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Transparencias de
Turbomquinas hidrulicas
Grado en Ingeniera en Tecnologas
Industriales 3 curso - V12G360V01504 - Sede Cidade
Autores:
Marcos Meis Fernndez (Ing. Industrial)
Alejandro Molares (Ing. Industrial)
Elena Martn Ortega (Dr. Ing. Aeronutico) [email protected]
rea de Mecnica de Fluidos
Universidad de Vigo
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Turbomquinas hidrulicas Temario
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Turbomquinas hidrulicas Temario
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Turbomquinas hidrulicas Tema 6
Tema 6 Turbinas
6.1 Rueda y turbina hidrulica
6.2 Caractersticas generales
6.3 Clasificacin. Grado de reaccin
6.4 Aprovechamiento y transformacin de energa hidrulica
6.5 Curvas caractersticas
6.6 Instalaciones con turbinas
6.7 Cavitacin
6.8 La regulacin y arranque de turbinas
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canal de alimentacin
superior
canal de alimentacin en
la altura del eje
canal de alimentacin
inferior
RUEDA HIDRULICA
Fuente : Internet
Finalidad: Convertir energa
hidrulica en mecnica
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TURBINA HIDRULICA
1Una turbina hidrulica es una turbomquina
motora hidrulica, que aprovecha la energa de
un fluido que pasa a travs de ella para producir
un movimiento de rotacin que, transferido
mediante un eje, mueve directamente una
mquina o bien un generador que transforma la
energa mecnica en elctrica, as son el rgano
fundamental de una central hidroelctrica
Bsicamente, una Turbina Hidrulica es una
turbomquina motora, que absorbe energa de
una corriente fluida (agua) y restituye energa
mecnica
1 Fuente : Wikipedia Fuente : Wikipedia
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CARACTERSTICAS GENERALES
El paso del fluido a travs de los distintos componentes que conforman la turbina
modifican la direccin y magnitud de la velocidad dando lugar a un par sobre el eje de la
turbomquina (Teorema del momento cintico).
Los componentes que conforman la turbomquina son:
Cmara espiral
Antedistribuidor
Distribuidor
Rodete
Tubo de aspiracin
Inyector
Nota: En funcin de la turbina, existirn unos componentes u otros
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CARACTERSTICAS GENERALES
La seccin de entrada e, se encuentra inmediatamente despus de la vlvula de
admisin de la tubera forzada, antes del inyector en las turbinas Pelton y antes de la
entrada al caracol en las turbinas de reaccin
La seccin de salida s, se encuentra en la seccin de salida del tubo de aspiracin en
las turbinas de reaccin y en el punto de tangencia del eje del chorro con un crculo
de centro en el eje del rodete en las turbinas de accin.
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CMARA ESPIRAL
Geometra
Su forma es similar a la de un caracol o de una voluta. Tambin estos nombres.
Su seccin transversal disminuye continuamente debido a que el caudal se distribuye al
siguiente componente, circulando cada vez menos caudal
Ubicacin
Comienza donde concluye la tubera forzada
Finalidad
Convertir energa de presin en energa dinmica
Repartir el agua de manera uniforme en los 360 del siguiente componente de la
mquina, al que envuelve.
Proporcionarle al agua una determinada direccin
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CMARA ESPIRAL
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ANTEDISTRIBUIDOR
Geometra
est formado por una serie de labes o simplemente placas curvadas
Carecen de movimiento
Ubicacin
Est dispuesto en la periferia de un crculo en la parte interior de la voluta, envolviendo
el distribuidor.
Finalidad
Convertir energa de presin en energa dinmica
Proporcionar al agua una cierta direccin
Dar rigidez estructural a la cmara espiral
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DISTRIBUIDOR
Geometra
est constituido por una serie de labes dispuestos igualmente en la periferia de un
crculo
Los labes pueden ser mviles y girar con respecto a un eje propio de forma solidaria (no
giran alrededor del eje de la turbina), de modo que pueden llegar a solaparse y cerrar
totalmente la circulacin del flujo. giran al unsono gracias a un sistema de bielas y un
anillo comn que hace de manivela
Ubicacin
Est dispuesto despus de la cmara espiral y/o antedistribuidor y antes del rodete
Finalidad
Transforma energa de presin en energa dinmica
Conducir el agua hacia los labes del rodete
Regulacin de caudal (si son mviles)
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DISTRIBUIDOR
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RODETE
Geometra
est constituido por labes dispuestos en crculo
Finalidad
Transformar la energa hidrulica en mecnica mediante la
rotacin del eje
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TUBO ASPIRACIN
Geometra
Conduccin con comienzo en seccin circular y seccin creciente aguas abajo sin
ningn elemento mvil que puede ser:
Troncocnico recto
Acodado con seccin final rectangular con ngulos redondeados.
Ubicacin
A continuacin del rodete y corresponde con el ltimo elemento antes de la salida
Finalidad
Conducir el agua a la salida
Recuperar parte de la energa que todava posee el agua a la salida del rodete debido a
la depresin que se produce y aumentar el rendimiento de la mquina
La cavitacin, si existe, se produce en este elemento
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TUBO ASPIRACIN
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INYECTOR
Geometra
Es una tobera o boquilla de forma convergente. En su interior se encuentra una aguja
terminada en un punzn, desplazable axialmente, que deja libre entre ste y la tobera una
seccin de paso en forma de corona circular. Y generalmente presenta un deflector
Ubicacin
Est ubicada a continuacin de la tubera forzada
Finalidad
Transforma toda la energa de presin en energa cintica ya que el chorro sale
directamente a la atmsfera
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Segn el nmero especfico de revoluciones (ns ):
Turbina lenta
Turbina normal
Turbina rpida
Turbina extrarrpida
=
12
54
= 3.65
12
34
para
,
,
Nota: Las turbinas lentas pueden girar a
una velocidad de rotacin mayor que las
turbinas rpidas
Recordatorio
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20
[]
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21
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22
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GRADO DE REACCIN
= Turbinas de accin: el agua sale del distribuidor y entra al rodete con presin manomtrica nula (el rodete no est inundado) y en l no se modifica la presin. Toda
la energa se transmite al rodete en forma de energa cintica. Son turbinas de admisin
parcial
< Turbinas de reaccin: el agua sale del distribuidor y entra al rodete con cierta presin manomtrica positiva. A su paso pierde dicha presin
llegando a ser nula e incluso negativa. Son turbinas de admisin total
=
(1 2)
=
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= Turbinas de accin
Flujo tangencia. Tipo Peltn y Turgo
Flujo transversal. Tipo Banki-Michel
Fuente : Wikipedia
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< Turbinas de reaccin
Flujo diagonal
(excepcionalmente radial)
labes Fijos
labes Controlables/Mviles
Flujo axial
labes Fijos
labes Controlables/Mviles
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OTRAS CLASIFICACIONES
Segn posicin del eje
Turbina Horizontal
Turbina Vertical
Segn el modo de admisin del lquido:
Turbina de admisin parcial (Ej. Peltn)
Turbina de admisin total (Ej.Francis, Kaplan)
Segn el modo de operacin:
Turbina reversible
Turbina no reversible
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APROVECHAMIENTO Y TRANSFORMACIN DE ENERGA HIDRULICA
TURBINA
CCIN
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APROVECHAMIENTO Y TRANSFORMACIN DE ENERGA HIDRULICA
TURBINA
CCIN
Fuente : CARLOS J RENEDO (UC)
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APROVECHAMIENTO Y TRANSFORMACIN DE ENERGA HIDRULICA
TURBINA
REACCIN
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APROVECHAMIENTO Y TRANSFORMACIN DE ENERGA HIDRULICA
TURBINA
REACCIN
Fuente : CARLOS J RENEDO (UC)
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CURVAS CARACTERSTICAS
Ejemplo curva real
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CURVAS CARACTERSTICAS
El ensayo de una turbina se hace manteniendo siempre constante la altura neta
Ensayo Elemental se hace manteniendo constante la apertura del distribuidor o inyector
(Bombas n)
= () = () = ()
Ensayo completo es un conjunto de ensayos elementales caracterizado cada uno por una
apertura distinta del distribuidor o inyector
El ensayo completo de una turbina revela todas las posibilidades de la turbina
funcionando de todas las maneras posibles
Fuente : C. Mataix
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CURVAS CARACTERSTICAS
Lectura del banco de ensayos
Pos. Distribuidor
Veloicdad de rotacin
Par en el eje
Caudal
Presin entrada turbina
Presin salida turbina
Variables funcionamiento
Velocidad de rotacin n
Caudal Q
Altura Neta H
Rendimiento
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CURVAS CARACTERSTICAS
Velocidad de rotacin: es establecida en la unidad de frenado (variacin par resistente)
Caudal: es medido por un caudalmetro
Altura Neta:
+
2
2 + =
+
2
2 + +
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CURVAS CARACTERSTICAS
Rendimiento:
= =
=2 60
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CURVAS CARACTERSTICAS
11y 11 son el nmero de revoluciones y caudal de una turbina geomtricamente semejante a la ensayada, cuyo rodete tuviera un dimetro igual a 1m y funcionase con un
salto neto igual a 1 m en iguales condiciones de rendimiento
11 =
11 =
2
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CURVAS CARACTERSTICAS
1 = 11
2 = 22
2 = 2 2
2
= 11 22 = 11
1 2 2
2 2
= 211 1 = 222 2
= 22 + 2
1
22
1
1 1+
1
2 2
= 2 +
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CURVAS CARACTERSTICAS
= 2 +
= 2
= ( 0)2
= + + = 2 + + 2 + 0
2
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CURVA PAR-VELOCIDAD GIRO
Para un ngulo del distribuidor , el par decrece al aumentar la velocidad de giro de
forma (casi) lineal.
Para = 0, 0 las turbinas poseen par de arranque.
Prcticamente la misma velocidad de
embalamiento para todos los grados de apertura del distribuidor
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CURVA POTENCIA- VELOCIDAD DE GIRO
Curva Potencia- Velocidad de giro es una parbola
negativa
La mxima potencia se alcanza a la mitad de la
velocidad de embalamiento
2 . A mayor apertura del distribuidor mayor es la
potencia
= = 2
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CURVA POTENCIA- VELOCIDAD DE GIRO
El caudal aumenta en las turbinas Francis rpidas al aumentar la
velocidad de giro debido a que el rodete tiene un dimetro pequeo.
Las turbinas Peltn y las Francis medias son prcticamente
independientes del caudal
El caudal es decreciente con la velocidad de giro en las turbinas
Francis lentas debido a que tienen
un gran dimetro y el aumento de
la velocidad de giro dificulta la
entrada de agua
El caudal aumenta con el aumento de la apertura del distribuidor
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CURVAS CARACTERSTICAS
1. En las turbinas Pelton el rendimiento se
mantiene bastante alto al variar la potencia,
como ya se vio en captulos anteriores.
2. En las turbinas Francis y sobre todo en las
de hlices, el rendimiento baja fuertemente
al variar la potencia.
3. La turbina Kaplan mantiene muy alto el
rendimiento al modificarse la potencia, ya
que tiene la posibilidad de orientar las palas
convenientemente. Su curva caracterstica
sera la envolvente de las correspondientes a
una serie de turbinas de hlice con labes de
diferente inclinacin
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CURVAS CARACTERSTICAS
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INSTALACIONES DE TURBINAS
Velocidad de sincronismo:
f frecuencia
p pares de polos del alternador sncrono = 2
[
]
=60
[]
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INSTALACIONES
Instalaciones tipo
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INSTALACIONES
Instalacin Reversible
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PARTES DE UNA CENTRAL HIDRULICA
Tubera forzada y o canal Presa Turbina Generador Transformador Lneas elctricas Compuertas y vlvulas hidrulicas Rejas y limpia rejas Embalse Casa de turbinas
Vista desde el mirador de la
central de Aldeadvila I.
Fuente: Wikipedia
Casa de Mquinas Central Hidroelctrica
del Guavio, Colombia. Fuente : Wikipedia
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TIPO DE INSTALACIONES. TIPOS DE CENTRALES
SEGN SU RGIMEN DE FLUJO
C. Agua fluente: (agua corriente oagua fluyente): el agua llega por el cauce normal de un rio,y por tanto el caudal suministrado vara en funcin del caulda del ro, y no
existe alamcenamiento de agua.
C. Agua embalsada: o por acumulacin: el agua el almacenada mediante un embalse artificial a travs de una presa. El caudal se utiliza segn demanda.
C. de regulacin: Capacidad de almacenar grandes volmenes de agua
C. Reversible o de bombeo: el agua es bombeada desde el embalse inferior al embalse superior mediante bombeo( grupo reversible o grupo dual de bomba y
turbina). Su funcionamiento puede compararse con un acumulador de energa
potencial. Estn concebidas para satisfacer la demanda energtica en horas pico y
almacenar energa en horas valle.
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TIPO DE INSTALACIONES. TIPOS DE CENTRALES
SEGN SU ALTURA DE SALTOS DEL AGUA
Centrales de alta presin: aprovechan saltos superiores a los 200m, siendo los caudales relativamente pequeos (cercanos a los 20 m3/s por mquina). Se utilizan (gralte.)
turbinas tipos Peltn y Francis, que reciben aguas normalmente a travs de
conducciones de gran longitud. Para saltos grandes, por encima de 400m, se utilizan
turbinas Peltn.
Centrales de media presin: aprovechan saltos del agua de 20 a 200 m con cauales de hasta 200 m3/s por mquina, siendo dominante el uso de turbinas Francis
(especialmente para saltos altos dentro de este rango), aunque tambin se usan Kaplan.
Centrales de baja presin: aprovechan desniveles de agua de menos de 20 m con caudales de hasta 400 m3/s,, siendo dominante el uso de las turbinas Kaplan o bulbo y
puedindose montar en algunos casos Francis
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TIPO DE INSTALACIONES. TIPOS DE CENTRALES
OTRAS CENTRALES
Centrales mareomotrices: Utilizan el flujo y reflujo de las mareas. Pueden ser ventajosas en zonas costeras donde las diferencias entre las mareas son amplias y las
condiciones morfolgicas de la costa permiten la construccin de una presa que
corta la entrada y salida de la marea en una baha. Se genera energa tanto en el
momento del llenado como en el momento del vaciado de la baha.
Centrales mareomotrices sumergidas: Utilizan la energa de las corrientes submarinas.
Centrales que aprovechan el movimiento de las olas (undimotriz).
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INSTALACIONES
Seleccin de turbina
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TIPOS DE CAVITACIN
Fuente : Universidad de Oviedo
Tipo antorcha
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EJEMPLOS DE CAVITACIN
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CAVITACIN
En las turbinas de reaccin se produce una depresin a la salida del rodete y entrada
difusor con el objetivo de incrementar la energa absorbida por la mquina, dando
lugar a una mayor altura til y por lo tanto un mayor rendimiento.
Si la depresin baja por debajo de la presin de vapor del lquido, se produce
cavitacin y por lo tanto:
Disminucin de prestaciones Disminucin de la seccin de paso Ruido, Vibraciones Desalineaciones de eje Erosin del material debido a implosiones que ocasionan presiones puntuales
potentsimas, de ms de 1000 bares.
Reduccin de la vida til de la mquina en funcin de la gravedad de la cavitacin.
Determinacin de la aparicin de la cavitacin
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CAVITACIN
Planteando Bernoulli entre 2 y 0
2 + 2
2
2+ 2 = 0 +
02
2+ 0 + 2,0
+ 2,0 2
2
22
2
2>
= 2
2
2
>2
2
2+2
2
2 2,0
Presin mnima
Para evitar cavitacin >
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CAVITACIN
Viendo la expresin, el peligro de cavitacin ser mayor si el
valor de 2 es menor y esto ocurre cuando:
a) La es menor, dependiendo del lugar.
b) La velocidad a la salida del rodete 2 sea mayor. c) La altura 2 sea mayor. d) Las prdidas de energa 2,0 sean menores.
+ 2,0 2
2
22
2
2>
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CAVITACIN
=
1
, =
1
=
Parmetro de Thoma para turbinas,
La altura mxima es para la cavitacin incipiente
=
,
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DIAGRAMA DE THOMA