Este documento presenta los resultados de un estudio experimental realizado en un modelo físico para verificar el funcionamiento de la galería de oscilación del proyecto hidroeléctrico La Yesca. El objetivo del estudio fue obtener las pérdidas de carga hidráulica y las fluctuaciones de presión en la galería bajo condiciones normales y transitorias de operación. Los resultados mostraron que las fluctuaciones de presión en la galería no sobrepasan el nivel de la casa de máquinas y que existe una buena similitud entre los perfiles hid

1. XXII CONGRESO NACIONAL DE HIDRÁULICA
AMH
ACAPULCO, GUERRERO, MÉXICO, NOVIEMBRE 2012
AMH
FUNCIONAMIENTO HIDRÁULICO DE LA GALERÍA DE OSCILACIÓN DEL P.H. LA
YESCA, EN MODELO FÍSICO
Ochoa Álvarez Federico1
Marengo Mogollón Humberto1
Cortés Cortés, Carlos1
1
Comisión Federal de Electricidad, Cananea 101, Col. Lomas de la Selva, Cuernavaca, Morelos, C.P. 62270.
federico.ochoa@cfe.gob.mx, humberto.marengo@cfe.gob.mx, carlos.cortes01@cfe.gob.mx
Palabras clave: galería de oscilación, pérdidas de carga, fluctuaciones de presión, desfogue de generación
RESUMEN
La función principal de la galería de oscilación consiste en hacer que los cambios de velocidad se retrasen, para garantizar la
sumergencia mínima de las turbinas. En este artículo se presenta el estudio experimental realizado en Laboratorio de
Hidráulica de la Comisión Federal de Electricidad para representar las condiciones hidráulica en el modelo físico y
determinar el funcionamiento hidráulico de la galería. Partiendo de las ecuaciones de cantidad de movimiento y columna
rígida aplicada a tuberías, se obtienen las condiciones de similitud geométrica, dinámica y cinemática que deben cumplirse
en el modelo físico.
Para el estudio del comportamiento de la galería de oscilación, se modelaron condiciones normales de operación así como
los casos más desfavorables al presentarse fenómenos transitorios combinados con la operación parcial o total del vertedor
de demasías. Estos ensayes corresponden a cierres y aperturas independientes para la condición de operación normal de una
unidad.
Las fluctuaciones de presión en la galería de oscilación y a la salida del túnel de desfogue de generación se registraron
mediante la instalación de celdas de presión. En particular se requiere que las fluctuaciones de presión operando en
condiciones normales, no sobrepasen el nivel del piso de la casa de máquinas, con lo cual no se compromete la estabilidad
de la misma.
De los registros de las tomas piezométricas instaladas a lo largo de los tubos de aspiración, galería de oscilación y túnel de
desfogue hacia el cauce, se obtuvieron los perfiles hidráulicos y las pérdidas de carga para las diferentes condiciones de
operación con régimen permanente. De la comparación de los resultados de la operación del modelo físico y registros
obtenidos en prototipo, se observa una buena similitud entre modelo y prototipo. Con el estudio realizado se verifica un
funcionamiento adecuado de la galería de oscilación.
Introducción
Objetivo del estudio
La obra de generación del P.H. La Yesca está formada por una
bocatoma común a las dos tuberías a presión que conducen el
agua hasta la casa de máquinas, posteriormente a una galería
de oscilación, y finalmente por un túnel de desfogue hasta su
descarga al Río.
Verificar el funcionamiento de la galería de oscilación del
desfogue de generación del P.H. La Yesca, obteniendo en la
galería, las pérdidas de carga hidráulica y las fluctuaciones de
presión, operando en régimen permanente y transitorio.
Cuando se abre el distribuidor que regula el gasto necesario en
las turbinas, en la galería de oscilación se produce un
incremento o decremento de gasto en los primeros instantes al
subir o bajar su nivel, y una vez que la potencia de las turbinas
se estabiliza y no hay variaciones de velocidad en el sistema
de conducción, se obtiene una línea piezométrica normal que
corresponde al nivel de régimen permanente.
El Departamento de Ingeniería Civil de la Subgerencia de
Diseños Hidroeléctricos, solicitó al Laboratorio de Hidráulica
el verificar el funcionamiento de la galería de oscilación en
modelo físico y obtener las pérdidas de carga hidráulica y las
fluctuaciones de presión a lo largo de la cámara de oscilación
y en el túnel del desfogue de generación.
Descripción de la obra
El proyecto hidroeléctrico La Yesca, contempla la
construcción de un aprovechamiento hidráulico para la
generación de energía eléctrica, sobre el Río Santiago en el
estado de Nayarit, constituido por un(a): cortina formada de
enrocamiento bien compactado con cara de concreto como
elemento impermeable, tiene una altura de 195,0 m, sobre el
cauce del Río y 878 m de longitud de corona. Obra de
generación, La central hidroeléctrica constará de dos unidades
turbogeneradoras de 375 MW cada una y generará un
promedio de 1210 GWH anuales. La obra ubicada en la
margen derecha del Río, la conforma un canal de llamada a
cielo abierto, las bocatomas, dos conductos a presión de 7,7 m
de diámetro; la casa de máquinas, galería de oscilación, y el
túnel de desfogue. El túnel de desfogue que conecta a la
galería de oscilación con el Río, presenta en su descarga una

2. XXII CONGRESO NACIONAL DE HIDRÁULICA
AMH
AMH
ACAPULCO, GUERRERO, MÉXICO, NOVIEMBRE 2012
geometría de 13 x 14 m en sección portal revestido de
concreto, con la elevación de su plantilla a la 381,50 m. El
gasto de diseño de cada unidad es de 250 m3/s.
Las bocatomas se localizan en la margen derecha del Río y
construidas de concreto reforzado y rejillas metálicas. La
estructura de control cuenta con dos compuertas deslizantes de
servicio operadas con servomotores. Su conducción de agua
hacia la casa de máquinas se hace mediante dos tuberías
circulares a presión, construidos de concreto reforzado en su
primera parte y posteriormente revestidos con camisa
metálica.
Pero se sabe que
(10)
De la ecuación anterior se deducen las condiciones de
similitud siguientes:
(11)
(12)
La casa de máquinas es subterránea y su ingreso será por un
túnel vehicular. La obra se complementa con la galería de
oscilación y el túnel de desfogue, ambos excavados en roca.
(13)
Se han construido dentro de la galería de oscilación, una serie
de puntales para darle soporte a la estructura de la misma.
(14)
Descripción del modelo físico
En la selección de la escala del modelo, Le = 50, se tomó en
cuenta el espacio disponible en el Laboratorio, el gasto de
alimentación del modelo para su ensaye, el costo y tiempo de
construcción del mismo, de acuerdo con el siguiente
desarrollo se obtuvieron los valores de las escalas de
velocidad, gasto y tiempo:
Del análisis anterior, los valores calculados de las escalas son
los siguientes:
Tabla 1. Escalas obtenidas para la representación del modelo
físico.
ESCALA
Líneas
VALOR
Le
Partiendo de las ecuaciones de cantidad de movimiento y la
columna rígida utilizada en fenómenos transitorios se tiene lo
siguiente:
Velocidades
Gastos
Qe
(1)
Rugosidades
ne
Tiempos
Donde , peso específico del agua, en m3/s, , el factor de
fricción, , factor de perdida, , tirante, en m,
, área de la
conducción, en m2, , diámetro de la conducción, en m, ,
velocidad del flujo, en m/s, t, tiempo, en seg, g, aceleración de
la gravedad en m/s2 y L, longitud de la conducción.
(2)
(3)
(4)
(5)
; Si
(6)
(7)
Aplicando continuidad
(8)
(9)
Ve
Te
=
50
0.5
=
7,07
=
2.5
Le
=
17677,67
=
Le0.16
=
1,87
=
0.5
=
7,07
=
Le
Le
En el modelo físico, se representó los tubos de aspiración, la
galería de oscilación, el túnel de desfogue, los puntales en el
interior de la galería y su descarga en el Río, su disposición
geométrica se muestra en la figura 1, y en la foto 1 su
instalación.
Para mantener un nivel constante de operación, aguas arriba
de la estructura en estudio, se instalaron dos canaletas fijas de
cresta recta de 4,5 m de longitud y 0,40 m de ancho. Para
limitar el gasto de operación de las turbinas, se instalaron
válvulas de bola en las tuberías de alimentación de 6” de
diámetro controladas por servomotores y PLCs que regulan la
apertura, estos mecanismos regulan los tiempos de apertura y
cierre de las válvulas permitiendo las condiciones de rechazo
y toma de carga Foto 2.
Para mantener el nivel del agua en el Río, se han instalado dos
compuertas, una abatible y otra deslizante de cresta recta.
En el canal de retorno hacia el cárcamo de bombeo, de un
metro de ancho, se ha instalado la estructura aforadora,
formada por un vertedor triangular de 90°, cuyo vértice se
ubica a 0,75 m del piso del canal.

3. XXII CONGRESO NACIONAL DE HIDRÁULICA
AMH
ACAPULCO, GUERRERO, MÉXICO, NOVIEMBRE 2012
AMH
a. Condiciones de frontera
A
Se representan en el modelo físico las condiciones de frontera,
aguas arriba y abajo del desfogue de la obra de generación,
para régimen permanente y transitorio. Para establecer el nivel
del agua en el Río, se han instalado dos compuertas, una
abatible y otra deslizante de cresta recta que permiten
establecer los niveles para gastos de operación bajo
condiciones normales y extraordinarias.
C
A
C
+4.22
B
0.00
V
E
-1.48
G
PLANTA
b. Equipo de medición y su disposición
B
La instrumentación del modelo físico consistió en instalar:
E
0.00
G
-1.48
PERFIL
Figura 1. Modelo físico del desfogue de generación, y la galería de
oscilación.
A. Celdas de presión en diferentes secciones Figura 2, con el
objeto de registrar las fluctuaciones de presión simultánea en
la galería de oscilación.
B. Un generador de transitorios para simular la ley de
rechazo y toma de carga de las turbinas, formado por:
•
Dos Servo-motores, foto 2.
• PLCs con pantalla para modificar parámetros (electrónica
del sistema).
• Computadora personal para la captura y almacenamiento
de registros.
C. Sistema de Adquisición de Datos, integrado por:
• Computadora personal para el almacenamiento de datos
con software de las celdas de presión instalado, para la lectura
en tiempo real de las presiones.
• Modulo de conexiones para salidas de celdas RS485 en
volts o miliampers
Foto 1. Instalación de la galería de oscilación del desfogue de
generación.
D. Tubos piezométricos, para registrar el perfil hidráulico en
la galería de oscilación y en el túnel del desfogue hacia el
cauce. Figura 2.
Funcionamiento hidráulico
Como actividades previas a la obtención de las pérdidas de
carga hidráulica, se realizó la puesta a punto de la instalación:
Figura 2. Instrumentación del modelo físico.

4. XXII CONGRESO NACIONAL DE HIDRÁULICA
AMH
ACAPULCO, GUERRERO, MÉXICO, NOVIEMBRE 2012
Foto 2. Mecanismos de apertura y cierre de las válvulas de bola.
Régimen permanente
De los registros obtenidos del modelo para las diferentes
condiciones de operación, se obtuvieron los perfiles
hidráulicos del flujo y las pérdidas de carga hidráulica en el
desfogue de generación. Las secciones de registro se muestran
en la figura 2. La pérdida de carga entre la galería de
oscilación y el túnel del desfogue de generación se presentan
en la tabla 2. Con objeto de evaluar si los puntales propuestos
en el interior de la galería provocaban algún efecto hidráulico
importante se realizaron los ensayes para las condiciones de
flujo permanente.
La operación del modelo hidráulico para el gasto de operación
de 500 m3/s correspondiente a dos turbinas, se aprecia en la
foto 3.
En el 2006 se realizó el estudio de la galería de oscilación
obteniendo las pérdidas de carga hidráulica al resolver la
ecuación de la energía entre la galería y el cauce. En el
presente estudio, nuevamente se han determinado las pérdidas
de carga al representar los puntales en la galería, en la tabla 2,
se presentan los resultados obtenidos para ambas condiciones,
con y sin puntales; Como era de esperarse, se obtiene una
pérdida de carga mayor para la alternativa con puntales; sin
embargo no es significativa ni modifica el funcionamiento de
la galería de forma importante.
Tabla 2. Perdidas de carga entre la galería de oscilación y el túnel
del desfogue de generación.
DH
m
m
0.19
0.90
249.72
0.21
1.23
500.00
0.70
1.35
217.60
Con
puntales
V²/2g
215.04
Sin
puntales
Q
m3/s
Condición
0.18
1.18
250.00
0.25
1.25
500.00
0.70
1.40
AMH
Foto 3. Operación de la galería de oscilación en régimen
permanente correspondiente al gasto turbinado de 500 m3/s.
Régimen transitorio
Para el estudio del comportamiento de la galería de oscilación
con puntales en el interior de la misma, se modelaron
condiciones normales de operación así como los casos más
desfavorables al presentarse fenómenos transitorios
combinados con la operación parcial o total del vertedor de
demasías.
Estos ensayes corresponden a cierres y aperturas
independientes para la condición de operación normal de una
unidad, considerando un ensaye por cada gasto y tiempo de
maniobra requeridos. Los gastos corresponderán al de diseño
y al máximo, esto para identificar el nivel mínimo que pudiera
perjudicar al tubo de aspiración con presiones negativas. Los
tiempos de maniobra requeridos son, para el cierre: 6 s.
(Diseño), 12 y 14 s. (este último utilizado durante las pruebas
de puesta en servicio de la C.H. El Cajón), las aperturas se
realizaron con un tiempo de 12 s. (Diseño) para cada gasto.
Con la instalación de celdas de presión, se obtuvieron las
fluctuaciones de presión en la cámara de oscilación y a la
salida del desfogue de generación en las figuras 4 y 5 se
observa la operación considerando 1 y 2 unidades con un
tiempo de cierre de 6 segundos.. En todos los casos a
excepción de los ensayes con descarga de la obra de
excedencias, el nivel máximo del agua observado no
sobrepasa la elevación del piso de maniobras.
La operación del modelo hidráulico para un Q = 500 m3/s y
descarga del vertedor de 15110 m3/s, se aprecia en las foto 4.
Además se realizaron ensayes para la operación de la galería
con apertura de válvulas con tiempo de 12 s, el resultados se
presentan en la figura 6, para un gasto de operación de 500
m3/s.
De los resultados experimentales se realiza una comparación,
con lo obtenido teóricamente, y se observa lo siguiente
• De la comparación con lo obtenido teóricamente se
observa una concordancia con los periodos de las
fluctuaciones, no así con los niveles máximos y mínimos de la
oscilación.
• En cuestión de oscilaciones máximas los puntales no
afectan o amortiguan estas últimas.

5. XXII CONGRESO NACIONAL DE HIDRÁULICA
AMH
AMH
ACAPULCO, GUERRERO, MÉXICO, NOVIEMBRE 2012
• Existe perturbación dentro de la galería producida por la
presencia de los puntales, pero que en los registros de las
celdas de presión se ve reflejada en una pérdida mayor.
• La presión a la que estarían sujetos los puntales se puede
obtener a través de los registros de las celdas de presión
instalados a lo largo de la galería para las diferentes
condiciones de operación, no con ello significa que se pueda
obtener la oscilación de masas debido a la limitación de la
precisión de las celdas.
• El impacto directo en kgs no se puede obtener con las
celdas de presión debido a que la escala del modelo no es
suficientemente pequeña para que pueda ser determinado de
una manera adecuada. Se recomienda utilizar celdas de carga
de rangos bajos para obtener estás en estudios similares o
posteriores.
Foto 4. Operación para un Q = 500 m3/s de para dos unidades y
un gasto extraordinario por el vertedor de 15 110 m3/s.
428.00
389.20
Ensaye 9
Qt = 500 m3/s
Qv = 15110 m3/s
Operando dos unidades
Tiempo de cierre, 6 s
426.00
C2
424.00
C3
Elevaciones del agua en m
Elevaciones del agua en m
C1
Ensaye 5
Q = 250 m3/s
Operando Unidad 2
Tiempo de cierre, 6 s
389.15
C4
C5
C6
389.10
C7
C8
389.05
422.00
C1
C2
C3
420.00
C4
C5
418.00
C6
C7
C8
416.00
389.00
teorico
414.00
0.00
50.00
100.00
150.00
200.00
388.95
250.00
300.00
350.00
400.00
450.00
500.00
Tiempo, en s
0.00
50.00
100.00
150.00
200.00
250.00
300.00
350.00
400.00
450.00
500.00
Tiempo, en s
Fig 2.3.1.2 Fluctuaciones de presión en la galería de oscilación y en la descarga del desfogue de generación.
Figura 3. Fluctuaciones Ensaye 5, rechazo de carga de la Unidad 2.250 m3/s y un
de presión para un Q =
tiempo de cierre de 6 segundos.
3
Figura 5.Fluctuaciones de presión en la galería de oscilación y en la descarga del= 500de generación.
Fig 2.3.1.6 Fluctuaciones de presión para un Q desfogue m /s y
Ensaye 9, rechazo de carga de las
descarga del vertedor de 15 110 dos unidades con descarga total del vertedor. cierre de
m3/s, para un tiempo de
6 segundos.
393.00
393.00
392.50
Ensaye 7
Q = 500 m3/s
Operando dos unidades
Tiempo de cierre, 6 s
392.00
392.00
Elevaciones del agua en m
Elevaciones del agua en m
391.50
391.00
390.00
C1
389.00
391.00
390.50
390.00
C1
C2
389.50
C4
C5
C4
C6
388.50
C7
C5
388.00
Ensaye 21
Q = 500 m3/s
Operando las dos unidades
Tiempo de apertura, 12 s
C3
389.00
C3
388.00
C6
C7
C8
387.50
0.00
C8
50.00
100.00
150.00
200.00
250.00
300.00
350.00
400.00
450.00
500.00
Tiempo, en s
387.00
0.00
50.00
100.00
150.00
200.00
250.00
300.00
350.00
400.00
450.00
500.00
Tiempo, en s
3
Fig 2.3.1.4 Fluctuaciones de presión en la galería de oscilación y en la descarga del desfogue de generación.
Ensaye 7, rechazo de carga de las dos unidades.
Figura 4. Fluctuaciones de presión para un Q = 500 m /s y un
tiempo de cierre de 6 segundos.
Figura Fig 2.3.1.18 Fluctuaciones de presiónpresiónde oscilacióndos Q descarga delm3/s, para un
6. Fluctuaciones Ensayeen latoma de carga de las y en la = 500 desfogue de generación.
de 21, galería para un unidades.
tiempo de apertura de 12 segundos.
Se realizaron pruebas en al C.H. El Cajón en el año 2007, con
la finalidad de determinar el comportamiento hidromecánico
eléctrico de las dos unidades al someterlas a diferentes
condiciones de operación (25, 50, 75 y 100% de la potencia),
en la cual se registraron los niveles del agua en la galería y
cauce para cada maniobra de puesta en servicio. En la figura 7
se muestran los registros obtenidos con celdas de presión
colocadas dentro de la galería.

6. AMH
XXII CONGRESO NACIONAL DE HIDRÁULICA
ACAPULCO, GUERRERO, MÉXICO, NOVIEMBRE 2012
Como se observa en la figura 7 se presenta una oscilación
máxima y mínima al inicio de las pruebas que posteriormente
se desplaza hacia aguas abajo, amortiguándose las
oscilaciones casi de manera inmediata. Esta experiencia
permitió representar en el modelo físico de mejor manera la
condición aguas abajo del desfogue de generación, al construir
un canal lo suficientemente largo para amortiguar las
oscilaciones en el cauce y no se produzcan ondas de reflexión
al final de la pared.
AMH
Para obtener la presión a la que estarían sujetos los puntales se
puede obtener a través de los registros de las celdas de presión
instalados a lo largo de la galería para las diferentes
condiciones de operación. El impacto directo en los puntales
no pudo ser obtenido debido a las limitaciones en
equipamiento del modelo. Para la obtención del impacto será
necesario el instalar en los extremos de la galería celdas de
carga que registrarán fuerzas ejercidas en las paredes para las
condiciones de operación que se ensayen.
El comportamiento en general de la galería de oscilación y del
desfogue de generación es adecuado, considerando la
instalación de puntales para fines estructurales, sin tener
afectación hidráulica. El estudio permitió verificar el modelo
físico y al compararlo con experiencias de medición obtenidas
en campo, realizadas a la galería de oscilación de la C.H. El
Cajón se puede apreciar una similitud bastante aceptable,
considerando que ambas obras son del mismo tipo y
coincidentemente de similares dimensiones.
Con lo anterior se logra validar el modelo físico en la
representación de las condiciones de frontera para la
simulación de los transitorios en túneles con descarga a
superficie libre.
Figura 7. Perfil hidráulico en la galería de oscilación de la C.H. El
Cajón, operando la unidad uno al 100% de su potencia.
Conclusiones
Del funcionamiento hidráulico del desfogue de la obra de
generación, construido a una escala Le = 50, se obtuvo la
siguiente información:
A. Régimen permanente
Las pérdidas de carga hidráulica, con el nivel del embalse
NAMO, elev 391,00, varían con el nivel del río y con la
operación de las obras de toma. De la geometría en la que se
colocan puntales en el interior de la galería ensayada, las
pérdidas de carga obtenidas varían de 0,90 a 1,35 m para la
geometría sin puntales, y de 1,18 a 1,40 m para la geometría
con puntales, por lo cual existe un incremento en las pérdidas
al considerar la instalación de los puntales en el interior de la
galería. Esto se observa en el modelo con un aumento en el
nivel del agua en el interior de la galería.
B. Régimen transitorio
Las fluctuaciones de presión al simular las condiciones de
operación con la instalación de los puntales son similares a la
geometría sin puntales, por lo que en apariencia no existe
afectación de los mismos en la operación de la galería y del
desfogue de generación.
De la comparación de los resultados con y sin puntales en las
condiciones extraordinarias de operación de las turbinas, se
observa una similitud. La oscilación de masas en el interior de
la galería no pudo ser obtenida con las celdas de presión por la
escala a la que está construido el modelo. Para la obtención de
ellas se tendría que construir un modelo hidráulico a una
menor escala o en su defecto instalar celdas de carga con
rangos bajos.
En todos los casos, a excepción de los ensayes con descarga
de la obra de excedencias, el nivel máximo del agua
observado no sobrepasa la elevación del piso de maniobras.
Referencias
1.- Maza A. y Camargo H. (1983), “Manual de Obras
Civiles, A.2.11, Hidráulica Fluvial”, Instituto de
Investigaciones Eléctricas, C.F.E. (1983).
2.- Maza A. y Franco V. (1981). “Manual de Obras Civiles,
A.2.15,
Técnicas
Experimentales”,
Instituto
de
Investigaciones Eléctricas, C.F.E. (1981)
3.- Díaz S. y Sosa R. (1981), “Manual de Obras Civiles,
A.2.5, Cámaras de Oscilación”, Instituto de Investigaciones
Eléctricas. (1981).