rueda Pelton

La rueda Pelton o turbina Pelton es una turbina hidráulica de 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 de rebose tradicional . Existían muchas variaciones anteriores de turbinas de impulso, pero eran menos eficientes que el diseño de Pelton. El agua que salía de esas ruedas generalmente aún tenía alta velocidad, arrastrando gran parte de la energía dinámica que llegaba a las ruedas. La geometría de las paletas de Pelton fue diseñada de tal manera que cuando el borde giraba a la mitad de la velocidad del chorro de agua, el agua salía de la rueda con muy poca velocidad; por lo tanto, su diseño extraía casi toda la energía de impulso del agua , lo que dio como resultado una turbina muy eficiente.

Lester Allan Pelton nació en Vermillion, Ohio, en 1829. En 1850, viajó por tierra para participar en la Fiebre del Oro de California . Pelton se ganaba la vida vendiendo el pescado que capturaba en el río Sacramento . ^{[ 3 ]} En 1860, se mudó a Camptonville , un centro de actividad minera de placer . En ese momento, muchas operaciones mineras funcionaban con máquinas de vapor que consumían grandes cantidades de madera como combustible. Algunas ruedas hidráulicas se utilizaban en los ríos más grandes, pero eran ineficaces en los arroyos más pequeños que se encontraban cerca de las minas. Pelton trabajó en el diseño de una rueda hidráulica que funcionara con el caudal relativamente pequeño de estos arroyos. ^{[ 4 ]}

A mediados de la década de 1870, Pelton había desarrollado un prototipo de madera de su nueva rueda. En 1876, se dirigió a Miners Foundry en Nevada City, California, para construir los primeros modelos comerciales en hierro. La primera rueda Pelton se instaló en la mina Mayflower en Nevada City en 1878. ^{[ 4 ]} Las ventajas de eficiencia de la invención de Pelton fueron rápidamente reconocidas y su producto pronto tuvo una gran demanda. Patentó su invención el 26 de octubre de 1880. ^{[ 5 ]} A mediados de la década de 1880, Miners Foundry no podía satisfacer la demanda y, en 1888, Pelton vendió los derechos de su nombre y las patentes de su invención a Pelton Water Wheel Company en San Francisco. La compañía estableció una fábrica en 121/123 Main Street en San Francisco . ^{[ 6 ]}

La Pelton Water Wheel Company fabricó un gran número de turbinas Pelton en San Francisco, las cuales se exportaron a todo el mundo. En 1892, la compañía abrió una sucursal en la costa este, en el número 143 de Liberty Street, en la ciudad de Nueva York . Para 1900, más de 11 000 turbinas estaban en funcionamiento. En 1914, la empresa trasladó su planta de fabricación a unas instalaciones nuevas y más grandes en el número 612 de Alabama Street, en San Francisco. En 1956, la empresa fue adquirida por la Baldwin-Lima-Hamilton Company , que puso fin a la fabricación de turbinas Pelton. ^{[ 6 ]}

En Nueva Zelanda, A&G Price , con sede en Thames, fabricaba turbinas hidráulicas Pelton para el mercado local. Una de ellas se exhibe al aire libre en la Thames Goldmine Experience.

Las boquillas dirigen potentes chorros de agua a alta velocidad contra una serie de paletas en forma de cuchara, también conocidas como álabes de impulso, que están montadas alrededor del borde exterior de una rueda motriz (también llamada rotor ). Cuando el chorro de agua impacta contra los álabes, la dirección de la velocidad del agua cambia para seguir el contorno de estos. La energía de impulso del chorro de agua ejerce un par de torsión sobre el sistema de paletas y rueda, haciendo girar la rueda; el chorro de agua da una vuelta en U y sale por los lados exteriores de la paleta, desacelerado a baja velocidad. En este proceso, el momento del chorro de agua se transfiere a la rueda y, por lo tanto, a la turbina. De esta manera, la energía de impulso realiza trabajo sobre la turbina.

La máxima potencia y eficiencia se alcanzan cuando la velocidad del chorro de agua es el doble de la velocidad de los álabes giratorios. Si se supone que el chorro de agua choca elásticamente con el álabe, esto significaría que el agua sale del álabe con velocidad cero, transfiriendo así toda la energía cinética a la rueda. En la práctica, un porcentaje muy pequeño de la energía cinética original del chorro de agua permanece en el agua, lo que provoca que el álabe se vacíe al mismo ritmo que se llena, permitiendo así que el flujo de entrada a alta presión continúe sin interrupciones y sin desperdicio de energía.

Normalmente, se montan dos álabes uno al lado del otro en la rueda, dividiendo el chorro de agua en dos corrientes iguales; esto equilibra las fuerzas de carga laterales sobre la rueda y ayuda a garantizar una transferencia de impulso suave y eficiente desde el chorro de agua a la rueda de la turbina.

Debido a que el agua es prácticamente incompresible, casi toda la energía disponible se extrae en la primera etapa de la turbina hidráulica. «Por lo tanto, las turbinas Pelton tienen una sola etapa, a diferencia de las turbinas de gas que funcionan con fluido compresible». ^{[ 7 ]}

Las turbinas Pelton son las preferidas para la generación de energía hidroeléctrica cuando la fuente de agua disponible tiene una altura hidráulica relativamente alta a caudales bajos. Las turbinas Pelton se fabrican en todos los tamaños. Existen turbinas Pelton de varias toneladas montadas sobre cojinetes verticales de aceite en centrales hidroeléctricas . Las unidades más grandes, como la central hidroeléctrica de Bieudron en el complejo de la presa de Grande Dixence en Suiza, superan los 400 megavatios . ^{[ 8 ]}

Las turbinas Pelton más pequeñas miden apenas unos centímetros de diámetro 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 una altura de caída de 30 metros (100 pies) o más, para generar niveles de energía significativos. Dependiendo del caudal y el diseño, las turbinas Pelton funcionan mejor con alturas de caída de entre 15 y 1800 metros (50 y 5910 pies) , aunque no existe un límite teórico. Estos "conjuntos pélvicos", que constan de una turbina Pelton, un generador de inducción y un mecanismo de control, se utilizan en Nepal. ^{[ 9 ]}  

La velocidad específica${\displaystyle \eta _{s}}$Este parámetro es independiente del tamaño de la turbina en particular.

En comparación con otros diseños de turbinas, la velocidad específica relativamente baja de la turbina Pelton implica que su geometría es inherentemente de " baja relación de transmisión ". Por lo tanto, es más adecuada para ser alimentada por una fuente hidroeléctrica con una baja relación caudal/presión (es decir, caudal relativamente bajo y/o presión relativamente alta).

La velocidad específica es el criterio principal para seleccionar el tipo de turbina óptimo para una central hidroeléctrica concreta. Además, permite adaptar un nuevo diseño de turbina a partir de un diseño existente de rendimiento conocido.

${\displaystyle \eta _{s}=n{\sqrt {P}}/{\sqrt {\rho }}(gH)^{5/4}}$(parámetro adimensional), ^{[ 10 ]}

dónde:

• ${\displaystyle n}$= Frecuencia de rotación (rpm)
• ${\displaystyle P}$= Potencia (W)
• ${\displaystyle H}$= Altura del agua (m)
• ${\displaystyle \rho }$= Densidad (kg/ ^m³ )

La fórmula implica que la turbina Pelton está diseñada de forma más adecuada para aplicaciones con una 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. ^{[ 11 ]}

El conducto que lleva agua a alta presión a la turbina de impulso se llama tubería forzada . Originalmente, el término "tubería forzada" se refería a la válvula, pero se ha extendido para incluir todo el sistema hidráulico de suministro de fluidos. Actualmente, "tubería forzada" se utiliza como término general para un conducto y control de agua bajo presión, independientemente de si alimenta o no una turbina de impulso. ^{[ 11 ]}

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