V- velocidad de
régimen del agua por la
tubería a la potencia de
diseño
(m/s)
H-altura del salto (m)
g- aceleración de la gravedad. 9,81 m/s2
Una relación muy grande del L/H aumenta el tiempo
hidráulico dificultando la estabilidad de la
regulación. Se recomienda L/H<5
Determinación del tiempo de
cierre.
(tc)- Este tiempo, si el regulador es automático, viene
en los datos de chapa
dados por el fabricante.
Para evitar el golpe de ariete, el tiempo de cierre de la
máquina debe ser mayor que el tiempo del primer ciclo del
golpe de ariete:
(seg) (2)
(m/s) (3)
VS – velocidad del sonido (m/s)
d – diámetro interior de la tubería (m)
e – espesor de la tubería (m)
k – coeficiente que depende del material (hiero fundido=4,4;
acero=0,5;
PVC=18)
Determinación del tiempo de
aceleración.
La constante de aceleración de la máquina o
tiempo de aceleración de la máquina, es el tiempo
que transcurre desde que la máquina partiendo del reposo
alcanza su velocidad normal a la potencia normal. Depende de la
suma de los momentos de inercia de la turbina, de la
transmisión, del generador y del volante.
(seg) (4)
Aquí:
nn – Revoluciones normales de la turbina
P – Potencia normal de régimen.
El procedimiento es
el siguiente:
1. Se calculan el TH y el TC.
2. Debe cumplirse que: Ta>TC>TH (5)
3. Se recomienda que la constante de
aceleración esté entre 4 y 12 segundos.4. Se despeja GD2 de la ecuación 4 y luego se
dimensiona o selecciona el volante.
Se observa, que a medida que aumenta el valor de GD2,
el tiempo de respuesta de la máquina es más lento,
lo cual es una ventaja cuando se tienen pequeñas
variaciones de la carga. Sin embargo, cuando las variaciones de
la carga (y de la frecuencia) de la turbina son grandes, es
preferible una respuesta rápida.
Determinar el
valor de la inercia necesaria para el grupo turbina
generador.
El momento de inercia del volante está dado
por
pero
generalmente los fabricantes de turbina dan es el valor de GD2 en
kg-m2.
Para volantes macizos, como el de la figura 1, el GD2 se
determina por la siguiente fórmula:
kg-m2 (6)
Aquí: (-densidad del
material del volante (kg/m3)
Ri- Radio del menor
espesor del volante (m)
Re- Radio exterior del volante (m)
b- espesor hasta Ri (m)
B- espesor hasta Re (m)
Figura 1. Esquema del volante
Para el dimensionado se recomiendan las siguientes
relaciones:
B=2b
Re=1,35Ri
El problema fundamental en el volante, es conocer que valor de
GD2 hace falta en cada caso.
Para la ayuda del dimensionamiento del volante, contamos con
un cálculo
en una hoja en el programa EXCEL, con la
herramienta SOLVER.
En la práctica a veces resulta casi imposible lograr la
estabilidad de la regulación por diferentes factores del
proyecto de la
central o por deficiencias en los sistemas de
regulación. Dentro de estos factores los más
frecuentes son:
1. Relación L/H excesivas, lo cual implica
altos valores de TC y Ta2. Tuberías con varias pendientes, lo cual
implica diferentes TH en una misma tubería, lo cual
ocasiona aceleraciones diferentes del agua en cada tramo de
tubería3. Tiempo de cierre o de apertura del regulador muy
lenta, lo cual ocasiona mayor consumo de potencia para llevar
la turbina a las condiciones de régimen.4. Máquina trabajando con un salto o un gasto
muy alejados de su punto de diseño y con poca reserva
de potencia hidráulica.
Esta variante fue desarrollada teóricamente por el
profesor Msc.
Luis García Faure, de la Facultad de Mecánica en la Universidad de
Oriente y puesta en practica con muy buenos resultados por los
compañeros de la UEB Hidroenergía
Guantánamo, en la mini hidroeléctrica de Vega del
Jobo en el municipio de Imias, esta variante realiza en detalles
un análisis del dimensionamiento de los
volantes de inercia.
Conclusiones
Este trabajo fue
puesto en práctica en el año 2003, en la mini
hidroeléctrica de Vega del Jobo en el municipio de Imias.
Allí existe un generador de 55 kW de potencia de
procedencia China, el
mismo presta servicio a 783
habitantes, 170 viviendas, 1 tienda, 1 consultorio medico de
la familia y
una panadería. Se realizaron pruebas en
vacío y con carga sin volante y pruebas en vacío y
con carga con el volante. Dicho volante esta conectado en el eje
de la turbina.
Los resultados fueron los esperados:
1. Disminución considerable del tiempo de
regulación de la maquina, en los transitorios ya que
el volante es capaz de absorber los escalones de cargas
pequeños y en los medianos brinda la posibilidad de
tener mas tiempo para la regulación manual.2. Decrecimiento considerable en la variación
de velocidad de la maquina, por lo tanto existe
también el mismo decrecimiento en la variación
de los parámetros de calidad (frecuencia y
voltaje).3. Mayor estabilidad en el sistema.
4. Los equipos electrodomésticos que existen
en la población, no están expuestos a
constantes inestabilidades de la energía suministrada,
por lo que aumenta el tiempo de vida útil de los
mismos y aumenta la calidad de vida de los habitantes.5. La implementación de los volantes no afecta
en ninguna manera el grupo turbina generador, ni los
rodamientos ya que estos son capaces de soportar el peso de
los mismos.6. Existe un mayor gasto de agua en el arranque para
mover el grupo turbina generador, pero esto es recuperado
luego, gracias a la inercia concentrada en el volante.7. Estos volantes son de fácil
construcción, no nesecitan gran tecnología para
su construcción y no necesitan ser exportados.
Recomendaciones
1. Seguir estudiando a cerca del tema de la
automatización, ya que la materia de los volantes es
el primer paso para ello.2. En la construcción de los volantes, tratar
de no fabricarlos de forma liza, ya que de la forma descrita
en trabajo aumenta la inercia con el mismo diámetro,
porque concentra mayos masa en la parte exterior.
Anexos: Ejemplos
de la implementación de los volantes de
inercia.
Fig. # 1 Arroyón 1
Fig. # 2 Guaso
Fig. # 3 Guaso
Autor:
Ing. Luis Angel Gongora Leyva
Especialista en Diseños y Proyectos
Eléctricos
Empresa de Diseño e Ingenieria (EDI)
Guantánamo, Cuba 2009
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