Volantes de Inercia: Aplicación (página 2)

Enviado por Ing. Luis Angel Gongora Leyva

Partes: 1, 2

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:

edu.red (seg) (2)

edu.red (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.

edu.red (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 edu.red 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:

edu.red 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)

edu.red

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 Ta
2. Tuberías con varias pendientes, lo cual implica diferentes TH en una misma tubería, lo cual ocasiona aceleraciones diferentes del agua en cada tramo de tubería
3. 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.