Eloisa McAndrew

Introduccion


​ Se trata de construir una pequeña turbina. No tiene como mision producir grandes potencias, sino ser capaz de funcionar con pequeños caudales cuando el rio baje de caudal. Los datos de partida son:

.- Altura neta: 4.5 mts
.- Caudal de funcionamiento: 16 litros x segundo
.- Generador: alternador sincrono de 12 polos, 24 voltios nominales y 35 amperios de intensidad maxima, proviniente de un camion
.- Diametro interno minimo del rodete: 30 mm (el imprescindible para que quepa la tuerca que lo unira al eje del alternador)
.- R.P.M de giro, las maximas posibles
.- Angulo interno de los alabes con el radio: 0 grados
.- Angulo externo de los alabes con el radio: 60 grados
.- Se estiman unas perdidas en la tobera de entrada del agua y en la tuberia forzada del 5%
.- Se escoge que el rodete tendra 18 alabes

Con esos datos (omitire formulas matematicas de dificil comprension sin esquemas, de mas dificil escritura en un editor de textos y faciles de localizar en bibliografia especializada):

Velocidad absoluta del agua = 8.92 metros x segundo

Para un angulo de entrada a los alabes de 60 grados con el radio, la velocidad absoluta del agua tendra un angulo de 16 grados con la tangente a la entrada del rodete

Empleando un radio de curvatura para los alabes de 35 mm (se haran partiendo de trozos de tubo de pulgada y media) y un diametro interno del rodete de 30 mm, se necesita un diametro externo de 81 mm

Con ese diametro externo y esa velocidad absoluta del agua, la turbina girara en su maximo rendimiento a 1011 rpm

Si deben entrar 16 litros x sg a una velocidad de 8.92 mts x sg, el area final vertical de la tobera de admision debe ser de 17.9 cm2

Escogiendo un ancho de rodete y tobera de 100 mm, la altura de tobera debe ser de 18 mm

Para que el agua pueda entrar en el rodete sin choques con un angulo de 16 grados y con esa velocidad absoluta, la longitud del arco de admision debe ser de 66 mm

En esa longitud se encontraran 5 alabes que taponaran parcialmente la entrada, esta debe aumentarse en 5 mm, finalizando con una longitud de arco de admision de 71 mm



Construccion



Materiales de primera calidad. El tubo de pulgada y media se corta en trozos de 11cm y cada uno de los trozos en 3 sectores longitudinales. Se igualen los lados cortos y uno de los largos hasta obtener 18 laminas curvadas iguales



Paciencia de mejor calidad aun. Se taladran 108 agujeros de 3 mm y se tallan en las laminas curvadas 108 salientes que corresponderan en el montaje con los agujeros. Hacer un dibujo en papel y pegarlo sobre la chapa facilita mucho hacer ambas cosas en el sitio correcto



Listo para soldar. Se han hecho tambien 3 agujeros de 6 mm por los que pasan unas varillas roscadas que sujetan el conjunto mientras se suelda y permiten paralelismo entre las placas de los extremos



Se ha soldado, eliminado el metal sobrante, aumentado el tamaño de los agujeros para el eje y para meter la tuerca de fijacion y ya queda con su tamaño y forma definitivos



Se recortan las chapas para la tobera de admision con las medidas definidas al principio. Tambien hara falta un trozo de tubo roscado de 4 pulgadas para unir la turbina a la tuberia de presion. El alternador tiene una tension nominal de 24 voltios y puede suministrar un maximo de 35 amperios



Ya solo falta unir tobera y placa de soporte de alternador soldando unas pequeñas piezas de chapa del tamaño adecuado. Una vez hecho, el montaje quedara como se ve en la foto. Antes de la primera prueba se desmonta el alternador y se suelda un cable a una de las fases. Este cable proporcionara medida de la frecuencia de la corriente alterna generada y, por tanto, se podra saber a cuantas rpm gira la maquina. Tambien tiene otra mision: es dificil que un alternador se autoexcite a tan pocas revoluciones y, mas aun si es nuevo y no tiene magnetismo remanente; ese cable servira para dar un "chispazo" con el positivo de la bateria y producir el cebado y que empiece a generar



Primera prueba. Los polimetros, empezando por la izquierda, indican frecuencia, voltaje en corriente continua e intensidad, tambien en continua. Puesto que el alternador es de 12 polos, una frecuencia en alterna de 132 hercios significa una velocidad de giro de 1.320 rpm. Normalmente hago las mediciones siempre a 24 voltios (tension nominal); es mas una mania, pero da una referencia inmediata de potencia generada si se desea comparar con otras mediciones en otras maquinas o situaciones diferentes. Si se hiciesen a diferentes voltajes habria que hacer correcciones en los datos



Discusion

La potencia bruta del agua en la acequia para el caudal de diseño es de 706 vatios, de la que la maquina extrae una potencia electrica en corriente continua de 242 vatios. Eso significa un rendimiento global del 34% que, no es para tirar cohetes, pero da pie a asumir un rendimiento del 60% para la turbina, otro 60% para el alternador y un 95% para rectificador y tuberias

La velocidad de trabajo es demasiado elevada ( 1.320 rpm). El diseño de la turbina se hizo para 1.011 rpm y cabe suponer que la turbina ya esta en la fase decreciente de su curva de potencia. Parece deseable "frenar" de forma productiva la velocidad de rotacion y asi, quiza, pueda aumentarse un poco la potencia generada. En principio, la reduccion deseada es del orden del 30% y debera conseguirse rebobinando el alternador con un 30% mas de espiras. En la practica, sera necesario mas aumento del bobinado por que se supone que se generara mas potencia y se sobrepasara de nuevo la velocidad de rotacion

Hay otro dato interesante que se puede observar al ver funcionar la maquina y que corrobora ese posible aumento de potencia si se reducen las revoluciones:
La potencia bruta del agua en la acequia se emplea integramente en tres cosas: en generar potencia electrica, en dejar que el agua tenga algo de velocidad a la salida de la maquina para que pueda alejarse de ella, y en perdidas mecanicas/electricas/hidraulicas. Si se quiere aumentar la potencia electrica generada no hay mas remedio que reducir alguno de los otros dos factores
Si el rodete estuviese parado, el agua saldria de el a la velocidad maxima obtenible por el desnivel existente, y con un angulo de 30 grados con la tangente, hacia abajo y hacia la izquierda. En esa situacion la potencia electrica seria cero, por que toda la potencia bruta se emplearia en mover el agua a la salida del rodete
A medida que el rodete empezase a girar en sentido antihorario, la velocidad de salida del agua disminuiria al restarsele la de giro del propio chorro de agua y, por tanto, en esa misma cuantia, empezaria a haber potencia mecanica disponible
En la situacion de maxima eficiencia, el agua, simplemente, caeria en vertical sin desplazarse hacia los lados, y la potencia generada seria la maxima
Viendo funcionar lo construido se observa que el agua sale en diagonal hacia la derecha. Por tanto, se esta empleando parte de la potencia bruta en moverla y, ademas, eso indica que la velocidad de giro de la maquina es demasiado alta. Reduciendola se podria llegar a una salida del agua en vertical y a un maximo de potencia generada


Mejora del diseño


No es oro todo lo que reluce. A veces tambien se cometen errores y es bueno aprender de ellos. Lo que describo a continuacion es un error cometido que, pensado a posteriori, podia haberse previsto

Segun se ha visto, se intenta conseguir que el alternador sea capaz de generar lo mismo, pero a un 30% menos de revoluciones




Se desmonta el alternador, se separa el estator, y se elimina el bobinado original (por suerte tenia un estator de recambio y el original no fue desbobinado)





Se colocan unos trozos de tubo de plastico en las ranuras que no se van a usar en la primera bobina y se rehace esta, con hilo mas delgado, y un 40% mas de espiras. Se repite el proceso con la segunda bobina eliminando los plasticos que ocupaban su lugar, y de la misma forma con la tercera. Se conectan las tres bobinas en estrella, se vuelven a montar el alternador y la turbina y se prueba.....

Previsiblemente la maquina deberia girar un 30 o 35% mas despacio y generar algo mas de potencia. Pues....sorpresa! Genera justamente 5 amperios, la mitad que antes, y a 10 rpm mas. Es decir, el rendimiento ha caido en picado

Que ha pasado? Pues algo que deberia haberse previsto, y no se hizo. Ha aumentado la impedancia reactiva por que, mientras antes el bobinado del estator correspondia con la excitacion proporcionada por el rotor, ahora la excitacion es un 40% menor (al aumentar el bobinado estator). El alternador trabaja subexcitado en un 40% y eso ha hecho aumentar en un 40% la potencia reactiva de la maquina; potencia que hay que generar, pero que no es util

Si se desea avanzar en esta idea, es obligatorio bobinar tambien el rotor y aumentar la excitacion en la misma cuantia que el bobinado estator




Continuara

De momento, he dejado el alternador en su estado original. A la turbina solo falta construirle una carcasa para impedir salpicaduras de agua en el pozo de turbinas y pintarla para protegerla de oxidacion

Durante las proximas semanas no podre dedicar tiempo a estas cosas asi que dejo inconcluso temporalmente este articulo a falta de rebobinar el rotor y poner alguna foto de la ejecucion de la carcasa y de la maquina terminada

Gracias por vuestra benevolencia al leer este articulo