Introducción al diseño básico y selección de compuertas hidráulicas

Las compuertas hidráulicas son algunos de los equipos que se requieren para la operación de las centrales hidroeléctricas, plantas de tratamiento, sistemas de irrigación y demás obras que sirven para aprovechar los recursos hidráulicos.  Estos equipos tienen una variedad de funciones y propósitos dentro de los proyectos, desde permitir la operación y el mantenimiento de las turbinas, conducciones, canales y tubos de aspiración, hasta la descarga de crecientes, manejo de los niveles del embalse e, incluso, el control del tráfico de embarcaciones.  Para esto, existen diversos tipos de compuerta de acuerdo con su configuración.  La selección y su diseño básico deben estar debidamente soportados para asegurar la confiabilidad del equipo y de la estructura hidráulica de la que hacen parte.

Así mismo, el tipo de compuerta es el principal condicionante para la configuración de las obras civiles del proyecto; por lo tanto, la selección de la compuerta es fundamental, incluso desde la etapa de pre-factibilidad y diseño conceptual.  Por esta razón, entender los tipos de compuertas, sus funciones y limitaciones es concerniente tanto para la especialidad de la Ingeniería mecánica como de la civil.

Hay que tener en cuenta que no hay un procedimiento estándar para la selección de una compuerta hidráulica, ya que hay muchos factores que influyen en esta determinación.  Por ejemplo, la capacidad de manufactura en la zona o las limitaciones de las vías de acceso al proyecto pueden condicionar la selección del material, el tipo de compuerta y su modulación; por esto, deben tenerse en cuenta todos los aspectos hidráulicos, operacionales, económicos y específicos de la región para hacer una elección adecuada del equipo (Lewin, 2001).

En términos generales, los tipos más comunes de compuertas, que se utilizan en diferentes estructuras hidráulicas, son los siguientes (Erbisti, 2004):

• En aducciones: Compuertas de vagón, de oruga o cilíndricas.
• En vertederos: Compuertas radiales con o sin solapa, compuertas de vagón (de ruedas), compuertas tipo tambor, o compuertas inflables.
• En descargas de fondo: Compuertas tipo Bureau, compuertas de vagón con bonete o compuertas radiales.
• Para mantenimiento: Stop-logs, compuertas tipo bulkhead o compuertas deslizantes.
• Para canales con tráfico de embarcaciones: Esclusas, compuertas radiales con eje vertical, compuertas de ruedas con desplazamiento horizontal.

Dimensionamiento básico de la compuerta: Límites de tamaño y presión

Una vez se haya determinado el tipo de compuerta, es necesario hacer el dimensionamiento del vano libre (ancho x alto).  Este dimensionamiento es función del caudal, de la presión hidrostática y del tipo de compuerta seleccionado.  Como regla general, entre mayor sea la presión hidrostática sobre el tablero de la compuerta, menores deberán ser las dimensiones generales de la misma, aunque su estructura deberá ser más robusta.

Por ejemplo, en la siguiente gráfica, se indica la relación entre el área máxima de la compuerta en metros cuadrados y la presión hidrostática para: a) compuertas radiales, b) compuertas de vagón, c) compuertas de oruga, d) compuertas deslizantes.

Esta gráfica indica los límites de área vs presión hidrostática, que se han recopilado de experiencias de fabricantes en el mundo.  En este caso, la línea negra es el límite superior, por lo tanto, todas las compuertas que se encuentren por debajo de la línea se consideran viables para fabricación.

Equipo de accionamiento y elementos asociados

Después de la selección y el dimensionamiento básico de las compuertas, debemos determinar la configuración de su equipo de accionamiento y elementos asociados. El equipo de accionamiento se refiere al mecanismo que opera la compuerta en su carrera de apertura y cierre. Algunos ejemplos de estos elementos son los tornillos sin fin, cables, cadenas, servomotores hidráulicos, grúas pórtico, entre otros. En este caso, la selección del tipo de accionamiento de la compuerta está condicionado principalmente por las fuerzas de operación, sin embargo, se deben tener en cuenta otros factores como la disponibilidad de suministro eléctrico, la frecuencia de operación de la compuerta, la posibilidad de mantenimiento, entre otros.

Así mismo, el diseño básico debe acotar apropiadamente la configuración de los elementos asociados a la compuerta, tales como las guías metálicas, sellos, vástagos, sistemas de entrabamiento, entre otros accesorios que hacen parte de la configuración típica de una compuerta.

Condiciones de operación

Para este diseño, es fundamental tener en cuenta las diversas condiciones de servicio o de funcionamiento de la compuerta, en condiciones normales y de emergencia, las condiciones de apertura y de cierre bajo presiones equilibradas y bajo condiciones de flujo o de presiones desequilibradas.  Así mismo, deberán tenerse en cuenta las necesidades de aireación, los fenómenos de cavitación que puedan producirse y sus efectos como, también, las vibraciones inducidas por el flujo y las velocidades máximas recomendadas aguas abajo de la compuerta.  El análisis de estas variables es fundamental. Por lo tanto, durante el diseño de una compuerta hidráulica se deberán cuantificar todos los fenómenos hidrodinámicos que se generan durante su operación, utilizando herramientas como la dinámica de fluidos computacional (CFD) y el análisis estructural utilizando el método de los elementos finitos (FEA).

En conclusión, la selección y diseño básico de las compuertas hidráulicas y sus elementos asociados, son los componentes más importantes en el proceso de diseño del equipo y las obras civiles. Este proceso de diseño y selección deberá estar acompañado por ingenieros de experiencia en la especialidad de equipos hidromecánicos, así como del estudio riguroso de la literatura en este campo.  Cabe resaltar que una selección y diseño básico deficiente de las compuertas hidráulicas de un proyecto, puede generar reprocesos y sobrecostos muy altos, e incluso modificar la concepción de las estructuras hidráulicas que conforman el proyecto.

Bibliografía

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