INTRODUCCIÓN EN EL SIG SIGUIE UIENTE NTE TRA TRABAJO BAJO HAB HABLAR LAREMOS EMOS SOBR SOBRE E LAS COMP COMPUER UERT TAS HID HIDRÁUL RÁULICA ICAS, S, EN ESPECIAL DE LAS COMPUERTAS PLANAS Y RADIALES , LAS CUALES SON UNOS DISPOSITIVOS HIDRÁULICO-MECÁNICOS DESTINADOS A REGULAR EL PASAJE DE AGUA U OTRO FLUIDO EN UNA UN A TU TUBE BERÍ RÍA, A, EN UN CA CANA NAL, L, PR PRES ESAS AS,, ES ESCL CLUS USAS AS,, OB OBRA RAS S DE DE DERI RIV VAC ACIÓ IÓN N U OT OTRA RA ESTRUCTURA HIDRÁULICA. LAS COMPUERTAS FUERON CREADAS POR LOS EUROPEOS PERO EN NUE NUESTRO STRO CONTINENT CONTINENTE E LOS PRI PRIMERO MEROS S EN UTI UTILIZ LIZARLO ARLO FUERON LOS IND INDÍGEN ÍGENAS AS EN MESOAMÉRICA LAS CUALES ERAN HECHAS SOLO PARA LA OBSTRUCCIÓN DE TIERRA EN LOS CANALES, SEA COMO COMPUERTAS DE CABECERA Y DE DESAGÜE A MANERA DE PUERTITAS EN LOS CANALES.
Determ Dete rmin inar ar la gr gra an im impo port rta anc ncia ia y el us uso o qu que e tie iene nen n lo loss di differ eren ente tess tip ipos os de co comp mpue uert rtas as hid idrá rául ulic ica as, en es espe peci cia al la lass co comp mpue uert rta as pl plan anas as y ra radi dial ales es en la ra rama ma de la in ing gen enie ieríría, a, y cono co noce cerr la lass ec ecua uacio cione ness de flfluj ujo o ap aplic licad adas as en di dich chas as co comp mpue uert rtas as..
Defin inir ir de manera clara y concis isa a los que es una compuerta plana y una compuerta radial.
Cono Co noce cerr mú múlt ltipl iples es ap aplic licac acion iones es qu que e ti tien enen en la lass co comp mpue uert rtas as hi hidrá drául ulica icas. s.
1)
¿QUÉ ES UNA COMPUERTA COMPUERTA??
Una compuerta es una placa móvilil,, plana o curva, que, al levanta tars rse e, fo forrma un orif or ific icio io en entr tre e su bo bord rde e in infe feririor or y la es estr truc uctu tura ra hi hidr drá ául ulic ica a (pr pres esa, a, ca cana nal,l, et etc c.) so sob bre la cual se instala, y se uti tilliza para la regul ula ació ión n de caudales, en la may ayor oríía de los caso ca sos, s, y co como mo em emer erge genc ncia ia y cie ierr rre e pa para ra man ante teni nim mie ient nto o de ot otra rass es estr truc uctu turras as,, en loss ot lo otro ros. s.
Las co Las comp mpue uert rtas as ti tien enen en la lass pr prop opie ieda dade dess hi hidr dráu áulilica cass de lo loss or orifific icio ioss y, cu cuan ando do es está tán n bien bie n ca calilibr brad adas as ta tamb mbién ién pu pued eden en em empl plea ears rse e co como mo me medi dido dore ress de flfluj ujo. o.
2)
CLASIFICACIÓN DE LAS COMPUERTAS COMPUERTAS::
Las cond condici icione oness fís física icas, s, hid hidráu ráulica licas, s, cli climát mática icass y de ope operac ración ión,, eva evalua luadas das apr apropia opiadam dament ente, e, imp imponen onen la sel selec ecció ción n del tip tipo o y tamaño ade dec cuado de la lass compuertas. És Ésttas se dis ise eñan de dif ife erentes tip ipos os y con varia iad das caracterís ístticas en su opera ope ració ción n y en su me meca cani nism smo o de iza izado, do, los cu cuale aless pe perm rmite iten n cla clasi sififica carla rlass en gr grup upos os ge gene nera rales les,, de la si sigu guie ient nte e ma mane nera ra::
1.
Según las condiciones del flujo aguas abajo abajo::
•
Compuerta Compue rta con des descar carga ga libr libre. e. Compue Com puerta rta con des descar carga ga sum sumerg ergida ida o aho ahogada gada..
•
2. Según el tipo de operación o funcionamiento funcionamiento::
Compuertas Principales Principales:: - de re regu gula laci ción ón - de guarda o de cierre
Las co Las comp mpue uert rtas as pr prin inci cipa pale less se di dise seña ñan n pa para ra op oper erar ar ba bajo jo cu cual alqu quie ierr co cond ndic ició ión n de flfluj ujo; o; 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 comp co mple leta tame mente nte ab abie ierta rtass o ce cerr rrad adas as..
Compuertas de Emergencia Emergencia::
Las co Las comp mpue uert rtas as de em emer erge genc ncia ia se ut utililiz izan an en lo loss ev even ento toss de re repa para raci ción ón,, in insp spec ecci ción ón y man ma nte ten nim imie ien nto de las co comp mpue uert rtas as pr prin inc cip ipal ales es sie ien ndo co con nce cebi bid das pa para ra fu fun ncio ion nar
3. De acuerdo a sus características geométricas:
• • • •
Rectangulares Cuadradas Circulares Triangulares, etc.
Compuertas curvas o alabeadas: alabeadas: • •
Tambor
4. Según el mecanismo de izado izado::
Compuertas deslizantes
En las compuertas deslizantes, el elemento de cierre u obturación se mueve sobr so bre e sup uper erffic iciies des esliliza zant ntes es (gu guía íass o ririel eles es)) qu que e si sirv rven en,, a la ve vez, z, de ap apo oyo y se sellllo o.
Compuertas rodantes
En la lass co comp mpue uert rtas as ro roda dant ntes es,, el el elem emen ento to de ci cier erre re u obt btur urac aciión se mue ueve ve so sobr bre e un tren de ruedas, rodillos o de engranajes, hasta la posición de condición estanca.
COMPUERTAS PLANAS
Se les llama compuertas deslizantes pues para su accionar se deslizan por unos rieles guías fijos. Puede ser movida por diferentes tipos de motores. Esta Es tass co comp mpue uert rtas as pu pued eden en se serr de ac acer ero o es estr truc uctu tura ral,l, ma made dera ra y en ca caso so 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.
Lass com La compu puer ertas tas pla plana nass de ro rodil dillos los est están án dis diseña eñadas das esp espec ecial ialmen mente te par para a controlar el flujo a través de grandes canales donde la economía y la facilidad de operación sean dos factores preponderantes. 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.
COMPUERTAS RADIALES
Las compuertas radiales, también llamadas compuertas Taintor, en honor a un capitán de navío, quien fue su ideador, ideador, tienen la forma de una porción de cilindro, y giran alrededor de un pivote o eje horizontal situado en el eje longitudinal de la superficie cilíndrica. Por su forma, algunas veces se las llama compuerta sector.
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.
ECUACIÓN PARA EL FLUJO A TRAVÉS DE COMPUERTAS PLANAS
Para deducir una expresión que permita determinar el caudal del flujo a través de una compuerta plana, considérese el caso más general de una compuerta plana inclinada, con un ángulo respecto de la horizontal, y ancho B igual al ancho del canal.
Según investigaciones realizadas se a comprobado que: 1.- La profundidad profundidad del del flujo en la vena contracta, contracta, , se relaciona directamente con la abertura, , por medio del coeficiente de contracción, Cc, así:
" "
""
(1)
Donde:
(2)
2.- Además, también se ha comprobado que la distancia en la vena contracta es:
= Reemplazando la ecuación (1) en (2) , se tiene: tien e:
(3) vena contracta.
Es aquella descarga bajo la compuerta que reduce
4.- Aplicando Aplicando la ecuación de la energía entre los puntos (1) y (2) en el grafico N ° 1 11 1 se tiene:
+ + 2 = + + 2 + Condiciones de fronter frontera. a.
•
•
•
(5)
= = 0 ( ) ) = = 1 ( ( ) ) = Despreciamos porque estamos trabajando en
tramos cortos.
fluido fluid o incomp incompresibl resible, e, fluj flujo o perma permanente nente y unifor uniforme, me, distribución distribución hidros hidrostática tática de presio presiones nes lejos
Simplificando se tiene:
+ 2 = + 2
(6)
5.- Aplicando la ecuación ecuación de la continuidad se tiene: (7)
Despejando se tiene:
6.- Sustituyendo la ecuación (8) en la (6),se tiene:
+ 2 = + 2
7.- Sacando raíz cuadrada
(9)
8.- Reemplazando la ecuación (2) en (9) , se tiene:
(2)
9.- Calculo de la velocidad real en el punto 2 Introduciendo el coeficiente de velocidad, Cv, resulta:
(11)
(12)
10.- Ahora, reemplazando las ecuaciones ecuaciones (12) y (2) en la (7), (7), se tiene:
11.- Introduciendo el coeficiente c oeficiente de descarga, Cd, como (16) Resulta:
(17)
12.- Hallamos el coeficiente de velocidad Cv:
Ecuación del ca Ecuación caud udal al de dell flflujo ujo a tra ravé véss de un unaa com ompu pueert rtaa plana,
A partir partir de la ecuación ecuación (16), para Cv Cv,, se tiene:
D
i
i
l
Elevando al cuadrado, se tiene:
Ahora, haciendo:
Resulta el coeficiente de contracción :
DETERMINACIO DETERM INACIONN DE Cd - GRAFIC GRAFICAMENTE AMENTE
H. Rouse afirma que los valores de Cd, para compuertas planas verticales ( = 90°), son esencialmente constantes y con ligeras variaciones alrededor de 0.61. La Figura 02 confirma dicha observación.
Ecuación para el coeficiente de velocidad según Knapp: Con base en las experiencias de Gentilini, Knapp propone una ecuación para calcular calcular el coeficient coeficiente e de velocidad velocidad en compu compuertas ertas verticale verticaless con descarga libre, modificado la ecuación para que la dependencia sea con a/y1 :
Con límite superior Cv = 1.0, correspondiente correspondiente a la relación a / y1 = 0.408.
ECUACIÓN PARA EL FLUJO A TRAVÉS DE COMPUERTAS RADIALES
La ecuación para determinar el gasto a través de compuertas radiales será la misma ecuación (17), deducida para compuertas planas, con adecuados valores de Cd. Para las compuertas radiales con descarga libre, Gentilini presentó la variación del coeficiente de gasto, en función del ángulo y de la relación y1 /a. Véase la Figura 15.
(17)
Ecuación para el coeficiente de velocidad para compuertas radiales según Knapp: Para compuertas radiales Knapp encontró una ecuación, para calcular el coeficiente de velocidad el cual queda también en función del ángulo de inclinación
.
= 0.960 960 + (0 (0.0.001 0161 615 5 − 0.0475 0475))
Por su parte, A. Toch experimentó con compuertas radiales, operándolas tanto con descarga libre como con descarga sumergida, y obtuvo los resultados mostrados en la Figura 16.
Conociendo Cd de estas figuras, el gasto correspondiente a la compuerta radial se determinará, se reitera, empleando la siguiente ecuación ya deducida:
(17)
APLICACIONES
APLICACIÓN COMPUERTA PLANA: EJEMPL EJEM PLO O1 Para Pa ra la com ompu puer erta ta mo most stra rada da en la fifig gur ura, a, ca calc lcul ular ar:: a) La abertura que debe tener para descargar un gasto de 7 m3/s. b) Con esta misma abertura, calcular el gasto que descarga cuando el ti tirrante, aguas abajo jo,, es y3 = 1. 1.80 80m. m.
GRAFICA DEL PROBLEMA
SOLUCION
De la ecuación de continuidad, la abertura de la compuerta es:
= = 2 = ∗ 3 ∗ 27∗ 9.81 ∗ 2.4 = 0.34
Suponiendo un coeficiente de gasto para descarga libre
a = 0.34 0.56 = 0.607
= 0.56 , se tiene que:
Para esta relación, en el diagrama de coeficientes de gasto de una compuerta plana vertical según Cofré y Buchheister, obtenemos un valor más exacto:
= 0.57
B) Conocidos y 1 , a , y3 , obtenemos un nuevo coeficiente de gasto del diagrama anterior.
= 1 1.8.8 = = 2.4 = 0.6 0.6
Luego,
= 0.39 = 2 = 0.39 ∗ 3 ∗0.6 2 ∗ 9.81 ∗ 2.4 = . /s
COMPUERTA RADIAL EJEMPLO N° 2 Una compuerta radial de 4.5 m de radio y altura del perno 4m debe descargar un gasto por unidad de ancho q = 2.6m3/seg/m, con un tiran tir ante te ag agua uass arr arrib iba, a, y1 = 4.50m y otr tro o, aguas abajo jo,, y3 = 3.5m. a) Calcular la abertura de la compuerta para las condiciones de descar des carga ga aho ahogada gada.. b) Calcular el gasto, por unidad de ancho de la compuerta con la misma aber erttura si la des esc carga es libre.
SOLUCION
Datos del problema:
r = 4.5 m
h =4m
y1 = 4.5 m
y3 = 3.45 m
De donde, obtenemos las siguientes relaciones: h/r
De la ecuación:
=
4/4.5= 0.8 .89 90
y1/r =
4.5/4.5
= 1.000
y3/r =
3.45/4.5
= 0.767
Asumiendo valores de a/r = 0.1 y entra entramos mos en el dia diagram grama a de de Toc Toch h para obtener el coeficiente de gasto (Cd), extrapolando, tenemos:
y1/r = 1
Cd = 0.35 …… h/r =0.1
y1/r = 1
Cd = 0.38 …… h/r =0.5
y1/r = 1
Cd = X
…… h/r =0.89
Cd = 0.41
Reemplazando en la abertura de la compuerta, tenemos:
= . . = 0.675
Ahora,
obtenemos un valor más exacto de a/r:
= . = 0.15 .
ℎ : = 0.37
b) Para esta abertura tenemos:
∅ = ℎ − = 0.75 = 0.167 4.5
Reemplazando en la ecuación anterior, tenemos:
Y con
Entonces
∅ = 44
∅ = ℎ − = 0.89− 89 − .16 .1677 = 0.7 0.723 23 = = 0.167
= 0.9 0.966 + .001 .001615 61544 44 − −.0475 .0475 0.167 = 0.964
Podemos
determinar cómo conclusión general que las compuertas tienen un
papel muy importante en la elaboración de proyectos hidráulicos en los que la regulación del caudal es primordial para el buen funcionamiento del proyecto.
Se logró comprender y aprender los nuevos conocimientos relacionados con las compuertas
Se determinaron las aplicaciones aplicaciones que tienen las compuertas y los beneficios beneficios que
