Turbinas Hidráulicas
• En la maquina hidráulica el agua
intercambia energía con un dispositivo
mecánico que gira en su eje de simetría
• Poseen una serie de alabes fijos
(distribuidor), y otra de alabes móviles
(rodete)
• El fluido atraviesa sucesivamente tres
órganos diferentes: distribuidor, rodete y
difusor (tubo de aspiración).
• El rodete es elemento esencial de la turbina,
provisto de alabes en los que se da el
intercambio energético entre el agua y la
maquina.
• Según la presión varíe o no en el rodete, las
turbinas se clasifican en:
• Turbinas de acción (impulso): el agua sale del
distribuidor a presión atmosférica y llega al
rodete con la misma presión. Toda la energía
potencial del salto se transforma en energía
cinética.
• Turbinas de reacción: el agua sale del
distribuidor con una presión que va
disminuyendo a medida que el agua atraviesa
los alabes del rodete. El agua circula a presión
en el distribuidor y rodete, por lo tanto la
energía potencial del salto se transforma parte
en cinética y otra en energía de presión.
• El difusor o tubo de aspiración, es un
conducto de desagüe, generalmente de
ensanchamiento progresivo.
• Conduce el agua desde la salida del
rodete hasta el canal de fuga.
• Permite recuperar energía cinética a la
salida del rodete.
Según la dirección de entrada del agua en
la turbina se clasifican en:
• Axiales (Kaplan, hélice): el agua entra
paralelamente al eje
• Radiales (Francis): el agua entra
perpendicular al eje
• Tangenciales (Pelton): el agua entra
lateral o tangencialmente contra las
cucharas del rodete.
Estudio general de las turbinas hidráulicas
• Movimiento del agua: se utiliza una
nomenclatura universal que define los triángulos
de velocidades a la entrada y salida del rodete:
• u: velocidad tangencial o periférica a la rueda
• c: velocidad absoluta del agua
• w: velocidad relativa del agua
• α: ángulo entre las velocidades u y c
• β: ángulo entre las velocidades u y w
Los subíndices 0,1 y 2 hacen referencia a la
entrada del agua en el distribuidor, rodete y
salida del rodete.
• El agua sale del distribuidor y a una
velocidad absoluta c1, encontrándose con
el rodete, que en servicio normal, se
mueve a una velocidad tangencial u1.
• El agua que sale del distribuidor penetra al
rodete con una velocidad absoluta c1 y
ángulo α1.
• La velocidad relativa forma con la
velocidad periférica un ángulo β1 y es en
todo momento tangente al alabe.
• De la ecuación de Euler resulta:
• Las velocidades u1, c1, u2 y c2 no se eligen al azar, si se
desea obtener el máximo rendimiento.
• Para obtener la máxima potencia, debería ser:
-Q máximo posible
-u2 y Cu2 próximo a cero
• Para que Cu2 (componente tangencial de la velocidad
absoluta C1) sea cero: la velocidad absoluta a la salida
debe ser perpendicular a la velocidad periférica (c2┴u2)
Esto se lograría con una descarga totalmente axial
• Para que Cu1 sea máximo: el ángulo α1 debe tender a
cero.
Esto se logra con un flujo de agua lo mas tangencial
posible en la entrada a la turbina.
Relaciones de semejanza
• Relaciones que existen entre las características
de dos turbinas del mismo tipo, geométrica y
dinámicamente semejantes, en el supuesto de
que ambas tengan el mismo rendimiento
hidráulico, es posible hacer las siguientes
consideraciones:
Modelo: Potencia P’, nº de rpm n’, caudal Q’
(m3/seg), par motor C’ (m·kg), salto neto Hn '
Prototipo: P, n, Hn, Q, C
• Se suponen:
• a) El rendimiento se mantiene prácticamente
uniforme en la zona de funcionamiento de
las turbinas.
• b) El mismo número de unidades para cada
turbina, es decir, una sola rueda para las
Francis y Kaplan-hélice, y un solo inyector
para las Pelton.
• c) Las dos turbinas tienen la misma
admisión, es decir, el mismo ángulo de
apertura del distribuidor para las Francis y
Kaplan-hélice.
• Para los diámetros y longitudes:
• Para las secciones de paso del agua:
• Como el rendimiento de la turbina en
función de los coeficientes óptimos de
velocidad:
=> Para que sea el mismo en el prototipo
y en el modelo, los coeficientes óptimos
de velocidad son iguales.
Número de revoluciones
Caudal
Potencia
Velocidad especifica
• Es el número de revoluciones por minuto
a que giraría una turbina para que con un
salto de 1 metro, generase una potencia
de 1 CV.
• Si en las fórmulas de semejanza:
P’= 1 CV,
Hn’ = 1 metro
Resulta:
Todas las turbinas semejantes tienen el
mismo número de revoluciones específico,
pudiéndose definir también ns como el
número de revoluciones de una turbina de
1 CV de potencia que bajo un salto de 1 m
tiene el mismo rendimiento hidráulico que
otra turbina semejante de P (CV), bajo un
salto de Hn metros, girando a n rpm.
Turbinas Francis
Turbinas Francis
• Se construyen para operar en condiciones
de rendimiento máximo, existiendo tres
tipos:
lentas: u1 < c1
normales: u1 = c1
rápidas: u1 > c1
• El rendimiento oscila entre 0.85 y 0.95
• Rodetes lentos: se utilizan en grandes
saltos, se tiene bajo numero de
revoluciones, lo que supone un aumento del
diámetro D1 del rodete respecto al del tubo
de aspiración.
• Se tienen 50 < ns < 100.
• Rodetes normales: El diámetro del
rodete D1 es ligeramente superior a D3.
• El agua entra en el rodete radialmente y
sale axialmente.
• Se tienen 125 < ns < 200.
• Β1=90º
• Rodetes rápidos: El diámetro del rodete D1
•
•
•
•
•
es menor al del tubo de aspiración D3.
El cambio de dirección del agua se realiza de
forma mas brusca que en las normales.
Los conductos resultan largos y estrechos lo que
aumenta las perdidas por
rozamiento,
reduciendo el rendimiento.
El ángulo de entrada β1=90º favorece el
aumento del numero especifico de revoluciones
porque aumenta u1.
Tienen un espacio importante entre el
distribuidor y el rodete.
Se tienen 225 < ns < 500.
Cámara espiral
• Tiene como misión dirigir convenientemente
el flujo de agua hacia el distribuidor.
• Su forma es tal que la velocidad media es la
misma en cualquier punto del espiral.
• Pueden ser de sección circular aunque
también puede ser rectangular.
• El agua debe ingresar a una velocidad que
evite perdidas excesivas.
• Cámaras espirales metálicas:
ce < 0.18 + 0.28·(2·g·H)½
• Cámaras de hormigón:
ce < 0.13·(2·g·H)½
• Si la cámara se divide en 8 secciones, y el
caudal entrante es Q:
• Como la velocidad ce del agua en
cualquier sección es constante:
Distribuidor
• Es un órgano fijo cuya misión es dirigir el
agua hacia la entrada del rodete,
distribuyéndola alrededor del mismo.
• Permite regular el agua que entra en la
turbina y modificando de esta forma la
potencia de la turbina.
• Permiten seguir las variaciones de carga
de la red.
• Cadual cero (paso cerrado) o máximo
caudal.
Anillo de distribución:
Con sus movimientos, en sentido de apertura
o cierre total o parcial, hace girar a todas y
cada una de las palas directrices
• El giro conjunto y uniforme de las palas
directrices, permite variar la sección de
paso de agua a través del distribuidor.
Servomecanismos:
• Normalmente son dos, cada uno de los
cuales, accionado por aceite a presión
según órdenes recibidas del regulador,
desplaza una gran biela, en sentido inverso
una respecto de la otra, proporcionando el
movimiento del anillo de distribución,
concéntrico con el eje de a turbina.
Palas del distribuidor:
• Cada una de ellas puede orientarse, dentro de
ciertos límites, pasando de la posición de
cerrado total, cuando están solapadas unas
sobre otras, a la de máxima apertura que
corresponde al desplazamiento extremo.
• Se accionan mediante dispositivos mecánicos,
a base de servomecanismos, palancas y bielas,
que constituyen el equipo de regulación de la
turbina.
Bielas
• La conexión entre la biela correspondiente,
ligada al anillo, y el eje de la pala directriz
respectiva, se realiza mediante una biela
formada, en ocasiones, por dos piezas
superpuestas, en cuyo caso, el punto común
de enlace entre las mismas puede ser un
bulón que, además, hace la función de
fusible mecánico.
• La unión rígida de cada biela con el eje de la
pala se consigue mediante varias chavetas.
Fusibles mecánicos.
• Se trata del bulón colocado en cada juego
de bielas, en el que está convenientemente
mecanizada una entalladura para que
pueda romper fácilmente y dejar sin control
a la pala afectada, en caso de que la misma
presione sobre algún cuerpo extraño, que
pudiera ser arrastrado por el agua, con lo
que se evitan posibles daños mayores.
Se realizan entalladuras a
las propias bielas.
Tubo de aspiración
• Transforma energía, recupera la energía
cinética del agua a la salida del rodete al
crear una depresión.
• La forma constructiva depende de ns.
•Para turbinas de eje vertical y
pequeños valores de ns el tubo
puede ser una simple tubería
acodada, de sección creciente.
• Los tubos de aspiración acodados son muy
comunes, ya que presentan ventajas sobre
los rectos:
• Se reduce la profundidad de las fundaciones,
por consiguiente los trabajos civiles y el costo
de la obra.
• Dependiendo de instalaciones, puede existir
un dispositivo de obturación, generalmente a
base de ataguías, a fin de poder llevar a
efecto revisiones en el grupo.
Relaciones de diseño según ns
Coeficientes de velocidad:
• Relación de Ahlfors
(empirica):
D 2  4 . 375  3
• También:
D1 
60 ·u 1
D2 
60 ·u 2
Q
n
 ·n
 ·n
Potencia [CV]:
P 
 ·Hn ·Q ·
75
2000
1400
1000
700
500
300
200
140
100
200
50
20
10
5
H
(altura neta)
Cavitación
• Formación dentro del agua de espacios huecos o
cavidades llenas de gas o vapor, producidas por una
vaporización local debida a acciones dinámicas.
• Se debe a reducciones de presión dentro del seno de
los líquidos, cuando se mueven a grandes velocidades,
manteniendo la temperatura ambiente, favoreciéndose
la vaporización.
• El fenómeno de cavitación reduce la velocidad a que
pueden
funcionar
las
máquinas
hidráulicas,
disminuyendo su rendimiento, por la acumulación de
burbujas de vapor que perturban la afluencia normal
del agua.
• Además de producir ruidos y vibraciones, es causa de
una rápida y constante erosión de las superficies en
contacto con el líquido, aun cuando éstas sean de
hormigón, hierro fundido, aleaciones especiales, etc.
• Cuando en el interior de un líquido se forman burbujas
de cavitación, alcanzan su máximo tamaño en un
espacio de tiempo brevísimo (aproximadamente 2 ms)
debido a fuertes disminuciones de presión.
• Luego rompen al ser arrastradas a una zona de mayor
presión, durante un tiempo igualmente breve.
• Las partículas de líquido se precipitan hacia el centro
de la burbuja y superficies sólidas sobre las que estaba
la burbuja.
• La proyección de partículas se realiza sin impedimento
y a velocidades muy altas. El fenómeno se repite con
una frecuencia de 25000 ciclos por segundo e incluso
mayor.
• Las tensiones superficiales producidas por estas
acciones, son del orden de 1.000 atmósferas, valor lo
suficientemente elevado como para producir grietas,
por fatiga del material, en relativamente poco tiempo.
• Coeficiente de Thoma:
Turbina KAPLAN
Turbina KAPLAN
• Turbinas rápidas, ya que a partir de ns >400
ya que en las turbinas Francis el agua no
se puede guiar y conducir con precisión.
• El rodete posee pocas palas, teniendo la
forma de hélice de barco.
• Cuando son fijas, se las denominas turbina
hélice; mientras que si son orientables se
denominan Kaplan.
• El rodete llega a tener un diámetro de hasta
0,4 del diámetro del tubo de aspiración.
• De esta manera mejora la circulación del
agua, así se alcanzan valores de ns > 850.
• En el interior del cubo se encuentra el
mecanismo hidráulico para realizar el
movimiento de las palas del rodete.
• Esto obliga a limitar el numero de palas.
• ↑ SALTO => aumentan los esfuerzos que
tienen que soportar los alabes, por lo que
el cubo tiene mas diámetro, tanto como
para alojar los cojinetes donde pivotean
los alabes, como para poder alejar el
mayor numero de alabes.
• Para H > 10 m la Kaplan empieza a ser
mas voluminosa que la turbina Francis,
aunque mantiene la ventaje de tener los
alabes orientables.
Regulación en turbinas Kaplan:
• En el caso ideal:
η·g·Hn = c1·u1·cosα1- c2·u2·cosα2
Lograr:
α2 = 90º => η·g·Hn = c1·u1·cosα1
Para cualquier grado de admisión, actuando
al mismo tiempo sobre el distribuidor y las
palas del rodete.
• La velocidad relativa de entrada w1 debe
ser tangente al alabe, por lo que debe
quedar en esa dirección para que la
entrada se de sin choque.
• La velocidad c2 tiene que ser lo menor
posible y con un ángulo cercano a 90º
respecto a u2.
• La doble regulación de las turbinas Kaplan las
hacen mas caras frente a las Francis de igual
potencia.
• Se las utilizan cuando se tiene alta velocidad de
giro y se requiere buena regulación de P.
• Si la turbina funcionara con poca variación
de carga, se utilizan las turbinas hélice.
• Las Kaplan tienen curvas de rendimiento
relativamente planas para un amplio rango
de apertura del distribuidor.
Descargar

Turbinas Hidraulicas