“AÑO DEL DIÁLOGO Y LA RECONCILIACIÓN NACIONAL”

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

TURBOMÁQUINAS I – MN232

TEMA : MONOGRAFIA 2 – ROTOR AXIAL

DOCENTE : ESPINOZA ESCRIBA, JUAN

ALUMNOS : CUENCA CUENCA JOSE LUIS 20142590G

COCHACHI QUISPE CELESTINO 20120149F
ALVIN ASPAJO CHUQUICHANCA 20132541C
TORRES VASCO MARLON 20120173D

SECCION : "A"

PERIODO ACADEMICO : 2018 -I

Lima - Perú
2018
 INDICE

INDICE 2

I. INTRODUCCIÓN......................................................................................................................... 3

II. IMPORTANCIA ........................................................................................................................... 3

III. OBJETIVOS ................................................................................................................................. 4

IV. FUNDAMENTO TECNICO ........................................................................................................... 5

V. INFORMACIÓN DE LAS CENTRALES HIDROELÉCTRICAS .......................................................... 15

VI. CALCULOS DE PARAMETROS DE DISEÑO ................................................................................ 16

VII. BIBLIOGRAFÍA.......................................................................................................................... 19
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I. INTRODUCCIÓN

El COES en base al Procedimiento Nº 18: Determinación de la potencia efectiva de las Centrales

Hidroeléctricas del SINAC, determina la potencia efectiva de las centrales de generación hidráulica
del SINAC.

En nuestro país la geografía es accidentada la cual generan ríos y lagunas que bajan desde la sierra
hacia la costa peruana dichas variaciones de alturas es aprovechada por la centrales hidroeléctricas,
existe gran demanda de energía eléctrica y actualmente hay proyectos de ampliación y construcción
de nuevas centrales para poder cubrir la demanda de nuestro País.

El presente informe técnico tiene por finalidad analizar los resultados de los cálculos obtenidos en el
triángulo de velocidades y los números característicos de la turbina. Con ello verificar nuestros
cálculos y designar la turbina correspondiente.

II. IMPORTANCIA

El cálculo de los parámetros de diseño de las centrales hidroeléctricas es de suma relevancia pues
permite establecer una comparación entre algunos de los parámetros que ya se tienen en las fichas
técnicas y los parámetros calculados. El análisis de estos resultados también da una perspectiva de
ideas de mejora para esta central, trayendo consigo un aporte propio con el fin de optimizar
ingenierilmente la operación de esta planta de energía.

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III. OBJETIVOS

Objetivo general

 Caracterización cinemática y la determinación de los parámetros de diseño de las turbinas.

Objetivos específicos

 Identificar las partes principales de una Central Hidroeléctrica.

 Identificar y conocer los parámetros de operación y control del proceso de funcionamiento
de una Central Hidroeléctrica.
 corroborar mediante cálculos directos e indirectos los parámetros de diseño de las turbinas.

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IV. FUNDAMENTO TECNICO

IV.1. CARACTERÍSTICAS DE LA CENTRAL HIDROELÉCTRICA

Una central hidroeléctrica es aquella que genera electricidad mediante el aprovechamiento de la

energía potencial del agua embalsada en una presa situada a un nivel más alto que la central.

El agua es conducida mediante una tubería de presión a la sala de máquinas de la central, donde
mediante turbinas hidráulicas se produce la generación de energía eléctrica en alternadores.

El agua que sale de la turbina es devuelta a su curso original a un nivel más bajo respecto al que fue
recogida.

Esquema de una Central Hidroeléctrica

Las dos características principales de una central hidroeléctrica, desde el punto de vista de su
capacidad de generación de electricidad, son: La potencia, que es función del desnivel existente entre
el nivel medio del embalse y el nivel medio aguas abajo de la usina, y del caudal máximo turbinable,
además de las características de la turbina y del generador; y, la energía garantizada en un lapso de
tiempo determinado, generalmente un año, que es función del volumen útil del embalse y de la
potencia instalada. La potencia de una central hidráulica puede variar desde unos pocos MW hasta
valores cada vez mayores.

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IV.2. TIPOS DE CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

Desde el punto de vista de su concepción arquitectónica, las centrales pueden ser clasificadas en:

- Centrales al aire libre, al pie de la presa, o relativamente alejadas de esta, y conectadas por
medio de una tubería en presión;
- Centrales en caverna, generalmente conectadas al embalse por medio de túneles, tuberías
en presión, o por la combinación de ambas.

IV.3. INSTALACIONES DE UNA CENTRAL HIDRÁULICA

1. Presa

Se llama presa en general a una construcción que se levanta en el lecho del río para atajar el agua,
produciendo una elevación de su nivel que permite la derivación de ella, o bien para almacenar el
agua regulando el caudal del río.

Por el objeto para que están construidas, las presas se dividen en dos grandes grupos:

- Presas de derivación.
- Presas de embalse

En realidad, las presas casi siempre tienen una función mixta; se denominarán presas de derivación,
o, en su caso, presas de embalse si el efecto predominante es la elevación del nivel de agua para su
desviación o, por el contrario, de embalse si siempre tienen un caudal disponible. Es una construcción
que se alza sobre el suelo del río y perpendicular a su dirección, para que permita la derivación de
ella (presas de derivación), o bien para almacenar el agua (presas de embalse).

2. Toma de agua

Zona donde se capta el agua necesaria para el accionamiento de las turbinas. Las tomas de agua se
hallan en la pared anterior de la presa que entra en contacto con el agua embalsada. Además existen
algunos elementos que proporcionan mejor protección contra elementos no deseados en el caudal
como son desperdicios y objetos sólidos que perjudicarían a la turbina:

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Ejemplo de toma de agua.

3. Compuertas

Sirven para regular la cantidad de agua que llega a las turbinas ya que si ésta es superior al caudal
nominal podría producir inundaciones o sobrepasar la máxima presión que puede soportar la galería
de aducción.

Ejemplo de compuertas en la presa de Almarail (España)

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4. Rejas y rejillas

Las aperturas por donde entra el agua mediante las compuertas están protegidas para evitar el paso
de cuerpos en suspensión o flotación, de estos se encargan las rejas y rejillas, filtrando el agua de
elementos grandes la reja y de elementos más fino la rejilla; no dejan pasar elementos que
deterioraran los álabes y producir desperfectos a la turbina. Estas rejas y rejillas necesitan de un
mantenimiento periódico pues los restos atascados durante el filtrado pueden acumularse y
ocasionar perdida del caudal además de llegar al punto de no dejar pasar el agua, especialmente en
épocas de avenida.

Las rejas se clasifican en gruesas y finas. Las primeras están constituidas por barrotes metálicos que
dejan entre si un espacio de 5 a 25 centímetros e impiden la penetración de cuerpos de regular
tamaño en la tubería, casi siempre productos leñosos del campo o del monte (y en los sitios del clima
riguroso, témpanos de hielo)

Las rejas finas son las que en realidad protegen más a fondo los elementos de las turbinas. La
distancia entre los barrotes es menor, sólo de 30 mm.

Las rejas se colocan con una cierta inclinación.

Inclinación de las rejas

5. Desarenador

Este elemento se encargará de la eliminación de partículas minúsculas después del filtrado en las
rejas y rejillas; el sistema de funcionamiento de este filtrado se basa en la disminución de la velocidad

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del caudal, dando lugar a que las partículas como son la tierra, piedras pequeñas y arenilla se asienten
en el fondo del desarenador, el cual desfoga todas estas partículas mediante unas compuertas que
los devuelven al cauce del rió; así el agua queda limpia en un porcentaje apreciable disminuyendo el
desgaste de la turbina. Las pozas de decantación de los desarenadores, cuyas formas y tamaño
pueden ser muy distintos, trabajan todas sin embargo según el principio de reducir la velocidad del
agua hasta 20-30 cm/s, aprovechando una sección transversal oportuna; las partículas sólidas, en el
recorrido del agua de un extremo a otro de la poza, cuyo largo puede alcanzar unos 50-70 metros, se
depositan en el fondo y pueden ser periódicamente evacuadas por medio de purgas y lavados en la
misma poza.

Corte transversal del desarenador.

6. Canales y Galería de conducción

El transporte del agua desde las obras de captación hasta el comienzo de la tubería forzada está
asegurado, según los tipos de instalación, por canales y galerías de pelo libre o por galerías de
presión. El largo y la sección dependen de las características de la instalación. Generalmente tienen
pendientes de 1,5 hasta 3 por mil con velocidad del agua de 2 – 3 m/s.

Un estudio exhaustivo permite determinar el recorrido del canal o túnel que deben obviamente
evitar terrenos demasiado accidentados, rocas descompuestas, localidades urbanizadas, etc. El agua
circula debido a los ligerísimos desniveles entre sus extremos (velocidades pequeñas) Son
construidas de hormigón con juntas de dilatación (cambio de temperatura).

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7. Cámara de carga

En las centrales alimentadas a través de un canal o una tubería de pelo libre, el agua conducida por
la obra de transporte pasa a través de una cámara de carga antes de penetrar en la conducción
forzada.

Esta cámara de carga, en forma de pequeño reservorio excavado en el interior del cerro, está prevista
de rejillas y compuertas y tiene sobre todo la función de volante en caso de variaciones repentinas
en la carga. En efecto, si la turbina requiere por ejemplo un aumento instantáneo del 30 % de la
carga, el mayor caudal no puede ser entregado de inmediato por el canal aductor y se tomara de la
cámara de carga.

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8. Chimenea de equilibrio o pozo piezométrico

Si en lugar de un ducto, existe una galería de presión no será posible disponer en su extremidad de
una cámara de carga abierta; de otro lado no se puede conectar directamente la galería de presión
con la tubería forzada por dos motivos principales:

a) Al disminuir, por razones de servicio, en forma violenta la carga de la central (y consiguiente

cierre brusco del distribuidor de la turbina) la masa de agua en moviendo contenida en la galería
de presión debe reducir rápidamente su velocidad hasta cero y por el principio de la conservación
de la energía, transforma su energía cinética en energía de presión, poniendo en peligro la
estabilidad del concreto del revestimiento de la galería, que como se sabe- no siendo armado-
no puede resistir el esfuerzo de tracción. Además se incrementaría peligrosamente la presión la
tubería forzada obligando a un sobredimensionamiento de la misma. El pozo piezométrico
ubicado en el empalme de la galería con la tubería forzada., funciona por la tanto como limitador
o regulador de presión.
b) Al aumentar rápidamente la carga de la central no se lograría acelerar de inmediato toda la masa
del agua (miles y miles de m3) existentes entre las obras de captación y las máquinas, así que
disminuiría la presión nominal en el ducto forzado y por consiguiente la potencia de las máquinas
no podría corresponder a la potencia requerida por la carga. En este caso el pozo piezométrico
funciona como reservorio instantáneo.

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9. Tubería forzada o de presión

Antes de penetrar en la rueda de la turbina, el agua recorre generalmente una tubería a presión
dispuesta entre la cámara de carga (o la chimenea de equilibrio) y la sala de máquinas. Solamente en
saltos de pequeña altura se puede hacer llegar directamente al distribuidor de la turbina el agua
procedente del canal (turbinas de cámara abierta). A veces, si la turbina es instalada en el cuerpo
mismo de la represa, la tubería forzada se reduce a un corto tramo de galería blindada.

Podemos mencionar tres tipos de tuberías de presión empleadas en los saltos: metálicas, de
hormigón pre comprimido o armado y de Uralita.

Recordemos ante todo, la existencia de un coeficiente característico de las tuberías forzadas; se trata
del producto: D x H, donde D en metros, es el diámetro de la tubería y H la altura del salto (en
metros). Este coeficiente puede fácilmente alcanzar el valor de 2000 m2 para tuberías metálicas
(limite alrededor de 2500 m2 y alrededor de 1000 para tuberías en concreto armado pre comprimido
con caídas de 400 – 500 metros como máximo.

Esto quiere decir, por ejemplo, que una tubería metálica de un metro de diámetro puede ser
empleada hasta 2000 – 2500 metros de caída y una tubería de 4 metros de diámetro se puede utilizar
para caídas de 50 – 60 metros. Es prudente utilizar las tuberías de hormigón armado no pre
comprimido con no más de 60 m de caída y un producto D x H igual a 200 m2 como máximo.Las
tuberías metálicas instaladas al interior de una galería en roca pueden ser del tipo auto resistente si
en el cálculo no se tiene en cuenta la “colaboración” de la roca en soportar la presión interna del
agua; o bien del tipo metálico aligerado si una parte del esfuerzo se transmite a la roca por intermedio
del espesor de concreto inyectado entre tubería y roca, así que esta última interviene para soportar
la presión hidráulica.

Tubería forzada de la Central Hidroeléctrica San Augusto (España)

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10. Válvula de Compuerta

Como observación hacemos notar que las válvulas de este tipo llevan un dispositivo de by-pass que
permite el paso del agua de una a otra cara de la pantalla de la válvula, así que una vez equilibradas de
este modo las presiones de ambas caras, la compuerta puede levantarse con menor esfuerzo. Cuando
tienen dimensiones importantes, estas válvulas se maniobran por medio de un servomotor, que
funciona con la presión del agua procedente de la tubería forzada y que debe ser limpia y que no debe
llevar arena que puede perjudicar el funcionamiento de los cilindros y mecanismo del servomotor. Por
estas razones a veces se emplea aceite en presión en lugar del agua decantada en la tubería.

11. Tipos de Turbina

Según la forma de actuar el agua en los alabes:

Turbinas de acción

- Sentido de proyección del chorro de agua y sentido de giro del rodete coinciden
- La presión de agua no varía en los alabes
- Rodete no inundado o Turbina Pelton

Turbinas de reacción

- Sentido de proyección del chorro de agua y sentido de giro del rodete no coinciden
- Mayor presión de agua a la entrada que a la salida
- Rodete inundado
- Turbinas Francis y Kaplan

12. Generador

El alternador o generador de corriente alterna es una máquina rotativa que transforma la energía
mecánica de la turbina en energía eléctrica, mediante fenómenos de inducción. Un alternador consta
de dos partes fundamentales, el inductor que es el que crea el campo magnético y el inducido que es
el conductor, el cual es atravesado por las líneas de fuerza de dicho campo, generando corriente alterna.
En las grandes máquinas el inductor siempre está constituido por electroimanes, cuya corriente de
alimentación o excitación proviene de un generador de corriente continua auxiliar o de la propia
corriente alterna generada por el alternador convenientemente rectificada. El alternador acoplado al
eje de la turbina genera una corriente alterna de alta intensidad y baja tensión, esta corriente
posteriormente pasa a un transformador que la convierte en alta tensión y baja corriente para su
transporte.

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13. Sistemas de Excitación

FUNCIÓN BÁSICA:

Proveer corriente continua al arrollamiento de campo al generador. Realizar las funciones de control
y de protección para una operación satisfactoria del sistema de potencia.

FUNCIÓN DE CONTROL:

Control de tensión en terminales del generador, control de flujo potencia reactiva y la mejora de la
estabilidad del sistema de potencia.

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V. INFORMACIÓN DE LAS CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

Actualmente contamos con información práctica disponible a todo público acerca de cada central de
generación eléctrica (Central Termoeléctrica, Eólica, Solar, etc) así como de los proyectos de Líneas
de Transmisión. Esta recopilación fue realizada por Osinergmin, a través de las empresas de
generación y el COES, y así tener un panorama más amplio del sector energía.

V.1. CENTRAL HIDROELÉCTRICA CURUMUY

La Central Hidroeléctrica de Curumuy está ubicada en la Costa Norte del Perú, en el

departamento de Piura, localidad de San Juan de Curumuy, aproximadamente a 1.000 km.
de la ciudad de Lima y 20 km. de la ciudad de Piura. Se ubica a la altura del kilómetro 54 del
Canal de Derivación “Daniel Escobar” (final del canal), propiedad del Proyecto Especial Chira-
Piura, donde éste entrega sus aguas hacia el río Piura. Estas aguas se descargan mediante
una “caída rápida” conocida localmente como Caída Curumuy. En esta estructura se genera
un cambio de alturas del orden de los 40 metros, la que es aprovechada para la generación
de energía, desviando las aguas del canal antes de la estructura, hacia una cámara de carga
construida paralelamente al canal, haciendo ingresar las aguas a un sistema de tuberías que
las conducen a las turbinas ubicadas en la casa de máquinas.

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VI. CALCULOS DE PARAMETROS DE DISEÑO

Para el cálculo se utilizarán los siguientes datos:

𝑁 = 450 𝑅𝑃𝑀

3
𝑄 = 18.5 𝑚 ⁄𝑠

𝐻 = 39 𝑚

Tomaremos la siguiente figura como modelo de una turbina Kaplan:

𝜋𝑑𝑒 𝑁 𝑚
𝑢 = 𝑢1 = 𝑢2 = [ ]
60 𝑠

Dónde:

𝑢1 : 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑡𝑎𝑛𝑔𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑎 𝑙𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 [𝑚/𝑠]

𝑢2 : 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑡𝑎𝑛𝑔𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑎 𝑙𝑎 salida 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 [𝑚/𝑠]

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𝑑𝑒 : 𝐷𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 𝑘𝑎𝑝𝑙𝑎𝑛 [𝑚]

𝑁: 𝑅𝑃𝑀 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎

Asumiendo:

𝑑e = 3.5 𝑚

𝑑i = 1.75 𝑚

Por lo tanto, operando:

𝑚
𝑢 = 82.467 [ ]
𝑠

También, trabajando con el caudal:

𝜋 𝑚3
𝑄 = 𝐶𝑚 (𝑑𝑒 2 − 𝑑𝑖 2 ) [ ]
4 𝑠

Dónde:

𝑚
𝐶𝑚 = 2.564 [ ]
𝑠

Asumimos:

𝑛ℎ = 0.98

De la siguiente fórmula, obtenemos:

𝑈
𝑛ℎ 𝐻 = 𝐶
𝑔 1𝑢

Operando, obtenemos:

𝑚
𝐶1𝑢 = 4.5465 [ ]
𝑠

Hallando los ángulos de los álabes:

𝐶𝑚
tan(𝛽1 ) =
𝑈 − 𝐶1𝑈

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𝐶2
tan(𝛽2 ) =
𝑈

Para este caso, consideramos:

𝛼2 = 90° (𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑠𝑎𝑙𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑎𝑥𝑖𝑎𝑙𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒)

Por lo tanto reemplazando:

𝐶𝑚
tan(𝛽2 ) =
𝑈

Operando, tenemos:

𝛽1 = 1.885°

𝛽2 = 1.7808°

Con estos cálculos, formamos nuestro triángulo de velocidades:

A continuación, dibujaremos nuestros álabes del rotor y estator:

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VII. BIBLIOGRAFÍA

 Separatas y apuntes del curso Turbomáquinas I, 2016-I. Dr. Salomé Gonzáles Chávez.
 Turbomáquinas Hidráulicas. Claudio Mataix.
 Modernización del mantenimiento preventivo de las Turbinas Pelton de la Central
Hidroeléctrica “Juan Carosio”-Moyopampa. Tesis de grado. Luis Alberto Jiménez Ruidias. Año
2006.
 Diseño de una Turbina Kaplan Vertical de 1.6MW. Tesis de grado. Daniel Chambergo
Altamirano. Año 2016.

Documentos en páginas webs:

 Datos Central Hidroeléctrica Cheves. Extraído de:

https://www.osinergmin.gob.pe/seccion/centro_documental/electricidad/Documentos/PR
OYECTOS%20GFE/Acorde%C3%B3n/Generaci%C3%B3n/1.1.1.pdf
 Compendio de centrales de generación eléctrica del sistema interconectado nacional
despachado por el comité de operación económica del sistema. Osinergmin. Febrero 2013.
extraído de:
https://www.academia.edu/8568864/COMPENDIO_DE_CENTRALES_DE_GENERACI%C3%93
N_EL%C3%89CTRICA_DEL_SISTEMA_INTERCONECTADO_NACIONAL_DESPACHADO_POR_EL
_COMIT%C3%89_DE_OPERACI%C3%93N_ECON%C3%93MICA_DEL_SISTEMA

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