turbomáquinas-tema6

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

1

Turbomquinas hidrulicas Temario

2

Turbomquinas hidrulicas Temario

3

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

4


5

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


6

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


8

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


10

CMARA ESPIRAL


11

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


12

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)


13

DISTRIBUIDOR


14

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


16

TUBO ASPIRACIN


17

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


19


20

[]


21


22


23

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)

=


24

= Turbinas de accin

Flujo tangencia. Tipo Peltn y Turgo

Flujo transversal. Tipo Banki-Michel

Fuente : Wikipedia


25

< 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


28


TURBINA

CCIN

Fuente : CARLOS J RENEDO (UC)


29


TURBINA

REACCIN


30


TURBINA

REACCIN

Fuente : CARLOS J RENEDO (UC)


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CURVAS CARACTERSTICAS

Ejemplo curva real


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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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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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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 + +


35


Rendimiento:

= =

=2 60


36


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


37


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 +


38


= 2 +

= 2

= ( 0)2

= + + = 2 + + 2 + 0

2


39

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

60


41

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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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


43



44

INSTALACIONES DE TURBINAS

Velocidad de sincronismo:

f frecuencia

p pares de polos del alternador sncrono = 2

[

]

=60

[]


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INSTALACIONES

Instalaciones tipo


46

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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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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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


54

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>


57

CAVITACIN

=

1

, =

1

=

Parmetro de Thoma para turbinas,

La altura mxima es para la cavitacin incipiente

=

,


58

DIAGRAMA DE THOMA

turbomáquinas-tema6

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