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José Agüera Soriano 2011 1

Turbinas hidráulicas


1. Centrales de agua fluyente

2. Centrales de agua embalsada a) de regulación b) de bombeo

3. Centrales según la altura del salto a) de alta presión (H > 200 m) b) de media presión (H entre 20 y 200 m) c) de baja presión (H < 20 m)

1. Centrales de agua fluyente

2. Centrales de agua embalsada a) de regulación b) de bombeo

3. Centrales según la altura del salto a) de alta presión (H > 200 m) b) de media presión (H entre 20 y 200 m) c) de baja presión (H < 20 m)

CLASIFICACIÓN


nivel superior

nivel inferiorturbina


central


aliviaderos


canal de acceso

tubería forzada

aliviadero

central


depósito superior

embalse inferior

chimenea de equilibrio

Central de Bombeo

turbina/bomba


Tajo de la Encantada

embalse inferior



depósito superior


tubería forzada


conducción casi horizontal

central

depósitosuperior

embalse



Duero

100

200

300

400

600

700

800

500

1200

1100

1000

900

100

200

300

400

600

500

700

800

900

1000

1100

1200

CompuertoVillalba

Acera de la Vega

CernadillaValparaiso

VillalcampoRicobayo

Castro

VillagonzaloSanta Teresa

Ledesma

Villarino

BermellarSan Felices

Saucelle

Aldeadavila

Hinojosa

San Roman

Río Carrión

Río Pisuerga

Rio Tera

Río Hueba

Río DueroRío Tormes

Río

Agu

eda

Río

Cam

aces

met

ros s

obre

el n

ivel

del

mar

cuenca del río Duerom

etro

s so

bre

el n

ivel

del

mar

Tormes

salto Villarinosalto Saucelle

Duero


TURBINAS HIDRÁULICAS

Conceptos previos

Turbinas Pelton

Turbinas Francis

Turbinas Kaplan

Turbinas bulbo


línea piezométrica (LP)

línea de energía (LE)

L

V

1

SLL

g

2

V 2 2/ H= 2

H Hr

Flujo en tuberías con salida libre

SLLpérdida de carga

línea piezométrica (LP)11 22


línea piezométrica sin tobera ( )

Vpγ

Qmáx

B

SV

H

S

==HB SVg22

1

línea piezométrica con tobera

plano de carga inicialSLL

A

A'

L

rHB'

LEV 2LP

V

2g

BS

γBp

LP

γi

VS

2g

=2gp

SV 2H

iV 2

LE

línea piezométrica sin tobera ( )

Vpγ

Qmáx

B

SV

H

S

==HB SVg22

1

línea piezométrica con tobera

plano de carga inicialSLL

A

A'

L

rHB'

V

BS

γBp

LP

γi

VS

2g

=2gp

SV 2H

i

Salida por tobera

línea piezométrica (LP)

pérdida de carga


Conducción de hidroeléctrica Villarino

m 30 m; 0,8m 60 m; ,07m 40 m; 5,7

m 402m15000

======

==

r

r

r

HDHDHD

HL


Turbina de reacciónPotencia de un flujo

(W)J/s HQgP ⋅⋅⋅= ρ

(J/kg) sm sm :Gravedad

m :Altura

kg/s mkg :Densidadsm :Caudal

222

3

3

HggH

QQ

⋅

⋅

ρρ


A

E 1

LP


HnH=

AEHr

SLL

Turbina de acción

SLL

tobera fija

rodete


Turbina de reacción

FIJA

RODETE

CORONA

2

11

2

CORONA

RODETE

FIJA

tobera fija

tobera móvil


cámara espiral


' u11

2

c2

22w u2

w1

1u

1c11

perfil álabecorona fijarodete

perfil álabe

Triángulos de velocidades

c velocidad absolutau velocidad tangencialw velocidad relativaα ángulo c uβ ángulo w u

perfil álabecorona fija

perfil álaberodete


' u11

2

c2

22w u2

w1

1u

1c11

perfil álabecorona fijarodete

perfil álabe

Ecuación de Euler

222111 coscos αα ⋅⋅−⋅⋅=⋅ cucuHg t

perfil álaberodete

perfil álabecorona fija


Semejanza deturbomáquinas


m :diseño de altura

CV :diseño de efectiva potenciarpm :esrevolucion

∗

∗

H

Pn

e

4/5

2/1

∗

∗⋅=HPnn e

s

( ) 4/52/1

2/1

o ∗

∗

⋅⋅

⋅=

HgPn e

sρ

ω

Velocidad específica

(dimensional)

(adimensional)


turbina Francisextrarrápida

turbina Francisrápida

normalturbina Francis

4 inyector2 inyector1 inyector

turbina Kaplan extrarrápida

turbina Kaplan rápida

turbina Kaplan normal

turbina Kaplan lenta

turbina Francis lenta

turbina Pelton

snvelocidad específica

altu

ra d

el sa

lto,H

m

500

100015002000

50

100

20

10

5700600500400300200100

Elección turbina en función de la velocidad específica

4/5

2/1

∗

∗⋅=HPnn e

s

altu

ra d

e sa

lto H

m

velocidad específica

turbina Pelton

turbina Francis

turbina Kaplan

800



válvula

golpe dearieteLP antes del cierre

LP después del cierre

Golpe de ariete


A

E 1

LP


HnH=

AEHr

SLLSLL

inyector

rodete

Turbina Pelton


Lester Allan Pelton(1829-1908)

MW 200 hasta inyector) 1( 20)óptimo(

7510m1800100

e

s

s

PnnH

≈÷=÷=


tamaño y número de cucharas


rodete Pelton


Figura 1 inyector

Pelton con 1 inyector

inyector

deflector


inyector Pelton

aguja de regulación

deflector


1,1

d L L

fe d

B

T2= 4 20º

··_15º= 7/2

_··

Fa

uF

F

Cucharas Pelton d = diámetro de chorro

L = 2,1 d

T = 0,85 d

B = 2,5 d t = 2 d

distancia entre cucharas

mella


c22w

2 2

u 1 1w= u

c 1

u

u=2u 2

Triángulos de velocidades

nn HgcHgccucu

⋅⋅⋅≈⋅⋅=

⋅≈⋅= ∗∗

298,0)real( ;2)teórico(46,0)real( ;50,0)teórico(

11

1111


c2

c1


Diámetro del rodete (D)


Cálculo Pelton

nn HgcHgccucu

⋅⋅⋅≈⋅⋅=

⋅≈⋅= ∗∗

298,0)real( ;2)teórico(46,0)real( ;50,0)teórico(

11

1111

F

Fu

aF

··_

d·∼∼T 0,852,5B∼∼ ·dd·

/2= 7 15º_··∼∼L 2,1

20º= 42T

Bde

f

LLd

1,1

dt ⋅≈ 2

60

;4 1

2

nuD

cdQ

⋅∗⋅

=

⋅⋅

=

π

π


actuación del

deflector


Pelton con 2 inyectores


Pelton 4 inyectores y válvulas individuales


Turbinas Pelton (admisión parcial)

siguiente clase

Turbinas Francis (admisión total)


Turbinas Francis

James B. Francis(1815-1892)

MW 375 hasta 225)óptimo(

45050m55030

e

s

s

PnnH

≈÷=÷=


Primer rodete Francis

/

r

r

12

D1 2=1

2 = 2/2D

rodete

distribuidordistribuidor

rodete

Resultaba el diámetro muy grande al tener que girar el agua 90º a la salida del rodete; convenía pues que saliera del mismo con una cierta componente axial.


fijacorona

rodete

álaberodete

fijoálabe

·

·1

2

wc

w

c

SEC

CIÓ

N T

RA

NSV

ERSA

LSE

CC

IÓN

MER

IDIO

NA

LSE

CC

IÓN

MER

IDIO

NA

LSE

CC

IÓN

TR

AN

SVER

SAL c

w

c w

21

·

·

álabefijo

rodeteálabe

rodete

coronafija

TurbinaFrancis


Rodetes Francis

0,152

2,290

1,0

55=sn

0,408

1,100

1,0165=sn

1,0

1,440

0,288

110=sn 1,0

0,910

0,512

220=sn

222111 coscos αα ⋅⋅−⋅⋅=⋅ cucuHg t


Rodetes Francis

1,0

0,624

0,728

395=sn

1,0

0,782

0,600

275=sn

0,672

0,695

1,0330=sn

0,768

0,574

1,0440=sn

J.Agüera, 2/2010 50


velocidad específica: 120

álabe guía

álabe estructuralálabe rodete cámara espiral


Turbina-bomba reversible.Tajo de la Encantada (Málaga)Potencia máxima: 90 MWRevoluciones: 500 rpmAltura máxima: 398,5 mCaudal máximo (turbina): 27,2 m3/sCaudal máximo (bomba): 24,5 m3/s

Velocidad específica: 100

Cuatro gruposPotencia total: 360 MW


rodete Francis

modelo


cerraranilloabrir

bielasbieletas

entrada del agua

palas directrices

Sistema de regulación turbinas de reacción

álabes guía

anillo regulador


cerrado


abierto


bielas y anillo de distribución movido por dos brazos


álabes guíarodete

cámara espiral


bielas y anillo de distribución movido por dos brazos


H adV

VS

S

desagüecanal detubo de aspiración,

o de descarga

SLL

rodete

Tubo de aspiración, o de descarga

Francis hasta un 10% de HKaplan entre 20% y 38%rodete


Vd

Cavitación

burbuja de vapor

cavidad vacía

implosión


corrosión por cavitación


tubos de descarga


Turbinas Kaplan

Viktor Kaplan(1876-1934)

potencias grandes bajo )óptimo(

900400m904

e

ss

s

Pnn

nH

≈÷=

÷=


cámara espiral

álabes guía

álabes estructurales

álabes rodete


Turbina Kaplan

álabes rodete

álabes guía

c2

J.Agüera, 2/2010 68


hélic

e

Kaplan

Pelton

Fran

cis

velocidad de giro constante

rend

imie

ntos

,

1,0

0,8

0,9

0,7

0,6

0,5

0,4100 11060 70 908040 5030

% potencia nominal20

rend

imie

ntos

% potencia nominal

héliceKaplan



cubo rodete

álabes guía

álabes rodete


Turbina Kaplan

tubo de aspiración, o de descarga

H = 3,8 m


Francis: de acero

Kaplan: de hormigón armado


cámara espiral


turbina Francisextrarrápida

turbina Francisrápida

normalturbina Francis

4 inyector2 inyector1 inyector

turbina Kaplan extrarrápida

turbina Kaplan rápida

turbina Kaplan normal

turbina Kaplan lenta

turbina Francis lenta

turbina Pelton

snvelocidad específica

altu

ra d

el sa

lto,H

m

500

100015002000

50

100

20

10

5700600500400300200100

elección de la turbina en funciónde la velocidad específica, ns 4/5

2/1

∗

∗⋅=HPnn e

sal

tura

de

salto

H m

velocidad específica800

Para las mareomotrices se necesitaban turbinas con mayores ns..Con las bulbo, se puede llegar hasta ns 1150.


Mareomotriz de La Rance (Francia)


maqueta central mareomotriz de La Rance


Turbina bulbo


álabes guía

álabes rodete


MW 251 1150600m151

÷=÷=

÷=

e

s

PnH

La Rance (Francia)

24 turbinas 240 MW; reversibles y doble efecto


1 3 4 2

Q (%)

4321

bulboKaplanFrancisPelton

(%)

rend

imie

nto

caudal

90

100

7060 90 1008030 50400 10 20

Rendimientos en función del caudal

Potencias normales, ode diseño, respectode las nominales

Pelton: 67% al 75%Francis: 85% al 90%hélice: 90%Kaplan: 67% al 75%bulbo: 67% al 75%

caudal Q (%)

re

% caudal Q

rend

imie

ntos

bulbo

Kaplan

Pelton

Francis

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