de eje horizontalSi el rea barrida transversalmente es perpendicular a la horizontal:

A = x (D2/4) (m2)

Fig. 5.2 Rotor de Eje horizontal

Siendo D el dimetro del circulo barrido por las palas (m), por lo que la potenciadisponible ser:

P = (1/8) x x x D2 x v3 x Cp (W) (5.1)Donde:Cp = coeficiente de potencia del rotor de la turbina eficiencia del eje de la turbina,

adimensional (0 Cp 0.592)

P = Potencia en el Eje de la Turbina, (W).Para propsitos de calculo del dimetro de las palas del rotor, la potencia de diseo seraquella potencia de salida del generador (Pg).Entonces:

Pg = P x gxtr (5.2)Donde:Pg = Potencia de salida del generador, (W).

tr= eficiencia de la transmisin, (adimensional).

g = eficiencia del generador, (adimensional).

Luego, al reemplazar en la Ecuacin 5.2:Pg =(1/8) xxx D

2x v3x Cp xg xtr (5.3)Despejando el Dimetro (m):

(5.4)

o

(5.4 a)

trgP

g

Cv

PD

=

3

8

trgP

g

Cv

PR

=

3

2


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b) Rotor de Eje inclinadoSi el rotor es de eje inclinado con respecto del nivel del agua del ro, entonces el rea

barrida perpendicular a la direccin de la corriente del ro ser:

A = x(D2/4)xCos() (m2)

Fig. 5.3 Rotor de Eje inclinado

Donde: es el ngulo formado por el eje de la turbina y el nivel del agua (gradossexagesimales).Entonces, la potencia disponible ser:

P = (1/8) x x x D2 x Cos() x v3 xCp (W)

Sustituyendo en 5.2:

Pg =(1/8) x x x D2

x v3 xCos()xCp xg x tr (W)

Despejando el Dimetro (m):

...(5.5)

o...(5.5 a)

30

v0 = vriocos30 r30

30 vrior H mnimo = 1.75 m

vrio sen30

Fig. 5.4 Esquema de la Turbina de Ro

trgPCCosv

P

D

= 38

trgPCCosv

PR

=3

2


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5.5.2 Las palas o alabes del rotorSon los elementos encargados de extraer parte de la energa cintica del ro y transformarlaen energa mecnica en el eje de transmisin a travs del giro de las mismas palas.

a) Dimensionamiento del alabe de la turbina

Para los alabes de la Turbina de Ro, generalmente se usan perfiles estndares como lo sonlos perfiles NACA. Asimismo, debido a la alta velocidad que requieren para ser acopladosa los generadores elctricos, se hace necesario hacer un calculo hidrodinmico cuidadoso ysu calculo se hace en forma iterativa y seccin por seccin para diferentes posiciones delalabe, a lo largo del radio. Sin embargo, con buena precisin y para fines prcticos se

pueden usar las ecuaciones de la teora del diferencial de pala antes expuestos, y que parael caso de pequeas maquinas son lo suficientemente precisas. Esta teora del diferencialde pala simplificada se utiliza cuando el requerimiento de potencia no es muy grande y lavelocidad de diseo del ro no es mayor de 1.5 m/s. Para este caso, se usa una celeridad de

diseo o relacin de velocidad en la punta de la pala 0 de 5, que se convierte en un dato deentrada. Una vez conocido el dimetro de la turbina, que resulta de la ecuacin de potencia,sigue el dimensionamiento de las palas y para esto se hace necesario tomar algunasdecisiones adicionales sobre: el nmero de palas a utilizar, el tipo de seccin estndar quese usar para la fabricacin de la pala entre otros. Tabla 5.1

b) La Linealizacin del alabeEste concepto viene siendo utilizado por los diseadores y fabricantes desde comienzos dela dcada de los 80s (siglo pasado); que consiste en transformar tanto a la cuerda C del

alabe como al ngulo () en parmetros lineales dependientes de la posicin del radio.Cuando se realizan los clculos se puede notar que el ngulo del alabe tiene una torsin alo largo del radio. Del mismo modo, la cuerda hace que las secciones del alabe no varenuniformemente a lo largo del radio, lo cual conlleva serias dificultades en la fabricacin delalabe cuando no se cuenta con tecnologa avanzada. A fin de dar solucin a las dificultadesconstructivas mencionadas, actualmente se aplica el concepto de la Linealizacion de la pala

que consiste en convertir la variacin del ngulo y la cuerda C en dos rectas trazadas apartir de los puntos r = 0.5 R y r = 0.9 R. Como resultado de la linealizacion del perfil,cuya geometra hidrodinmica fue calculada tericamente se obtienen nuevos valores de

() y C (cm) y se los tabula. Es importante sealar que el cambio de un diseo de alabeterico a uno linealizado no implica una perdida significativa de potencia, esto esexplicable por cuanto el mayor aporte en la generacin de potencia en el rotor se da en la

zona mas alejada de su centro ya que los cambios tanto de C como de no son

significativos en el rango 0.5 R r 0.9 R, lo contrario sucede cerca de la raz del alabe.Las rectas de linealizacin toman como puntos de paso r = 0.5R y r = 0.9R. Luego a partirde las rectas obtenidas se procede al clculo de la cuerda y ngulo definitivos.

c) Consideraciones sobre la Velocidad Angular de la Turbina

Los parmetros que influyen en la velocidad angular de las turbinas son: El tamao del rotor, en trminos del dimetro del rotor.


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La celeridad 0, que se escoge a conveniencia del diseo a desarrollar. Para generarelectricidad se trabaja con valores de de al menos 5, mientras que para bombeo deagua, se usan valores de alrededor de 10.

Celeridad (0) Nde alabes recomendados (Z)1 6-202 4-123 3-64 2-4

5-8 2-38-15 4-2

Tabla 5.15.5.3 El eje de transmisinSe cuenta con un rbol hueco de transmisin de acero galvanizado de 1.5 pulg. de dimetro

nominal el cual esta acoplado directamente al rotor, este tubo va encapsulado en otro de lasmismas caractersticas con 2.5 pulg. de dimetro nominal que sirve de soporte y

proteccin. Se muestra la tabla que contiene algunos dimetros comerciales para tubos deacero galvanizado en el anexo, Tabla 1.

5.5.4 Rodamientos del RotorEl eje del rotor debe ser sostenido en rodamientos o cojinetes que lo sostiene en la posicincorrecta relativa a la corriente del ro y permiten que ste gire tan libremente como sea

posible. Si se tiene que sostener el eje en cada extremo por un rodamiento montado sobre

una estructura, al menos uno de los rodamientos debe permitir algn movimiento axial parasoportar la flexin de la estructura y ambos deben permitir algn desajuste para compensarlos errores del montaje.El rotor Propulsor de eje inclinado tiene un rodamiento por encima del agua por lo que esconveniente un cojinete de una sola hilera de bolas. El rodamiento utilizado es del tipo autoalineado y sellado o montado en una polea de hierro fundido tan comnmente utilizado enmaquinaria agrcola. Este rodamiento proporciona una ubicacin axial para el eje del rotor,adems conduce el empuje axial hacia el rotor. Adems, se tiene un rodamiento en el otroextremo del eje ubicado dentro del agua, el cual presenta las mismas caractersticas que el

anterior rodamiento.

5.5.5 La TransmisinEs el elemento encargado de transmitir la potencia mecnica del rotor al generadorelctrico. Su funcin consiste en elevar la velocidad del rotor desde unos cuantos rpmshasta velocidades de cientos rpms que son las requeridas usualmente por los generadorescomunes. Como elementos de transmisin se utilizan fajas y poleas.Se dispone de una fraccin de la energa de la corriente del ro extrada por el rotor de laturbina en el eje que gira el cual ejerce un torque (o fuerza que la hace rotar) en contra de

una carga. Las fajas planas montadas sobre superficies convexas de la polea son de difcildesgaste, no son muy afectados por el sol y la lluvia y toleran un desajuste. La eficiencia


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de la transmisin por faja plana para nuestro caso es alrededor del 85 %, dando unalineamiento razonable del eje.

5.5.6 El Generador ElctricoEs elcomponente productor de la energa elctrica que se acopla directa o indirectamente

al eje de la turbina. Es la parte encargada de transformar la energa mecnica recibida porel rotor en energa elctrica til.Existen dos tipos de generadores, en general, los de corriente alterna CA y los de corrientecontinua CC, siendo mas usados los de CA debido a que trabajan bien a distintas rpms,mientras que los de CC necesitan de rpms casi constantes y altas velocidades de rotacin locual no es muy fcil de conseguir con una Turbina de Ro debido a la naturaleza variablede la velocidad del ro que provoca tambin la variacin de la velocidad de giro del rotor.

a) Caractersticas de los generadores

VoltajeEn nuestro medio se venden generadores monofsicos con voltajes de salida de 12, 24, 120y 240 V, y generadores trifsicos que utilizan 240/415 V. Cuando no se considera el uso detransformadores de voltaje, entonces los equipos y los aparatos que se conectaran alsistema debern ser compatibles en voltaje. Perdidas por conversin de energaEsto se debe a que cada componente del sistema pierde energa en forma de friccin, calor,ruido, etc. La eficiencia de los generadores para producir energa til varia entre 60% para

pequeos generadores de corriente alterna, 80% para rangos entre 5 10 Kw. y 90% para

equipos mayores a 50 Kw. Potencia de salidaEs la potencia que queda luego de haber considerado todas las perdidas en el sistema, esten funcin de la eficiencia del equipo completo. Conociendo la eficiencia de losgeneradores, se puede predecir con aproximacin la potencia de salida del generador quese desea utilizar. Sin embargo, estos datos deben ser suministrados por el proveedor deestos equipos al momento de su venta.

Factor de potencia (cos)Si el circuito externo es solamente resistivo, entonces la corriente y el voltaje se hallan en

fase, el valor de uno es directamente proporcional al del otro y el factor de potencia escos = 1. Ya que el voltaje y la corriente varan con el tiempo, en la siguiente expresin setrata del valor promedio de la potencia de salida del generador.

P0 = E0 x I0Donde: P0 = Potencia efectiva, (W)

E0 = Voltaje efectivo (V)I0 = corriente efectiva (A)

Para cargas resistivas, el valor de la potencia en volt amperios o vatios es el mismo. Porejemplo, si un generador de 220 V genera una corriente de 25 A, tendra una potencia de

salida de 220 V x 25 A = 5.5 Kw.


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b) Generadores de Corriente AlternaLos generadores de corriente alterna o simplemente alternadores pueden ser de tipos:monofsicos y trifsicos. Comercialmente se pueden adquirir generadores monofsicos

para cubrir todos los rangos de potencia, mientras que los trifsicos cubren los rangos de 2 3 Kw. Sin embargo, la generacin monofsica se utiliza en esquemas menores a 10 15

Kw. ya que, por debajo de esta potencia nominal, las cargas individuales representaran ungran porcentaje del total de la capacidad del generador y balancear las cargas se tornaramuy difcil.Entre los generadores de velocidad constante se tiene el sincrono aplicable para potenciasmedias y altas, el de induccin para potencias pequeas y el de magnetizacin permanente(imanes permanentes), para potencias muy pequeas.

5.5.7 El tablero de ControlCuenta con los instrumentos de medicin bsicos (voltmetro y ampermetro), y los

respectivos diodos rectificadores de corriente alterna en continua para 12 V.a) El convertidorEs el componente encargado de convertir la corriente continua proveniente de las baterasen corriente alterna. Los dispositivos convertidores se caracterizan por su elevado costo y

por su reducida eficiencia por lo que deberan ser los ms pequeos posibles. Losconvertidores pueden ser rotativos y estticos; el rotativo o dinmico es un motor de CCque gira a una velocidad constante y que esta conectado a un generador de CA, sueficiencia es del orden de 50 a 75% y presenta una corriente de vaco de 15 a 20%.El convertidor esttico de estado slido convierte la CC en CA de 60 Hz. a travs de

medios electrnicos, su eficiencia es del 85% y solo lleva una corriente de vaco de 2 a 4%.Los convertidores rotativos cuestan menos que los estticos y cuando compiten en funcinde la carga no hay mucha diferencia entre ambos en lo que respecta a perdidas. Sinembargo, el uso de este dispositivo no es recomendable en la presente aplicacin por ser denaturaleza domstica.b) El regulador de cargaEs importante conocer el funcionamiento de un regulador o controlador de carga, porqueste es necesario cuando se utilizan bateras. El controlador de carga es un dispositivoelectrnico que regula el estado de carga entre lmites preestablecidos. El voltaje de las

bateras se mide y se toma como factor principal para estimar el estado de carga, ademsdel voltaje, algunos controladores miden la temperatura de la batera. Es muy importante eluso de un controlador de carga para incrementar la vida til de las bateras.c) La bateraEs la parte encargada de almacenar la energa elctrica producida por el generador enforma de corriente continua. Existen dos grandes tipos de bateras para el almacenamientode electricidad, la de plomo cido y la batera alcalina (tanto la de nquel hierro como lade nquel cadmio)


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R.P.M a velocidad de 1 m/s = 32 As = 2.72 m2

Mnimo de 3 palas rea de barrido = (/4) x d2x CosProfundidad requerida =1.75 m = 30, d = 2 mR.P.M a velocidad de 1 m/s = 48 As = 2.72 m2

Rotor propulsor de eje horizontal

Mnimo de 3 palas rea de barrido = (/4) x d2Profundidad requerida = 3 m d = 1.86 m



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Mnimo de 3 palas rea de barrido = (/4) x d2x Cos

Profundidad requerida =2.9 m = 20, d = 1.92 mR.P.M a velocidad de 1 m/s = 25.5 As = 2.72 m2

Mnimo de 4 palas rea de barrido = () x (d2/8) 0.1 dProfundidad requerida = 2.1 m d = 2.76 m


Fig. 5.5 Esquemas de Rotores de Turbinas alternativas

Las diferentes turbinas alternativas de la Fig. 5.5 muestran las dimensiones y laprofundidad del agua requerida para cada uno de los rotores para producir la potencia desalida que se muestra. Por comparacin se asume que todos los rotores mostrados tienen elmismo coeficiente de potencia pero que de los diseos probados por ITDG el rotor de

propulsin fue el ms eficiente. La Tabla 5.2 muestra los criterios pertinentes por loscuales se podran seleccionar los tipos de rotores. Es as que la turbina a propulsor de eje

inclinado es el diseo de rotor mas apropiado probado y comprobado para maquinasdebajo de 1 Kw. de potencia en el eje.

5.6.1 Materiales para la Construccin del RotorSe ha empleado mucho tiempo y esfuerzo en la investigacin de los diferentes materiales

para la construccin del rotor. Durante este periodo han sido probados los siguientesmateriales: Acero Inoxidable Aleacin de Aluminio Slido.

Madera Noble (Dura) laminada revestida con plstico reforzado de fibra de vidrio. Madera Noble sin tratamiento. Concreto Armado (a) Sin tratamiento, (b) Pintada, (c) Forrada con una lamina de

aleacin de aluminio.De todas estas alternativas, todas han sido probadas satisfactoriamente en la parteestructural excepto el de la madera sin tratamiento, la cual se deforma y se raja en el agua.A partir del punto de vista del funcionamiento el acabado superficial es critico, y cualquierdeterioracin causa una reduccin drstica de la potencia en el eje. Los nicos materialesque mantuvieron su acabado superficial y gran nivel de funcionamiento fueron las de acero

inoxidable y las aleaciones de aluminio. Es esencial eliminar todas las huellas de pintura ydel imprimante del metal, puesto que el contacto entre el imprimante y el agua puedeoriginar una seria corrosin en la superficie.


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5.7 Seleccin del LugarLas turbinas de corriente de ro son una tecnologa especifica del lugar, adems el dimetrodel rotor de la maquina depender de la velocidad de la corriente del ro. Es necesarioinspeccionar el lugar sugerido para la maquina para proporcionar la siguiente informacin

bsica:

La mxima y mnima velocidad de la corriente del ro para los meses que lamaquina ser utilizada.

La mnima profundidad del ro en la posicin donde la turbina operara y la mnimaprofundidad en la orilla del ro. Riesgos medioambientales tales como escombrosflotantes, circulacin del ro, etc.

5.7.1 Mnima Velocidad de Corriente tilPara extraer una cantidad dada de potencia la maquina se vuelve ms grande a medida quela velocidad de corriente disminuye. Una maquina a una velocidad de corriente de 0.5 m/s

tendra que ser ocho veces el tamao de una maquina a una velocidad de corriente de 1 m/spara producir la misma potencia en el eje. Como se puede ver en la Fig. 5.6, la mnimavelocidad de corriente til es la de diseo e igual a 1 m/s.

5.7.2 Profundidad Mnima tilLa profundidad requerida del agua ser menor en velocidades de corrientes ms rpidas

debido al rea reducida de barrido (es decir un rotor ms pequeo) apropiado para lamaquina. En una velocidad de corriente de 1.8 m/s se requiere una profundidad del agua de1.6 metros para extraer una potencia hidrulica de salida de 800 Watts de la maquina.

De lo anterior podemos concluir que una corriente de agua debe tener una velocidad de almenos 0.8 m/s y una profundidad de al menos 1.75 metros antes de que se puedan extraercantidades convenientes de potencia por turbinas que operan en corriente libre.

5.8 Sistema de AnclajeEl sistema de anclaje a la maquina en la corriente del ro cuando ste esta funcionando y

permite que esta sea fcilmente trada o regresada a la orilla para mantenimiento. Lareaccin del agua en las quillas o timones proporciona la fuerza necesaria para mantener ala turbina en la corriente. Para proporcionar la fuerza, las quillas deben ser mantenidas enun ngulo a la direccin del flujo y esto se hace dividiendo el cable de amarre delante de la

maquina y uniendo un extremo del estribo en cada lado del centro de arrastre. Alterando lalongitud relativa a los cables es posible ajustar la distancia de la turbina de la orilla. El reade la quilla debe ser al menos tan grande como el rea de barrido del rotor para evitar queel pontn tenga que ser colocado en un ngulo grande a la direccin de la corriente el cualdisminuir el rea efectiva de barrido del rotor.Si los cables son arreglados correctamente la turbina puede ser fcilmente trado oempujado hacia la orilla por medio de la soga o cable de control. Jalando esto mover lasquillas paralela a la corriente y la maquina se dejara llevar por la corriente despacio haciala orilla. Si el agua cerca de la orilla es superficial primero ser necesario elevar el rotor.

La maquina es regresada a su posicin en el ro simplemente empujando el extremo aguasarriba del pontn en la corriente.


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Tabla 5.2

Economa de los Velocidad de Facilidad de Apropiado Posicin de Capacidad

Tipo de Rotor materiales con salida Construccion para Rios los Rodamientos para evitar

marco

Disenio Turbina de Rio Para Generacion de Electric Id Ad

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