Turbomáquinas
Ingeniería Eléctrica
UNSAAC
CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERIA ELECTRICA
ASIGNATURA ASIGNA TURA DE TURBO TURBOMAQU MAQUINAS INAS
TURBINAS KAPLAN
Ing. Willy Morales Alarcón
2012 Ing. Willy Morales Alarcón
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CAPITULO VII TURBINAS DE HELICE Y KAPLAN 7.1.. 7.1
Defini Def inició ción n y Caracte Característ rística icass general generales es de las las turbin turbinas as hidráu hidráuli licas cas::
Las turbinas tipo Kaplan son turbinas de admisión total y clasificadas como turbinas de reacción.
Inventada por Víctor Kaplan en 191 1912. 2.
Son turbinas de reacción, de alabes orientables.
Utilizadas en pequeñas alturas y grandes caudales.
Se emplean en saltos de pequeña altura (alrededor de 50 m y menores 3
alturas), con caudales medios y grandes (aproximadamente (aproximadamente de 15 m /s en adelante).
Son las turbinas más económicas para medianas y grandes potencias.
Actualmente su rendimiento máximo llega a superar 95%.
A igualdad de potencia, las turbinas Kaplan son son menos voluminosas que las turbinas Francis.
Normalmente se instalan con el eje en posición posición vertical, si bien bien se prestan para ser colocadas de forma horizontal o inclinada
Una de las características fundamentales de las turbinas Kaplan constituye el hecho que las palas del rotor están situadas a una cota más baja que la cota del distribuidor, de modo que el flujo del agua incide sobre las palas en su parte parte posterior en dirección paralela al eje de la turbina
Debido a su singular diseño, permiten desarrollar elevadas velocidades específicas, obteniéndose buenos rendimientos, incluso dentro de extensos límites de variación de caudal.
Por su posición pueden ser eje vertical o de eje horizontal.
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Turbina Kaplan de eje vertical Ing. Willy Morales Alarcón
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Turbina Kaplan de eje horizontal 7.2. 7. 2.
Comp Co mpon onen ente tess de un una a Tu Turb rbin ina a Ka Kapl plan an
Dado el gran parecido con las turbinas Francis, todos aquellos componentes tienen la misma función y similares características. Tal ocurre con los elementos siguientes: a) Cá Cáma mara ra es espi pira rall b) Di Dist stri ribu buid idor or c) Rot oto or o rod odet ete e d) Tu Tubo bo de de aspi aspira raci ción ón.. e) Eje f) Eq Equ uip ipo o de de sel sella lado do g) Coj ojin inet ete e guía guía h) Co Coji jine nete te de em empu puje je El único único compone componente nte de las turbinas turb inas Kaplan, Kaplan, que que podr podría ía considerar consi derarse se como dist distinto into al de las turbinas Francis, es el rotor rotor o rode rodete. te.
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7.3. 7. 3.
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Roto Ro torr de de un una a Tu Turb rbin ina a Ka Kapl pla an
Se asemeja asemeja a la hélic hélice e de barco, barco, está está forma formado do por por un núme número ro deter determinad minado o de palas o álabes, de 2 a 4 para saltos de pequeña altura y de 5 e 9 cuando los saltos son mayores, por por supuesto supuesto dentro del campo de aplicación de las turb turbinas inas Kapla Kaplan. n. En las turbinas Kaplan, todas y cada una de las palas del rotor están dotadas de libertad de movimiento, pudiendo orientarse dentro de ciertos límites sobre sus asientos respectivos situados en el núcleo, llamado también cubo del rodete, adoptando posiciones de mayor o menor inclinación respecto al eje de la turbina según órdenes recibidas del regulador de velocidad. Las turbinas turbinas Kaplan Kaplan,, son también también conocid conocidas as como turb turbinas inas de doble doble regulación, por intervenir en el proceso de regulación tanto las palas del distribuidor, como sobre las palas del rotor dependiendo de las condiciones de carga y del salto existente. Con este procedimiento se consiguen elevados rendimientos, incluso para cargas bajas y variables, así como en el caso de fluctuaciones importantes del caudal. Las palas directrices del distribuidor, se gobiernan de forma análoga a como se realiza en las turbinas Francis. Para lograr el control adecuado de las palas del rotor, tanto el núcleo del rotor, como el eje de turbina, permiten alojar en su interior los distintos dispositivos mecánicos, tales como servomotores, palancas, bielas, destinados a dicho fin. 7.4. 7. 4.
Siste Sis tema mass de Go Gobi bier erno no de lo los alab alabes es del del rot rotor or::
Se distinguen tres sistemas de gobierno de las palas del rotor, dependiendo de la ubicación del servomotor de accionamiento en las distintas zonas del eje del grupo turbina-generador: turbina-generador: a) Se Serv rvom omot otor or en ca cabe beza za::
El servomotor está instalado en el extremo superior del eje, en la zona del generador.
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b) Ser Servom vomoto otorr int interm ermedi edio: o:
En este caso está situado en la zona de acoplamiento de los ejes de la turbina y del generador c) Se Serv rvom omot otor or en nú núccle leo: o:
Está alojado en el propi propio o núcleo del rotor Actualment Actua lmente e el empleo empleo de servom servomotor otor en el núcle núcleo o es el más utiliz utilizado ado,, con el se reducen las dimensiones y el número de elementos mecánicos que en los otros sistemas realizan la interconexión entre el servomotor y los ejes de las palas del rotor. En los sistemas de servomotor intermedio y en núcleo, los conductos de aceite entre regulador de velocidad y el servomotor se realizan mediante conductos concéntricos dispuestos dispuestos en el interior del eje del grupo turbinagenerador. En algunas algunas turbinas turbinas Kaplan Kaplan las palas del rotor rotor se pueden pueden orientar orientar con mecanismos accionados por motores eléctricos y reductores de velocidad ubicados en el interior del eje. En los rotores Kaplan, el interior del núcleo está lleno de aceite a fin de producir la estanqueidad para evitar el paso de agua a través de los ejes de las palas
7.5. 7.5.
Fund Fundam amen ento toss de cálc cálcul ulo o de una una tur turbi bina na de Hél Hélic ice e y Kapl Kaplan an::
La ecuación de la turbina turbina es:
µ2
w2 Ing. Willy Morales Alarcón
c2 Pág. 6
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1c1cos1 2 c2 cos 2 1c1cos1
1c 1
gH
gH
c1cos 1
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c 1
gH
Recuperación de la energía:
c3
2.g.HC
Donde: C: coeficiente de recuperación=0,3=30% recuperación=0,3=30% Diámetro de entrada del tubo de aspiración:
D3
4Q
c3
Sección de la entrada del tubo de aspiración:
S3
S4
4 4
2
D3
2
D4
Altura de aspiración: aspiración:
H S
B
,
H
Donde: σ: coeficiente de cavitaci ón.
B
,
B
altitud
1000
B=10 m de agua Si:
88% 7.6. 7.6.
Q 80% ( maximo)
Calcu Calculo lo de la Turb Turbin ina a de de Hélic Hélice e y Ka Kapl plan an:: a) Pote Potenc ncia ia Hidr Hidráu áuli lica ca::
N
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1000QH 75
CV
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b) Tubo Tubo de de aspi aspira raci ción ón::
Velocidad de entrada c3:
2 gHC
c3
C: coeficiente de recuperación=0,3 recuperación=0,3 o 30%
Sección de entrada S3:
S 3
c3
4Q
c3
Sección de salida S4:
S4
c4
4S 3
Velocidad de salida c4:
Q S 4
Diámetro de salida D4:
D4
Q
Diámetro de entrada del tubo de aspiración D3:
D3
4Q
c4
Altura de aspiración (Hs):
H S Ing. Willy Morales Alarcón
B
,
H Pág. 8
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Donde: σ: coeficiente de cavitaci ón.
B
,
B
altitud
1000
B=10 m de agua c) El ro rodete:
D2
El cabezal tiene una dimensión de:
Dn
0,995 D3
0, 4 D2
Diámetro Diámetro de entrada – Diámetro Diámetro medio medio
D1
Dn
D2
2
d) Diagra Diagrama ma de de velo velocid cidade adess Cµ1 Cµ1
µ1
Cm C1 Cm: Componen Componente te meridian meridiano o
1c 1
gH
c1cos 1 c1 c 1
c 1
cm1
sen cm1 tan
Luego:
1
gH c 1
e) Superf Superfici icie e de los alab alabes: 2
S
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D2
2
Dn
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Q Sc 2
D2
aadm .Q
cm1
cm1
4 2
0,8.Q
2
Dn
D2
2
Dn
cm1
4 4.(0,8).Q
2
( D2
2
Dn )
Además del triangulo de velocidades se tiene:
1
arctan
cm1
1 c 1
f) Anch Ancho o de la cor coron ona a dir directri ectriz: z:
Diámetro de corona: corona:
D0
D2
Asumimos que la corona tiene las mismas dimensiones del rodete para evitar fugas.
Componente meridiana:
cm 0
0,65cm1
0, 8.Q 0, 9.D0 . . B0 cm 0 B0
0,8.Q
0, 9. D0 . .cm 0
g) Salid Salida a del del rode rodete te::
µ2 α
1
2
2
90
c2
cm2
c2 es perpendicular a µ 2 h) Numero Numero de revo revoluc lucio iones nes::
n
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60. 1 . D1 Pág. 10
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Ejemplo: Dimensionar una turbina Kaplan para su máximo rendimiento que es de 3
87% el caudal de 6,5 m /seg. Y la altura útil de 5,5 m. La altitud de montaje es de 1000 msnm msnm y su coeficiente de cavitación es 0,82 además el ángulo de ataque o ingreso de agua es de 50°. a) Pote Potenc ncia ia hidr hidráu áuli lica ca::
N
N
1000QH
75 1000 x6,5 x5,5 x0,87 ,87
CV
75
414,7 CV
b) Tubo Tubo de de aspi aspira raci ción ón::
En la entrada:
c3
2.g.0,3H
S3 D3
4Q
2(9,81 ,81).(0,3) ,3)(5,5) ,5)
Q
5,69
c3
4 x6, 5
c3
x5,69
1,14 m
se g
2
1, 21 21 m 1210 mm
En la salida:
S4 c4 D4
6,5 6, 5
5,69 ,69 m /
Q
6,5 6, 5 4,56
S 4
4Q
4 S3
4 x6, 5
c3
4, 56 m
2
1, 43 43 m / seg
x1,43
2, 41 41 m 2410 mm
Altura Altura de aspiració aspiración n (Hs):
H S
B
,
H
Donde: σ: coeficiente de cavitación.
B
,
B
altitud
1000
B=10 m de agua Ing. Willy Morales Alarcón
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B
,
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1000
10
9m
1000 ,82).(5,5) 4, 49 m H S 9 (0,82 c) El ro rodete:
Diámetro:
D2 D2
0,99 ,995(1210 mm)
95 mm 1204 mm 1203, 95
D2
El cabezal: 0, 4 D2
Dn Dn Dn
0,995 D3
0,4( ,4(1204 mm)
481, 6 mm 482 mm
Diámetro Diámetro de entrada – Diámetro Diámetro medio medio
D1
D1
Dn
D2
2 482 1210 2104
843 mm
2
d) Diagra Diagrama ma de de velo velocid cidade adess Cµ1 2
S S
4
4
2
( D2
(1204
2
2
Dn )
4.(0,8).(6,5) 2
0,95 m
4.(0,8).Q
482
c 1
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2
Dn
12042 482 2
cm1 cm1
D2
2
)
21,89 ,89 m / seg
cm1 tan
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c 1
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21,89
tan50
c 1 18 18, 37 37 m / seg
1 1
gH c 1
0,87(9 0,87(9,, 81). 81).(5 (5,, 5)
18, 37
18, 37
1 2,55 m c1
2
cm1 sen
21,89
c1
46, 46, 94
sen50
c1 28 28, 57 57 m / seg i) Anch Ancho o de de la la cor coron ona a dir direct ectri riz: z:
Diámetro de corona: corona:
D0
D2
1204 mm D0 Asumimos que la corona tiene las mismas dimensiones del rodete para evitar fugas.
Componente meridiana:
cm 0
0,65cm1
0, 65 65(21, 89 89 m / seg )
cm 0
14 14, 22 22 m / seg cm 0 B0 B0
0, 9. D0 . .cm 0 0,8.(6,5)
0,9.( 0, 9.(1 1, 204). 204). .(14, .(14,22) 22) B0
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0,8.Q
110 mm
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j) Numero de revoluciones: revoluciones:
n n
60. 1 . D1
60.(2,55) .(0,843)
n 57,77 RPM
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