UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA

FACULTAD DE INGENIERA

E.A.P INGENIERA MECNICA

DISEO MECANICO DE UNA TURBINA KAPLAN PARA UNA MICRO CENTRAL HIDROELCTRICA EN LA ZONA DE TAMBORREAL

I. GENERALIDADES

1.1 Titulo: DISEO DE UNA TURBINA KAPLAN PARA UNA MINI CENTRAL

HIDROELCTRICA EN LA ZONA DE TAMBORREAL

1.2 Autores:

Blas Espinoza NEYSSER EDUARDO

Chvez Huingo MARIANO ANTONIO

Reyes Aranda JOANN MAURO

1.3 Asesor: Ing. Nelver Escalante Espinoza

1.4 Tipo de Investigacin: Correlacional- Explicativo

1.5 Lnea de Investigacin: Transferencia de tecnologa metal mecnica

1.6 Localidad: Pueblo de Tamboreal- Santa- Ancash- Per

1.7 Duracin de la investigacin: 13 abril a 30 de julio

II. PLAN DE INVESTIGACION

2.1 Realidad Problemtica

En la zona de Tamboreal "Tamboreal Nuevo y Tamboreal Viejo" de la

provincia del santa viven muchas familias las cuales se muestran descontentos

por los servicios brindados por las empresas encargadas del servicio elctrico.

Mucha gente que no ha tenido una educacin superior y tambin familias que

migran de la sierra encuentra en este pueblo una manera de vivir de sus

tierras, y este proceso en muchas familias es cclico, con lo cual tenemos un

aumento en la poblacin y una mayor demanda de energa. En este contexto

las necesidades energticas de la poblacin se incrementan en el consumo

bsico del hogar, alumbrado pblico y algunos tipos de mquinas industriales

utilizadas en la zona.

La zona de estudio presenta una geografa favorable para el desarrollo de una

pequea central Hidroelctrica que ser de beneficio para la poblacin, porque

en el estudio de la zona podemos encontrar desniveles de terreno y de cadas

de agua que pueden ser usadas en el proceso de solucin al problema.

2.2 Formulacin del problema

De qu manera el diseo de la Turbina Kaplan para la mini central

hidroelctrica influye en la calidad de vida de la poblacin de Tamboreal?

2.3 Objetivos

2.3.1. General

Disear una turbina Kaplan para la generacin de energa elctrica en la

zona de Tamboreal.

2.3.2. Especficos

Determinar las dimensiones de la turbina Kaplan.

Estudiar la utilidad del perfil NACA en el diseo de turbinas de Flujo

Axial.

Calcular la potencia generada en la mini central hidroelctrica.

Seleccionar aceros estructurales adecuados para cada elemento

mecnico.

2.4 Antecedentes

Las turbinas hidrulicas tipo axial nacen con la turbina de hlice que fue

desarrollada en los primeros 25 aos de este siglo y se caracteriza por tener

los labes del rodete y los labes del distribuidor regulables. Su aplicacin se

justifica en instalaciones en las que no sea muy sensible la variacin de

potencia. En 1980 en Ing. Vctor Kaplan concibi la idea de corregir el paso de

los labes del rotor, al igual que el distribuidor, con las variaciones de potencia.

En base a esto se desarrolla la turbina Kaplan que se caracteriza, a diferencia

de la hlice, por mantener un excelente rendimiento a cargas parciales. Debido

a los proyectistas haban menospreciado los micro saltos que van de 2 a 25

metros, por resultar costosos estos aprovechamientos con turbinas

convencionales, en 1936 Escher Wyss y Arno Fischer presentaron la primera

turbina bulbo. De igual manera fueron desarrollados los otros tipos de turbinas

de flujo axial, como las tubulares y las de pozo, con las cuales se aprovecha las

pequeas cadas reduciendo los trabajos de excavacin y por lo tanto el costo

de la obra civil. En la actualidad se ha difundido ampliamente por su

aplicabilidad. En cuanto al mtodo de diseo se debe indicar que si bien es

cierto existe un trabajo de tesis de diseo y construccin de una turbina axial

tipo bulbo, nuestra posicin es la de elaborar e implementar un software con el

fin de que puedan disminuir los costos de investigacin para futuras

instalaciones.

Asimismo cabe mencionar las investigaciones realizadas por los siguientes

profesionales:

ING. GONZALO OROZCO ACEVES(2011): en su tesis para para

obtener el grado de Maestro en Ciencias en Ingeniera mecnica;

DISEO Y CONSTRUCCION DE UN PROTOTIPO DE TURBINA

PARA GENERACION DE ENERGIA ELECTRICA EN UNA

MICROPLANTA

Jimmy Livino Lpez Galarza: TESIS DE GRADO Previa a la obtencin

del Ttulo de: INGENIERO MECNICO; ELABORACIN E

IMPLEMENTACION DE UN SOFWARE PARA EL DISEO DE

TURBINA AXIAL TIPO BULBO DE HASTA 10MW

2.5 Justificacin

En muchos pueblos peruanos existe la falta de energa elctrica ,la

desconformidad y una baja calidad de vida en lo que respecta a energa, con

este proyecto de investigacin contribuiremos al desarrollo de una minicentral

elctrica que contribuir con las necesidades de energa elctrica del pueblo de

Tamboreal; si bien el pueblo de Tamboreal cuenta con energa elctrica,

mediante un estudio de aprobacin de calidad de servicios elctricos hemos

obtenido respuestas en su mayora de desaprobacin por el alto costo del

servicio elctrico, por ello en el presente proyecto de investigacin

encontramos una solucin a esta problemtica.

La energa hidroelctrica es parte de la llamada energa limpia porque no emite

residuos contaminantes al ambiente o el dao ambiental es mnimo, en este

contexto este proyecto de investigacin contribuira al desarrollo de este tipo de

energa que el mundo necesita y as remplazar el uso de energa como las

obtenidas de combustibles fsiles.

2.6 Marco Terico

A. Mini centrales Hidroelctricas y Energa Hidroelctrica

Las pequeas centrales hidroelctricas, estn muy condicionadas por las

peculiaridades y caractersticas que presente el lugar donde vayan a ser

ubicadas. Cuando se vaya a poner en marcha una instalacin de este tipo

hay que tener en cuenta que la topografa del terreno va a influir tanto en la

obra civil como en la seleccin de la maquinaria. De acuerdo con la altura

del salto los aprovechamientos pueden clasificarse en:

De alta cada: salto de ms de 150 m.

De media cada: salto entre 50 y 150 m.

De baja cada: salto entre 2 y 20 m

B. Turbina Kaplan

B.1 Definicion: son uno de los tipos ms eficientes de turbinas de agua de

reaccin de flujo axial, con un rodete que funciona de manera semejante a la

hlice del motor de un barco, y deben su nombre a su inventor,

el austriaco Viktor Kaplan. Se emplean en saltos de pequea altura y

grandes caudales. Las amplias palas o labes de la turbina son impulsadas

por agua a alta presin liberada por una compuerta.

B.2 Clasificacion de turbinas Kaplan:

Turbina tipo Kaplan Turbina de flujo axial, de reaccin y de admisin total, su principal caracterstica es que cuenta con un rodete que contiene labes regulables, su funcin es controlar la componente tangencial de la velocidad a la entrada del rodete, en consecuencia el fluido sale de los alabes directores (distribuidor) y entra en la rueda con un momentum angular adquirido. A medida que el fluido discurre a travs del rodete, su momentum angular se reduce e imparte un momento de torsin a la rueda, que a su vez impulsa el eje para producir energa. Adems posee un distribuidor radial tipo Fink de paletas regulables. Puede tener una cmara tipo espiral circular o del tipo rectangular y un tubo de succin de forma recta o acodada, segn sea el requerimiento de la altura de succin. Gracias a sus labes orientables tanto en el rodete como en el distribuidor, se puede operar con muy buena eficiencia dentro de un rango amplio de caudales debido a su doble regulacin. Tambin se puede encontrar turbinas Kaplan con labes fijos o llamadas tambin turbinas de hlice, con ellos se logra una reduccin significativa de costos pero se reduce la eficiencia, especialmente a cargas parciales

Turbina tipo Bulbo Esta turbina posee un rodete Kaplan y un distribuidor Fink axial, pero la caracterstica principal es que el generador se encuentra dentro del cubo, lo que constituye un ahorro de espacio del grupo ya que la extensin del eje resulta ser menor por lo que se obtiene un grupo ms compacto, menor vibracin del eje, adems de ser ms barato.

Turbina tipo axial tubular Turbina que tiene un rodete tipo Kaplan y un distribuidor tipo Fink adaptado al flujo axial, en vez de la cmara espiral posee una carcasa cilndrica o tambin de forma tronco cnica de seccin convergente. Su caracterstica principal es la extensin del eje de la turbina hasta la sala de mquinas para que accione el generador. Esta turbina llamada tambin tipo S es aplicada a bajas cadas y adems puede tener labes fijos o regulables. En el caso de que el rodete posea labes fijos se le denomina a veces turbina de hlice.

Turbina tipo axial de generador perifrico Con esta turbina se logra una reduccin axial del grupo porque el generador va instalado en la periferia del rodete, eliminndose el eje de transmisin, adems de la reduccin en costos de obras civiles.

Las turbinas Kaplan y tubular de labes regulables pueden ser aplicadas en

centrales donde se vari el caudal, al tener labes regulables podrn

mantener la eficiencia. Por el contrario las turbinas de hlice que trabajen

con labes fijos al variarles la carga de caudal tendrn como resultado la

disminucin de la eficiencia a cargas parciales

B.3 Elementos de una Turbina Kaplan

FUENTE- TURBOMAQUINAS HIDRAULICAS_ CLAUDIO MATAIX

Elementos constitutivos de las Turbinas Kaplan

1. CARCAZA O CARACOL. Segn las dimensiones de la turbina se

construyen de acero, concreto armado solo o con camisa de acero. Su funcin

principal es la de transformar la energa de presin en energa cintica y cubrir

las partes internas de la turbina como el distribuidor y el rodete. Pueden tener

pequeos labes difusores o ser slo tipo voluta.

2. DISTRIBUIDOR. El difusor de la carcasa y los labes mviles del distribuidor

dirigen el agua al rodete con un mnimo de prdidas y transforman la energa

de presin en energa cintica. La movilidad de los labes del distribuidor

permite aumentar o reducir el caudal Q de entrada al rodete, de acuerdo a la

demanda de potencia, operando como uno o varios chiflones.

Por ejemplo, cuando se demanda mayor potencia, los labes del distribuidor se

abren para admitir el paso de mayor caudal Q y en el caso contrario, se cierran

cuando hay una menor demanda o rechazo de carga.

3. RODETE. Es el elemento principal de la turbina, donde se transforma la

energa cintica en energa mecnica y es la pieza que gira a la misma

velocidad de rotacin sncrona N' acoplado al rotor del generador mediante la

flecha.

4. TUBO DE ASPIRACIN O SUCCIN. Est conectado a la salida de la

turbina y en su parte final inicia la conduccin hacia la descarga o desfogue.

Se le llama tubo de aspiracin porque crea una depresin a la salida del

rodete y tiene dos funciones principales, la primera recuperar la energa

cintica del agua y la segunda transformarla en energa de presin y

posicin, para conducir el gasto turbinado hacia el desfogue, el cual puede

estar a pie de presa o en instalaciones subterrneas (aguas debajo de

tneles con longitudes considerables). Generalmente se construyen de

acero o concreto armado con o sin blindaje (camisa de refuerzo de acero).

B.4 Turbinas Kaplan en el Per

Turbinas Kaplan.

El Sindicato Energtico S.A. (Sinersa) es una empresa peruana que posee dos centrales

hidroelctricas: Curumuy de 12.5 MW, puesta en operacin desde 1998 y ubicada a 20 km

de la ciudad de Piura; y Poechos 1 de 15.4 MW, operativa desde el 2004 y ubicada al pie de

la represa de Poechos en el departamento de Sullana, a 60 km de la ciudad de Piura. Ambas

centrales poseen turbinas tipo Kaplan.

Tabla: Caractersticas de la central hidroelctrica de Poechos 1.

Generador sncrono y turbina Kaplan, central hidroelctrica de Poechos 1.

Turbina axial semi Kaplan.

ITDG, soluciones prcticas ha desarrollado y probado un modelo de turbina

del tipo Kaplan de labes fijos, rodete semi Kaplan, para capacidades entre los

10 kW y 50 kW de potencia con la finalidad de aprovechar el potencial micro-

hidro-energtico. Dicho prototipo fue construido e instalado en el centro

poblado Las Juntas de la provincia de Jan (Cajamarca, Per) y genera 27

kW. Basado en este modelo, construyeron un segundo prototipo que ser

instalado para uso privado en la zona de Magdalena (Cajamarca)

Turbina semi Kaplan instalada en Jan, Cajamarca.

C. Graficas de curvas caractersticas para seleccin de turbinas axiales

D. Parmetros y fundamento de Diseo

Velocidades especficas. En el diseo de las turbinas no slo basta con el clculo, sino que, en principio, es recomendable que se construya el modelo de la turbina. Con ste se puede comprobar los clculos realizando experimentos en un banco de pruebas para la verificacin y correccin de los parmetros. Para la construccin del modelo a escala se utiliza nmeros adimensionales, y una forma de incluir dichos nmeros adimensionales es a travs de la velocidad especfica, la cual nos servir para clasificar a las turbinas. Velocidad especfica de caudal o nmero de Brauer():

Velocidad especfica de potencia o nmero de Camerer:

Dnde: N: Velocidad de rotacin de la turbina, rpm. Q: Caudal, m3/s. H: Salto neto, m. P: Potencia al eje, HP o kW.

Transferencia de energa en un rodete axial. Para analizar la transferencia de energa en la turbina se asumieron las siguientes consideraciones: Se omitir la viscosidad, es decir, un flujo sin prdidas. Se asumir un flujo bidimensional ideal en toda la regin del rodete. El sistema considerado es un sistema inercial. El fluido discurrir y en rgimen permanente. El estudio se realizar mediante un volumen de control que abarca la regin del rodete, el flujo atravesar dicha superficie de control por la entrada y saldr por el otro lado de la superficie de control. Dentro de dicho volumen se tendr un conjunto de labes que se encuentran girando alrededor del eje con una velocidad angular determinada. Se considera como ingreso del fluido hacia el rodete el punto nmero 2 y como salida el punto nmero 1, sta consideracin se mantendr a lo largo de la tesis.

Seleccin de los labes. Teora del labe portante situada en una corriente uniforme de un fluido. Como se observa en la el labe se encuentra sometida a una corriente, uniforme da de un fluido con una velocidad ( ) y con un ngulo de ataque.

La velocidad del fluido variar en la cercana del labe donde se apreciar que la velocidad crece en el lado convexo, con lo cual se forma una depresin cncavo la velo observa la distribucin de las alturas de presin que poseen una direccin perpendicular a la velocidad del fluido y su magnitud depender de la forma del perfil. C S fuerza de resistencia (R), con direccin perpendicular y direccin

paralela a () respectivamente.

Dnde: : Fuerza ascensional, N : Fuerza de resistencia, N : Coeficiente de resistencia, adim. : Coeficiente de sustentacin, adim. : Velocidad de fluido, m/s : Longitud de labe, m : Ancho del labe, m : Peso especfico del fluido, N/m3

III. METODOLOGA:

3.1. TIPO DE ESTUDIO: Correlacional- Explicativo

3.2. DISEO DE INVESTIGACIN: Cuasiexperimental, longitudinal y transeccional causal.

3.3. HIPTESIS:

Mediante el diseo de esta turbina, se generara energa elctrica para

satisfacer las necesidades elctricas del pueblo de Tamboreal,

mejorando de este modo su calidad de vida.

Los aceros estructurales a usar cumplen con las condiciones de trabajo

y brindan un alto grado de resistencia al diseo.

3.4. IDENTIFICACIN DE VARIABLES:

3.4.1. OPERACIONALIZACIN DE VARIABLES:

Variable Definicin conceptual Indicadores Escala de

medicin

Calidad de los

servicios elctricos

en Tamboreal

Aceros

estructurales

Potencia

Generada