La rueda Pelton o turbina Pelton es una turbina hidráulica de tipo impulso inventada por el inventor estadounidense Lester Allan Pelton en la década de 1870. [1] [2] La rueda Pelton extrae energía del impulso del agua en movimiento, a diferencia del peso muerto del agua como la rueda hidráulica tradicional . Existieron muchas variaciones anteriores de turbinas de impulso, pero eran menos eficientes que el diseño de Pelton. El agua que salía de esas ruedas normalmente todavía tenía alta velocidad, llevándose gran parte de la energía dinámica llevada a las ruedas. La geometría de la paleta de Pelton fue diseñada de modo que cuando la llanta giraba a la mitad de la velocidad del chorro de agua, el agua salía de la rueda con muy poca velocidad; así, su diseño extrajo casi toda la energía de impulso del agua, lo que dio como resultado una turbina muy eficiente.
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Lester Allan Pelton nació en Vermillion, Ohio, en 1829. En 1850, viajó por tierra para participar en la fiebre del oro de California . Pelton trabajaba vendiendo pescado que pescaba en el río Sacramento . [3] En 1860, se trasladó a Camptonville , un centro de actividad minera de placer . En esa época, muchas operaciones mineras funcionaban con máquinas de vapor que consumían grandes cantidades de madera como combustible. Se utilizaron algunas ruedas hidráulicas en los ríos más grandes, pero fueron ineficaces en los arroyos más pequeños que se encontraban cerca de las minas. Pelton trabajó en el diseño de una rueda hidráulica que funcionaría con el flujo relativamente pequeño que se encuentra en estos arroyos. [4]
A mediados de la década de 1870, Pelton había desarrollado un prototipo de madera de su nueva rueda. En 1876, se acercó a Miners Foundry en la ciudad de Nevada, California, para construir los primeros modelos comerciales en hierro. La primera rueda Pelton se instaló en la mina Mayflower en la ciudad de Nevada en 1878. [4] Las ventajas de eficiencia del invento de Pelton fueron rápidamente reconocidas y su producto pronto tuvo una gran demanda. Patentó su invento el 26 de octubre de 1880. [5] A mediados de la década de 1880, Miners Foundry no pudo satisfacer la demanda y, en 1888, Pelton vendió los derechos de su nombre y las patentes de su invento a Pelton Water Wheel Company. en San Francisco. La empresa estableció una fábrica en 121/123 Main Street en San Francisco . [6]
Pelton Water Wheel Company fabricó una gran cantidad de ruedas Pelton en San Francisco que se enviaron a todo el mundo. En 1892, la Compañía añadió una sucursal en la costa este en 143 Liberty Street en la ciudad de Nueva York . En 1900, había más de 11.000 turbinas en uso. En 1914, la empresa trasladó la fabricación a unas instalaciones nuevas y más grandes en 612 Alabama Street en San Francisco. En 1956, la empresa fue adquirida por Baldwin-Lima-Hamilton Company , empresa que puso fin a la fabricación de ruedas Pelton. [6]
En Nueva Zelanda, A & G Price en Thames, Nueva Zelanda, produjo ruedas hidráulicas Pelton para el mercado local. Uno de ellos se exhibe al aire libre en Thames Goldmine Experience.
Las boquillas dirigen chorros de agua contundentes y de alta velocidad contra una serie de cubos en forma de cuchara, también conocidos como palas de impulso, que están montados alrededor del borde exterior de una rueda motriz (también llamada corredor ) . Cuando el chorro de agua golpea las palas, la dirección de la velocidad del agua cambia para seguir los contornos de las palas. La energía de impulso del chorro de agua ejerce un par sobre el sistema de cubo y rueda, haciendo girar la rueda; el chorro de agua hace un "giro en U" y sale por los lados exteriores del cubo, desacelerado a baja velocidad. De este modo, el impulso del chorro de agua se transfiere a la rueda y, por tanto, a una turbina. Por tanto, la energía de " impulso " actúa sobre la turbina.
La máxima potencia y eficiencia se logran cuando la velocidad del chorro de agua es el doble de la velocidad de los cubos giratorios, lo que, suponiendo que el chorro de agua colisiona elásticamente con el cubo, significaría que el agua sale del cubo con velocidad cero, impartiendo así toda la energía cinética. a la rueda. En la práctica, un porcentaje muy pequeño de la energía cinética original del chorro de agua permanecerá en el agua, lo que hace que el cubo se vacíe al mismo ritmo que se llena y, por lo tanto, permite que el flujo de entrada de alta presión continúe ininterrumpidamente y sin desperdicio. de energía.
Por lo general, se montan dos cubos uno al lado del otro en la rueda, con el chorro de agua dividido en dos corrientes iguales; esto equilibra las fuerzas de carga lateral sobre la rueda y ayuda a garantizar una transferencia suave y eficiente del impulso desde el chorro de agua a la rueda de la turbina.
Como el agua es casi incompresible, casi toda la energía disponible se extrae en la primera etapa de la turbina hidráulica. "Por lo tanto, las ruedas Pelton tienen una sola etapa de turbina, a diferencia de las turbinas de gas que funcionan con fluido comprimible". [7]
Las ruedas Pelton son la turbina preferida para la energía hidroeléctrica donde la fuente de agua disponible tiene una altura hidráulica relativamente alta a caudales bajos. Las ruedas Pelton se fabrican en todos los tamaños. Existen ruedas Pelton de varias toneladas montadas sobre cojinetes verticales de almohadilla de aceite en plantas hidroeléctricas . Las unidades más grandes, la central hidroeléctrica de Bieudron en el complejo de la presa Grande Dixence en Suiza, tienen más de 400 megavatios . [8]
Las ruedas Pelton más pequeñas tienen sólo unos pocos centímetros de ancho y pueden utilizarse para aprovechar la energía de arroyos de montaña con caudales de unos pocos galones por minuto. Algunos de estos sistemas utilizan accesorios de plomería domésticos para el suministro de agua. Se recomienda el uso de estas pequeñas unidades con 30 metros (100 pies) o más de altura, para generar niveles de potencia significativos. Dependiendo del flujo de agua y el diseño, las ruedas Pelton funcionan mejor con alturas de 15 a 1800 metros (50 a 5910 pies), aunque no existe un límite teórico.
El parámetro de velocidad específico es independiente del tamaño de una turbina en particular.
En comparación con otros diseños de turbina, la velocidad específica relativamente baja de la rueda Pelton implica que la geometría es inherentemente un diseño de " engranaje bajo ". Por lo tanto, es más adecuado para ser alimentado por una fuente hidráulica con una relación baja de flujo a presión (es decir, flujo relativamente bajo y/o presión relativamente alta).
La velocidad específica es el criterio principal para adaptar un sitio hidroeléctrico específico al tipo de turbina óptimo. También permite escalar un nuevo diseño de turbina a partir de un diseño existente de rendimiento conocido.
(parámetro adimensional), [9]
dónde:
La fórmula implica que la turbina Pelton está adaptada de manera más adecuada para aplicaciones con altura hidráulica H relativamente alta , debido a que el exponente 5/4 es mayor que la unidad, y dada la velocidad específica característicamente baja de la Pelton. [10]
En el caso ideal ( sin fricción ), toda la energía potencial hidráulica ( E p = mgh ) se convierte en energía cinética ( E k = mv 2/2 ) (ver el principio de Bernoulli ). Igualar estas dos ecuaciones y resolver la velocidad inicial del chorro ( V i ) indica que la velocidad teórica (máxima) del chorro es Vi = √ 2 gh . Para simplificar, supongamos que todos los vectores de velocidad son paralelos entre sí. Definiendo la velocidad del corredor de la rueda como: ( u ), entonces, cuando el chorro se acerca al corredor, la velocidad inicial del chorro relativa al corredor es: ( V i − u ). [10] La velocidad inicial del chorro es V i
Suponiendo que la velocidad del chorro es mayor que la velocidad del corredor, si el agua no debe acumularse en el corredor, entonces, debido a la conservación de la masa, la masa que ingresa al corredor debe ser igual a la masa que sale del corredor. Se supone que el fluido es incompresible (una suposición precisa para la mayoría de los líquidos). Además, se supone que el área de la sección transversal del chorro es constante. La velocidad del chorro permanece constante en relación con el corredor. Entonces, a medida que el chorro se aleja del corredor, la velocidad del chorro relativa al corredor es: − ( V i − u ) = − V i + u . En el sistema de referencia estándar (en relación con la Tierra), la velocidad final es entonces: V f = (− V i + u) + u = − V i + 2 u .
La velocidad ideal del corredor hará que toda la energía cinética del jet se transfiera a la rueda. En este caso la velocidad final del chorro debe ser cero. Si − V i + 2 u = 0, entonces la velocidad óptima del corredor será u = Vi /2, o la mitad de la velocidad inicial del chorro .
Según la segunda y tercera leyes de Newton , la fuerza F impuesta por el chorro sobre el corredor es igual pero opuesta a la tasa de cambio de momento del fluido, por lo que
donde ρ es la densidad y Q es la tasa volumétrica de flujo de fluido. Si D es el diámetro de la rueda, el par sobre el patín es.
El par es máximo cuando el corredor está detenido (es decir, cuando u = 0, T = ρQDV i ). Cuando la velocidad del corredor es igual a la velocidad inicial del chorro, el par es cero (es decir, cuando u = Vi , entonces T = 0). En una gráfica de torque versus velocidad del corredor, la curva de torque es recta entre estos dos puntos: (0, pQDV i ) y ( V i , 0). [10] La eficiencia de la boquilla es la relación entre la potencia del chorro y la potencia del agua en la base de la boquilla.
La potencia P = Fu = Tω , donde ω es la velocidad angular de la rueda. Sustituyendo F , tenemos P = 2 ρQ ( V i − u ) u . Para encontrar la velocidad del corredor a máxima potencia, tome la derivada de P con respecto a u y hágala igual a cero, [ dP / du = 2 ρQ ( V i − 2 u )]. La potencia máxima se produce cuando u = V i /2. P máx = ρQV i 2 /2. Sustituyendo la potencia inicial del chorro Vi = √ 2 gh , esto se simplifica a P max = ρghQ . Esta cantidad es exactamente igual a la potencia cinética del chorro, por lo que en este caso ideal, la eficiencia es del 100%, ya que toda la energía del chorro se convierte en salida del eje. [10]
La potencia de la rueda dividida por la potencia inicial del chorro es la eficiencia de la turbina, η = 4 u ( V i − u )/ V i 2 . Es cero para u = 0 y para u = V i . Como indican las ecuaciones, cuando una rueda Pelton real funciona cerca de su máxima eficiencia, el fluido sale de la rueda con muy poca velocidad residual. [10] En teoría, la eficiencia energética varía sólo con la eficiencia de la boquilla y la rueda, y no varía con la cabeza hidráulica. [11] El término “eficiencia” puede referirse a: Hidráulica, Mecánica, Volumétrica, de Ruedas o eficiencia general.
El conducto que lleva agua a alta presión a la rueda de impulso se llama compuerta forzada . Originalmente, el nombre de la válvula era compuerta forzada, pero el término se ha ampliado para incluir todo el sistema hidráulico de suministro de fluido. Compuerta forzada se utiliza ahora como término general para un paso y control de agua que está bajo presión, ya sea que alimente una turbina de impulso o no. [10]
