TURBINAS HIDRAULICAS 1) OBJETIVO: Estas turbomáquinas transforman energía de fluido en energía mecánica entregada en un eje. Si el fluido es agua en condiciones ambientes (proveniente de ríos, lagos naturales o artificiales) se habla de turbinas hidráulicas y es una de las formas en que se manifiesta la energía solar.
2) ESQUEMA DE UNA CENTRAL HIDROELECTRICA
REFERENCIA HISTORICA 1838 1880 1913-1925 1956
Samuel Dowd patentó una turbina similar a la de Francis (James Bicheno Francis 1815-1892) Lester Allen Pelton desarrolló la turbina de su nombre. Idem Kaplan. Deriaz diseñó una turbina tipo Francis pero con álabes móviles.
3) COSTOS DE INVERSION APROXIMADOS (no considera operación ni mantención) pero es un indicador i ndicador primario usual. Micro y Mini Centrales entre 1500 y 4500 US$/kW Grandes Centrales, del orden de 1200 US$/kW
4) DEFINICIONES a) ALTURA BRUTA (Hb): Es el Bernoulli en la superficie libre del agua en la represa o embalse medido con respecto a: - Entrada de la turbina (si es turbina de acción). - Superficie libre del fluido en el canal de descarga (si es turbina de reacción) Su magnitud varía entre menos de 1 m y 1800 m aproximadamente. Los valores más grandes conocidos son de: 1765 m para una turbina Pelton. 522 m para una turbina Francis. 80 m para una turbina Kaplan.
b) ALTURA NETA (Hn): Es la altura bruta menos las pérdidas de carga regulares y singulares en la conducción del agua ( canales, conducto de presión, conducto de descarga también llamado de “aspiración”). El valor de Hn depende obviamente de la magnitud de dichas pérdidas, las que se determinan durante el diseño mediante cálculo técnico y económico. Hn = Hb - Perd Si la turbina está instalada, con instrumentos de medida adecuados y con circulación de fluido, la Hn también se puede obtener mediante mediciones y cálculos: - Del Bernoulli a la entrada de la turbina (si es de acción).
Hn = Be
- De la diferencia de Bernoulli entre la entrada (e) y la salida (s) de la turbina (si es de reacción). Hn = Be - Bs c) POTENCIA BRUTA (Nb): Se calcula a partir de la Hb y el caudal promedio del recurso hidráulico, datos que se evalúan a lo largo de los años en lugares que se estima como adecuados para instalar futuras centrales hidroeléctricas. Nb Q Hb
d) POTENCIA NETA (Nn): Esta potencia de fluido se entrega a la turbina para que la transforme en potencia en el eje. Nn Q Hn
e) POTENCIA EN EL EJE (Neje): Se debe calcular a partir de mediciones reales del momento (M) o torque y de la velocidad angular o las RPM. Neje M M
2 RPM 60
Las turbinas cubren un amplio rango de potencias, desde menos de1 HP hasta más de 1.000.000 HP por unidad. f) RENDIMIENTO ( ): Se define al revés que en bombas y ventiladores, es decir,
Neje 100 100% Nf
Todas las turbinas alcanzan rendimientos mayores que 80 % al menos para un cierto rango de caudales.
5) LEYES DE SEMEJANZA PARA TURBINAS En este caso las variables de operación como las RPM (n), el caudal (Q) y la potencia en el eje (N) se expresan en función del diámetro del rodete (D) y de la altura neta (Hn). Si la geometría del rodete NO cambia Da/Db = 1 Si la altura bruta o neta
Db Ha RPMb Da Hb RPMa
1 2
Da Qb Db Qa
2
NO cambia Ha/Hb = 1
Ha Hb
1 2
Da Nb Db Na
2
Ha Hb
3 2
(En rigor son las mismas de turbomáquinas generadoras (bombas o ventildores), anotadas de otra forma).
6) CLASIFICACIONES a) Según dirección del flujo:
- Radial (Francis) - Radioaxial (Francis) - Axial (Hélice y Kaplan) - Tangencial (Pelton)
b) Según posición del eje:
- Horizontal - Vertical
c) Según el grado de admisión: - Total (rodete lleno de agua) - Parcial d) Según grado de reacción ( ):
0<
= 0
<1
variacion de cot a piezometrica en el rodet e Altura neta
en turbinas de acción (Pelton, Banki) en turbinas de reacción (que son la mayoría, como por ejemplo turbinas Francis, Hélice y Kaplan).
e) Según potencia de la central hidroeléctrica: - Microcentrales 1a 100 kW - Minicentrales 100 a 1.000 kW - Pequeñas 1.000 a 10.000 kW - Medianas 10.000 a 100.000 kW - Grandes 100.000 y más kW
f) Según el número específico de revoluciones (ns) Similar a lo comentado para bombas, este número se deduce de leyes de semejanza y relaciona las características de RPM, potencia en el eje (Neje) y la altura neta (Hn) del punto de rendimiento máximo, si se conoce dicha información. De lo contrario, los diseñadores recurren a la experiencia acumulada, que se presenta en tablas o gráficos y que informa rendimientos típicos en función del número específico de revoluciones. ns
RPM Neje Hn1,25
CLASIFICACION SEGUN EL NUMERO ESPECIFICO DE REVOLUCIONES En esta tabla la potencia en el eje (Neje) debe estar en CV y la altura neta (Hn) en m. Pelton Banki Francis y Deriaz
Tipo de Turbina de 1 tobera de 2 o más toberas
Lenta Normal Rápida Extra-rápida Hélice y Kaplan
Ns 10 a 30 30 a 60 20 a 200 50 a 125 125 a 225 225 a 350 350 a 450 400 a 1000
Flujo Tangencial
Acción/Reacción Acción
Radial Radial Radial Radioaxial Radioaxial Axial
Acción Reacción Reacción Reacción Reacción Reacción
A MAYOR ns AUMENTA EL CAUDAL Y DISMINUYE LA ALTURA NETA Como se observa, no hay límites absolutos entre los distintos tipos de turbina.
http://uved.univ-perp.fr/module2/co/2-turbines.html
7) POTENCIA DE LAS CENTRALES MAS GRANDES DEL MUNDO a) Tres Gargantas en China:
22.400 MW (32 turbinas de 700 MW)
b) ITAIPU (Brasil-Paraguay):
14.000 MW (20 turbinas de 700 MW)
8) PRE DISEÑO O SELECCION DE TURBINAS. Los datos mínimos iniciales para el diseño o selección de turbinas son la información de la altura bruta y el caudal disponible, lo que permite calcular la potencia bruta y con estimaciones de rendimiento se obtiene la potencia neta (con su correspondiente altura neta) y la potencia en el eje, lo que permite calcular:
√
A dicho número se le asocian RPM, las que dependen de la frecuencia (F) y el número de pares de polo del generador de electricidad.
Lo que permite obtener un número específico y empezar a definir el tipo de turbina ns
RPM Neje Hn1,25
En textos y manuales se entrega información de rendimientos, geometría del rodete y de álabes, RPM, coeficientes de velocidad, etc. en base al número específico de revoluciones (tener cuidado con las unidades de medida que se hayan considerado en su cálculo).
9) SELECCION DE TURBINAS EN FUNCION DE LA ALTURA DE CAIDA Y EL NUMERO ESPECIFICO DE REVOLUCIONES (ns)
(Hs = energía por unidad de peso de fluido a la salida de turbinas de reacción que poseen conducto de descarga).
10) RODETES DE TURBINAS SEGUN ALTURA NETA Y NUMERO ESPECIFICO DE REVOLUCIONES
11) TURBINAS: RENDIMIENTOS COMPARADOS
12)
INFORMACION DE ALGUNAS CENTRALES HIDROELECTRICAS DE CHILE
13) TURBINAS: COMPARACION DE CARACTERISTICAS GENERALES
Nombres de turbinas Conducto de aducción Voluta Sistema de distribución Rodete
Presión en el rodete Tubo de descarga
Turbina de acción Pelton y Banki Si No Válvula aguja y tobera Parcialmente inundado. Pelton: Flujo tangencial Banki: Flujo radial No (turbina de acción) Sin función energética
Turbina de reacción Francis y Kaplan Si Si Fink: compuesto de álabes directrices fijos o móviles, entre la voluta y el rodete Completamente inundado. Francis: Flujo desde radial hasta mixto. Kaplan: Flujo axial Si (turbina de reacción) Cumple función energética
14) TURBINAS DE ACCION 14.1) TURBINA PELTON
Rodete, Tobera y Válvula aguja
Turbina PELTON: Características geométricas y coeficientes de velocidad
Rango usual : 8
Drodete Dchorro
12
Drodet e RPM
U
60
2 g Hn
coeficiente de velocidad tangencial 0,46 0,5 (rango normal)
Potencia neta:
Nn Q Hn Q Be
(Be = Bernoulli a la entrada de la válvula aguja) Velocidad del agua a la salida de la tobera: Potencia a la salida de la válvula aguja:
C1
2 g Hn
Nsva Q
Potencia aprovechada en los álabes: N alabes
g
0,96 1
C21 2g
Q U (C1 U) (1 cos 2 )
(Ecuación de la potencia que NO considera el roce en el álabe)
2 ángulo de salida del álabe y en dicha ecuación es del orden de 10 °. (a menor ángulo mayor potencia aprovechada en los álabes).
14.2) TURBINA BANKI, OSSBERGER o MICHELL Esta es una turbina de acción, de construcción relativamente sencilla, que se adapta bien a caudales variables en proporciones de 1/3, 2/3 y 3/3, con buen rendimiento.
1) Carcasa 2) Alabes directrices 3) Rodete 4) Descanso 5) Caja angular 6) Válvula de aireación. 7) Tubo de descarga 8) Conexión al conducto de aducción.
15) TURBINAS DE REACCION 15.1) Introducción Como se indicó, reacción implica que en el rodete se produce variación de cota piezométrica y para tal efecto estas turbinas deben trabajar totalmente inundadas, para que se pueda transmitir las variaciones de energía. Su forma se puede asociar a las bombas tipo turbomáquinas, pues son de la misma familia, pero la circulación del fluido ocurre en sentido inverso. El agua entra por la voluta, pasa por el sistema FINK que la orienta hacia la periferia del rodete, recorre los álabes y sale por el centro del rodete hacia el conducto de descarga. La figura muestra la evolución del rodete según el número específico de revoluciones (ns)
15.2) Regulación de caudal con el sistema de distribución FINK El sistema FINK realiza una función similar a una válvula, es decir, regula el caudal que ingresa al rodete. Además, le imprime cierta orientación a la velocidad absoluta C1 para que entre con el ángulo α1 más adecuado, según la geometría y RPM de diseño. Sin embargo, si el caudal es diferente al de diseño el sistema FINK debe cambiar la orientación C1 lo que debería asociar un cambio del ángulo β1 definido en el diseño y construcción del álabe.
U1 α1
β1
C1
C1m = Q menor al de diseño / A1
W1
C1m = Q diseño / A1
C1m = Q mayor al de diseño / A1
Dicha cambio de ángulo no es posible, en general, pues los rodetes de las turbinas se construyen con álabes fijos, salvo los rodetes de turbinas Deriaz y Kaplan cuyos álabes del rodete son móviles y le permiten adaptarse a condiciones de carga variable. Obviamente, en la salida del álabe se produce una situación similar para caudales distintos al de diseño. Naturalmente, si se tiene garantía de un suministro de caudal constante durante todo el periodo de operación, los álabes directrices del FINK también pueden ser fijos, lo que reduce el costo de la turbina. Como se sabe, entre otros factores, las pérdidas de carga se producen cuando hay cambio de velocidad en magnitud, dirección y/o sentido. Por tal razón, si se prevé que el caudal disponible será variable, la posición de diseño del FINK se define para una posición intermedia (ejmplo: 3/4 Q máximo). De esta forma si el caudal aumenta o disminuye, los cambios de dirección de la velocidad absoluta son menores. Esta es una de las razones que explica el buen rendimiento en un amplio rango de caudales, turbinas Deriaz y Kaplan.
15.3) TURBINAS FRANCIS: Características geométricas y de velocidades. Voluta
Sistema FINK
Freno para medir potencia en el eje
Rodete FRANCIS de número específico ns = 300 aprox.
VALORES CARACTERISTICOS DE TURBINAS FRANCIS ns
60
100
200
300
400
500
B/D1
0,05
0,1
0,24
0,31
0,36
0,38
α1
15º
22º
34º
38º
39º
40º
β1
120º
97º
83º
60º
51º
45º
Ku1
0,707
0,742
0,785
0,814
0,825
0,832
Ku2
0,365
0,5
0,767
1
1,21
1,44
Kcm1 0,15 0,17 0,24 0,28 0,3 0,31 α1 = ángulo con que el sistema FINK envía la velocidad absoluta a la
β1 =
entrada del rodete. ángulo del álabe a la entrada del rodete.
K = coeficientes de velocidad
Ej.: U1 Ku1
2 g Hn
D1 RPM 60
15.4) TURBINAS AXIALES
Turbina KAPLAN (axial con álabes móviles)
Esquema real de la instalación de una central hidroeléctrica con turbina Kaplan de eje vertical
15.5) INFLUENCIA DEL TUBO DE ASPIRACION (descarga) EN TURBINAS DE REACCION.
El uso de tubo de descarga, permite un mejor aprovechamiento de la energía disponible, pues la turbina descarga a presión más baja que la atmosférica. La forma del tubo es troncocónica para disminuir la velocidad con que el agua abandona el sistema, la que conviene que sea lo menor posible. Además, el ángulo del tronco de cono es fundamental en el mayor o menor aprovechamiento de dicha energía, por corresponder a un escurrimiento de tipo divergente (ver la figura siguiente).
Observación: Como en este tubo existen presiones de vacío, también existe el riesgo de cavitación.
16) CURVAS CARATERISTICAS DE TURBINAS Las turbinas (de acción o de reacción) son motores y sus curvas características se obtienen de ensayos, en los que se mantiene constante la altura neta y mediante el sistema de distribución (válvula aguja o Fink) se fijan distintos caudales. Para cada caudal y distintas RPM, se mide el torque, lo que permite calcular la potencia en el eje que es capaz de desarrollar la turbina. Las formas típicas de las curvas características se muestran en la siguiente figura. Además, se suele superponer las curvas de rendimiento constante, similar a la información de bombas y ventiladores.
Torque
Potencia Eje
Altura neta = constante Q1< Q2 < Q3 Q 3 = constante
Q 2 = constante
Q 1 = constante
RPM oooOOOooo
