Sistemas Energéticos (Master I.I.) S.E. T30.- Turbinas Hidráulicas Las trasparencias son el material de apoyo del profesor para impartir la clase. No son apuntes de la asignatura. Al alumno le pueden servir como guía para recopilar información (libros, …) y elaborar sus propios apuntes Departamento: Area: Ingeniería Eléctrica y Energética Máquinas y Motores Térmicos CARLOS J RENEDO renedoc@unican.es Despachos: ETSN 236 / ETSIIT S-3 28 http://personales.unican.es/renedoc/index.htm Tlfn: ETSN 942 20 13 44 / ETSIIT 942 20 13 82 Sistemas Energéticos (Master I.I.) S.E. T30.- Turbinas Hidráulicas Objetivos: El objetivo de este tema es desarrollar las máquina hidráulicas motoras de mayor aplicación industrial: las turbinas hidráulicas Sistemas Energéticos (Master I.I.) S.E. T30.- Turbinas Hidráulicas 10.- Introducción a las Máquinas Hidráulicas 20.- Bombas 30.- Turbinas Hidráulicas 31.- Generalidades de las Turbinas Hidráulicas 32.- Turbinas Pelton 33.- Turbinas Francis 34.- Turbinas Kaplan y Deriaz 35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas 40.- Ventiladores 50.- Hélices 31.- Generalidades de las Tur. Hid. Máquinas de Fluidos Máquinas Hidráulicas Turbomáquinas Generador Máquinas Térmicas Volumétricas Motor 4 31.- Generalidades de las Tur. Hid. Una Turbina es un dispositivo mecánico capaz de convertir en trabajo (en forma de movimiento de rotación) la energía presente en una masa de fluido Una Turbina Hidráulica es una turbomáquina motora, que absorbe energía de una corriente fluida (agua) y restituye energía mecánica Por lo tanto, realiza la función inversa a las bombas; de hecho, existen turbomáquinas hidráulicas diseñadas para llevar a cabo las dos funciones (en algunas centrales hidroeléctricas de bombeo) Puesto que se trata de una turbomáquina, su principio de funcionamiento se basa en la ecuación de Euler La aplicación más extendida de las turbinas hidráulicas es la generación de energía eléctrica En Hidráulica Industrial también se emplean motores hidráulicos o oleohidráulicos 5 31.- Generalidades de las Tur. Hid. Elementos Constitutivos (I): El paso de una corriente fluida a través de una turbina provoca cambios en la magnitud y dirección de la velocidad del fluido, lo cual da lugar a la aparición de un par en el eje (Teorema del momento cinético) Los elementos necesarios para que esto suceda son análogos a los de una bomba, pero dispuestos en orden inverso: • Canal de llegada o tubería forzada • Caja espiral • Distribuidor • Rodete • Tubo de aspiración No en todos los casos existen todos los elementos citados, depende del tipo de turbina 6 31.- Generalidades de las Tur. Hid. Elementos Constitutivos (I): El paso de una corriente fluida a través de una turbina provoca cambios en la magnitud y dirección de la velocidad del fluido, lo cual da lugar a la aparición de un par en el eje (Teorema del momento cinético) Los elementos necesarios para que esto suceda son análogos a los de una bomba, pero dispuestos en orden inverso: • Canal de llegada o tubería forzada • Caja espiral • Distribuidor • Rodete • Tubo de aspiración No en todos los casos existen todos los elementos citados, depende del tipo de turbina 7 31.- Generalidades de las Tur. Hid. Elementos Constitutivos (II): Analogía entre los elementos de una turbina y los de una bomba: • Canal de llegada o tubería forzada debe tener una válvula de cierre lento para evitar el golpe de ariete • La caja espiral de una turbina es como la voluta de una bomba centrífuga; transforma presión en velocidad (al contrario que la voluta) • El distribuidor de una turbina es similar a la corona directriz de una bomba. Actúa transformando presión en velocidad (* también es un órgano de regulación) • El rodete de una turbina es análogo al rodete de una bomba. Absorbe energía del fluido y la convierte en energía mecánica • El tubo de aspiración de una turbina es como el tubo de aspiración de una bomba. Es el órgano de desagüe y su función es crear una succión a la salida de la turbina (depresión) 8 31.- Generalidades de las Tur. Hid. Elementos Constitutivos (II): Analogía entre los elementos de una turbina y los de una bomba: En las turbinas Pelton (de acción) hay • Canal de llegada o tubería forzada debe tener una válvula de cierre algún “cambio” en los elementos: lento para evitar el golpe de ariete • No tiene cámara espiral • La caja espiral de una turbina es como la voluta de una bomba • El distribuidor es un inyector consta centrífuga; transforma presión en velocidad (al contrario que laque voluta) de una tobera y una válvula de aguja • El distribuidor de una turbina es similar a la corona directriz de una bomba. Actúa transformando presión en velocidad (* son también es un • Los álabes del rodete “cucharas” órgano de regulación) • El rodete de una turbina es análogo al rodete de una bomba. Absorbe energía del fluido y la convierte en energía mecánica • El tubo de aspiración de una turbina es como el tubo de aspiración de una bomba. Es el órgano de desagüe y su función es crear una succión a la salida de la turbina (depresión) 9 31.- Generalidades de las Tur. Hid. Clasificación (I): • Según el grado de reacción (σ):  Turbina de acción  0  Turbina de reacción   0 • Según el número específico de revoluciones (ns ):  Turbina lenta  Turbina normal  Hpresión Ht • Según la posición del eje:  Turbina horizontal  Turbina vertical  Turbina rápida  Turbina extrarápida 10 31.- Generalidades de las Tur. Hid. Clasificación (II): • Según el modo de admisión del líquido:  Turbina de admisión parcial  Turbina de admisión total El líquido ataca a una parte del rodete El líquido ataca a todo el rodete • Según la dirección del líquido a la entrada: • Según el modo de operación:  Turbina tangencial  Turbina axial  Turbina reversible  Turbina no reversible  Turbina radial  Turbina diagonal 11 31.- Generalidades de las Tur. Hid. Clasificación según el grado de reacción (σ) (I): Esta clasificación depende de la variación de la presión al paso de la corriente fluida a través del rodete  Altura de presión absorbida por el rodete Hp  Altura total absorbida por el rodete Ht Análogamente al caso de las bombas, se define el grado de reacción de las turbinas como la relación entre la altura de presión absorbida por el rodete y la altura total absorbida • Turbinas de acción (σ = 0) El movimiento del agua y el de rodete tienen el mismo sentido • Turbinas de reacción (σ  0) El movimiento del agua y el de rodete tienen distinto sentido 12 31.- Generalidades de las Tur. Hid. Clasificación según el grado de reacción (σ) (II):  Hp Ht • Turbinas de acción (σ = 0): el agua sale del distribuidor y entra al rodete con presión manométrica nula (el rodete no está inundado) y en él no se modifica la presión. Toda la energía se transmite al rodete en forma de energía cinética. Son turbinas de admisión parcial A lo largo de la tubería forzada, la altura de presión aumenta a costa de la altura geodésica. La altura de velocidad permanecerá cte si la sección es cte En el distribuidor, la altura de presión relativa baja a cero y se convierte (salvo pérdidas) en energía cinética El rodete trabaja a presión constante (p1 = p2) y puesto que la turbina no tiene tubo de aspiración, se cumple que p1 = p2 = ps = patm. La altura de velocidad disminuye ya que una gran parte se convierte en energía útil en el eje 13 31.- Generalidades de las Tur. Hid. Clasificación según el grado de reacción (σ) (II):  Hp Ht • Turbinas de acción (σ = 0): el agua sale del distribuidor y entra al rodete con presión manométrica nula (el rodete no está inundado) y en él no se modifica la presión. Toda la energía se transmite al rodete en forma de energía cinética. Tubería forzada patm pabs = 0 Son turbinas de admisión parcial A lo largo de la tubería forzada, la altura de presión 1 baraumenta a costa de la Distribuidor altura geodésica. La altura de velocidad permanecerá cte si la sección es cte 0 E En el distribuidor, la altura de presión relativa baja a cero y se convierte (salvo pérdidas) en energía cinética Rodete El rodete trabaja a presión constante (p1 =1 p2) y puesto que la turbina Pasano a Etiene cinética tubo de aspiración, se cumple que p1 = p2 = ps = patm. La altura de velocidad disminuyeEcinética ya que una Eeje gran parte se convierte en energía útil en el eje p1 = p2 = ps = patm (cte en el rodete) 2 S 14 31.- Generalidades de las Tur. Hid.  Clasificación según el grado de reacción (σ) (III): Hp Ht • Turbinas de reacción (σ ≠ 0): el agua sale del distribuidor y entra al rodete con cierta presión manométrica positiva. A su paso pierde dicha presión llegando a ser nula e incluso negativa. Son turbinas de admisión total A lo largo de la tubería forzada, la altura de presión aumenta a costa de la altura geodésica (si el fluido llega por canal en lámina libre se mantiene cte). La altura de velocidad permanecerá cte si la sección es cte En el distribuidor, la altura de presión disminuye (aunque no hasta la presión atmosférica). La altura cinética aumenta, salvo pérdidas, a costa de la presión En el rodete la presión sigue disminuyendo (p1 > p2) pudiendo llegar a ser inferior a la atmosférica (en el caso de que exista tubo de aspiración). La altura cinética disminuye también. El rodete transforma energía de presión y cinética en energía útil en el eje En el tubo de aspiración la energía de presión aumenta desde un valor negativo (relativo) hasta la presión atmosférica a costa de disminuir la energía cinética 15 31.- Generalidades de las Tur. Hid.  Clasificación según el grado de reacción (σ) (III): Hp Ht • Turbinas de reacción (σ ≠ 0): el agua sale del distribuidor y entra al rodete con cierta presión manométrica positiva. A su paso pierde dicha presión llegando aTubería ser nulaforzada e incluso negativa. Son turbinas de admisión total pabs = 0 patm A lo largo de la tubería forzada, la altura de presión aumenta a costa de la altura geodésica (si el fluido llega por canal en lámina libre se mantiene cte). La 1 bar Pasa a Ecinética Distribuidor altura de velocidad permanecerá cte si la sección es cte 0 E En el distribuidor, la altura de presión disminuye (aunque no hasta la presión atmosférica). La altura cinética aumenta, salvo pérdidas, a costa de la presión Rodete 1 (p1 > p2) pudiendo llegar a ser En el rodete la presión sigue disminuyendo inferior a la atmosférica (en el caso de que exista tubo de aspiración). p1 > pLa atm altura Ecinética y Etambién. cinética disminuye presión  EEl eje rodete transforma energía de presión y cinética en energía útil en el eje Con T. asp. Tubo de En el tubo de aspiración la energía de presión aumenta desde p2 < patmun valor aspiración negativo (relativo) hasta la presión atmosférica a costa de disminuir la energía 2 cinética S En el nivel libre 16 31.- Generalidades de las Tur. Hid. Clasificación según el grado de reacción (σ) (IV): Las turbinas que se construyen actualmente, según :  Hp Ht sólo se construyen de flujo tangencial tipo Pelton Acción: de flujo diagonal (excepcionalmente radial) de álabes fijos, tipo Francis de álabes orientables, tipo Deriaz de flujo axial de álabes fijos, tipo hélice de álabes orientables, tipo Kaplan Reacción: Salto Neto (m) Diámetro del rodete (m) Potencia en el eje (MW) Kaplan Francis Pelton 2 a 50 15 a 400 hasta 800 1 a 10 0,3 a 8 0,3 a 6 Hasta 250 Hasta 750 Hasta 400 17 31.- Generalidades de las Tur. Hid. Clasificación según el número específico de revoluciones (ns) (I): La velocidad específica es la velocidad de giro del rodete de la turbina modelo de una serie de turbinas semejantes que con un salto de 1 m es capaz de producir una potencia en el eje de 1 C.V Para el agua ns  n  Pot 1/ 2 H 5/4 ns  3,65  n  Q 1/ 2 .  H 3/4 Al igual que sucede con las bombas, existe una relación directa entre el valor de ns y la forma del rodete • Las turbinas Pelton tienen bajos ns (< 75) • Las turbinas Francis y Kaplan tienen ns mayores (60 < ns < 1.000) Una turbina de un determinado ns cualquiera funcionará con rendimiento óptimo cuando la potencia desarrollada, la altura neta y el número de revoluciones sean tales que sustituyendo sus valores en la ecuación anterior se obtenga ns 18 31.- Generalidades de las Tur. Hid. Clasificación según el número específico de revoluciones (ns) (II): En un salto y con un determinado caudal, las turbinas lentas giran a velocidades menores que las rápidas Para el agua ns  n  Pot 1/ 2 H 5/4 ns  3,65  n  Q 1/ 2 .  H 3/4 En la práctica: • Las turbinas lentas se instalan en saltos elevados  pueden girar más rápido que las rápidas ns  n  Pot 1/ 2 H 5/4 • Si giran a la velocidad de sincronismo, las turbinas lentas absorben menos caudal que las rápidas ns  cte  Q 1/ 2  ns grande  Q grande ns pequeño  Q pequeño 19 31.- Generalidades de las Tur. Hid. Clasificación según el número específico de revoluciones (ns) (II): En un salto y con un determinado caudal, las turbinas lentas giran a velocidades menores que las rápidas Para el agua ns  n  Pot 1/ 2 H 5/4 ns  3,65  n  Q 1/ 2 .  H 3/4 En la práctica: • Las turbinas lentas se instalan en saltos elevados  pueden girar más rápido que las rápidas ns  n  Pot 1/ 2 H 5/4 • Si giran a la velocidad de sincronismo, las turbinas lentas absorben menos caudal que las rápidas ns  cte  Q 1/ 2  ns grande  Q grande ns pequeño  Q pequeño 20 31.- Generalidades de las Tur. Hid. Clasificación según el número específico de revoluciones (ns) (III): ns  n  Pot 1/ 2 H 5/4 … b) ns = 45 Turbina radial c) ns = 110 d) ns = 200 e) ns = 400 f) ns = 800 Turbina axial 21 31.- Generalidades de las Tur. Hid. Clasificación según el número específico de revoluciones (ns) (IV): ns  n  Pot 1/ 2 H 5/4 22 31.- Generalidades de las Tur. Hid. Clasificación según el número especifico de revoluciones (ns) (V): De acuerdo al valor de ns las turbinas se pueden clasificar como: Velocidad específica en r.p.m. Tipo de turbina Altura del salto en m . Hasta 18 Pelton de un inyector 800 De 18 a 25 Pelton de un inyector 800 a 400 De 26 a 35 Pelton de un inyector 400 a 100 De 26 a 35 Pelton de dos inyectores 800 a 400 De 36 a 50 Pelton de dos inyectores 400 a 100 De 51 a 72 Pelton de cuatro inyectores 400 a 100 De 55 a 70 Francis muy lenta 400 a 200 De 70 a 120 Francis lenta 200 a 100 De 120 a 200 Francis normal 100 a 50 De 200 a 300 Francis rápida 50 a 25 De 300 a 450 Francis extrarrápida 25 a 15 De 400 a 500 Hélice extrarrápida 15 De 270 a 500 Kaplan lenta 50 a 15 De 500 a 800 Kaplan rápida 15 a 5 De 800 a 1100 Kaplan extrarrápida Menos de 5 23 31.- Generalidades de las Tur. Hid. Clasificación según el número especifico de revoluciones (ns) (VI): Aplicación práctica: seleccionar el tipo de turbina y la velocidad de giro • Los datos de partida son las características del salto: altura (H) y caudal (Q) • Se estima la potencia (Pot) suponiendo un rendimiento “normal” Pot    Hn  Q   [C.V.] 75 • A partir de la gráfica se determina el tipo de turbina y el valor de ns • Conocidos H, Q, Pot y ns se determina el régimen de giro de la turbina ni  ns,i  Hn5 / 4 Pot1/ 2 • El valor final de n habrá de ser una velocidad de sincronismo • Con dicho valor de n se recalcula el valor de ns n 60  f p • Con estos datos se puede dimensionar la turbina modelo • A partir de ésta se calcula la turbina prototipo aplicando las leyes de semejanza 24 31.- Generalidades de las Tur. Hid. Clasificación según el número especifico de revoluciones (ns) (VI): Ejemplo: Seleccionar el tipo de turbina así como la velocidad de giro. Hn  35 m Q  20 m3 / s 25 31.- Generalidades de las Tur. Hid. Ecuación de EULER: Es la ecuación fundamental de las turbomáquinas, y por lo tanto la que rige el comportamiento de las turbinas hidráulicas Relativa  C  U    C Fluido (C) Rotor (U) Entrada C1 U1 W1  C1  U1 Salida C2 U2 W2 Forma del álabe  2   U2  CUW W2 β2   C U   W   U  Generadores Hid.  HG.H.  1ª Ec. EULER Motores Hid.  HM.H.  u 2 c 2u  u1c 1u g u1c 1u  u 2c 2u g r2 r1 C2 2 β1 1 W1 U2 C1 U1 26 31.- Generalidades de las Tur. Hid. Coeficientes de Velocidad (I): Las velocidades no se pueden elegir al azar, deben ser aquellas que produzcan el rendimiento óptimo C1 1 W1 β1 U1 La velocidad absoluta máxima disponible en la turbina será la obtenida al convertir en altura dinámica toda la altura geométrica y la altura de presión. Según la ec. de Bernoulli, esta velocidad será: Hvel  v2 2g c max  2  g  Hn Cualquier otra velocidad se puede expresar como una fracción de la anterior. Se denomina coeficiente de velocidad a la relación entre una velocidad cualquiera y la velocidad absoluta máxima disponible k u1  k c1u  u1 2  g  Hn c 1u 2  g  Hn 27 31.- Generalidades de las Tur. Hid. Coeficientes de Velocidad (II): Cuando la turbina funciona en condiciones de rendimiento óptimo, estos coeficientes de velocidad son los coeficientes óptimos de velocidad : Xi u1  1 2  g  Hn u2   2 2  g  Hn C1 1 C1m C1u : Fi c1  1 2  g  Hn w 1  1 2  g  Hn c 2  2 2  g  Hn w 2   2 2  g  Hn c1u  1 2  g  Hn c 2u   2 2  g  Hn c1m  k1m 2  g  Hn c 2m  k 2m 2  g  Hn 28 31.- Generalidades de las Tur. Hid. Coeficientes de Velocidad (III): Para determinar el valor de estos coeficiente óptimos, se ensaya la turbina bajo un salto de valor: 1 Hn  2g De manera que : u1  1 u2   2 c1u  1 c 2u   2 c 1  1 c 2  2 w 1  1 w 2  2 c1m  k1m c 2 m  k 2m Sometida a ensayo una turbina bajo un salto definido, las velocidades a las cuales se consigue el rendimiento máximo coinciden con los coeficientes óptimos de velocidad 29 31.- Generalidades de las Tur. Hid. Una turbina trabaja en un salto de 190 m, un caudal de 42 l/s y una velocidad de giro de 1.450 rpm. Suponer que los ηmec = ηvol = 1 y ηman = 0,85. Determinar el tipo de turbina más conveniente 30 32.- Turbinas Pelton Las Turbinas Pelton son: • • • • • de presión, por ser ésta cte en el rodete (= a la atmosférica) de chorro libre, este está a la presión atmosférica de admisión parcial, el líquido ataca sólo una parte del rodete tangenciales, el líquido ataca tangencialmente al rodete de acción, el agua y el rodete tienen el mismo sentido Su utilización es idónea en saltos de gran altura (alrededor de 200 m y mayores), y caudales relativamente pequeños (hasta 10 m3/s) Lo más característico son sus álabes en forma de cazoleta 31 32.- Turbinas Pelton Componentes: Son esencialmente los siguientes:  Cámara de distribución  Sistema de regulación • Distribuidor • Rodete • • • • • •  Inyector  Rueda − Tobera − Aguja − Deflector  Alabes Eje Sistema de Frenado Carcasa Cámara de Descarga Blindaje Destructor de Energía 32 32.- Turbinas Pelton Componentes: Son esencialmente los siguientes: Cámara de distribución • Distribuidor • Rodete • • • • • •     Cámara Cámara de de distribución distribución Regulación Sistema de regulación Sistema de regulación   Inyector Inyector  Rueda − − − − − − Distribuidor Tobera Tobera Aguja Aguja Deflector Deflector Aguja  Alabes  Rueda Eje  Alabes Sistema de Frenado Carcasa Cámara de Descarga Blindaje Destructor de Energía Eje Carcasa Rodete Alabes Descarga 33 32.- Turbinas Pelton Componentes: Distribuidor (I) Está constituido por uno o varios equipos de inyección de agua, cada uno formado por varios elementos mecánicos Tiene como misiones: • Dirigir un chorro de agua (cilíndrico y de sección uniforme) hacia el rodete Sistemas de inyección • Regular el caudal que ha de fluir hacia dicho rodete, llegando a cortarlo totalmente cuando proceda • Para paradas rápidas debe contar con una pantalla deflectora que desvíe el chorro a la salida 34 32.- Turbinas Pelton Componentes: Distribuidor (II) El número de equipos de inyección, colocados circunferencialmente alrededor de un rodete, depende de la potencia y características del grupo, según las condiciones del salto de agua En turbinas Pelton con eje vertical pueden ser hasta seis los equipos que proyectan chorros de agua sobre un mismo rodete, derivando todos y cada uno de ellos de la tubería forzada En turbinas Pelton con eje horizontal los inyectores instalados son normalmente uno o dos 35 32.- Turbinas Pelton Componentes: Distribuidor (II) El número de equipos de inyección, colocados circunferencialmente alrededor de un rodete, depende de la potencia y características del grupo, según las condiciones del salto de agua En turbinas Pelton con eje vertical pueden ser hasta seis los equipos que proyectan chorros de agua sobre un mismo rodete, derivando todos y cada uno de ellos de la tubería forzada En turbinas Pelton con eje horizontal los inyectores instalados son normalmente uno o dos 36 32.- Turbinas Pelton Componentes: Distribuidor (III) Se puede disponer de más de un rodete en el mismo eje, cada uno de ellos dotado de el/los distribuidor/es apropiado/s 37 32.- Turbinas Pelton Componentes: Distribuidor (IV) Cada equipo de inyección está formado por los siguientes elementos (I): • Cámara de distribución Consiste en la prolongación de la tubería forzada, acoplada a ésta mediante brida de unión, posteriormente a la situación de la válvula de entrada a turbina, según la trayectoria normal del agua Tiene como misión fundamental conducir el caudal de agua. Igualmente, sirve de soporte a los demás mecanismos que integran el distribuidor • Inyector: Es el elemento mecánico destinado a dirigir y regular el chorro de agua. Transforma la energía de presión en cinética (la velocidad del agua puede ser superior a 150 m/s). Está compuesto por:  una tobera  una aguja  un deflector  un regulador de velocidad 38 32.- Turbinas Pelton Componentes: Distribuidor (IV) Cada equipo de inyección está formado por los siguientes elementos (I): • Cámara de distribución Tobera Consiste en la prolongación de la tubería forzada, acoplada a ésta mediante brida de unión, posteriormente a la situación de la válvula de entrada a turbina, según la trayectoria normal del agua Chorro Tiene como misión fundamental conducir el caudal de agua. Igualmente, sirve de soporte a los demás mecanismos que integran el distribuidor Aguja • Inyector: Es el elemento mecánico destinado a dirigir y regular el chorro deDeflector agua. Transforma la energía de presión en cinética (la velocidad del agua puede ser superior a 150 m/s). Está compuesto por:  una tobera  una aguja  un deflector  un regulador de velocidad 39 32.- Turbinas Pelton Componentes: Distribuidor (V) Cada equipo de inyección está formado por los siguientes elementos (II): • Inyector:  Aguja Es un vástago de acero muy duro situado concéntricamente en el interior del cuerpo de la tobera, guiado mediante cojinetes sobre los cuales tiene movimiento de desplazamiento longitudinal en dos sentidos  Tobera Se trata de una boquilla, normalmente con orificio de sección circular (puede tratarse de otra sección), de un diámetro aproximado entre 5 y 30 cm, instalada en la terminación de la cámara de distribución 40 32.- Turbinas Pelton Componentes: Distribuidor (V) Cada equipo de inyección está formado por los siguientes elementos (II): • Inyector:  Aguja  Tobera  Deflector Es un dispositivo mecánico que, a modo de pala o pantalla, puede ser intercalado con mayor o menor incidencia en la trayectoria del chorro de agua, entre la tobera y el rodete Sirve para evitar el embalamiento y el golpe de ariete (cierres bruscos)  Regulador de velocidad Conjunto de dispositivos electro-mecánicos, (servomecanismos, palancas, bielas, …) diseñados para mantener constante la velocidad del grupo, a fin de que la frecuencia de la corriente generada tenga, en todas las circunstancias de carga, 50 Hz 41 32.- Turbinas Pelton Componentes: Distribuidor (V) Cada equipo de inyección está formado por los siguientes elementos (II): • Inyector:  Aguja  Tobera  Deflector Es un dispositivo mecánico que, a modo de pala o pantalla, puede ser intercalado con mayor o menor incidencia en la trayectoria del chorro de agua, entre la tobera y el rodete Sirve para evitar el embalamiento y el golpe de ariete (cierres bruscos)  Regulador de velocidad Conjunto de dispositivos electro-mecánicos, (servomecanismos, palancas, bielas, …) diseñados para mantener constante la velocidad del grupo, a fin de que la frecuencia Deflector de la corriente generada tenga, en todas las circunstancias de carga, 50 Hz 42 32.- Turbinas Pelton Componentes: Rodete (I) Es la pieza clave donde se transforma la componente cinética de la energía del líquido en energía mecánica o, dicho de otra manera, en trabajo según la forma de movimiento de rotación Está compuesto por: • Rueda motriz • Alabes, cucharas o cazoletas 43 32.- Turbinas Pelton Componentes: Rodete (II) • La rueda motriz está unida rígidamente al eje, montada en el mismo por medio de chavetas y anclajes adecuados • Los álabes, pueden ser piezas independientes o constituir una pieza única, están diseñados para recibir el empuje directo del chorro de agua. Su forma es similar a la de una doble cuchara, con una arista interior afilada y situada centralmente en dirección perpendicular hacia el eje (divide al álabe en dos partes simétricas de gran concavidad). Esto permite compensar los empujes axiales Cada álabe lleva en su extremo periférico una escotadura centrada en forma de W. Con ello se consigue que las cazoletas no reciban el chorro de agua hasta que su arista se encuentre en la posición perpendicular respecto al eje del chorro, aprovechando al máximo el caudal y el impulso que éste le proporciona al acompañarle durante un corto trayecto 44 32.- Turbinas Pelton Componentes: Rodete (II) • La rueda motriz está unida rígidamente al eje, montada en el mismo por medio de chavetas y anclajes adecuados • Los álabes, pueden ser piezas independientes o constituir una pieza única, están diseñados para recibir el empuje directo del chorro de agua. Su forma es similar a la de una doble cuchara, con una arista interior afilada y situada centralmente en dirección perpendicular hacia el eje Escotadura (divide al álabe en dos partes simétricas de gran concavidad). Esto permite compensar los empujes axiales Cada álabe Arista llevainterior en su extremo periférico una escotadura centrada en forma de W. Con ello se consigue que las cazoletas no reciban el chorro de agua hasta que su arista se encuentre en la posición perpendicular respecto al eje del chorro, aprovechando al máximo el caudal y el impulso que éste le proporciona al acompañarle durante un corto trayecto 45 32.- Turbinas Pelton Componentes: Rodete (III) 2/5 h Diámetro del chorro: Anchura de la cazoleta: Altura de la cazoleta: Profundidad de la cazoleta: Diámetro del rodete: nº cazoletas  15  d d b = 3,75 d h = 3,50 d f = 1,5 d D b f D d 2  d si : 5   6,5 D ns 4 Nº caz. 40 h 6 37 8 34 10 30 12 28 14 26 18 22 22 20 26 17 32 15 46 32.- Turbinas Pelton Componentes: Rodete (IV) ns  n  Pot 1/ 2 H 5/4 ns  3,65  n  Q 1/ 2 .  H 3/4 • Rodete lento, ns ≈ 3,5 (pequeños caudales) d es pequeño D • Rodete rápido, ns ≈ 35 (grandes caudales relativos) d es grande D 47 32.- Turbinas Pelton Componentes: Eje Rígidamente unido al rodete y situado adecuadamente sobre cojinetes debidamente lubricados, transmite el movimiento de rotación al eje del alternador En el mismo eje pueden estar unidas varias turbinas y un generador 48 32.- Turbinas Pelton Componentes: Sistema de Frenado Además de intercalar totalmente el deflector, se puede disponer de un circuito derivado de la cámara de distribución que permite proyectar agua uno o varios contrachorros incidente sobre la zona convexa de los álabes, favoreciendo el rápido frenado del rodete Contrachorro Deflector 49 32.- Turbinas Pelton Componentes: Carcasa Es la envoltura metálica que cubre los inyectores, rodete y otros elementos mecánicos de la turbina Su misión consiste en evitar que el agua salpique al exterior cuando, después de incidir sobre los álabes los abandona 50 32.- Turbinas Pelton Componentes: Cámara de Descarga Es la zona por donde cae el agua libremente hacia el desagüe, después de haber movido al rodete. También se conoce como tubería de descarga Para evitar deterioros debidos a la acción de los chorros de agua, especialmente de los originados por la intervención del deflector, se suele disponer en el fondo de la cámara de descarga de un colchón de agua de 2 a 3 m de espesor. Con el mismo fin, se instalan blindajes, bloques de granito o placas, situadas adecuadamente, que protegen la obra de hormigón Componentes: Blindaje y Destructor de Energía Protegen la infraestructura contra el efecto destructor del chorro desviado 51 32.- Turbinas Pelton 10 S 3 2 6 1 5 E 12 11 9 8 4 13 14 7 E S 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Entrada Salida Codo de entrada Inyector Tobera Válvula de aguja Servomotor Regulador Mando del deflector Deflector Chorro Rodete Alabes o cucharas Contrachorro Blindaje Destructor de energía 52 32.- Turbinas Pelton Funcionamiento de una Turbina Pelton: La sucesiva transformación de la energía se efectúa del modo siguiente: • La energía potencial gravitatoria del agua embalsada (energía de presión hasta los orificios de las toberas) se convierte, salvo pérdidas, en energía cinética al salir el agua a través de dichos orificios en forma de chorros libres (Ecuación de Bernoulli) • Se dispone de la máxima energía cinética en el momento en que el agua incide tangencialmente sobre el rodete, empujando a los álabes y obteniéndose el trabajo mecánico deseado • Las formas cóncavas de las cucharas hacen cambiar la dirección del chorro de agua, saliendo éste, ya sin energía apreciable, por los bordes laterales sin ninguna incidencia posterior sobre los álabes sucesivos. De este modo, el chorro de agua transmite su energía cinética al rodete, donde queda transformada en energía mecánica 53 32.- Turbinas Pelton Funcionamiento de una Turbina Pelton: La sucesiva transformación de la energía se efectúa del modo siguiente: • La energía potencial gravitatoria del agua embalsada (energía de Tubería forzada presión hasta los orificios de las toberas) salvo pérdidas, patm pabs = 0 se convierte, en energía cinética al salir el agua a través de dichos orificios en 1 bar forma de chorros libres (Ecuación de Bernoulli) Inyector • Se dispone de la máxima energía cinética 0 E en el momento en que el agua incide tangencialmente sobre el rodete, empujando a los álabes Rodete y obteniéndose el trabajo mecánico deseado 1 Pasa a Ecinética • Las formas cóncavas de las cucharas hacen cambiar la dirección del Ecinética  Eejesaliendo éste, ya sin energía apreciable, por los chorro de agua, p1 = p2 = ps = patm (ctelos en elálabes rodete) bordes laterales sin ninguna incidencia posterior sobre sucesivos. De este modo, el chorro de agua transmite su energía 2 S cinética al rodete, donde queda transformada en energía mecánica 54 32.- Turbinas Pelton    C U   W   U  Triángulos de velocidades (I): Genérico para Máquinas Hidráulicas: Triángulo en la entrada y otro Triángulo en la salida Velocidad del fluido C c uw Velocidad relativa W  C  β U Velocidad periférica del rodete W Wm Cm β w  wu  wm c  cu  cm Wu Cu Para Turbinas Pelton:   W2 C2  C1  W2  U2  U1  C2  U2 Triángulo en la entrada Triángulo en la salida U1 = U2 1=0 U β1= 180º W1 C1 C2 W2 2 = ? β 2= ? U 55 32.- Turbinas Pelton Triángulos de velocidades (II): Para Turbinas Pelton:  W2  C2  C1  W2  U2  U1  C2  U2 Triángulo en la entrada 1=0 U1 β1= 180º W1 C1 Triángulo en la salida C2 W2 2 = ? β 2= ? U2 • Al ser la trayectoria del líquido tangencial a los álabes, el diámetro a la entrada y a la salida de la rueda es el mismo, y por tanto  • Si no hubiese pérdidas en el inyector, el chorro de agua saldría con una velocidad teórica c1 dada por la ecuación de Torricelli: • Sin embargo, debido a las pérdidas la velocidad real es: • Idealmente una T. Pelton alcanza su máx cuando: U1  U2 c 1  2  g  Hn c 1   1 2  g  Hn u1   10,97 1  c 1  0,45  2  g  Hn 2 56 32.- Turbinas Pelton Triángulos de velocidades (III): Para Turbinas Pelton:  C2  W2  C1  U2 Triángulo en la entrada  U1  W2  C2 1=0  U2 Triángulo en la salida β1= 180º W1 U1 C2 2 = ? C1 W2 β 2= ? U2 c2 2g • Interesa que c2 = 0 (que toda la energía cinética se aproveche), ya que la energía cinética no aprovechada en la turbina es: w 2    w1 • Debido al rozamiento con el álabe, se cumple que: • Idealmente σ1 = 0º y β1 = 180º; en la práctica σ1 ≈ 17º y β1 = 163º 1  17 U1 0   1 1  17º ; 1  163º C1 β1 163º W1 57 32.- Turbinas Pelton Fuerza de una corriente: F  m [kg]  a [m / s 2 ]  m [kg]   v [m / s] m [kg]  v t [s] t [s] Fuerza sobre los álabes:   m3    m    kg  m  Q      s    v  s     Q  v  s    m3            C es la velocidad del fluido F    Q  c1  c 2    Q  u1  w1  u2  w 2  Puesto que en una T. Pelton u1 = u2 la expresión anterior queda como: F    Q  w1  w 2 Fx    Q  w1  cos  1   w 2  cos   2  La componente que da lugar a un par en el eje es la tangencial: 1  17 U1 C1 β1 163º ¡¡Cuidado con la definición de los ángulos!! W1 C2 2 W2 U 2 β2 58 32.- Turbinas Pelton Una turbina Pelton trabaja en un salto de 240 m. Los diámetros del chorro y rodete son 150 mm y 1.800 mm. Si: c 1  0,98  2  g  H ;1=0º;β2= 15º; w2=0,7.w1; y u1=0,45.c1 Calcular: • • • • La fuerza tangencial ejercida por el chorro en las cucharas La potencia transmitida por el agua al rodete El rendimiento hidráulico de la turbina El rendimiento total si el mecánico es del 0,97  C2  W2  U2 β2=15  C1  U1 Torricelli  Velocidad salida  2  g  H 59 32.- Turbinas Pelton Es una turbina de acción Pérdidas en el Inyector: Son debidas a que el inyector no se consigue que la velocidad de salida del líquido, c1, alcance la máxima teórica, c1T 2 2 c  c1 HL iny.  1T 2g HL iny.  c1T  c1  c1    c1T    2  g  H 2g 2  2   c1  1  2  g  H  H  c1 / 2  c12    c1  1  2  2  g  2 2  c1  H  1  2  H  H  2  2 2  g  1 2 c c1 2  H  1  1 H 2 2g 2  g  1 2 2 Siendo H la altura neta a disposición de la turbina Hn  2g   H 2 c1 2g H  Hneta  Hgeometrica  HL  Tub 2 c1T 2g 60 32.- Turbinas Pelton Una turbina Pelton de 1 inyector de 90 mm de diámetro se alimenta de un embalse situado 300 m más alto por una tubería de 6 km, diámetro de 680 mm y λ = 0,032. Si la velocidad periférica de los álabes es (0,47.c1), el coeficiente de reducción de velocidad a la entrada del rodete 0,97, las cazoletas desvían el chorro 175º y en ellas la velocidad se reduce un 15%, y ηmec = 0,8. Calcular: • • • • Las pérdidas en el inyector y en la tubería Los triángulos de velocidades El rendimiento manométrico, el caudal, la altura neta de la turbina y la de Euler La potencia útil en el eje de la máquina 61 33.- Turbinas Francis Las Turbinas Francis se conocen como turbinas de sobrepresión por ser ésta variable en el rodete, o también como turbinas de admisión centrípeta ó total por encontrarse el rodete sometido a la influencia directa del agua en toda su periferia Entran en la clasificación de turbinas radiales-axiales y de reacción El campo de aplicación es muy extenso, dado el avance tecnológico conseguido en la construcción de este tipo de turbinas. Se pueden emplear en saltos de distintas alturas dentro de una amplia gama de caudales (entre 2 y 200 m3/s aproximadamente) Las turbinas Dériaz son, esencialmente, turbinas Francis de álabes orientables 62 33.- Turbinas Francis Componentes: Son esencialmente los siguientes: • Cámara espiral • Distribuidor  Palas directrices  Sistema de accionamiento • Rodete • Tubo de aspiración • Eje 63 33.- Turbinas Francis 1 Componentes: 2 Son esencialmente los siguientes: • Cámara espiral • Distribuidor 3 4  Palas directrices  Sistema de accionamiento • Rodete • Tubo de aspiración • Eje 5 1 2 3 4 5 6 7 S Caja espiral Distribuidor Rodete Codo de salida Tubo de Aspiración Nivel Inferior Mando del deflector Salida 6 S 64 33.- Turbinas Francis Componentes: Cámara Espiral La cámara espiral más habitual está formada por la unión sucesiva de una serie de virolas tronco-cónicas, cuyos ejes respectivos forman una espiral Esta disposición constructiva permite que el agua atraviese la cámara a velocidad sensiblemente constante, evitándose la formación de torbellinos que darían lugar a pérdidas de carga En la zona periférica interna se encuentra el antedistribuidor, formado por una serie de palas fijas equidistantes unas de otras cuya curvatura y orientación consiguen que la proyección del agua salga dirigida casi radialmente 65 33.- Turbinas Francis Componentes: Cámara Espiral La cámara espiral más habitual está formada por la unión sucesiva de una serie de virolas tronco-cónicas, cuyos ejes respectivos forman una espiral  ce Q constructiva Esta disposición permite que el agua atraviese la cámara a velocidad sensiblemente constante, evitándose la formación de torbellinos 1/8 Q que darían lugar a pérdidas de carga 7/8 Q  ce  ce En la zona periférica interna se encuentra 2/8 Q el antedistribuidor, formado por una serie 6/8 Q Rodete de palas fijas equidistantes unas de otras  c Distribuidor cuya curvatura y orientación consiguen que 3/8 Q 5/8 Q la proyección del agua salga dirigida casi c 4/8 Q Cámara Espiral radialmente e e ce cte en toda la espiral 66 33.- Turbinas Francis Componentes: Distribuidor El distribuidor está formado por un determinado número de palas móviles cuya función es la de distribuir, regular o cortar totalmente el caudal de agua que fluye hacia el rodete El distribuidor lo componen principalmente los siguientes elementos: • Palas o álabes directrices orientables Dirigen el líquido al rodete con un mínimo de pérdidas y transforman parte de la energía de presión en energía cinética El hecho de que los álabes se puedan orientar permite la regulación de la turbina, al poder variar el caudal que llega al rodete 67 33.- Turbinas Francis Componentes: Distribuidor El distribuidor está formado por un determinado número de palas móviles cuya función es la de distribuir, regular o cortar totalmente el caudal de agua que fluye hacia el rodete El distribuidor lo componen principalmente los siguientes elementos: • Palas o álabes directrices orientables • El sistema de accionamiento de los álabes Son los elementos mecánicos a base de servomecanismos, palancas y bielas que constituyen el equipo de regulación de la turbina y está gobernado por el regulador de velocidad Bielas Anillo Alabes Distribuidor Fink Cerrado Brazo Rodete Abierto 68 33.- Turbinas Francis Componentes: Distribuidor El distribuidor está formado por un determinado número de palas Bielas de mando móviles cuya función es la de distribuir, regular o cortar totalmente el Bieletas caudal de agua que fluye hacia el rodete El distribuidor lo componen principalmente los siguientes elementos: • Palas o álabes directrices orientables Anillo de maniobra • El sistema de accionamiento de los álabes Son los elementos mecánicos a base de servomecanismos, palancas y bielas Cerrado Abierto que constituyen el equipo de regulación de la turbina y está gobernado por el regulador de velocidad Bielas Anillo Alabes Distribuidor Fink Brazo Rodete Abierto Cerrado 69 33.- Turbinas Francis Componentes: Distribuidor El distribuidor está formado por un determinado número de palas Bielas de mando móviles cuya función es la de distribuir, regular o cortar totalmente el Bieletas caudal de agua que fluye hacia el rodete El distribuidor lo componen principalmente los siguientes elementos: • Palas o álabes directrices orientables Anillo de maniobra • El sistema de accionamiento de los álabes Son los elementos mecánicos a base de servomecanismos, palancas y bielas Cerrado Abierto que constituyen el equipo de regulación de la turbina y está gobernado por el regulador de velocidad Bielas Anillo Alabes Distribuidor Fink Cerrado Brazo Rodete Abierto 70 33.- Turbinas Francis Componentes: Rodete (I) Se trata de la pieza fundamental de la turbina, donde se obtiene la energía mecánica deseada Consta de un núcleo central, alrededor del cual se encuentra dispuesto un número determinado de álabes, aproximadamente entre 12 y 21, equidistantemente repartidos y solidarios al mismo, formando pieza única en bloque por fundición o soldadura, es decir, sin uniones ni fijaciones accesorias La longitud de los álabes y su mayor o menor inclinación respecto al eje de la turbina, depende del caudal, de la altura del salto y, en consecuencia, de la velocidad específica 71 33.- Turbinas Francis    C U   W   U  Componentes: Rodete (II) El Triángulo de Velocidades es como el genérico para M. H.: Triángulo en la entrada y otro Triángulo en la salida Velocidad del fluido c uw C Velocidad relativa W   β U Velocidad periférica del rodete 1  90º 1  90º 1  90º    c 1u  u1 c 1u  u1 c 1u  u1 C    Cm c  cu  cm Cu Wm W β w  wu  wm Wu Rodetes rápidos Rodetes normales Rodetes lentos ¡¡Cuidado con la definición de los ángulos!! 72 33.- Turbinas Francis   C U   W   U  Componentes: Rodete (III) Rodete Rápido C  Rodete Normal C W C U 1u  U1    β1 < 90 C U 1u ns 300 a 500  U1  Rodete Lento W β1 = 90  C W C U 1u ns 50 a 100 ns 125 a 200  U1  β1 > 90 D1 D1 D1  D1  D2   D1  D2   D1  D2  D2 D2 D2 73 33.- Turbinas Francis    C U   W   U  c  u  w Componentes: Rodete (IV) El Triángulo de Velocidades para una turbina Francis es: Distribuidor U1 C1 1 U1 U1 C1 1 viene determinado por el distribuidor 1 β2 W2 β1 C1 C2 2 1 U2 W1 U1 β1 y β2 vienen determinados por el álabe 74 33.- Turbinas Francis Componentes: Tubo de Aspiración (I) Consiste en una conducción, recta ó acodada, troncocónica que une la turbina propiamente dicha con el canal de desagüe Adquiere más importancia con ns altos Turbina Eje Horizontal Turbina Eje Vertical Codo Tubo de Aspiración 75 33.- Turbinas Francis Componentes: Tubo de Aspiración (II) Sus funciones son: • Aprovechar la altura de salto disponible entre la salida del rodete y el nivel de aguas abajo • Recuperar al máximo posible la energía cinética residual a la salida del rodete (c2) La energía cinética residual a la salida del rodete es despreciable en turbinas lentas. Sin embargo, en turbinas Francis rápidas representa del orden del 30% del salto neto mientras que en las turbinas Kaplan extrarrápidas supera el 60% 76 33.- Turbinas Francis Componentes: Tubo de Aspiración (II) Sus funciones son: • Aprovechar la altura de salto disponible entre la salida del rodete y el nivel de aguas abajo • Recuperar al máximo posible la energía cinética residual a la salida del rodete (c2) La energía cinética residual a la salida del rodete 1 1 es despreciable en turbinas p lentas. Sin embargo, en turbinas Francis rápidas representa del orden del atm p vacio p2 30% del salto neto mientras que en las turbinas2 Kaplan2 extrarrápidas supera 2 60% p2 =el patm Caso A (sin tubo) Hs Caso B (con tubo) p3 = patm 3 77 1 33.- Turbinas Francis 1 2 2 patm A B Hs 3 Componentes: Tubo de Aspiración (III) patm Aplicando Bernoulli entre la entrada y la salida de ambas turbinas se obtiene la energía aprovechada en cada caso (HT. A y HT.B):   c 2sal p sal   c 2ent p ent            z H h z ent Turbina Loss sal  2g g  2g g     A HT.A  H1  H2  hLossA  B HT. B  H1  H3  hLossB    c2 p c12 p  1  z1   2  atm  z 2   hL.T. 2g g  2g g energía perdida en la Turbina  c2  p c 12 p  1  z1   3  3  z 3   hL.T  hL.t.a.  2g g 2g g   p c 12 p   1  z1   atm  z 3   hL.T  hL.t.a. 2g g   g energía perdida en el tubo de aspiración 78 1 33.- Turbinas Francis 1 2 2 patm A Hs B 3 Componentes: Tubo de Aspiración (IV) patm La ganancia de energía al instalar el tubo de aspiración es: H  HT.B  HT.A HT . B   p c 12 p  1  z1   atm  z 3   hL.T  hL.t.a. g 2g g     HT . A    c2 p c 12 p  1  z1   2  atm  z 2   hL.T 2 g g 2g g      H   c2   p   c2 p   2  atm  z 2    atm  z 3  hL.t.a.    2  z 2   z 3  hL.t.a.         2 g g 2 g g        c 22  Hs  hL.t.a. 2g Recupera energía de la velocidad de salida Recupera energía de la cota 79 1 33.- Turbinas Francis 1 2 2 patm A B Hs 3 Componentes: Tubo de Aspiración (V) patm En el tubo de aspiración se producen dos tipos de pérdidas: hL.t.a. • Por fricción en tubo El tubo se diseña de modo que sean lo más reducidas posibles hL.F.t.a. • Por descarga del tubo en el canal El tubo troncocónico tiene menor velocidad de salida hL.s.t.  c s2.t. 2g De este modo la energía recuperada en el tubo de aspiración es: H  c 22  Hs  hL.F.t.a.  hL.s.t.  2g H  c 22  c s2.t.  Hs  hL.F.t.a. 2g 80 1 33.- Turbinas Francis 1 2 2 patm A Hs B 3 Componentes: Tubo de Aspiración (VI) patm Aplicando Bernoulli entre la entrada y la salida de la T.B se puede calcular la nueva presión en pto 2:   c 32   c 22 p3 p2     z h h        z 2 L . F . t . a . L . s . t . 3  2g g  2g g       c 22 p2    2  g    g  z 2   hL.F.t.a.  hL.s.t.   z 3      c2 p2  z 3   2  z 2   hL.F.t.a.  hL.s.t.  2 g g    hL.s.t.  c 2s.t. 2g Expresado en presión relativa  c2  p2  z 3  z 2    2   hL.F.t.a.  hL.s.t.  g  2g  p2 c2    Hs  2   hL.F.t.a.  hL.s.t.  2  g    p2 c c   hL.F.t.a.   Hs  2  g    2 2 2 s. t . p2 es negativa vacio 81 33.- Turbinas Francis Componentes: Tubo de Aspiración (VII) H  c 22  c 2s.t.  Hs  hL.F.t.a. 2g c 22  c s2.t.  hL.F.t.a 2g Se define el rendimiento del difusor como: d  c 22  c s2.t. 2g Entonces, la ganancia de salto neto generada por el tubo se expresa como: H  c 22  c 2s. t.a.  d  Hs 2g Lo que pone de manifiesto la doble función del tubo de aspiración: • Aprovechar la altura entre la salida del rodete y el nivel de aguas abajo (Hs) • Recuperar al máximo posible la energía cinética residual a la salida del rodete (c2) 82 33.- Turbinas Francis Componentes: Tubo de Aspiración: Consideraciones Prácticas (I) El tubo de aspiración se diseña para que cs.t.a. sea pequeña Las experiencias de Rogers y Moody demuestran que para conseguir un buen funcionamiento y evitar problemas de cavitación la presión a la salida del rodete no debe ser inferior a un mínimo. Rogers y Moody proponen las siguientes funciones que relacionan dichos valores: f1 ns   p2 a   g  Hn f2 ns   c 22  22 2  g  Hn 83 33.- Turbinas Francis Componentes: Tubo de Aspiración: Consideraciones Prácticas (II)   g La función f1(ns) viene representada en las siguientes curvas: 84 33.- Turbinas Francis Componentes: Tubo de Aspiración: Consideraciones Prácticas (III)   g La función f2(ns) viene representada en la siguiente curva: 85 33.- Turbinas Francis Componentes: Tubo de Aspiración: Cavitación La presión a la salida del rodete puede llegar a descender de manera peligrosa, favoreciendo el fenómeno de la cavitación Expresado en presión absoluta p p2 c2  atm  2  d  Hs g g 2g Puede suceder debido a: • Velocidad excesiva a la salida del rodete • Altura de aspiración excesiva La solución más económica no consiste en construir una turbina en la cual se excluya totalmente la cavitación En la práctica se construyen turbinas en las cuales se llega a producir una cavitación “controlada”. Esto producirá un cierto desgaste en los álabes, pero sin que llegue a afectar de manera inaceptable al rendimiento de la máquina Esto se ha de tener presente a la hora de planificar el mantenimiento de las centrales hidroeléctricas 86 33.- Turbinas Francis Funcionamiento de una Turbina Francis: La sucesiva transformación de la energía se efectúa del modo siguiente: • La energía potencial gravitatoria del agua embalsada se convierte, salvo pérdidas, una parte en energía de presión y otra parte en cinética a su llegada a la turbina • En el distribuidor la altura de presión disminuye a costa de aumentar la altura cinética, aunque esta conversión no es tan completa como en el caso de las turbinas de acción • La entrada de agua en el rodete se realiza de forma prácticamente radial, incidiendo sobre los álabes y cediendo a éstos la mayor parte posible de su energía • En consecuencia, la presión disminuye notablemente y también la velocidad del agua a la salida del rodete. El tubo de aspiración permite aprovechar la energía disponible en el flujo de salida 87 33.- Turbinas Francis Funcionamiento de una Turbina Francis: La sucesiva transformación de la energía se efectúa del modo siguiente: • La energía potencial Tubería forzada gravitatoria del agua embalsada se convierte, patm pabs = 0 de presión salvo pérdidas, una parte en energía y otra parte en cinética a su llegada a la turbina 1 bar Distribuidor Pasa a E cinética • En el distribuidor la altura de presión disminuye a costa de aumentar 0 E la altura cinética, aunque esta conversión no es tan completa como en el caso Rodete de las turbinas de acción 1 • La entrada de agua en el rodete se realiza de forma prácticamente p1 > patm radial, incidiendo sobre álabes y cediendo a éstos la mayor parte Ecinética y Epresión  Elos eje posible de su energía Tubo de Con T. asp. • En consecuencia, la presión disminuye notablementep2 y< ptambién la atm aspiración 2 velocidad del agua a la salida del rodete. El tubo de aspiración permite S aprovechar la energía disponible en el flujo de salida En el nivel libre 88 33.- Turbinas Francis Parámetros de diseño (I): Teniendo en cuenta los coeficiente óptimos de velocidad, se obtiene una expresión del número específico de revoluciones en función de las características de la turbina Q  c 1m    D1  b1  k 1m  2  g  Hn    D1  b1 Pot    Q  Hn    0,1855    k 1m  Hn3  D1  b1   75 u1  1  2  g  Hn  Q  13,91 k1m  Hn  D1  b1 Pot  185,5  k1m  Hn3  D1  b1     D1  n 60  84,55  1  Hn  185,5  k 1m  Hn3  D1  b1   Pot 1/ 2 D1 ns  n  5/4  5 Pot Hn 4 n  84 ,55  1  Hn D1 ns  1.150  1  k1m  b1  D1 89 33.- Turbinas Francis Parámetros de diseño (II): 90 33.- Turbinas Francis Una turbina Francis de eje vertical tiene: diámetros de entrada y salida del rodete 45 y 30 cm; ancho del rodete a la entrada y salida de 5 y 7 cm; los álabes ocupan un 8% del área a la entrada del rodete, en la salida están afilados; ángulo de salida del distribuidor 24º; ángulo de entrada y salida a los álabes del rodete 85º y 30º; las pérdidas hidráulicas en la turbina son de 6 m.c.a.; velocidad de entrada en la turbina 2 m/s; altura geométrica 54 m; rendimientos mecánico y volumétrico 94% y 100%; no hay tubo de aspiración Calcular: • • • • • r.p.m Alturas neta y útil Rendimientos hidráulico y total Caudal Potencias interna y al freno 91 34.- Turbinas Kaplan Generalidades (I): La turbina KAPLAN es, en esencia, una turbina de hélice de álabes orientables La turbina DERIAZ es, en esencia, una turbina Francis de álabes orientables La principal ventaja que presentan estas turbinas es la posibilidad de ajustar su geometría, según la carga demandada, a las condiciones de óptimo rendimiento. Un rodete puede trabajar como infinitos rodetes Esto produce un cambio importante en el comportamiento de la turbomáquina a cargas parciales Dato cronológico: La turbina Kaplan fue presentada en el año 1.925, la turbina Deriaz en 1.956 La regulación de las turbinas hidráulicas se realiza mediante la variación del caudal suministrado, a igualdad de salto 92 34.- Turbinas Kaplan Generalidades (I): La turbina KAPLAN es, en esencia, una turbina de hélice de álabes orientables La turbina DERIAZ es, en esencia, una turbina Francis de álabes orientables La principal ventaja que presentan estas turbinas es la posibilidad de ajustar su geometría, según la carga demandada, a las condiciones de óptimo rendimiento. Un rodete puede trabajar como infinitos rodetes Esto produce un cambio importante en el comportamiento de la turbomáquina a cargas parciales Dato cronológico: La turbina Kaplan fue presentada en el año 1.925, la turbina Deriaz en 1.956 La regulación de las turbinas hidráulicas se realiza mediante la variación del caudal suministrado, a igualdad de salto 93 34.- Turbinas Kaplan Generalidades (I): La turbina KAPLAN es, en esencia, una turbina de hélice de álabes orientables La turbina DERIAZ es, en esencia, una turbina Francis de álabes orientables La principal ventaja que presentan estas turbinas es la posibilidad de ajustar su geometría, según la carga demandada, a las condiciones de óptimo rendimiento. Un rodete puede trabajar como infinitos rodetes Esto produce un cambio importante en el comportamiento de la turbomáquina a cargas parciales Dato cronológico: La turbina Kaplan fue presentada en el año 1.925, la turbina Deriaz en 1.956 La regulación de las turbinas hidráulicas se realiza mediante la variación del caudal suministrado, a igualdad de salto 94 34.- Turbinas Kaplan Generalidades (II): Comportamiento del rendimiento a carga parcial 100 T. Pelton ns = 20 Rendimiento t T. Kaplan ns = 200 50 T. Francis ns = 250 T. Francis ns = 500 T. Hélice ns = 650 T. Kaplan ns = 500 0 T. Hélice ns = 1050 Q/Qdiseño 0,5 1 95 34.- Turbinas Kaplan Descripción (I): Las turbinas Kaplan son turbinas de reacción y de admisión total, cuyo funcionamiento es adecuado a pequeños saltos (hasta 50 m) y caudales medios y grandes (15 m3/s). Se conocen también como turbinas de doble regulación Las turbinas Deriaz son turbinas de reacción y de admisión total, cuyo funcionamiento es adecuado a pequeños y medianos saltos (hasta 200 m) y caudales medios y grandes Ambas turbinas se adaptan bien al funcionamiento reversible (como bombas), por lo que son adecuadas para las centrales de bombeo 96 34.- Turbinas Kaplan Descripción (II): Un montaje característico de este tipo de turbinas, conjuntamente con el alternador, constituye los llamados grupos bulbo, propios de las centrales maremotrices 97 34.- Turbinas Kaplan Descripción (III): Respecto a las turbinas Francis, las turbinas Kaplan se diferencian de aquéllas, principalmente, en las características del rodete 98 34.- Turbinas Kaplan Descripción (IV): En las turbinas Kaplan las palas del rodete están situadas a un nivel más bajo que el distribuidor, de modo que la corriente de agua que fluye por éste incide sobre dichas palas en su parte posterior, en dirección paralela al eje de la turbina Compuertas del distribuidor Palas del rodete 99 34.- Turbinas Kaplan Descripción (V): En las turbinas Kaplan A Compuerta de admisión Rejilla E Z Hb  Hn  Hef S 100 34.- Turbinas Kaplan    C U   W   U  El Triángulo de Velocidades en una T. Kaplan El genérico para M. H.: Triángulo en la entrada y otro Triángulo en la salida Velocidad del fluido c uw C  Velocidad relativa W β U Velocidad periférica del rodete C  Cm Wm W β w  wu  wm c  cu  cm Wu Cu Pala Guía U1 β1 C1 W1 U2 Alabe β2 1 C2 W2 101 35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas Altura Neta o Salto Neto (I): Análogamente al estudio de las bombas hidráulicas, se definen las siguientes alturas (o saltos, denominación más apropiada en el caso de turbinas): • Salto bruto: Hb, es la diferencia de cotas geométricas entre el embalse superior y el canal de descarga • Salto neto: Hn, es la parte del Hb que se pone a disposición de la turbina, entre la entrada y la salida de la turbina Hn  Hb  HL ext Pérdidas externas a la turbina, HL-ext • Salto efectivo: Hef, es la parte del Hn que se aprovecha en el rodete Pérdidas internas en la turbina, HL-int Hb  Hn  Hef Hef  Hn  HL int 102 35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas Altura Neta o Salto Neto (I): Análogamente al estudio de las bombas hidráulicas, se definen las siguientes alturas (o saltos, denominación más Hapropiada en el caso de b  z NS  z NI  z A  z Z turbinas): Hn  Hb  HL ext • Salto bruto: Hb, es la diferencia de cotas geométricas entre el embalse superior y el canal de descarga Hef  Hn  HL int A • Salto neto: Hn, es la parte del Hb que se pone a disposición de la turbina • Salto efectivo: Hef, es la parte del Hn que se aprovecha en el rodete Nivel Superior Z Hb  Hn  Hef Nivel Inferior v Out E S 103 35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas Altura Neta o Salto Neto (III): Aplicando Bernoulli entre los niveles superior e inferior (secciones A y Z):  p  pA v2  v 2A    Hb   Z  z Z  Z     z A g g 2  g  2  g     p  pA v2  v 2A    Hn  hL ext    Z  z Z  Z   z   A g g 2  g  2  g    Hn  z A  z Z   hL  ext  Hb  hL  ext v A  vB  0 p A  pB  0 hL  ext  hL A E   hL S  Z  Aplicando Bernoulli entre la entrada y la salida de la turbina (E y S):  pS  pE v S2  v E2            z H z E n S g g 2  g  2  g     v 2  v S2   p  pS     zE  z S    E Hn   E   g   2g  104 35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas Altura Neta o Salto Neto (IV): Según normas internacionales, las secciones de entrada y salida son: • ENTRADA:  Se encuentra inmediatamente después de la válvula de admisión • SALIDA:  En las T. de reacción coincide con la sección de salida del tubo de aspiración  En las T. de acción se encuentra en el punto de tangencia del eje del chorro con un círculo cuyo centro es el centro del rodete Antiguamente las normas europeas consideraban la sección de salida en el nivel inferior (canal de salida). Esto daba mayores valores de salto neto y por lo tanto menor rendimiento hidráulico (datos de fabricante) 105 35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas Pérdidas, Potencias y Rendimientos (I): Las pérdidas internas en las turbinas aparecen por la imposibilidad de realizar una conversión completa de energía hidráulica en mecánica Se distinguen los siguientes tipos de pérdidas: • Pérdidas hidráulicas: debidas a rozamientos y choques man • Pérdidas volumétricas: debidas a pequeñas fugas vol • Pérdidas mecánicas: debidas a rozamientos mecánicos mec hid Total 106 35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas Pérdidas, Potencias y Rendimientos (I): Las pérdidas internas en las turbinas aparecen por la imposibilidad de realizar una conversión completa de energía hidráulica en mecánica Se distinguen los siguientes tipos de pérdidas: • Pérdidas hidráulicas: debidas a rozamientos y choques volumétricas : debidas pequeñas fugas • Pérdidas Disminuyen la energía que el fluido a puede entregar a la turbina Se define el rendimiento manométrico comomecánicos la relación entre la energía mecánicas : debidas a rozamientos • Pérdidas hidráulica utilizada por el rodete y la que se pone a disposición de la turbina (neta) man  HEULER u1  c 1n  u2  c 2n  Hn g  Hn 107 35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas Pérdidas, Potencias y Rendimientos (I): Las pérdidas internas en las turbinas aparecen por la imposibilidad de realizar una conversión completa de energía hidráulica en mecánica Se distinguen los siguientes tipos de pérdidas: • Pérdidas hidráulicas: debidas a rozamientos y choques • Pérdidas volumétricas: debidas a pequeñas fugas Dan lugarmecánicas a una merma en las prestaciones de la mecánicos turbina • Pérdidas : debidas a rozamientos El rodete recibe un caudal de líquido algo menor que el teórico Se define el rendimiento volumétrico como: vol  Q  Qperd Q Al igual que en el caso de las bombas hidráulicas, se verifica que: hid  man  vol vol  1  hid  man 108 35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas Pérdidas, Potencias y Rendimientos (I): Las pérdidas internas en las turbinas aparecen por la imposibilidad de realizar una conversión completa de energía hidráulica en mecánica Se distinguen los siguientes tipos de pérdidas: • Pérdidas hidráulicas: debidas a rozamientos y choques • Pérdidas volumétricas: debidas a pequeñas fugas • Pérdidas mecánicas: debidas a rozamientos mecánicos Disminuyen la energía comunicada al eje. Es decir, la energía hidráulica que el rodete convierte en energía mecánica no es aprovechable completamente en el eje de la máquina (potencia al freno) Se define entonces el rendimiento mecánico como la relación entre la energía entregada en el eje de la turbina y la hidráulica absorbida por el rodete mec  HEje HEULER 109 35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas Pérdidas, Potencias y Rendimientos (II): Potencia entregada a la turbina: Potn Pot n    g  Q  Hn Pot ef    g  Q  Hef    g  Q  hid  Hn  Potencia absorbida por el rodete: Potefec, PotEULER  Pot u Pot n Pot u  Pot ef  mec  Pot n  hid   mec Potencia útil (al freno, ó en el eje): PotEje, PotUtil  Pot n  vol  man   mec 110 35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas Pérdidas, Potencias y Rendimientos (III): Pot n    g  Q  Hn man  Potn Embalse vol  LTub mec  Pot n    g  Q  Hn  Pot efe  hid  Pot n Pot u  Pot ef  mec HEULER Hn hid  man  vol Q  Qperd vol  1 Q Tot  man  vol  mec HEje HEULER Pot ef    g  Q  Hef Pot u Pot n Pot u  Pot ef  mec Potef Lmec Potu LHid=Lman+Lvol Turbina PotElec Pot elec  Pot u  elec Eje Alternador 111 35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas Pérdidas, Potencias y Rendimientos (IV): Consideraciones sobre el rendimiento manométrico (I): El rendimiento manométrico se puede expresar en función de los coeficientes óptimos de velocidad : Xi u1  1 2  g  Hn man    1 man  u1  c 1u  u2  c 2u g  Hn u2   2 2  g  Hn  c 1u  1 2  g  Hn   c 2u   2 2  g  Hn  2  g  Hn  1  2  g  Hn   2  2  g  Hn   2  2  g  Hn g  Hn  man  2  1  1   2   2  112 35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas Pérdidas, Potencias y Rendimientos (V): Consideraciones sobre el rendimiento manométrico (II): man  u1  1 2  g  Hn u1  c 1u  u2  c 2u u  c  cos 1   u2  c 2  cos  2   1 1 g  Hn g  Hn u2   2 2  g  Hn c 1  1 2  g  Hn c 2  2 2  g  Hn man  2  1  1  cos 1   2  2  cos  2   Fi De manera análoga a lo que sucede con las bombas hidráulicas, el rendimiento máximo de las turbinas hidráulicas tiene lugar cuando en el triángulo de velocidades a la salida se verifica que a2 = 90º. man  2  1  1   2   2  man máx  2  1  1  2  1  1  cos 1 113 35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas Pérdidas, Potencias y Rendimientos (VI):  Consideraciones sobre el grado de reacción: Hp Hn  1 Hd Hn El grado de reacción se puede expresar en función de los coeficientes óptimos de velocidad   1 c12  c 22 2  g  Hn c 1  1 2  g  Hn     1 1   c 2  2 2  g  Hn 2  g  Hn  2  2  g  Hn 2  g  Hn 2    1  12  22   2 114 35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas Leyes de Semejanza (I): Permiten aplicar a los prototipos los resultados obtenidos mediante la experimentación en laboratorio con modelos a escala También permiten predecir el funcionamiento de una turbina en diferentes circunstancias de funcionamiento Se consideran dos turbinas del mismo tipo, geométrica y dinámicamente semejantes, siendo sus características: • PROTOTIPO: Potencia N, velocidad n, caudal Q, salto neto Hn y par motor C • MODELO: Potencia N’, velocidad n’, caudal Q’, salto neto H’n y par motor C’  Prototipo  Relación de Semejanza Geométrica   1  Modelo  115 35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas Leyes de Semejanza (II): Las relaciones de semejanza entre el modelo y el prototipo son (I): • Número de revoluciones: - Prototipo: u1  1  2  g  Hn    D1  n 60 u'1  1  2  g  H'n    D'1n' 60 - Modelo: n D'1 Hn   n' D1 H'n  D b  D0 b 0  n ω  n0 ω 0 n Hn  1  n' H'n • Caudal: - Prototipo: Q    c 1    1  2  g  Hn - Modelo: Q'  'c '1  '1  2  g  H'n Q  Hn   Q' ' H'n Q Hn  2  Q' H'n 116 35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas Leyes de Semejanza (III): Las relaciones de semejanza entre el modelo y el prototipo son (II): • Potencia: - Prototipo: Pot    g  Q  Hn   - Modelo: Pot '    g  Q'H'n  Pot Q  Hn  Pot' Q'H'n Pot  2  Pot' C Pot  n'   2  C' Pot'n  Hn  H'n      Hn  H'n   Hn     H'n   D b  D0 b 0  n ω  n0 ω 0 3 • Par Motor: - Prototipo:Par  Pot  60  Pot  2 n ' 2    n' - Modelo: Par '  Pot'  60  Pot' 3 C H  3  n C' H'n 117 35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas Una turbina trabaja en un salto de 190 m, un caudal de 42 l/s y una velocidad de giro de 1.450 rpm. Suponer que los ηmec = ηvol = 1 y ηman = 0,85. Determinar: • El tipo de turbina más conveniente • Las características de la turbina para un salto de 115 m • Las características de una turbina semejante 3 veces más pequeña (en 190 m) 118 35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas Regulación (I): La principal aplicación de las turbinas hidráulicas es la producción de energía eléctrica en las centrales hidroeléctricas, la regulación de la velocidad de giro resulta fundamental Los grupos turbina – alternador han de funcionar siempre a velocidad constante, que será la velocidad de sincronismo n 60  f 3.000  p p Para regular la velocidad de la turbina, lo que se hace es abrir o cerrar el distribuidor en función de la carga demandada en cada instante Esta regulación es siempre automática El sistema de control, de lazo cerrado 119 35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas Regulación (II): Esquema básico de un regulador de bolas 120 35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas Una T.F. tiene los Øent = 630 mm y Øsal = 390 mm, con los anchos de entrada y salida de 95 y 100 mm, si 1 = 8º y β1 = 70º. Los álabes ocupan el 15% de la entrada al rodete, siendo afilados a la salida. Los rendimientos son man = 0,89, vol = 1, y mec = 0,92. HL-Dis-Rod = 2,5.c2u2/g. La entrada a la turbina y la salida del rodete están 4 m por encima del canal de desagüe. Si cuando fluye el agua un manómetro a la entrada marca 25 m.c.a. (y se puede despreciar la energía cinética en la tubería de alimentación), calcular: • Hn, rpm, Q, PotUtil, ns, LTubo-Asp • % de la energía recuperada en el tubo de aspiración (suponiendo que la energía del agua a la entrada, la energía cinética del agua a la salida del rodete y la fricción en el mismo son ctes) 121 35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas Problemas de Funcionamiento (IV): Para minimizar los riesgos de un golpe de ariete (I): • Construir una chimenea de equilibrio (cámara en la que el líquido puede oscilar libremente) Zmax  v t  2 ST sección de la tubería SCH sección de la chimenea S CH min  L ST g S CH L S CH g ST L ST v2 hp (H  hp ) 2 g hp la pérdida de carga hasta la chimenea en condiciones normales La reducción de SCH amortigua las oscilaciones Es posible permitir el rebosamiento por la parte superior de la chimenea 122 35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas Problemas de Funcionamiento (V): Para minimizar los riesgos de un golpe de ariete (II): a) Sistemas de presión (chimeneas de equilibrio) 1) Estructura de admisión; 2) Tanques de equilibrio (depósito de aire y chimenea de equilibrio); 3) Túnel de presión aguas abajo; 4) Sala de turbinas (central); 5) Conducción forzada; 6) Túnel de flujo abierto de admisión; 7) Túnel de flujo abierto de escape; 8) Túnel de presión de admisión; 9) Embalse de carga 123 35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas Problemas de Funcionamiento (VI): Para minimizar los riesgos de un golpe de ariete (II): b) Sistemas de admisión en flujo abierto 1) Estructura de admisión; 2) Tanques de equilibrio (depósito de aire y chimenea de equilibrio); 3) Túnel de presión aguas abajo; 4) Sala de turbinas (central); 5) Conducción forzada; 6) Túnel de flujo abierto de admisión; 7) Túnel de flujo abierto de escape; 8) Túnel de presión de admisión; 9) Embalse de carga 124 35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas Una turbina Kaplan que gira a 75 rpm desarrolla 3.350 kW en un salto de 4,8 m. Calcular ns y el caudal de diseño 125