diseño y fabricación de micro turbinas hidráulicas
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Diseño y fabricación de micro turbinas hidráulicas
Edgar A. Catacora Acevedo Cesar Valero
DISEÑO Y FABRICACIÓN
DE MICRO TURBINAS HIDRÁULICAS
Primera edición
Enero, 2012
Lima - Perú
© Edgar A. Catacora Acevedo &Cesar Valero
PROYECTO LIBRO DIGITAL
PLD 0564
Editor: Víctor López Guzmán
http://www.guzlop-editoras.com/[email protected] [email protected] facebook.com/guzlopstertwitter.com/guzlopster428 4071 - 999 921 348Lima - Perú
PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD)
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de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electró-nicas recomendadas.• Que este proyecto ayude a las universidades nacionales en las acreditaciones internacionales y mejorar la sustentación de sus presupuestos anuales en el Congreso.
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Lima - Perú, enero del 2011
“El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica” Víctor López Guzmán Editor
X Simposio Peruano de Energía Solar
DISEÑO Y FABRICACION DE MICRO TURBINAS HIDRAULICAS
Edgar A. Catacora Acevedo, Cesar Valero
Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad Nacional San Antonio Abad del Cusco - Perú
1.- INTRODUCCIÓN Y GENERALIDADES
DEFINICIÓN: Una turbina hidráulica es
simplemente un elemento mecánico que extrae
energía al fluido agua y la convierte en energía
mecánica, la cual puede ser convertida en energía
eléctrica por medio de un generador Las micro
turbinas hidráulicas son fabricadas para suministrar
energía en rangos de baja potencia. El hecho de
utilizar uno u otro modelo de micro turbina
dependerá de las condiciones físicas del lugar así
como el requerimiento de energía eléctrica o energía
mecánica para usos rurales que requieran baja
potencia.
2.- OBJETIVOS
Efectuar el Diseño y Construcción de Micro turbinas
hidráulicas del tipo Micro Pelton, Micro Michell
Banki y Micro axial (hélice) de bajos costo que
puedan instalarse rápidamente en zonas rurales,
donde los usuarios requieren energía eléctrica para
usos caseros y potencia mecánica en bajos rangos .
OBJETIVOS ESPECIFICOS:
-Diseñar, y construir micro turbinas Pelton en rangos
de 0.5 a 9.5 Kw, que puede entregar potencia
eléctrica y potencia mecánica.
-Diseñar y construir una micro turbina Michell Banki
que trabajen en rangos de potencia de 0.8 a 8 Kw.
-Diseñar y construir un micro turbina Axial tipo
hélice de 0.25 Kw. para uso en pequeño grupo de
generación hidroeléctrico de 0.25 Kw. de Potencia.
-Promover y difundir la utilización de la micro
generación hidráulica.
3.- LA MICRO GENERACION HIDRÁULICA
La micro generación de Energía debe ser difundida y
presentada como una alternativa para la
transformación de productos agrícolas y
agropecuarios, los programas de cultivos alternativos
con fines agroindustriales se presentan como una
fuente alternativa de ingresos para las familias que
viven en sectores rurales alejados de los centros de
producción y distribución de energía eléctrica. La
micro generación puede ser utilizada por ejemplo en:
X Simposio Peruano de Energía Solar
POSIBLE ACTIVIDAD
AGROINDUSTRIAL
RANGO DE PÓTENCIA
-Molinera básica 2-12 Kw
-Procesamiento de café y cacao 2-8 Kw
-Aserradero básico de madera 5-15 Kw
-Carpintería y muebles 2-10 Kw
-Deshidratado de alimentos 2-15 Kw
-Planta de curtiembre 5.12 Kw
-Procesamiento de lana 2-8 Kw
-Taller metalmecánica-automotriz 5-13 Kw
-Pequeña herrería y fundición 2-10 Kw
4.- RANGOS DE TRABAJO
Los rangos de trabajo estarán delimitados por el
caudal (Q) y la altura (H) que utilizaremos que a su
vez arrojara una potencia (P) obtenida en la turbina,
los rangos de trabajo estudiados se muestran en el
cuadro 4.1
Tipo de
turbina
Q
(Lt/seg)
H
(metros)
P
(Kw)
Pelton 5 a 35 15 a 40 0.5 a 9.5
Michell
Banki
10 a 80 5 a 16 0.8 a 8
Hélice 20 a 160 1 a 4 0.170 a
1.5
5.- CLASIFICACION DE LAS TURBINAS
HIDRAULICAS
TIPOS DE TURBINAS HIDRAULICAS
A. TURBINAS DE ACCION (Grado de reacción 0)
-Turbinas Pelton de 1 ó más inyectores.
-Turbinas Turgo.
-Turbinas Michell Banki.
B. TURBINAS DE REACCION. (Grado de reacción
≠ 0)
-Turbina Francis, en sus variantes: lenta, normal y
rápida.
-Turbina Deriaz.
-Turbina Kaplan.
-Turbinas Axiales, en sus variantes: Bulbo y helice.
6.- DISEÑO Y SELECCIÓN DE
MICROTURBINAS
FORMULAS FUNDAMENTALES
-ECUACION DE CONTINUIDAD :
Q ;
VA .=
VA 11 ..ρ QdtVAdt == 22 ..ρ
-ECUACION DE DE BERNOULLI :
.21
21
22
2212
11 CteZgVPZgVP =++=++ ρρρρ
-DIAGRAMAS VECTORIALES.
Vu = Componente giratoria.
X Simposio Peruano de Energía Solar
Va = Componente axial.
VR = Componente radial.
-ECUACION DE EULER: Representa el trabajo
hecho por los alabes, sobre el fluido (o viceversa)
expresión de la energía transferida entre el fluido y
alabes por unidad de masa de fluido será:
( )1122 .. VuUVuUgGP −=
(potencia)
( )1122 ..1 VuUVuUg
E −= (Energía
especifica)
( )1122 ..1 VuUVuUg
H −= (Altura)
-POTENCIA EL EJE DE LA TURBINA: La
potencia de la turbina esta dada por:
[KW] tnd HQPt η***81.9=
Donde: P, es la potencia de la turbina en KW;
Q, el caudal de diseño en m3/s; Hn, el salto
neto en m y ηt, la eficiencia de la turbina. Y la
potencia con respecto al generador será:
gtr
PgPtηη
=
Donde: Pg, es la potencia en el generador en
Kw, ηtr, la eficiencia de la transmisión y ηg,
la eficiencia del generador.
7.- BASES DE DISEÑO
El tipo de turbina que se debe utilizar estará definido
por los números específicos de revoluciones Nq y Ns,
que se define como la velocidad a la que girara una
turbina imaginaria semejante a la dada, que opera
bajo una altura neta de 1 m y genera 1CV de
potencia.
Las turbina que tienen el mismo número especifico,
poseen dimensiones proporcionales y son semejantes.
43
21
.
H
QNNq =
45
21
.
H
PNNs =
Donde :
P : Potencia de freno de la turbina en CV.
Q : Caudal máximo que fluye por la turbina
en m3/seg.
H : Salto neto de la central en m.
N : Velocidad de giro de la turbina en RPM.
El rango de aplicación de la turbina Michell Banki
en comparación con los rangos de aplicación de otros
tipos de turbinas se observa en el siguiente cuadro:
X Simposio Peruano de Energía Solar
RANGO DE APLICACIÓN DE TURBINAS HIDRÁULICAS.
TIPO DE TURBINA Nq Ns
Turbina Pelton de 1 tobera
Turbina Pelton de 02 toberas
Turbina Pelton de 03 toberas
Hasta 9
4-13
5-22
Hasta 30
14-42
17-73
Turbina Michell Banki 18-60 60-200
Turbina Francis lenta
Turbina Francis normal
Turbina Francos rápida
18-38
38-68
168-135
69-125
125-225
225-450
Turbinas axiales 105-300 350-1000
El rango de aplicación de las turbinas estará definido
por el área que ocupan dentro del diagrama caudal
(Q) y altura (H), que a su vez define también la
potencia de diseño, parámetros fundamentales que
serán utilizados para el diseño global del equipo. A
continuación presentamos los diagramas Q-H de los
tres tipos de turbinas:
TURBINAS HELICE
X Simposio Peruano de Energía Solar
8. DISEÑO DE MICROTURBINAS PELTON
arámetros de diseño
as micro turbinas pelton, son turbinas de acción que
ara ciertas condiciones de Q y H cumplen un ns
eterminado y su diseño parte de el caudal
el
iámetro de la tobera de salido del chorro de agua
P
L
p
d
disponible, la velocidad del chorro de salida y
d
hacia las cucharas.
La velocidad del chorro de agua a la salida de la
tobera está determinada por la fórmula:
gHHHiCi 21
∆−=
H, salto neto y H salto bruto.
Para facilitar los cálculos se define un
coeficiente de velocidad Kc, que se expresa por:
∆−=
HHiKc 1
Con lo cual la velocidad de salida del chorro de
agua en la tobera queda expresada por:
gHKcCi 2=
n circular progresivament
, Kc entre 0.97-0.98
Geometría del Inyector
Los inyectores de la turbina Pelton están formadas
por un codo de secció e
decreciente, un tramo recto de sección circular en
na aguja con cabeza
en forma de bulbo y finalmente una boquilla que
forma tangencial al rodete.
Las dimensiones de la cchiaras
donde se monta coaxialmente u
orienta el flujo de agua en
Las dimensiones de la tobera están en
función del diámetro del chorro, el cual; se
determina utilizando la fórmula:
=gHKc
Qod2'
4π
Donde:
d = Es el diametro de la sección del
chorro
expresado en metros.
Qo = Es el caudal que fluirá por cada tobera
e
a en m3 /s .
,98.
ivalente a 9,81 m/s2
con que operará la
alcular por:
d
la turbin
Kc’ = Coeficiente de velocidad de la
tobera
estimado entre 0,97 y 0
g = Es la aceleración de la gravedad,
equ
H = Es el salto neto
turbina en metros.
En forma práctica se puede c
et
2/1 Qo545.0
=H
d
Al igual que en el caso de la tobera las dimensiones
de las cucharas son proporcionales aL diámetro del
chorro y la conforman dos semi elipsoides que
forman una arista o nervio que divide el chorro de
agua en dos partes. Esta geom ría se puede observar
en la fi ura siguiente:
g
DIMESION DE CUHARAS
X Simposio Peruano de Energía Solar
DIAGRAMA DE VELOCIDADES
Se expresan en función a las velocidades absolutas,
relativas y tangenciales que se presentan en los
rodetes tal como se muestra en el siguiente gráfico.
as dimensiones están en función de “d”:
ncho a = 2.6 a 3 d
lto b= 2.25 a 2.8 d
spesor e= 0.8 a 1 d
dp= diámetro de paso.
DIAMETRO DE PASO DE RODETE
Depen a relación que existe
entre e (Dp) y el
diámet ansversal del chorro
(d), que a su vez define el número específico
de re se puede observar
en la fórmula siguiente:
L
-A
-A
-E
de principalmente de l
l diámetro Pelton
ro de la sección tr
voluciones (nq). Esto
12.176 2/1
−=nqi
dDp
Dp/ d =76 i1/2 /nq- 1,12
EL NÚMERO DE REVOLUCIONES en una
turbina Pellón se determina mediante la
fórmula:
pD=
HKu 2/1'54.84n
Donde:
oluciones de la turbina, en rpm.
= Es el salto neto aprovechable de
la turbina, en metros.
Dp = Es el diámetro de paso del rodete.
Ku' = Es un coeficiente de velocidad de
rotación.
9.- MICRO TURBINA MICHELL-BANKI
La turbina Michell Banki es una turbina de acción, de
flujo transversal, de admisión parcial y de doble
efecto, que posee como elementos principales un
inyector o tobera que regula y orienta el flujo de agua
que ingresa a la turbina y un rodete que genera
potencia al eje de la turbina al recibir doble impulso
del flujo de agua.
La turbina Michcll Banki presenta mejores
perspectivas de utilización, por su simplicidad de
diseño y fabricación, su buena eficiencia cuando
opera a cargas parciales y su reducido costo de
fabricación y mantenimiento. Su rango de aplicación
lo definen los números específieos de revoluciones
nq y ns.
n = Es e I número óptimo de
rev
H
X Simposio Peruano de Energía Solar
Todas tas velocidades se pueden expresar en forma es
práctica en función de altura:
C2 = 4.34 H
U2 = 2.09 H
W2 = 2.40 H
Como se puede observar los diagramas de
velocidades dependen del salto y los ángulos son
ndien de condicion dindepe tes es e salto y
caudal.
ANCHO DE RODETE Y ANCHO DE INYECTOR
ón del flujo de agua así como también una
decuada orientación y regulación de este flujo hacia
l ancho del inyector se calcula con la fórmula
Para definir la geometría del inyector es necesario
considerar en el diseño una buena conducción y
aceleraci
a
los alabes del rodete.
E
práctica:
HDeQ96.0
GEOMETRIA DEL R
B =
ODETE
del rodete se puede calcular en función
de la altura y de la velocidad de rotación expresada
en la siguiente ecuación:
El diámetro
RPMDe =
u
H85.39
Se tiene que la relación del diámetro interno
Di, con respecto al diámetro externo De, se
expresa por:
( ) ( )2cos2
12cos4112cos222
22
ααα
KKuKuKu
DeDi −−+−
=
Si consideramos α2 = 16º Ku = 0,5 =>
rvatura r, de los alabes del rodete se
expresa también en función del diámetro del rodete y
del ángulo del alabe B ' 2.
Di = 0,66 De
El radio de cu
Así se tiene:
−=2DiDer
12'cos4 Deβ
Sustituyendo los valores conocidos se puede
expresar como
r = 0,163 De
l ángulo de la curvatura de los alabes del E
rodete Φ se obtiene con la fórmula:
+
=2'
2'cosarctan2β
β
senDeDi
φ
NUMERO OPTIMO DE REVOLUCIONES:
Otro parámetro necesario para el diseño de la turbina,
lo constituye el número óptimo de revoluciones con
que ibera operar la turbina que se deduce de la
fórmula:
De
Donde:
n
Hn2/185.39
=
: Es el número óptimo de
revoluciones, en rpm.
X Simposio Peruano de Energía Solar
De : Es el diámetro exterior del
rodete, en metros
H : Es el salto neto aprovechable,
me tros.
10.- D RBINA DE FLUJO
AXIA BI
La tur Héli
admisi e flujo axial, Su característica
rincipal es que es una turbina hélice de alabes fijos
d específica práctica varía entre
ns = 300 y ns = 1100.-El número de alabes de esta
RODETE.
valores, las dos
cuaciones son funciones de ns:
en
ISEÑO DE MICROTU
L (TUR NA HÉLICE)
bina ce es una turbina de reacción, de
ón total y d
p
(a diferencia de la turbina tipo Kaplan, que tiene los
alabes regulables).
La velocidad específica (número específico de
revoluciones) de la turbina Hélice es alta, en virtud
de que la carga (salto neto) es pequeño con relación
al caudal, el cual, como máquina axial es muy
grande. La velocida
turbina varía de 4 a 9, correspondiendo a mayor
velocidad específica menor número de alabes.
Diseño hidráulico.
Los cálculos son únicamente un medio auxiliar para
obtener unos valores aprovechables como primera
aproximación, debiendo luego compararlos con
ensayos prácticos sobre modelos.
GEOMETRÍA DEL
Las dos dimensiones principales del rodete son el
diámetro exterior y el diámetro del cubo. F. De
Siervo y F. De Leva dan las siguientes fórmulas
experimentales para estos dos
e
Entonces la velocidad tangencial del rodete será:
** nDU π=
Luego se tiene que la velocidad meridiana se
mantiene constante y es:
60
)2cD
C =
0
(*4**8.0
2d
m DQ−π
El distribuidor es circular y tiene una altura de:
)8.3145.0(*DB −= sn
Los triángulos de velocidades se calculan para
encontrar la inclinación del álabe en cada turbina
parcial, y los ángulos a la entrada y a la salida se
hallan con
=i
Cα
−
ui
m
Ctan 1
C
−
= −
uii
mi U
Ctan 1β
Luego la velocidad relativa media será:
21 WWW +=
2∞
GEOMETRÍA DE LOS ALABES.
nción de la carga
aría de 4 a 8.
El número de alabes z del rotor en fu
v
El paso es fácilmente calculado por la relación:
*2
La relación del paso a la cuerda es del orden de 1 a
1.5; y como la cuerda requerida es pequeña se
rt *π=
z
X Simposio Peruano de Energía Solar
advierte que el numero de álabes debe ser reducido, y
una relación de paso a cuerda de 1.25, es decir:
tl
8.0=
a
La teoría del ala es aplicable en el diseño del perfil
del álabe y en l determinación de la distribución de
odinámicos Göttingen que son más
apropi ro caso.
interpolan valores del
= l * s
Aplicación de la teoría de perfiles aerodinámicos.
binas consiste en diseñar un
úmero adecuado de ellas, de tal modo que se
arizadas de turbinas se
utiliza la fórmula del número especifico de
presiones y velocidades en los contornos del mismo,
con objeto de predecir su comportamiento ante la
cavitación.
Perfiles aer
ados para nuest
Se ensayan varios grupos de perfiles para obtener un
adecuado espesor del álabe. Se
espesor e, y se decide tener un espesor decreciente,
esto es mayor en la unión con el cubo y menor en la
periferia, justificándose esto en las secciones y los
esfuerzos producidos ya que la sección crítica será en
la unión del álabe y el cubo.
Si el espesor es:
e
ESTANDARIZACIÓN
La estandarización de tur
n
complementen en su campo de aplicación y que en su
conjunto cubran el rango de aplicación de un
determinado tipo de turbina.
Para determinar series estand
revoluciones de caudal, donde el número de
revoluciones está dado por:
DHkn =
e modo que para un diámetro de rodete, definimos D
un número de revoluciones constante para la misma:
* 2nD .cte
kHQ q =
=
niEn nuestro caso en particular, defi mos tres rodetes
estandarizados según las leyes de semejanza de
turbinas hidráulicas, asi tenemos rodetes A,B,C para
cada tipo de turbina. 2 DQ
'' =
DQ
X Simposio Peruano de Energía Solar
Seminario Internacional sobre Tecnologías Económicas para
la Descontaminación y Desinfección de Agua
Cusco, 17 al 22 de noviembre de 2003
Seminario Internacional
Energía Solar, Medio Ambiente y Desarrollo
Cusco, 26 - 27 de abril de 2004
Ministerio de Industria y Turismo
Municipalidad Provincial del Cusco
Ministerio de Energía y Minas
Asociación Peruana de Energía Solar
(APES)
Universidad Nacional San Antonio Abad del
Cusco
Editado por: Manfred Horn
Juan Rodriguez
Patricia Vega
Auspician Salir
Universidad Nacional de Ingeniería