Calculo y Diseño Turbina Kaplan

Turbinas Kaplan Calculo y Diseño

Dimensiones de las turbinas Kaplan o Hélice 1 Tamaño del rodete Para determinar las dimensiones principales del rodete, el coeficiente de velocidad periférica Ø está definido como:

Para un valor dado de la velocidad específica (Ns) el diámetro de salida del rodete se puede calcular como

DM es igual a Dmáx Ht TUBO DE ASPIRACIÓN

2 Carcaza o caracol Rango de velocidad específica de 400 < Ns < 600 aproximadamente, se puede adoptar la carcaza de acero o de concreto, dependiendo de las características particulares de la central hidroeléctrica. Este rango de Ns corresponde rigurosamente a cargas de diseño (Hd) entre 15 y 35 m. La carcaza de acero se recomienda para cargas Hd > 15 m y potencia de diseño Pt > 70 MW. La carcaza de concreto se utiliza para cargas de diseño Hd > 40 metros y potencia de diseño 50 < Pt < 100 MW. De lo anterior se puede decir que las carcazas de concreto operan con cargas mayores que las de acero y potencias del mismo rango

FIGURA: Dimensiones de las carcazas de concreto (izquierda) y acero (derecha)

FIGURA: Velocidad específica. Dimensiones de la carcaza. Velocidad específica con unidades en sistema métrico y potencia en kW

3 Tubo de aspiración Las funciones de interpolación, cuyas expresiones son:

FIGURA: Velocidad específica Dimensiones del tubo de aspiración. Ns con unidades en sistema métrico y potencia en kW

FIGURA: Velocidad específica Dimensiones del tubo de aspiración. Ns con unidades en sistema métrico y potencia en kW

Gráfico para para la determinación del número específico en función de la atura neta. Fuente: Cía. Th. Bell KriensLucerna. Suiza.

CAVITACION EN TURBINAS

Fig. . Altura del tubo difusor, Hs, para evitar la cavitación

Analizando la ecuación anterior, el peligro de cavitación será mayor si el valor de p2 es menor y esto ocurre cuando: a) La patm es menor, dependiendo del lugar. b) La velocidad a la salida del rodete C2 sea mayor. c) La altura Z2 sea mayor. d) Las pérdidas de energía H2-z sean menores. Llamando a Z2 = HS = altura de aspiración o de succión entonces:

De la ecuación anterior se evidencia que el tubo de aspiración: - Recupera la altura de aspiración creando una presión a la salida del rodete (función aspiradora). Gasta la altura de elevación para convertirla en presión hasta patm. - Recupera la energía cinética a la salida del rodete creando una depresión a la salida del mismo (función difusora).

Los experimentos llevados a cabo por Thoma en modelos hidráulicos demostraron que, para que no exista cavitación se debe cumplir que:

Fórmula de Thoma

Para que la columna de agua no se despegue de las paredes del tubo difusor el valor de HS tiene que ser menor de 6 m en las turbinas Francis y menor de 4 m en las Kaplan y de Hélice. Cuanto más rápida es la turbina (nS grande) mayor es el peligro de cavitación, por tanto, este peligro es mayor en las turbinas Kaplan que en las Francis y en éstas que en las Pelton. Si se desea construir una turbina muy rápida sin el peligro de la cavitación, el coeficiente de Thoma será grande y para ello, al no poder modificarse patm/Ɣ, convendrá disminuir HS. El tubo de aspiración acodado permite disminuir HS contando con suficiente longitud para realizar la recuperación de energía cinética. La altura de succión HS puede ser positiva o negativa, es positiva si el desagüe se encuentra por debajo del rodete, negativo en caso contrario como suele suceder en lugares elevados donde la presión atmosférica es pequeña.

Valores del coeficiente de Thoma Datos experimentales:

Tabla de Kratochvil SCHAPOV:

Ejemplo 1 Para un proyecto hidroeléctrico se tiene la siguiente información: H = 85 m; Pa = 135 MW, f = 60 Hz; p = 22; altitud = 680 msnm; Temperatura del agua =20°C. Determine: a) El número y tipo de unidades a instalarse. b) La altura de aspiración, HS c) Si se coloca una unidad adicional ¿Cuál sería el tipo conveniente y la nueva HS? Solución: