Turbinas HidráulicasTurbinas 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 Según la dirección de entrada del agua en la turbina se clasifican 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 hidráulicasEstudio 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 tangencialposible en la entrada a la turbina.

Relaciones de semejanzaRelaciones 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

• 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:

Velocidad especifica

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 FrancisTurbinas Francis

Turbinas FrancisTurbinas 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: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: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: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 espiralCámara 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:

DistribuidorDistribuidor

• 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:

• El giro conjunto y uniforme de las palas directrices, permite variar la sección de paso de agua a través del distribuidor.

Con sus movimientos, en sentido de apertura o cierre total o parcial, hace girar a todas y cada una de las palas directrices

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 aspiraciónTubo 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 nRelaciones de diseño según nss

Coeficientes de velocidad:

Potencia [CV]:

• Relación de Ahlfors (empirica):

• También:

32 375.4

n

QD

n

uD

n

uD

·

·60·

·60

22

11

75

··· QHnP

2000

1400

1000

700

500

300

200

140

100

50

20

10

5

H(altura neta)

200

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 KAPLANTurbina KAPLAN

Turbina KAPLANTurbina 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, actuandoal mismo tiempo sobre el distribuidor y laspalas 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.