COMPUERTAS Una Compuerta es una placa móvil, plana o curva, que al levantarse, forma un orificio entre su borde inferior y la estructura hidráulica (presa, canal, etc.) sobre la cual se instala, y se utiliza en la mayoría de los casos para la regulación de caudales, y como emergencia y cierre para mantenimiento en los otros.
Las compuertas tienen las propiedades hidráulicas de los orificios y, cuando están bien calibradas, también pueden emplearse como medidores de flujo. Las condiciones físicas, hidráulicas, climáticas y de operación, evaluadas apropiadamente, imponen la selección del tipo y tamaño adecuado de las compuertas. Éstas se diseñan de diferentes tipos y con variadas características en su operación y en su mecanismo de izado, los cuales permiten clasificarlas en grupos generales de la siguiente manera:
a.
Según las condiciones del flujo aguas abajo: -
Compuerta con descarga libre.
-
Compuerta con descarga sumergida o ahogada.
b. Según el tipo de operación operación o funcionamiento: funcionamiento: -
Compuertas Principales: se diseñan para operar bajo cualquier condición de flujo; se les llama de regulación cuando se les conciben para controlar caudales en un canal abierto o sobre una estructura de presa, con aberturas parciales, y se conocen como compuertas de guarda o de cierre aquellas que funcionan completamente abiertas o cerradas.
-
Compuertas de emergencia: se utilizan en los eventos de reparación, inspección y mantenimiento de las compuertas principales, siendo concebidas para funcionar tanto en condiciones de presión diferencial, en conductos a presión, como en condiciones de presión equilibrada.
c. De acuerdo a sus características característica s geométricas: geométricas : -
Compuertas planas: · · · ·
-
Rectangulares Cuadradas Circulares Triangulares, etc. Compuertas curvas o alabeadas:
·
Radiales: también llamadas compuertas Taintor , tienen la forma de una porción de cilindro, y giran alrededor de un pivote o eje horizontal situado en el eje longitudinal longitudinal de la superficie cilíndrica. cilíndrica. Por su forma algunas veces se les llama compuerta Sector.
Generalmente,
en las compuertas radiales el agua actúa en el lado convexo y, debido a las propiedades hidrostáticas de una superficie cilíndrica, la línea de acción del empuje hidrostático resultante pasa a través del pivote o centro de giro. En consecuencia, la fuerza requerida para levantar la compuerta es la necesaria para vencer el peso propio de la misma y la fricción en los apoyos. Este tipo de compuerta se usa en vertederos de presa, en obras de captación y en canales de riego. ·
Tambor: consisten en una estructura hermética de acero, abisagrada en la cresta de rebose de un vertedero de presa, y con una forma tal que, cuando está en su posición más baja, ocupa un recinto dentro de la estructura de la presa, sin interrumpir el perfil de dicha cresta. Si el líquido penetra a dicho recinto, la compuerta se levanta por encima de la cresta, debido al empuje de flotación, evitando el paso de la corriente. Este mecanismo de operación constituye cierta ventaja sobre los otros tipos de compuerta, puesto que no requiere de superestructuras que incluyan grúas, cables, ni volantes, para su manejo.
·
Cilíndricas: consisten en un cilindro de acero que se extiende entre los estribos de un vertedero de presa, en los cuales está adosada una cremallera dentada e inclinada, o de una torre cilíndrica de captación de un embalse.
La compuerta se iza rodando hacia arriba, permitiendo el engranaje entre los dientes y las cremalleras en los extremos. En virtud de la gran resistencia de una estructura cilíndrica (con apropiados esfuerzos interiores), este tipo de compuerta se usa económicamente sobre grandes luces en proyectos especiales. Generalmente, se le coloca un borde longitudinal de acero en un punto apropiado de su periferia, para que forme un sello con la cresta del vertedero, cuando la compuerta está en la posición más baja.
d.
Según el mecanismo de izado: -
Compuertas deslizantes: el elemento de cierre u obturación se mueve sobre superficies deslizantes (guías o rieles) que sirven, a la vez, de apoyo y sello. Generalmente, se construyen en acero colado, y se emplean en estructuras de canales y en algunas obras de captación, en presas o tanques de regulación. La hoja de la compuerta o elemento de obturación se acciona con un mecanismo elevador, a través de un vástago o flecha de acero.
-
Compuertas rodantes: el elemento de cierre u obturación se mueve sobre un tren de ruedas, rodillos o de engranajes, hasta la posición de estanca. Se utilizan en obras de toma profunda, para casos de emergencia y de servicio, así como para cierre en mantenimiento, en conductos a presión. Ruedan a su posición de sello debido a su propio peso y se izan con cadenas o cables por medio de grúas especiales, fuera de la superficie del agua, hasta una caseta de operación, donde se les hace mantenimiento.
Ecuaciones para el caudal de flujo a través de compuertas: a.
A través de compuertas planas: para deducir la expresión, se considera el caso más general, donde la compuerta está inclinada un ángulo q respecto a la horizontal, y tiene un ancho B igual al del canal.
El flujo a través del orificio formado por el labio inferior de la compuerta y el fondo del canal puede considerarse bidimensional. Nótese que la descarga supercrítica bajo la compuerta reduce progresivamente su profundidad a lo largo de una corta distancia I, aguas abajo, hasta una sección en donde la contracción del chorro es completa, llamada Vena contracta. La profundidad del flujo en la vena contracta y 2, se relaciona con la abertura a, por medio del coeficiente de contracción Cc, así:
(1) Además, para compuertas planas verticales, se ha comprobado que:
(2) Reemplazando (1) en (2), se tiene:
(3) Suponiendo las hipótesis de fluido incompresible, flujo permanente y uniforme, distribución hidrostática de presiones, lejos de la compuerta, y tensiones cortantes nulas, en paredes y fondo del canal, la ecuación de Bernoulli expresa lo siguiente:
(4)
(5) Por continuidad:
(6)
De donde:
(7)
Sustituyendo (7) en (5) y haciendo a 1= a2 = a = 1, se tiene:
Distribuyendo el binomio y simplificando se tiene:
Sacando raíz cuadrada:
(8) Reemplazando y2 = a.Cc en la anterior, se tiene:
(9) Introduciendo el coeficiente de velocidad, Cv, resulta: (10)
(11) Ahora, reemplazando las ecuaciones (11) en la (6), se tiene:
(12)
(13)
(14) Introduciendo el coeficiente de descarga, Cd, como:
(15) resulta: (16) De otro lado, a partir de la ecuación (15), para Cv, se tiene:
(17) Elevando al cuadrado se tiene:
(18) Ahora, haciendo:
(19) resulta:
(20) Los coeficientes Cc, Cv y Cd depende del número de Reynolds y de las características geométricas del escurrimiento. H. Rouse afirma que los valores de Cd para compuertas planas verticales (q = 90º) son esencialmente constantes y con ligeras variaciones alrededor de 0.61.
b.
A través de compuertas radiales: la ecuación para determinar el gasto a través de compuertas radiales será la misma deducida para compuertas planas (16), con adecuados valores de Cd. Para las compuertas radiales con descarga libre, la variación del coeficiente de gasto depende del ángulo q y de la relación y 1/a.
Empuje debido a la presión sobre una compuerta plana: los líquidos a fluir a través de una compuerta, ejercen presión a lo largo del fondo del canal y sobre la pared aguas arriba de aquella, cuya distribución y magnitud de la fuerza resultante sobre la compuerta es de interés estructural. Para ello, se considera el flujo bidimensional y permanente a través de la compuerta plana vertical.
Se aísla un volumen de control de fluido limitado por las secciones transversales (1) y (2), las paredes y el fondo del canal, la pared de la compuerta y la superficie libre del líquido, y se consideran las fuerzas externas que actúan sobre él.
Donde: F1, F2 : Fuerzas debidas a la distribución de presiones hidrostáticas en las secciones 1 y 2, respectivamente. W : peso del volumen del fluido encerrado en el volumen de control. N : reacción normal del fondo del canal. R : reacción del empuje F que el líquido ejerce sobre la compuerta. Es la fuerza de reacción de la compuerta sobre el volumen de control. El empuje a determinar F es de igual magnitud y sentido contrario a la reacción R, con la cual, la compuerta responde sobre el líquido. Luego, al aplicar la ecuación de la cantidad de movimiento al Volumen de control, se tiene:
(21) Por tratarse de un flujo permanente, el segundo término del miembro de la derecha es igual cero. Reemplazando términos correspondientes, se tiene:
Donde b es el coeficiente de Boussinesq de corrección por momento lineal.
(22) De donde:
(23)
(24) Haciendo 1= 2= , se tiene:
(25) Aplicando la ecuación de Bernoulli entre (1) y (2), despreciando ³pérdidas de energía´, se tiene:
(26)
suponiendo
, y factorizando, se tiene:
(27) Por continuidad: (28) De donde:
Luego:
(29)
Reemplazando la ecuación (29) en la (27), se tiene:
(30)
(31) Análogamente, reemplazando V2 de la ecuación (29) en la ecuación (27), se tendrá:
De donde:
(32) De otro lado, volviendo a la ecuación (28), se tiene:
(33) Ahora, reemplazando las ecuaciones (33) y (32) en la (25), se tiene:
(34)
En flujos turbulentos, como ocurre en este caso, a=b=1, luego:
(35) Factorizando, se tiene:
(36) Además, por acción y reacción F = R; luego:
Fuerza teórica sobre la compuerta (37) La ecuación (37) permite calcular la fuerza o empuje teóricos que un líquido en movimiento ejerce sobre una compuerta plana vertical, con descarga libre.
COMPUERTA:
Puerta movible que se coloca en las esclusas de los canales y en los portillos de las presas de río para detener o dejar pasar las aguas. Las compuertas son equipos mecánicos utilizados para el control del flujo del agua y mantenimiento en los diferentes proyectos de ingeniería, tales como presas, canales y proyectos de irrigación. Existen diferentes tipos y pueden tener diferentes clasificaciones, según su forma, función y su movimiento. Las diferentes formas de las compuertas dependen de su aplicación, el tipo de compuerta a utilizar dependerá principalmente del tamaño y forma del orificio, de la cabeza estática, del espacio disponible, del mecanismo de a pertura y de las condiciones particulares de operación.
Aplicaciones: ·
Control de flujos de aguas
·
Control de inundaciones
·
Proyectos de irrigación
·
Crear reservas de agua
·
Sistemas de drenaje
·
Proyectos de aprovechamiento de suelos
·
Plantas de tratamiento de agua
·
Incrementar capacidad de reserva de las presas
Compuertas Planas Deslizantes
Se les llama compuertas deslizantes pues para su accionar se deslizan por unos rieles guías fijos. Puede ser movida por diferentes tipos de motores. Estas compuertas pueden ser de acero estructural, madera y en caso de pequeñas cabeza de hierro, el espesor y el material de la compuerta dependerá de la presión del agua y el diseño de los sellos. Al trabajar a compresión estas compuertas tienen buenas adaptaciones a los sellos presentando pequeñas fugas. Este tipo de compuertas han sido utilizadas para todo tipo de cabezas, pero resultan ser mas económicas para pequeñas cabezas y tamaños moderados pues necesitan grandes fuerzas para ser movidas. Compuertas Planas
de Rodillos
Las compuertas planas de rodillos están diseñadas especialmente para controlar el flujo a través de grandes canales donde la economía y la facilidad de operación sean dos factores preponderantes. Son denominadas compuertas de rodillos ya que están soportadas en rodillos que recorren guías fijas y generalmente tienen sellos de caucho para evitar filtraciones a través de los rodillos. Los rodillos minimizan el efecto de la fricción durante la apertura y el cierre de las compuertas, como consecuencia de estos se necesita motores de menor potencia para moverlas. Pueden ser diseñadas para abrirse hacia arriba o hacia abajo. Estas compuertas son muy versátiles ya que pueden diseñarse tanto para trabajar bajo presión en una o ambas caras simultáneamente. Generalmente son de sección transversal hueca, para disminuir la corrosión e infiltraciones son rellenadas con materiales inertes como el concreto. Compuertas Radiales (Taintor)
Las compuertas radiales se construyen de acero o combinando acero y madera. Constan de un segmento cilíndrico que está unido a los cojinetes de los apoyos por medio de brazos radiales. La superficie cilíndrica se hace concéntrica con los ejes de los apoyos, de manera que todo el empuje producido por el agua pasa por ellos; en esta forma sólo se necesita una pequeña cantidad de movimiento para elevar o bajar la compuerta. Las cargas que es necesario mover consisten en el peso de la compuerta, los rozamientos entre los cierres laterales, las pilas, y los rozamientos en los ejes. Con frecuencia se instalan contrapesos en las compuertas para equilibrar parcialmente su peso, lo que reduce todavía más la capacidad del mecanismo elevador. La ventaja principal de este tipo de compuertas es que la fuerza para operarlas es pequeña y facilita su operación ya sea manual o automática; lo que las hace muy versátiles. Compuertas
Flap o Clapetas
Llamadas también clapetas, formadas por un tablero articulado en su arista de aguas arriba que puede abatirse dando paso al agua. Estas compuertas se abren automáticamente por un diferencial de presión aguas arriba y se cierran cuando el nivel aguas abajo supera el nivel aguas arriba o cuando el nivel aguas arriba alcance el nivel deseado de almacenamiento. Existen compuertas clapeta de contrapeso, en las que los tableros se mantenían en su posición elevada por medio de un puntal, hasta que la sobre elevación del nivel del agua les hacía bascular sobre el extremo superior del puntal; también las
hay sin contra peso que son recomendadas para aquellos casos de poca altura de agua y gran luz de vano.
Compuertas Ataguía
Están compuestas de vigas separadas colocadas unas sobre otras para formar un muro o ataguía soportado en ranuras en sus extremos. La separación de las pilas de apoyo depende del material de las vigas, de la carga que obre en ellas, y de los medios que se disponga para manejarlas, es decir, para quitarlas y ponerlas. Compuertas Mariposa
Las compuertas tipo mariposa son utilizadas para controlar el flujo de agua a través de una gran variedad de aberturas. Aunque pueden ser utilizadas para controlar el flujo en ambas direcciones la mayoría de las instalaciones sólo las utilizan para controlar el flujo en una dirección. Con las compuertas mariposa es posible tener una máxima cabeza de energía en ambos lados de la compuerta. La cabeza estática se mide desde el eje horizontal de apertura de la compuerta. La mayoría de estas compuertas son instaladas en sitios con baja cabeza de presión (menor a 6 metros). Las secciones transversales de este tipo de compuertas normalmente son cuadradas o rectangulares; las secciones circulares no son muy comunes ya que estas se utilizan en válvulas mariposa. Son ideales cuando hay poco espacio disponible ya que al girar respecto a un eje, no es necesario disponer de espacio para levantarlas y allí se puede ubicar el mecanismo de apertura. Estas pueden ser utilizadas como reguladoras de flujo, pues al rotar la hoja cambia el tamaño de la abertura y se regula el caudal que fluye a través de ella. Compuertas Caterpillar (Tractor)
Son también conocidas como Compuertas de Broome, en honor a su inventor. Este tipo de compuertas son utilizadas tanto para altas como para bajas cabezas de presión. Han sido utilizadas con cabezas hasta de 200 pies en varios proyectos hidroeléctricos y de control de inundaciones. Ambos extremos de la compuerta están equipados con orugas que facilitan su desplazamiento a lo largo de ranuras paralelas a los lados de la compuerta. Las orugas se mueven alrededor de la compuerta mientras la compuerta es movida.
Este tipo de compuertas es movido por medio de cables de acero tirados por motores, lo que facilita su operación bajo diferentes condiciones de flujo.
Compuertas Cilíndricas
Las compuertas cilíndricas consisten en cilindros sólidos de acero (generalmente) abiertas en ambos extremos, que funcionan por el balance de las presiones de agua en las superficies interior y exterior. Este tipo de compuertas generalmente son levantadas por medio de cables o máquinas hidráulicas; como la presión del agua siempre se encuentra balanceada, el único peso que debe ser movido es el equivalente al peso propio de la compuerta.
Mecanismos Complementarios
Por sus grandes dimensiones, peso y cargas que deben soportar, las compuertas deben ser movidas por sistemas mecánicos (eléctricos, hidráulicos, manuales). Estos sistemas pueden ser de gran variedad y su utilización depende de múltiples factores tales como espacio disponible, cargas transmitidas a la estructura y por supuesto el tipo de compuerta que deben mover. Los sistemas más comunes son: pórticos, puentes grúa, vigas de alce, servomotores, contrapesos y malacates. Se deben incluir mecanismos adicionales como: marcos, sellos, rieles, fuentes de potencia, dispositivos de transporte y sistemas de control para garantizar su buen funcionamiento. COMPUERTAS PROYECT O Compuertas Para
HIDROELÉCTRICO PORCE II
la Captación
Las compuertas serán utilizadas para el cierre de las aducciones de la estructura de captación, para efectuar la inspección y el mantenimiento del túnel o de las válvulas de admisión de las turbinas en la casa de máquinas. Las compuertas serán operadas por medio de grúas polar y una viga de alce. Se utilizaran cinco compuertas del tipo tablero plano de construcción soldada y con membrana y
sellos en su cara de aguas abajo. Dotada de ruedas principales, ruedas guía y soporte tipo ballesta para ayudar en el sellado. Debido a que existe una diferencia entre el nivel del pozo de la captación y el nivel del embalse, se crea una diferencia de presión originando fuerzas sobre la compuerta, fuerzas que deberán ser absorbidas durante el cierre por las ruedas principales. Características Generales Ancho: 3.45m Altura: 4.10m Presión de Diseño: 241 kPa
Fuerza de Cierre: Cierra por su propio peso bajo condiciones de presión desbalanceada (el peso de la compuerta deberá ser al menos un 50% superior a las fuerzas estimadas que se oponen al cierre). Fugas: < 0.08 l/s Compuertas
Radiales para el Vertedero
Se utilizaran dos compuertas radiales sin solapa (laterales) y dos compuertas radiales con solapa (centrales) para el vertedero, fabricadas de acero de construcción soldada. Las cuatro compuertas serán operadas hidráulicamente con tendencia a la apertura con contrapesos. La compuerta y la solapa deberán ser mantenidas cerradas por medio de servomotores que impedirán la acción de apertura del contrapeso y la acción de apertura de la presión del agua en la solapa (las solapas se abren por su propio peso). Es posible cerrar la compuerta y la solapa mediante condiciones desbalanceadas de presión. Características Generales Ancho: libre entre pilas: 11m Altura: 14m Radio de la membrana: 14m Fugas: < 1l/s por metro lineal Presión de Diseño: La equivalente al nivel máximo del embalse.
Compuerta Auxiliar del Vertedero
Se utiliza una compuerta auxiliar para los cuatro azudes del vertedero. La compuerta es del tipo ataguía (stoplogs, 12 secciones horizontales) de acero de fabricación soldada. Esta sirve para cerrar cualquiera de los cuatro azudes del vertedero, para operar durante la inspección o mantenimiento de la compuerta radial. Será operada por un carro grúa y una viga de alce, y cerrará por su propio peso bajo presiones equilibradas. La apertura se efectuará con presiones balanceadas por medio de un sistema de ³bypass´ instalado en las pilas intermedias. Características Generales Ancho: libre entre pilas: 11m Altura: 13.80m Fugas: < 2l/s por metro lineal Presión de Diseño: Condiciones normales de operación.
Compuerta
de Ruedas para la Aducción de la Descarga de Fondo
Se utiliza una compuerta de ruedas con actuador hidráulico para cerrar la aducción de la descarga de fondo. Operará bajo condiciones de presión equilibradas y cerrará bajo su propio peso (normalmente cerrada). Características Generales Ancho: 2500mm Altura: 3200mm Fugas: < .08 l/s Presión de Diseño. Correspondiente al nivel máximo del embalse. Otras Compuertas Utilizadas
·
Compuerta Deslizante para la Descarga de Fondo
·
Compuerta Radial para la Descarga de Fondo
Una compuerta hidráulica, es el nombre de un dispositivo hidráulico, mecánico, cuya función es la regulación del pasaje deagua o de cualquier otro fluido en tuberías, canales, presas, esclusas, obras de derivación, entre otras estructuras hidráulica. Existen distintos tipos de compuertas, entre las más utilizadas para canales, presas, esclusas y obras hidráulicas de envergadura, se encuentran las siguientes: Compuertas hidraulicas.
tipo anillo , se utilizan en la cresta de los vertederos de clase tulipa, en aquellas presas que se encuentran equipadas dichos vertederos. Compuerta
Compuerta tipo basculante ,
conocida como claveta, se utiliza tanto en la cima del vertedero de una presa como al fondo de un río o canal. Compuerta
tipo cilindro , para las descargas en presión, por lo que se puede colocar la sección de toma a la profundidad que sea, en un embalse. Compuerta
tipo esclusa , sus bisagras son verticales. Funcionan por medios mecánicos o pistones hidráulicos. Se abre para que pueda pasar el buque. Compuerta tipo
lagarto, para abrir o cerrar las tomas en presión, para efectuar las descargas de fondo. Compuerta
tipo rodante, a través de ella se libera el vano del vertedero, para que se pueda navegar. Compuerta
tipo sector , se utiliza en los vertederos de presas, su manipulación es por el mismo desnivel de agua que origina. No se necesita equipo mecánico para operarla. tipo segmento, se utilizan en la cresta de los vertederos de las presas. Se accionan por pistones hidráulicos o pneumáticos. Compuerta
Compuerta
tipo Stoney, para tomas en presión, descargas de fondo o toma de una central hidroeléctrica. Compuerta
tipo tambor , funciona casi igual que las compuertas tipo sector.
tipo tejado , se utiliza en los vertederos de presas, su manipulación es por el mismo desnivel de agua que origina. No se necesita equipo mecánico para operarla. Compuerta
Compuerta
tipo vagón, se utiliza en las descargas de fondos y bocatomas de presas. Se acciona por medio de un pistón hidráulico o neumático. Compuerta
tipo visera , se utiliza en los canales navegables. Se acciona con un pistón hidráulico o neumático.
Compuerta
tipo Stop Log, funciona como una compuerta auxiliar, para darle mantenimiento a las compuertas principales. Se operan por una grúa móvil. para control de nivel, son las compuertas AMIS, para el control del nivel en aguas arriba y las compuertas AVIS para el control de nivel en aguas abajo. Compuertas automáticas
REFERENCIA: http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/flujoencanales/flujo_compuertas/flujo _compuertas.html http://www.arqhys.com/construccion/compuertas-hidraulicas.html http://fluidos.eia.edu.co/obrashidraulicas/articulos/compuertas/compuertas.html
