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• Maynard Coaquira Gonzales

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Tuberías Forzadas

Se utiliza Tubería Forzada cuando el declive es mayor al 5%, sino se usa canales. En las instalaciones hidroeléctricas, las tuberías de presión o tuberías forzadas, tienen por objeto conducir el agua desde un nivel superior a uno inferior, para transformar la energía potencial en energía mecánica. Las características de las tuberías forzadas son: 1. Impermeabilidad (evitar fugas de agua a altas presiones) 2. Resistencia a la corrosión del agua (pintura), además de resistir compresión. Dilatación térmica y peso propio. 3. Resistencia a sobrepresiones por golpe de ariete (elasticidad) 4. Facilidad de unión (mayor complejidad a mayor presión interna)

Tuberías Forzadas

Los materiales empleados para la construcción de las tuberías, son: 1. Tuberías de uralita (amianto - cemento), Se emplean en saltos de poca potencia con muy buenos resultados y por su bajo costo, son muy recomendables. Generalmente se montan enterradas en zanjas. 2. Tuberías de hormigón armado, Estas tuberías se utilizan en casos de gran caudal y alturas de salto hasta unos 50 metros, cuando por las circunstancias de costo de adquisición y transporte de la tubería, resulta más económica la de hormigón. Estas tuberías van generalmente enterradas o semienterradas, casi nunca al aire. 3. Tuberías de hormigón precomprimido, Están constituidas por tubos de hormigón armado con una ligera armadura longitudinal de hierro, cuyo objeto es obtener una estructura resistente a los esfuerzos longitudinales. Este tipo de tuberías pueden ser utilizadas en saltos de hasta 500 m. Generalmente, estas tuberías se montan en el terreno como las de hormigón armado corriente, es decir, enterradas. 4. Tuberías de presión metálicas. Las tuberías metálicas o de palastro son muy empleadas pues pueden adaptarse fácilmente a las más altas presiones. Son más utilizadas las tuberías de palastro de acero que las de hierro, ya que las primeras tienen mayor resistencia y resultan más económicas. Los tubos se forman arrollando chapas rectangulares de palastro, a las que se da forma cilíndrica uniendo longitudinalmente los bordes.

Accesorios de Tuberías Forzadas 1. Apoyos Es un soporte para evitar flexiones de la tubería. Generalmente son de concreto con metal antifricción debido a ala dilatación de la tubería.

2. Anclajes

En los cambios de sección y de perfil de la tubería, contrapesan esfuerzos en las tuberías de presión. Antes y después de cada anclaje debe existir una junta de dilatación o explosión que absorba y evite deformaciones de la tubería. Los anclajes son de hormigón armado.

3. Junta de dilatación Se colocan en cada cambio de perfil, además de permitir la dilatación de la tubería procura mayor rapidez en su montaje. Se trata de 2 tubos unidos por medio de empaquetaduras y prensaestopas. Mantiene la estanqueidad de la junta.

Los esfuerzos que absorven las juntas de dilatación, son: 1. Esfuerzos longitudinales (a lo largo de la tubería). 2. Esfuerzos cortantes por el peso de la tubería. 3. Esfuerzos longitudinales por la flexión en los apoyos. 4. Esfuerzos longitudinales por ΔT. 5. Esfuerzos por cambios de dirección.

Numero y diámetro optimo de las tuberías. La elección del número de tuberías depende de los grupos instalados y de la oportunidad de mantener la independencia del funcionamiento de dichos grupos. A igualdad de caudal y pérdidas de carga, en las tuberías, existe evidentemente una relación entre el número de tuberías en paralelo y el diámetro de las mismas. La solución mas barata es desde luego la de una sola tubería. La determinación del diámetro óptimo de la tubería se basa en un compromiso económico entre el coste de Ios materiales y el coste asociado a las perdidas de carga que se producirán. Es evidente que a mayor diámetro mayor coste, pero menores pérdidas, es decir, más capacidad de producción de energía. El espesor (e) de la tubería viene expresado por la formula siguiente: Donde: P : presión interna en la tubería. D : diámetro de la tubería σ : tracción admisible en el acero K :coeficiente de reducción en la carga admisible Para el cálculo, de la presión interna en la tubería, se tiene:

Donde: H : Altura Bruta ΔH : sobrepresion por golpe de ariete que depende del tipo de turbina Para tuberías de acción: ΔH < 15 - 20 > % Para tuberías de reacción: ΔH < 25 - 30 > % El peso de la tubería (W) se calcula con la siguiente formula: W =γπDLe Donde: γ : peso especifico del material El costo anual de la tubería viene a ser:

Las perdidas por fricción (hr) se obtienen de la siguiente ecuación:

Por lo tanto el diámetro de la tubería, vendría a ser:

Donde: Q : Caudal La energía anual dejada de producir, por causa de perdidas en la tubería, es la siguiente:

Donde: Q : caudal T : horas de operación anual.

El costo de la energía anual que se pierde, viene a ser:

C 1 =c2xEr Donde: c2 : costo de la energía producida. Sumando los costes fijos y variables y derivando respecto al diametro e igualando a cero se obtiene el diámetro óptimo.

En la siguiente figura se muestran las curvas que determinan el diámetro mínimo de la tubería a construir.

Turbinas Hidráulicas Uno de los elementos principales constituyentes de una central hidroeléctrica, del cual depende en su mayor parte el rendimiento y el buen servicio de la instalación, lo constituye la turbina o motor hidráulico de la misma. En la actualidad los motores hidráulicos primarios o turbinas, que transforman la energía cinética de traslación del agua en energía mecánica rotatoria, se clasifican según: A). Según su grado de reacción Turbinas de acción. En las turbinas de acción el rodete trabaja a presión ambiental, siendo su grado de reacción σ=0. Turbinas de reacción. En las turbinas de reacción la presión a la salida del rodete es inferior a la presión atmosférica y tanto menor cuando mayor es el grado de reacción σ >0.

TURBINAS HIDRAULICAS KAPLAN

FRANCIS

PELTON

B). Según sus características de salto y caudal Turbina Pelton. Son turbinas de acción y se utilizan en saltos de gran altura (de150 a 1400 m o mas) y caudales relativamente pequeños (hasta 10 m3/s aproximadamente). La Turbina Pelton esta formada por una rueda móvil provista de aletas o cucharas en su periferia sobre las cuales incide el chorro de agua. Este chorro sale de un inyector fijo en el cual la regulación se efectúa variando la posición de la aguja que obtura el orificio de salida. El chorro de agua incide en la arista central de las cucharas y se divide en dos partes que salen despedidas lateralmente, parar caer después al canal de fuga. Turbina Pelton

Turbina Francis. Son turbinas a reacción y su campo de aplicación es muy extenso, dado el avance tecnológico en la construcción de este tipo de turbinas, pudiendo emplearse en saltos de distintas alturas dentro de una amplia gama de caudales (entre 2 y 400 m3/s aproximadamente). De acuerdo a los saltos las turbinas Francis pueden ser: Turbina Francis lenta. Para saltos de gran altura (alrededor de 200 m a 700 m). Turbina Francis normal. Indicada en saltos de altura media (entre 200 y 20 m) Turbinas Francis rápidas y extrarápidas. Apropiadas a saltos de pequeña altura (inferiores a 20 m). En las Turbinas Francis el agua a presión es llevada a una cámara espiral en forma de caracol, cuya misión es repartir el caudal por toda la periferia del rodete

Turbinas Kaplan. Son turbinas a reacción y se emplean en saltos de pequeña altura (alrededor de 50 m. y menores), con caudales medios y grandes (aproximadamente de 15 m3/s en adelante). Están constituidas por una hélice de pocos alabes y gran sección de paso entre ellos. El agua entra al rodete desde una camara espiral con distribuidor regulable análogo al de las turbinas Francis. Los alabes del rodete también son regulables, lo que permite la incidencia del agua en el borde de ataque del álabe en las condiciones de máxima acción, cualesquiera que sean los requisitos de caudal o de carga. Se logra así mantener un rendimiento elevado a diferentes valores de la potencia.

Selección de Turbinas Uno de los principales criterios que se deben manejar a la hora de seleccionar el tipo de turbina a utilizar en una central, es la velocidad específica (ns) cuyo valor exacto se obtiene a partir de la siguiente ecuación:

Donde: N : revoluciones por minuto, P : potencia del eje o potencia al freno H :altura neta. La velocidad específica ns es el número de revoluciones que daría una turbina semejante a la que se trata de buscar y que entrega una potencia de un caballo, al ser instalada en un salto de altura unitaria. Esta velocidad específica, rige el estudio comparativo de la velocidad de las turbinas, y es la base para su clasificación. Se emplea en la elección de la turbina más adecuada, para un caudal y altura conocidos, en los anteproyectos de instalaciones hidráulicas, consiguiendo una normalización en la construcción de rodetes de turbinas. Los valores de esta velocidad específica para los actuales tipos de turbinas que hoy en día se construyen con mayor frecuencia (Pelton, Francis, Hélices y Kaplan) figuran en el siguiente cuadro:

Velocidad específica, tipo de turbina y salto

Es recomendable seleccionar turbinas que obtengan la mas alta velocidad, ya que a mayor rpm menor numero de polos y bajo costo del generador.

Donde: f : frecuencia en Hz p : par de polos En Sistemas interconectados se considera 1 grupo como mínimo, en cambio para sistemas aislados 2 como mínimo. PROBLEMA Calidad de agua limpia, central aislada. Hn = 300 m Qnom. = 6 m3/s