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2017 ANÁLISIS DE RODETE -TURBINA PELTON

Choquehuanca Apaza, Alexander

FACULTAD DE INGENIERÍA DE PRODUCCIÓN Y SERVICIOS

Gómez Quispe, Henry Samuel Mendoza Lima, Kevin James

LABORATORIO DE MATERIALES PARA LA INGENIERÍA MECÁNICA DOCENTE

Pino Coricaza, Bruno Tito Concha, Rodrigo

:

Uchamaco Noa, Jhonathan

Ing. OJEDA CONTRERAS, María Leny 28-6-2017 GRUPO B

ANALISIS DE RODETES EN TURBINA HIDRÁULICA

Choquehuanca Apaza, Alexander Gómez Quispe, Henry Samuel Mendoza Lima, Kevin James Pino Coricaza, Bruno Tito Concha, Rodrigo Uchamaco Noa, Jhonathan

Universidad Nacional de San Agustín Facultad de Ingeniería de producción y Servicios Laboratorio de materiales para la Ingeniería Mecánica Arequipa. Perú 2017

1. DATOS NOMINALES 1.1.

TÍTULO DEL PROYECTO

Análisis del rodete en turbina hidráulica tipo Pelton usada en centrales hidroeléctricas.

1.2.

ÁREA A LA QUE SE INSCRIBE

El área de la turbina o turbomáquina motora hidráulica, tiene lugar en las grandes centrales hidroeléctricas encargadas del aprovechamiento de la energía de un fluido que pasa a través de ella para producir un movimiento de rotación que transferido a un generador eléctrico, transforma la energía mecánica en eléctrica. Así es el órgano fundamental de una central hidroeléctrica.

1.2.1 SEGÚN SU CLASIFICACIÓN La turbina pelton es de acción. Puesto que la incidencia del agua y el sentido del giro del rodete coincide en el punto en el que se produce el choque del agua sobre los álabes. Toda la energía cinética con la que llega el agua a la turbina es utilizada para su giro. La energía de presión que el agua posee a su entrada, al ser dirigida al rodete directamente, se convierte totalmente en energía cinética (movimiento) en el rodete. La presión del agua a la entrada y a la salida es la misma.

1.2.2 SEGÚN SU SALTO Se utiliza en saltos de agua de gran altura (superiores a 200m) y con pequeños caudales de agua (hasta 10 metros cúbicos por segundo). El distribuidor está formado por una o varias entradas de agua al rodete. Los álabes que están situados sobre la periferia del rodete tienen forma de cuchara. La fuerza del impulso del agua es la responsable del giro de la turbina. Las centrales hidroeléctricas dotadas de este tipo de turbina cuentan, en su mayoría, con una larga tubería llamada galería de presión para transportar al fluido desde grandes alturas, a veces de hasta más de 1500 metros

Fig.1 Gráfico altura vs caudal en diferentes tipos de turbinas hidráulicas

1.3.

RESPONSABLES DEL PROYECTO

1.3.1 INTEGRANTES DE GRUPO:      

CHOQUEHUANCA APAZA, Alexander GÓMEZ QUISPE HENRY, Samuel MENDOZA LIMA, Kevin James PINO CORICAZA, Bruno TITO CONCHA, Rodrigo UCHAMACO NOA, Jhonathan

1.3.2 RESPONSABLE DE GRUPO:  CHOQUEHUANCA APAZA, Alexander 1.4.

FECHAS Fechas 20 de mayo

22 de mayo

24 de mayo

5 de junio

10 de junio

Asunto tratado Asistencia Avance Nos reunimos en Todos los Se concluyó que casa de Rodrigo integrantes. el proyecto en para buscar grupo trataría de información sobre las turbinas los diferentes hidráulicas, en tipos de turbinas. particular de la tipo pelton. Se llevó a cabo Todos los Se juntó y terminó una reunión en la integrantes. el primer trabajo biblioteca para su próxima general, con el fin presentación. de ir formando el trabajo. Primer avance Todos los Se presentó el del trabajo en integrantes. avance del clase proyecto de turbinas hidráulicas. Se dio la Todos los Se presentó sustentación de integrantes nuestro tema a la trabajos en clase ingeniera y a los compañeros de clase. Tuvimos una Todos los Se corrigió y reunión en la integrantes. aumento algunos

casa de Bruno, con el fin de corregir algunos errores de la sustentación. 24 de junio

26 de junio

28 de junio

Reunimos de nuevo todas las partes de cada integrante para formar el segundo avance. Entrega del trabajo para la revisión en clase Siguiente revisión del trabajo grupal en clase.

Todos integrantes.

Todos integrantes. Todos integrantes.

puntos señalados en clase. Como el formato del trabajo y uso diagramas de la turbina pelton. los Se concluyó el segundo trabajo con algunas de las correcciones respectivas para la fase. los Revisión de proyecto los

2. ANTECEDENTES 2.1

MARCO CONCEPTUAL Una máquina hidráulica es un dispositivo capaz de convertir energía hidráulica en energía mecánica; pueden ser motrices (turbinas), o generatrices (bombas), modificando la energía total de la vena fluida que las atraviesa. En el estudio de las turbomáquinas hidráulicas no se tienen en cuenta efectos de tipo térmico, aunque a veces habrá necesidad de recurrir a determinados conceptos termodinámicos; todos los fenómenos que se estudian serán en régimen permanente, caracterizados por una velocidad de rotación de la máquina y un caudal, constantes. En una máquina hidráulica, el agua intercambia energía con un dispositivo mecánico de revolución que gira alrededor de su eje de simetría; éste mecanismo lleva una o varias ruedas, (rodetes o rotores), provistas de álabes, de forma que entre ellos existen unos espacios libres o canales, por los que circula el agua. Los métodos utilizados para su estudio son, el analítico, el experimental y el análisis dimensional. El método analítico se fundamenta en el estudio del movimiento del fluido a través de los álabes, según los principios de la Mecánica de Fluidos. El método experimental, se fundamenta en la formulación empírica de la Hidráulica, y la experimentación.

El análisis dimensional ofrece grupos de relaciones entre las variables que intervienen en el proceso, confirmando los coeficientes de funcionamiento de las turbomáquinas, al igual que los diversos números adimensionales que proporcionan información sobre la influencia de las propiedades del fluido en movimiento a través de los órganos que las componen.

2.1.1 CLASIFICACIÓN DE LAS TURBOMAQUINAS HIDRÁULICAS Una primera clasificación de las turbomáquinas hidráulicas, (de fluido incompresible), se puede hacer con arreglo a la función que desempeñan, en la forma siguiente: a) Turbomáquinas motrices, que recogen la energía cedida por el fluido que las atraviesa, y la transforman en mecánica, pudiendo ser de dos tipos:  Dinámicas o cinéticas, Turbinas y ruedas hidráulicas  Estáticas o de presión, Celulares (paletas), de engranajes, helicoidales, etc b) Turbomáquinas generatrices, que aumentan la energía del fluido que las atraviesa bajo forma potencial, (aumento de presión), o cinética; la energía mecánica que consumen es suministrada por un motor, pudiendo ser:  

Bombas de álabes, entre las que se encuentran las bombas centrífugas y axiales Hélices marinas, cuyo principio es diferente a las anteriores; proporcionan un empuje sobre la carena de un buque

c) Turbomáquinas reversibles, tanto generatrices como motrices, que ejecutan una serie de funciones que quedan aseguradas, mediante un rotor específico, siendo las más importantes:  

Grupos turbina-bomba, utilizados en centrales eléctricas de acumulación por bombeo Grupos Bulbo, utilizados en la explotación de pequeños saltos y centrales maremotrices

d) Grupos de transmisión o acoplamiento, que son una combinación de máquinas motrices y generatrices, es decir, un acoplamiento (bombaturbina), alimentadas en circuito cerrado por un fluido, en general aceite; a este grupo pertenecen los cambiadores de par.

2.1.2 CLASIFICACIÓN SEGÚN SU PRESIÓN Una turbomáquina elemental o monocelular tiene, básicamente, una serie de álabes fijos, (distribuidor), y otra de álabes móviles, (rueda, rodete, rotor). La asociación de un órgano fijo y una rueda móvil constituye una célula; una turbomáquina monocelular se compone de tres órganos diferentes que el fluido va atravesando sucesivamente, el distribuidor, el rodete y el difusor. EL DISTRIBUIDOR Y EL DIFUSOR: (tubo de aspiración), forman parte del estator de la máquina, es decir, son órganos fijos; así como el rodete está siempre presente, el distribuidor y el difusor pueden ser en determinadas turbinas, inexistentes. EL DISTRIBUIDOR: es un órgano fijo cuya misión es dirigir el agua, desde la sección de entrada de la máquina hacia la entrada en el rodete, distribuyéndola alrededor del mismo, (turbinas de admisión total), o a una parte, (turbinas de admisión parcial), es decir, permite regular el agua que entra en la turbina, desde cerrar el paso totalmente, caudal cero, hasta lograr el caudal máximo. Es también un órgano que transforma la energía de presión en energía de velocidad; en las turbinas hélico-centrípetas y en las axiales está precedido de una cámara espiral (voluta) que conduce el agua desde la sección de entrada, asegurando un reparto simétrico de la misma en la superficie de entrada del distribuidor. EL RODETE: es el elemento esencial de la turbina, estando provisto de álabes en los que tiene lugar el intercambio de energía entre el agua y la máquina. Atendiendo a que la presión varíe o no en el rodete, las turbinas se clasifican en: a) Turbinas de acción, el agua sale del distribuidor a la presión atmosférica, y llega al rodete con la misma presión; en estas turbinas, toda la energía potencial del salto se transmite al rodete en forma de energía cinética. b) Turbinas de reacción, el agua sale del distribuidor con una cierta presión que va disminuyendo a medida que el agua atraviesa los álabes del rodete, de forma que, a la salida, la presión puede ser nula o incluso negativa; en estas turbinas el agua circula a presión en el distribuidor y en el rodete y, por lo tanto, la energía potencial del salto se transforma, una parte, en energía cinética, y la otra, en energía de presión.

2.1.3 CLASIFICACION SEGÚN DIRECCIÓN DE ENTRADA a) Axiales: en estas (Kaplan, hélice, Bulbo), el agua entra paralelamente al eje, y salen en la misma dirección en la que ingresó, tal como se muestra en la fig. 2.1.3 a.

Fig. 2.1.3a Turbina de flujo axial.

b) En las radiales, el agua entra perpendicularmente al eje, Fig 2.1.3b, siendo centrífugas cuando el agua vaya de dentro hacia afuera, y centrípetas, cuando el agua vaya de afuera hacia adentro, (Francis).

Ilustración 1Fig. 2.1.3b Turbina de flujo radial.

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

Fig. 2.1.3c Turbina de flujo tangencial.

d) En las mixtas se tiene una combinación de las anteriores.

2.2

DISEÑO Y COMPONENTES DE ESTRUCTURA PELTON Las turbinas Pelton son turbinas de chorro libre que se acomodan a la utilización de saltos de agua con mucho desnivel y caudales relativamente pequeños, Fig 2.2 a, con márgenes de empleo entre 60 y 1500 metros, consiguiéndose rendimientos máximos del orden del 90%.

Fig. 2.2 a Turbina pelton.

a) Cazoletas.- En una rueda Pelton la dirección del chorro no es ni axial ni radial, sino tangencial; el elemento constructivo más importante es la cazoleta en forma de doble cuchara, Fig 2.2 b, que recibe el chorro exactamente en su arista media donde se divide en dos, circulando por su cavidad y recorriendo hasta la salida casi un ángulo de 180º, contrarrestándose así los empujes axiales por cambio de dirección de los dos chorros.

Fig. 2.2 b Forma de cazoleta.

b) Inyector.- El inyector es el órgano regulador del caudal del chorro; consta de una válvula de aguja cuya carrera determina el grado de apertura del mismo; para poder asegurar el cierre, el diámetro máximo de la aguja tiene que ser superior al de salida del chorro cuyo diámetro d se mide en la sección contraída, situada aguas abajo de

la salida del inyector y en donde se puede considerar que la presión exterior es igual a la atmosférica.

Fig. 2.2 c. Inyector de turbina pelton.

El chorro está constituido por un núcleo central convergente de agua y una sección anular creciente que contiene una emulsión de agua y aire. Con el fin de asegurar una buena regulación, conviene diseñar el inyector de forma que exista una proporcionalidad entre la potencia de la turbina y la carrera x de la aguja, por cuanto la potencia es proporcional al caudal y éste, a su vez, a la sección de paso normal al flujo. La variación del caudal del chorro para regular la potencia se consigue mediante una aguja de forma especial, con cuyo accionamiento se puede estrangular la sección de salida de la boquilla; su regulación puede ser manual o automática mediante un servomotor. Tiene además otro sistema de regulación por desviación del chorro, que consiste en una superficie metálica llamada deflector, que se introduce en medio del chorro, dividiéndolo y desviando una parte del mismo, de forma que en vez de dirigirse contra las cazoletas, sale lateralmente sin producir ningún efecto útil. De esta forma se evitan sobrepresiones en la tubería, por cuanto el caudal que circula por ésta continua siendo el mismo Fig.2.2 d.

Fig. 2.2. d Regulador simple

Cuando se dispone de un solo inyector, el rodete tiene el eje de giro horizontal y el eje de salida del chorro es tangente horizontal, inferior a la circunferencia del rodete, cuyo diámetro se denomina diámetro Pelton, cayendo el agua a la salida de las cucharas al fondo de la turbina, sin interferir el giro del rodete. Cuando el número de inyectores es dos, la turbina puede ser también de eje horizontal, disponiéndose los chorros según dos tangentes inferiores a la circunferencia Pelton, inclinadas un mismo ángulo ≅ 30º, saliendo el agua de las cucharas sin interferir al rodete, Fig 2.2 d. Para un número superior de inyectores, Fig 2.2 e, la rueda Pelton es de eje vertical ya que de ser horizontal, sería imposible evitar que el agua cayera sobre la rueda a la salida de las cucharas. Un chorro bien diseñado no debe tener un diámetro d superior a 27 cm, por lo que para establecer el número de inyectores hay que partir de la condición de que su diámetro no sea superior a este límite, teniendo en cuenta a su vez, el límite superior impuesto por la velocidad específica por chorro, en función del salto. El hecho de sustituir un número de inyectores de unas dimensiones determinadas, por un mayor número de inyectores de dimensiones más pequeñas, permite construir turbinas de mayor diámetro, girando a una velocidad mayor; sin embargo no se deben sobrepasar ciertos límites impuestos por la necesidad de evacuar el agua convenientemente, así como la fatiga del material de las cucharas sometidas a esfuerzos repetidos, tanto más frecuentes cuanto mayor sea el número de chorros.

Fig. 2.2 e. Turbina pelton 6 inyectores.

2.3

DIAGRAMA COMPONENTES DE TURBINA PELTON

Fig. 2 Componentes de turbina hidráulica tipo Pelton

FUNDAMENTOS DEL PROYECTO 3.1

ANÁLISIS DEL PROBLEMA Las turbinas Pelton y de flujo cruzado se han convertido en las turbinas más utilizadas para la generación en pequeñas localidades, esto se debe a: • • • • •

Mejor tolerancia a las partículas que pueda traer el flujo. Un fácil acceso a las turbina. Sin sellos de presión alrededor del eje. Fácil de fabricar y mantener. Buena eficiencia a distintas ponderaciones del caudal.

Finalmente las principales ventajas de la generación micro hidráulica: • • • • •

Es mucho más concentrada que la energía solar o eólica. La generación de energía es continua. No se requiere de un combustible, sólo mantenciones temporales. Tiene una larga vida útil. Tiene un bajo impacto ambiental.

TABLA: LÍMITES MÁXIMOS Y MÍNIMOS DE LA RELACIÓN DE DIÁMETROS Y DEL NÚMERO ESPECÍF ICO DE REVOLUCIONES DE LA TP DE UN CHORRO

TABLA: LÍMITE DEL NÚMERO MÁXIMO REVOLUCIONES PARA MULTIP LES CHORROS

DE

3.1.1 DESGASTES USUALES EN TURBINAS HIDRAULICAS El desgaste en las diferentes piezas de las turbinas hidráulicas depende fundamentalmente de 5 factores: 1) del contenido y del tipo de sólidos abrasivos del agua con que trabajan, 2) de la cavitación, producida por la disminución de la presión del agua en las piezas en que la velocidad alcanza valores máximos y/o presiones mínimas; 3) del material con que están fabricadas las diferentes piezas, el cual debería poseer las características antidesgaste adecuadas para las condiciones en que trabajan; 4) del diseño adecuado de las obras y de una buena selección de los equipos y sus materiales; y 5) del mantenimiento de los sistemas, especialmente de lubricación y de enfriamiento. a) FACTOR DE DESGASTE 1: CONTENIDO Y TIPO DE SÓLIDOS ABRASIVOS DEL AGUA Con relación a la primera condición, hay que tener en cuenta que las pequeñas centrales hidroeléctricas (PCH´s) se caracterizan por no disponer de embalses para acumulación de grandes cantidades de agua; y aquellas que disponen de capacidad de acumulación, generalmente acumulan agua únicamente para producir a máxima capacidad durante las horas de la franja horaria correspondiente a PUNTA. De ahí que cuando llueve, estas centrales decantan únicamente los sólidos de mayor tamaño que arrastran los ríos, debiendo turbinar agua con un porcentaje considerable de sólidos. Es por ello que el diseño de la Obra de Toma y de otras obras de una PCH es muy importante para disminuir la cantidad de sólidos que serán arrastrados en la canalización que conduce el agua a los equipos y a las turbinas de la Casa de Máquinas. Con buenos diseños de estas obras y seleccionando adecuadamente los equipos y sus materiales, se logra disminuir notablemente el desgaste en las distintas piezas de las turbinas y con ello, disminuir los costos de producción. Lo dicho anteriormente se puede constatar observando la siguiente serie de fotografías que muestran el pequeño embalse en el dique del río Sensunapán, de la PCH Nahuizalco. Una de las fotografías de la serie muestra el volumen de sólidos sedimentados en el embalse, cuando se baja el nivel del agua abriendo la compuerta de fondo del dique. La última fotografía de la serie muestra el desarenador que está a continuación de la Obra de Toma en el dique. Este desarenador está diseñado para decantar por gravedad, sólidos de 0.25 mm de diámetro. De igual manera, el material decantado debe de desalojarse periódicamente, especialmente durante la estación lluviosa.

b) FACTOR DE DESGASTE 2): CAVITACIÓN, PRODUCIDA POR LA DISMINUCIÓN DE LA PRESIÓN DEL AGUA EN LAS PIEZAS EN QUE LA VELOCIDAD ALCANZA VALORES MÁXIMOS Y/O PRESIONES MÍNIMAS. Con el objetivo de reducir el peso (o simple y llanamente, el costo), se tiende a construir turbinas lo más pequeñas posibles. Si queremos seguir desarrollando, con todo, la misma potencia, se impone un aumento en la velocidad de rotación... que puede redundar –por ejemplo- en el desencadenamiento de un problema de cavitación. La cavitación es la formación y actividad de burbujas (cavidades) en líquidos. La formación, precisamente, de estas cavidades tiene lugar cuando la presión de un líquido baja por debajo de la tensión de vapor (P v). El efecto que se produce por la presencia de la cavitación de burbujas que es sin duda, la más importante y depende del coeficiente sigma, acostumbra a aparecer en la salida de los álabes, hacia la salida del rodete y se ve influenciada por el punto de funcionamiento de la máquina. (La potencia desarrollada). La adecuada selección de los equipos en cuanto a velocidad del agua en los mismos, la adecuada selección de la velocidad específica de la turbina y la altura del rodete con relación a la superficie del agua en la descarga, son determinantes en los desgastes sufridos por cavitación, la cual se presenta fundamentalmente en las turbinas Francis, en diferentes zonas del rodete y en el codo que conecta la turbina con el tubo de aspiración. Suele presentarse también en turbinas hélice y Kaplan. A continuación se muestra los efectos de la cavitación en un rodete de bronce y en el codo de descarga de la planta Hidroeléctrica La Calera, propiedad de la sociedad “De Matheu y Cía S.A. de C.V.”, después de cinco años de trabajo.

c) FACTOR DE DESGASTE 3: MATERIAL CON QUE ESTÁN FABRICADAS LAS DIFERENTES PIEZAS, EL CUAL DEBE POSEER LAS CARACTERÍSTICAS DE RESISTENCIA MECÁNICA Y ANTIDESGASTE ADECUADAS PARA LAS CONDICIONES EN QUE TRABAJAN. Los distintos materiales que se requieren en las PCH´s, tanto en la conducción, como en los distintos equipos, así como en las piezas de las turbinas hidráulicas, están sujetos a desgaste. Generalmente se usan piezas de hierro fundido, distintos tipos de bronces, de acero de varios tipos; y últimamente, de resinas y cerámica. El hierro fundido ha sido tradicionalmente usado en los cuerpos de las válvulas, y en las carcasas de turbinas de pequeño tamaño y en codos de descarga. Se requieren electrodos especiales para depositar con soldadura eléctrica, material en las zonas de desgaste. El bronce con composiciones adecuadas, ha sido utilizado ampliamente en los bujes para alojar los eje y los muñones de los álabes móviles, en rodetes y en otras piezas menores. Igualmente, se requieren electrodos especiales para depositar por soldadura eléctrica y autógena, material en las zonas de desgaste. Los rodetes de las turbinas suelen fabricarse en muchos casos, de acero inoxidable, que son aleaciones a base de hierro, carbono, cromo, níquel, molibdeno entre otros elementos, que le confieren al material una excelente resistencia a la corrosión. En general, según la composición química de la aleación existen cuatro tipos principales de aceros inoxidables: ferríticos, martensíticos, austeníticos y duplex. Estas aleaciones han sido fuente de estudio desde la primera guerra mundial, ya que, brindan una variedad de propiedades mecánicas para diversas aplicaciones. Dentro de la gama de los aceros inoxidables, destacan los martensíticos con un 13% de Cromo, a los cuales se realizó posteriormente una adición de 4% de Níquel para mejorar su resistencia a la cavitación y al impacto, con lo cual se obtuvieron ventajas adicionales como: • Mejor Resistencia a la corrosión • Mayor grado de dureza • Mayor resistencia a la fractura • Mayor soldabilidad d) FACTOR DE DESGASTE 4: DISEÑO ADECUADO DE LAS OBRAS Y UNA BUENA SELECCIÓN DE LOS EQUIPOS. Un buen diseño de las obras involucradas en una PCH implica entre otros factores: 1) obras civiles que permitan eliminar al máximo los materiales sólidos contenidos en el agua que pasa por las instalaciones; 2) montar la maquinaria en la Casa de Máquinas a un nivel respecto al nivel del agua del río en el sitio de la descarga, que mantenga bajo el nivel de cavitación en las turbinas; 3) Seleccionar adecuadamente la velocidad específica de las turbinas y especificar adecuadamente los materiales con que serán

construidas. Evaluar si es aceptable por el problema de la reparación de los desgastes, aceptar unidades Turbina Hidráulica-Generador con el rodete montado en cantiliver en el eje del generador. e) FACTOR DE DESGASTE 5: MANTENIMIENTO DE LOS SISTEMAS, ESPECIALMENTE DE LUBRICACIÓN Y DE ENFRIAMIENTO. Los sistemas antes mencionados son básicos en mantener adecuadas condiciones de funcionamiento de muchas piezas importantes de una PCH. Fallas tanto en el sistema de lubricación como en el sistema de enfriamiento del aceite de lubricación pueden desgastar distintas piezas hasta el punto que no sea posible repararlas y que requieran reemplazo. Tal es el caso de los baleros y las chumaceras de las turbinas. CONCLUSIÓN: Es muy importante antes de construir una PCH, verificar que se han tenido muy en cuenta en su diseño y en la selección de los equipos, los cinco factores de desgaste aquí mencionados. Una vez construida, lo que queda es batallar para que los desgastes sean reparados oportunamente para lograr operar eficientemente el recurso hidráulico.

3.2

ENSAYOS Y TRATAMIENTOS AL RODETE Los rodetes deben someterse a controles de calidad durante su fabricación así como cuando están en operación, ya sea para confirmar las propiedades mecánicas garantizadas durante su fabricación o para prevenir futuros problemas de los mismos en servicio, evitando así daños catastróficos. Los controles de ensayos del tipo destructivos solo tienen lugar durante la fabricación o en elementos de piezas inservibles con la finalidad de investigar las causas de la falla que los llevo a ese estado. Por ello no se tomara a fondo este tipo de ensayo. Los ensayos no destructivos sin embargo entran en acción no solo en el proceso de fabricación sino también durante las inspecciones de servicio. Durante la fabricación, los ensayos no destructivos permitirán detectar piezas defectuosas y durante el servicio en las plantas revelar defectos, desgaste, etc. antes que la maquina pase a un estado de operación peligroso. Estas inspecciones deben llevarse a cabo en intervalos regulares o después de alguna ocurrencia extraordinaria.

3.2.1 TRATAMIENTOS TÉRMICOS Basándonos en la experiencia en los hornos de la empresa HIDROSTAL SA se realizaron los 2 tratamientos térmicos, según la norma “ASTM A743/a 743M Table 1 Tratament Requirements Grade Ca6NM”, estos se realizaron para uniformizar y eliminar las tensiones internas del material, esta norma establece:

3.2.1.1 TRATAMIENTO TÉRMICO DE TEMPLADO Efectuado para darle uniformidad al material , el rodete es calentado hasta 1010ºC (1859ºF), con una gradiente de 95ºC/hora, a esta temperatura se mantiene constante por 3 horas, luego es enfriado rápidamente mediante inyección de aire forzado frio, hasta una temperatura de 565ºC a 620ºC, el enfriamiento total se realiza con horno abierto y con una gradiente descendente de 30ºC/hora.

3.2.1.2 TRATAMIENTO TÉRMICO DE REVENIDO Efectuado para el alivio de tensiones de la estructura interna del rodete, el rodete es calentado hasta 610ºC con una gradiente de 50ºC/hora a esta temperatura se mantiene constante por 3 horas, luego es enfriado con una gradiente descendente de 40ºC/hora. Resultado: Las curvas de los tratamientos realizados por la empresa HIDROSTAL SA se encuentra dentro de lo recomendado por la norma ASTM A743/a 743M Table 1 Tratament Requirements Grade Ca-6NM., la calidad de los tratamientos térmicos realizados al rodete, fueron encontrados aceptables.

3.2.2

ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS

POSTERIORES

A

Luego de realizados los tratamientos térmicos para uniformizar y eliminar las tensiones internas del material, el rodete fue sometido a ensayos no destructivos para comprobar la calidad del material del rodete Pélton una vez terminados los tratamientos térmicos.

3.2.2.1 INSPECCIÓN VISUAL. El primer control de componentes nuevos y también de aquellos durante su servicio, es la inspección visual. Consiste en revisar la calidad de las superficies, revelando defectos de superficie durante la manufactura y posteriormente en la operación. Su objetivo es detectar defectos superficiales tales como:     

Abrasión: ocasionada generalmente por arena y suciedad, las cuales ocasionan un daño mecánico. Daños mecánicos: normalmente golpes de piedras que dejan una huella. Estos puntos pueden influir en la resistencia del material por un efecto conocido como concentración de tensiones. Daños de fundición: (poros) mayormente por la inclusión de arena de fundición. Fisuras: es la más grave y que puede ocasionar fallas en el rodete.

La limitación principal de este método es en cuanto se refiere a la detección de fisuras, pues como es comprensible, la visión humana tiene sus limitaciones. Para nuestro caso se efectuó al 100% del rodete y al final del proceso, para determinar imperfecciones superficiales, ondulaciones, falta de linealidad, etc. RESULTADO: las diferentes imperfecciones halladas, fueron eliminadas durante el proceso de rectificado.

Fig. Inspección visual (Tesis “CONTROLES DE CALIDAD EN LA FABRICACIÓN DE UN RODETE PELTON” UNMSM LIMA-PERÚ)

3.2.2.2 INSPECCIÓN CON RADIOGRAFÍA La inspección radiográfica es aplicada para la detección de defectos internos, entonces, la inspección radiográfica puede ser considerada como un método de investigación para determinar la calidad de los aceros fundidos. Generalmente, este método puede ser aplicado para la inspección de toda clase de fundiciones de acero, salvo que espesores importantes, la geometría o la falta de accesibilidad a ciertas zonas lo impidan. Para nuestro caso el tipo de control es realizado al 100% en los cuellos de las cazoletas del rodete o cucharas dobles que la conforman. El equipo de gammagrafía empleado para el análisis de resultados fue el de Fuente de Iridio-192 radioisótopos. Marca Tech – Ops, modelo 660 actividad 25 Curies. La técnica empleada es de Pared Simple -Vista Simple, distancia y longitud de la película 8”. Se tomaron 19 placas. El criterio de aceptación fueron la Norma ASME: sección V. Art. 7 y 4; la CCH 70-3 Specification for Inspection of Steel Castings for Hydraulic Machines y la ASTM 03.03 Nondestructive Testing. RESULTADO: el informe entregado por la empresa Control Service Group SAC indica que las placas radiográficas muestran un material continuo sin defectos internos.

Fig. Radiografía de rodete (Tesis “CONTROLES DE CALIDAD EN LA FABRICACIÓN DE UN RODETE PELTON” UNMSM LIMA-PERÚ)

3.2.2.3 INSPECCIÓN CON PARTÍCULAS MAGNÉTICAS Los rodetes Pélton están con frecuencia a sufrir daños como la erosión por arena, los deterioros producidos por sustancias solidas que se encuentran en el agua y por grietas de fatiga. Estos deterioros y desgastes reducen la potencia hidráulica y la disponibilidad de las turbinas. Las fallas comúnmente más peligrosas son las grietas de fatiga, producidas por pequeños desperfectos del material localizados inmediatamente debajo de la superficie del rodete (estos no se detectan fácilmente con los líquidos penetrantes). Por ello la detección y localización de discontinuidades superficiales y subsuperficiales en los materiales ferromagnéticos se lleva a cabo con la inspección con partículas magnéticas. Las discontinuidades subsuperficiales capaces de ser detectadas por este proceso son aquellas que se encuentran hasta 2mm por debajo de la superficie, dependiendo esto de ciertas condiciones de magnetización y de la experiencia de las personas. Para nuestro caso se efectuó un 100% del rodete, teniendo mayor cuidado en los cuellos de las cazoletas con en los nervios centrales. Fue realizado con partículas fluorescentes en medio húmedo. Equipo utilizado: - Yugo Magnético - Luz Negra - Partículas Magnéticas Fluorescentes Las normas de aceptación fueron: ASTM E 709-80 Standart Practice for Magnetic Particlre Examination y ASME E-144. Resultado: El control realizado no arrojo rajaduras que comprometan al rodete, solo poros superficiales en la zona del nervio central, las mismas que fueron eliminados posteriormente durante el proceso de esmerilado.

Fig. Inspección por partículas magnéticas al rodete (Tesis “CONTROLES DE CALIDAD EN LA FABRICACIÓN DE UN RODETE PELTON” UNMSM LIMA-PERÚ)

3.2.3 DURANTE LOS PROCESOS DE RECTIFICADO, PULIDO y ACABADO: Todos los controles realizados se encuentran dentro de la norma técnica internacional de calidad CCH 70-3.

3.2.3.1 INSPECCIÓN CON TINTES PENETRANTES El ensayo no destructivo por tintes penetrantes es uno de los más usados por su sencilla aplicación. Esta prueba tiene como objetivo la detección de defectos abiertos en la superficie de las piezas. El método es aplicable tanto a férreos como no férreos. El examen por líquidos penetrantes depende fundamentalmente de aquellas propiedades de los líquidos que les comuniquen un determinado poder humectante, suficiente para mojar la superficie del sólido u objeto sometido a examen al tiempo que les permitan fluir sobre ella formando una película razonablemente continua y uniforme, así como una facultad o poder de penetración que les faculten para introducirse en la discontinuidad abierta a la superficie. Para nuestro caso se efectuó al 100% del rodete, ( durante el proceso de esmerilado) y al final del proceso, para verificar porosidades y rajaduras superficiales, el criterio de aceptación será los contemplados por la norma internacional para centrales PT70-3.   

Clase I, sección cuello, nervio central, filo de ataque y zona de acoplamiento. Clase II, cazoleta interna Clase III, zonas externas.

RESULTADO: en el control final no se encontraron discontinuidades lineales ni poros, encontrándose dentro de los criterios aceptables por la norma PT 70-3.

3.3

OBJETIVOS DEL PROYECTO 3.1.1 OBJETIVO ESPECIFICO 

Poder reconocer las fallas que sufre el rodete como componente de una turbina hidráulica tipo pelton.



Dar a conocer una pequeña solución a los problemas detectados y optimizar el uso de la turbina y disminuir los daños en el rodete por efecto del chorro de agua del inyector, a través del paso del tiempo.

3.1.2 OBJETIVO GENERAL 

Llevar a cabo un análisis de materiales basados en los diferentes temas tocados en clase sobre ensayos no destructivos como tratamientos térmicos que se podrían realizar sobre el rodete.



Conocer los diferentes elementos que componen a la turbina tipo pelton, así como la funcionalidad de cada elemento dentro de la turbina hidráulica, como también la funcionalidad de la turbina hidráulica en centrales hidroeléctricas.



Conocer las propiedades mecánicas que presenta el rodete y también conocer el material del cual están conformadas las diferentes partes de la turbina.

3. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Se recomienda que los controles a efectuarse después de la puesta en servicio de una turbina pelton deba seguir serlos siguientes puntos a considerarse: 

Realizar una Inspección visual a los 15 días.



Una Inspección visual y de partículas magnéticas a los 30 días.



Inspección visual y de partículas magnéticas a los 60 días.



Inspección

visual

y

4.1 LOS SIGUIENTES SEMESTRALMENTE:

de

partículas

magnéticas

CONTROLES

a

DEBEN

los

120

días.

REALIZARSE



Realizar mantenimiento correctivo de rectificado y pulido de las cazoletas del rodete cada 6 meses periódicamente.



Inspección visual al 100% del rodete.



Controles con Líquidos Penetrantes y Partículas Magnéticas a todas las cazoletas, teniendo especial énfasis en las zonas del cuello de las cazoletas, los filos de ataque y los nervios centrales.

4. ANEXOS

5. BIBLIOGRAFIA https://faeitch2012.wordpress.com/2012/02/ http://www.nzdl.org/gsdlmod?e=d-00000-00---off-0hdl--00-0----0-10-0---0---0direct-10---4------0-1l--11-en-50---20-about---00-0-1-00-0--4----0-0-11-10-0utfZz-800&cl=CL1.11&d=HASH01b2a59a972bbec8727d699d.14>=2 https://ocw.ehu.eus/pluginfile.php/6771/mod_resource/content/1/maquinas_fluidos/tema-6turbinas-pelton.pdf http://www.areatecnologia.com/mecanismos/turbinas-hidraulicas.html http://files.pfernandezdiez.es/Turbinas/Hidraulicas/PDFs/03Turb.Hidr.pdf http://www.ing.una.py/pdf_material_apoyo/turbinas-hidraulicas.pdf http://cybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/881/1/jimenez_rl.pdf http://slideplayer.es/slide/154558/

Tabla de contenido 1. Datos Nominales del proyecto .................................................................................................... 1 1.1 Titulo del proyecto ..................................................................................................................... 2 1.2 Área a la que se inscribe……………………………………..………………………………………………………………………..…3 1.3 Responsables del proyecto……………………………………………..……………………………………………..……………….4 1.4 Fecha………………………….…………………………….………………………………………………………………………………… ….5

2. Antecedentes .............................................................................................................................. 4 2.1 Marco Conceptual ...................................................................................................................... 5 3. Fundamentos del proyecto ......................................................................................................... 4 3.1 Análisis del problema 3.2 Objetivos del proyecto