Control de turbinas en mecánica de fluidos
En el fascinante mundo de la mecánica de fluidos, las turbinas juegan un papel fundamental en la generación de energía. Estas impresionantes máquinas son capaces de transformar la energía cinética de un flujo de fluido en energía mecánica, impulsando así la rotación de ejes y generando electricidad. Sin embargo, para asegurar un óptimo rendimiento y funcionamiento, es necesario contar con un control preciso de los diferentes parámetros que intervienen en este proceso. En este artículo, exploraremos a fondo el apasionante campo del control de turbinas en mecánica de fluidos, desvelando los secretos que permiten maximizar su eficiencia y mantener su operación estable. Así que, prepárate para sumergirte en el mundo de las turbinas y descubrir cómo controlarlas con destreza.
Las máquinas hidráulicas son máquinas que convierten la energía hidráulica (energía contenida en el agua) en energía mecánica (que luego se convierte en energía eléctrica) o la energía mecánica en energía hidráulica. Las máquinas hidráulicas que convierten la energía hidráulica en energía mecánica se denominan turbinas, mientras que las máquinas hidráulicas que convierten la energía mecánica en energía hidráulica se denominan bombas. En el artículo anterior, analizamos diferentes tipos de turbinas hidráulicas. Para operar estas turbinas a una velocidad constante, es posible que se requiera un gobernador. Discutimos los diferentes tipos de gobernadores en un artículo antiguo. Analicemos el control de turbinas mediante un gobernador centrífugo.
Control de turbinas
La regulación de una turbina es el proceso mediante el cual la velocidad de la turbina se mantiene constante en todas las condiciones de funcionamiento. Esto sucede automáticamente usando un regulador que regula la cantidad de flujo a través de las turbinas de acuerdo con las condiciones cambiantes de carga de la turbina.
El control de la turbina es necesario porque una turbina está directamente acoplada a un generador eléctrico que debe funcionar a una velocidad constante en todas las condiciones de carga fluctuantes. La frecuencia de producción de electricidad mediante un generador con un número constante de pares de polos debe ser constante en todas las condiciones variables. Esto sólo es posible si la velocidad del generador es constante en todas las condiciones de carga cambiantes. La velocidad del generador permanece constante cuando la velocidad de la turbina (que está acoplada al generador) es constante.
A medida que disminuye la carga en el generador, la velocidad del generador aumenta más allá de la velocidad normal (velocidad constante). Entonces la velocidad de la turbina también aumenta por encima de la velocidad normal. Si la turbina o el generador va a funcionar a una velocidad constante (normal), el caudal de agua a la turbina debe reducirse hasta que la velocidad se vuelva normal. Este proceso, en el que la velocidad de la turbina (y por tanto del generador) se mantiene constante bajo condiciones de carga cambiantes, se llama regulación.
Control de la turbina Pelton (turbina de impulso)
La turbina Pelton se controla mediante un regulador de presión de aceite, que consta de las siguientes partes:
- Sumidero.
- Bomba de engranajes, también llamada bomba de aceite, que es impulsada por la potencia obtenida del eje de la turbina.
- El servomotor también se denomina cilindro de relé.
- La válvula de control o la válvula de distribución o la válvula de relé.
- El regulador centrífugo o péndulo es accionado por el eje de la turbina mediante una correa o engranaje.
- Tuberías que conectan el cárter de aceite a la válvula de control y la válvula de control al servomotor.
- El asta de lanza o la aguja.
Construyendo y trabajando
- El diagrama esquemático anterior muestra la posición del pistón en el cilindro de relé, la posición de la válvula de control o de relé y las bolas del regulador centrífugo cuando la turbina funciona a velocidad normal.
- A medida que disminuye la carga en el generador, la velocidad del generador aumenta. Esto aumenta la velocidad de la turbina por encima de la velocidad normal.
- El regulador centrífugo, que está conectado al eje principal de la turbina, gira a mayor velocidad.
- Al aumentar la velocidad del regulador centrífugo, las bolas voladoras se mueven hacia arriba debido al aumento de la fuerza centrífuga que actúa sobre ellas.
- A medida que las bolas se mueven hacia arriba, la manga también se mueve hacia arriba.
- Una palanca horizontal montada sobre un punto de pivote conecta el manguito y el vástago del pistón de la válvula de control.
- A medida que el manguito sube, la palanca gira alrededor del punto de pivote y el vástago del pistón de la válvula de control se mueve hacia abajo.
- Esto cierra la válvula V.1 y abre la válvula V2 como se muestra en el diagrama esquemático de arriba.
- El aceite presurizado bombeado desde la bomba de aceite a la válvula de control o válvula de relé fluye a través de la válvula V.2 al servomotor (o cilindro de relé) y aplica una fuerza a la superficie A del pistón del cilindro de relé.
- El pistón se mueve hacia la derecha junto con el vástago y la lanza.
- Esto reduce el área de flujo de agua en la salida de la boquilla.
- Esta reducción en el área de flujo reduce la velocidad del flujo de agua a la turbina, lo que a su vez conduce a una reducción en la velocidad de la turbina.
- Cuando la velocidad de la turbina se vuelve normal, las bolas de vuelo, el manguito, la palanca y el vástago del pistón de la válvula de control llegan a su posición normal como se muestra en el diagrama esquemático anterior.
- A medida que aumenta la carga en el generador, la velocidad del generador y por lo tanto de la turbina disminuye.
- La velocidad del regulador centrífugo también disminuye y, por tanto, también disminuye la fuerza centrífuga que actúa sobre las bolas voladoras.
- Esto hace que las bolas voladoras se muevan hacia abajo.
- Esto hace que el manguito se mueva hacia abajo y la palanca gire alrededor del punto de pivote, moviendo el vástago del pistón de la válvula de control hacia arriba.
- Esto cierra la válvula V.2 y abre la válvula V1. El aceite bajo presión de la válvula de control fluye a través de la válvula V.1 al servomotor y ejerce una fuerza sobre la superficie B del pistón.
- Esto mueve el pistón hacia la izquierda junto con el vástago del pistón y la lanza, aumentando el área de flujo de agua en la salida de la boquilla.
- Esto aumenta el caudal de agua a la turbina y, en consecuencia, la velocidad de la turbina también aumenta hasta que la velocidad de la turbina se normaliza.
Se trata de controlar turbinas mediante un gobernador centrífugo. Háganos saber lo que piensa sobre este artículo en la sección de comentarios a continuación.
Gobernar las turbinas con la ayuda de un gobernador centrífugo
Las máquinas hidráulicas se definen como aquellas máquinas que convierten la energía hidráulica (energía poseída por el agua) en energía mecánica (que luego se convierte en energía eléctrica) o energía mecánica en energía hidráulica. Las máquinas hidráulicas que convierten la energía hidráulica en energía mecánica se llaman turbinas, mientras que las máquinas hidráulicas que convierten la energía mecánica en energía hidráulica se llaman bombas. Discutimos diferentes tipos de turbinas hidráulicas en el artículo anterior. Para hacer funcionar estas turbinas a una velocidad constante, puede ser necesario un gobernador. Discutimos los diferentes tipos de gobernadores en un artículo antiguo. Veamos el gobernado de las turbinas con la ayuda de un gobernador centrífugo.
Gobernado de las turbinas
El gobernado de una turbina se define como la operación mediante la cual se mantiene constante la velocidad de la turbina en todas las condiciones de trabajo. Se realiza automáticamente mediante un gobernador, que regula la velocidad de flujo a través de las turbinas de acuerdo con las cambiantes condiciones de carga en la turbina.
El gobernado de las turbinas es necesario ya que una turbina está acoplada directamente a un generador eléctrico, que debe funcionar a una velocidad constante en todas las condiciones de carga fluctuantes. La frecuencia de generación de energía por un generador de un número constante de pares de polos en todas las condiciones variables debe ser constante. Esto solo es posible cuando la velocidad del generador, en todas las condiciones de carga cambiantes, es constante. La velocidad del generador será constante cuando la velocidad de la turbina (que está acoplada al generador) sea constante.
La gobernanza de una turbina se lleva a cabo utilizando un gobernador centrífugo, que se compone de las siguientes partes:
- Depósito de aceite.
- Bomba de engranajes, también llamada bomba de aceite, que es accionada por la potencia obtenida del eje de la turbina.
- Servomotor, también llamado cilindro de relé.
- Válvula de control o válvula de distribución o válvula de relé.
- Gobernador centrífugo o péndulo, accionado por una correa o engranaje desde el eje de la turbina.
- Tubos que conectan el depósito de aceite con la válvula de control y la válvula de control con el servomotor.
- Varilla de lanza o aguja.
Construcción y funcionamiento del gobernado de la turbina Pelton (turbina de impulso)
El diagrama esquemático anterior muestra la posición del pistón en el cilindro de relé, la posición de la válvula de control o relé y las bolas volantes del gobernador centrífugo, cuando la turbina está funcionando a la velocidad normal.
Cuando la carga en el generador disminuye, la velocidad del generador aumenta. Esto aumenta la velocidad de la turbina más allá de la velocidad normal. El gobernador centrífugo, que está conectado al eje principal de la turbina, girará a una velocidad mayor. Debido al aumento de la velocidad del gobernador centrífugo, las bolas volantes se desplazarán hacia arriba debido a la fuerza centrífuga aumentada sobre ellas. Debido al movimiento ascendente de las bolas volantes, también se moverá hacia arriba un manguito. Una palanca horizontal, apoyada sobre un fulcro, conecta el manguito y la varilla de pistón de la válvula de control. A medida que el manguito se mueve hacia arriba, la palanca gira alrededor del fulcro y la varilla de pistón de la válvula de control se mueve hacia abajo. Esto cierra la válvula V1 y abre la válvula V2 como se muestra en el diagrama anterior.
El aceite bombeado desde la bomba de aceite a la válvula de control o válvula de relé, bajo presión, fluirá a través de la válvula V2 hasta el servomotor (o cilindro de relé) y ejercerá fuerza en la cara A del pistón del cilindro de relé. El pistón junto con la varilla de pistón y la lanza se moverá hacia la derecha. Esto disminuirá el área de flujo de agua en la salida de la boquilla. Esta disminución en el área de flujo reducirá la tasa de flujo de agua hacia la turbina, lo que a su vez reducirá la velocidad de la turbina. Cuando la velocidad de la turbina se vuelve normal, las bolas volantes, el manguito, la palanca y la varilla de pistón de la válvula de control vuelven a su posición normal como se muestra en el diagrama anterior.
Cuando la carga en el generador aumenta, la velocidad del generador y, en consecuencia, de la turbina disminuye. La velocidad del gobernador centrífugo también disminuye, y la fuerza centrífuga que actúa sobre las bolas volantes también se reduce. Esto lleva las bolas volantes en dirección descendente. Debido a esto, el manguito se mueve hacia abajo y la palanca gira alrededor del fulcro, moviendo la varilla de pistón de la válvula de control en dirección ascendente. Esto cierra la válvula V2 y abre la válvula V1. El aceite a presión de la válvula de control se desplazará a través de la válvula V1 hasta el servomotor y ejercerá una fuerza sobre la cara B del pistón. Esto moverá el pistón junto con la varilla de pistón y la lanza hacia la izquierda, aumentando el área de flujo de agua en la salida de la boquilla. Esto aumentará la tasa de flujo de agua hacia la turbina y, en consecuencia, la velocidad de la turbina aumentará hasta que la velocidad de la turbina se vuelva normal.
Esto es todo sobre el gobernado de las turbinas con la ayuda de un gobernador centrífugo. Cuéntanos qué piensas sobre este artículo en la sección de comentarios abajo.
Preguntas frecuentes
- ¿Por qué es necesario gobernar las turbinas?
- ¿Qué es un gobernador centrífugo?
- ¿Cómo funciona el gobernador centrífugo en la turbina Pelton?
- ¿Cuál es el propósito de la válvula de control en el gobernado de las turbinas?
Para obtener más información sobre turbinas hidráulicas y gobernadores, puedes consultar los siguientes recursos: