Características de funcionamiento de las turbinas hidráulicas Generalidades
El funcionamiento de las turbinas hidráulicas difieren esencialmente a los motores térmicos mientras que estos dependen del combustible , vapor. Mientras que las turbinas hidráulicas dependen del caudal de agua a emplearse según la estación del año . Con los embalses embalses se puede conseguir regulaciones diurnas, mensuales o anuales consiguiendo un caudal constante o un caudal proporcional a la carga instantánea. Es de gran interés para los encargados de una central conocer la relación de caudal , altura de salto, potencia , velocidad y rendimiento con el objetivo de determinar la elección adecuada de la turbina para asi tener un máximo aprovechamiento hidroeléctrico. Potencia
Velocidad de las turbinas hidráulicas
Las turbinas hidráulicas trabajan a velocidades relativamente bajas que oscilan entre 75 y 600 rpm
Velocidad especifica
Se denomina velocidad especifica de una turbina hidráulica a la velocidad velocidad a la cual trabajaría una turbina .
Campo de aplicación de las turbinas hidráulicas
Según la altura del salto , la potencia a desarrollar y la velocidad de la turbina , obtendremos una velocidad especifica determinada y el tipo de turbina mas adecuado .
Rendimiento de las turbinas hidráulicas
En todas las maquinas , durante el funcionamiento de las turbinas se producen perdidas de energía y las principales causas son a) Rozamiento del agua en el distribuidor b) Perdidas producidas por el choque de entrada y por el cambio brusco de velocidad de los filetes de agua que salen del distribuidor y chocan con los bordes de los alabes del rodete c) Rozamiento del agua en el tubo de aspiración d) Distancia que hay entre el distribuidor y el rodete por donde se escapa una parte del agua e) Resistencias pasivas en los cojinetes , gorrones , etc f) Velocidad de salida del agua que, aunque sea pequeña , es necesara para que salga al exterior de la turbina. En las turbinas modernas el rendimiento es elevado y oscila entre 0,85 y 0,95 El conjunto de todas estas pérdidas determina, como hemos dicho, el rendimiento de la turbina. En las turbinas modernas, el rendimiento es elevado y oscila entre 0,85 y 0,95. En una misma turbina, los rendimientos son muy variables y dependen, naturalmente, del caudal ya que la altura del salto es constante. A falta de otros datos, las turbinas se proyectan para que sus rodetes den el máximo rendimiento a los 3/4 de carga, es decir, para un caudal igual a tres cuartos del máximo admisible. De esta forma, se consigue que las turbinas no tengan un rendimiento excesivamente bajo a carga parcial, teniendo en cuenta que, por lo general, durante el año, trabajan más horas a carga parcial que a plena carga. Las variaciones de rendimiento son distintas para los diferentes tipos de turbinas que hemos estudiado. En la figura se muestran las curvas de rendimiento en función del porcentaje de carga de distintos tipos de turbinas.
En la figura anterior, podemos apreciar que las turbinas Pelton tienen un excelente rendimiento entre 0,3 y 1,00 del caudal máximo; por lo tanto en centrales equipadas con este tipo de turbinas resultará conveniente instalar pocas unidades. Por el contrario, el rendimiento de las turbinas Francis es bueno solamente en un intervalo reducido, entre 0,6 y 1,00 del caudal máximo; lo que muere decir, indudablemente, que la explotación económica de las centrales equipadas con turbinas Francis será óptima solamente ,cuan4p cada turbina trabaje con cargas no menores del 0,6 de la carga total.
Veamos ahora unos ejemplos de aplicación de la tabla de la figura . Supongamos un salto de agua de 150 m con un caudal de 50 m^3/seg, con generador 10 generadores; eléctrico de 10 pares de polos es decir (ver la tabla 1 ), de 300 r.p.m. La turbina (o turbinas) irá directamente acoplada al generador y. por lo tanto, su
velocidad será también de 300 r.p.m. Vamos a ver que tipo de turbina tenemos que elegir, si disponemos uno, dos, tres y cuatro grupos turbina-Generador . La velocidad especifica es un indico para determinar, en cada caso, cuál es el tipo de turbina más apropiado. En efecto, según pruebas experimentales efectuadas, las turbinas tienen buen rendimiento solo entre ciertos límites de su velocidad específica. Por ello, dicha velocidad específica ha de servir de indicación para la elección de la turbinas conveniente en cada caso; y como las turbinas semejantes tienen el mismo rendimiento, la velocidad especifica sirve de base a los constructores de turbinas para normalizar su construcción, según modelos reducidos que se ensayan en laboratorios adecuados. Para dar una idea del 'significado físico de la velocidad especifica, en la figura 39 se han representado las dimensiones de 4 rodetes de turbina, que corresponden, a 4 turbinas distintas, que desarrollarían a misma potencia pero trabajando a distintas velocidades, bajo la misma altura de salto. En la figura 40 se muestran las curvas comparativas de potencia y rendimiento, de los rodetes representados en la figura 39. Estos rodetes corresponden:
N1
=
155 Turbina Francis
normal.
N2
=
235 Turbina Francis
rápida.
N3
=
376 Turbina Francis
extrarrápida.
N4
=
635 Turbina Kaplan rápida.
Campo de aplicación de las turbinas hidráulicas
Según la altura del salto, la potencia a desarrollar vía velocidad de la turbina, obtendremos una velocidad especifica determinada, y e! tipo de turbina más adecuado. Teniendo en cuenta este criterio, se expresa en la tabla 3, el tipo de turbina mas adecuado en función de la velocidad específica. Como complemento de esta tabla, véase en la figura , y según datos facilitados por la firma VOITH, expresadas gráficamente las velocidades específicas de los distintos tipos de turbinas en función de las alturas de saltos.
Ejemplo Supongamos un salto de agua de 150 m con un caudal de 50 m3/seg. Con generador eléctrico de 10 pares de polos es decir de 300 rpm . La turbina ira directamente acoplada al generador y su velocidad también será de 300 rpm. Verificar que tipo de turbina tenemos que elegir , si disponemos uno, dos, tres, y cuatro grupos turbina-generador. a) Para un grupo turbina-generador
Velocidad especifica
Según la tabla y la figura no hay ningún tipo de turbina que trabaje a buen rendimiento , en estas condiciones . por lo tanto tendríamos que dividir en dos o mas grupos turbina-generador
b) Para 2 grupos turbina-generador
Velocidad especifica
Tampoco existe el tipo de turbina adecuado c) Para 3 grupos turbina-generador
Velocidad especifica
Corresponde a una turbina Francis lenta, con cámara forzada en espiral d) Para 4 grupos turbina-generador
Velocidad especifica
Corresponde a una turbina Francis lenta, con cámara forzada en espiral
Otras
normas para la elección de la turbinas hidráulicas
1. Los alternadores acoplados mecánicamente a las turbinas resultan tanto mas económicos de construcción cuando menos pares de polos posea son mas fáciles de montar 2. La turbina kaplan es de menos coste que la turbina francis y además su velocidad especifica es mayor por lo que se tendría que realizar un estudio económico comparativo del coste del conjunto turbinagenerador 3. Los limite constructivos de potencia son Kaplan saltos de poca altura (hasta 20 m)=200.000 CV Francis saltos de media altura (20 a 200 m )= 1000.000 CV Francis y Pelton saltos de gran altura (200 a 500m)= 600.000CV Pelton saltos de mas de 500 m = 200.000 CV 4. En los saltos de pequeña altura , la experiencia ha demostrado que es mas favorable instalar el menor numero posible de unidades en relación con la potencia máxima necesaria . 5. En los saltos de media y gran altura de hasta 400 m puede resultar ventajosa la elección del tipo de turbina Francis , que tiene un buen rendimiento entre le 60 y el 100% 6. En los saltos mayores a los 400 m pueden instalarse turbinas pelton 7. La subdivisión en dos o mas grupos , trae siempre como consecuencia el encarecimiento de la instalación , suponiendo que el coste de un grupo es la unidad , el coste con varios grupos tiene los siguientes valores: Solución de un solo grupo ««««««««.1,00 Solución de dos grupos«««««««««..1,40 Solución de tres grupos «««««««««1,60
UNIVERCIDAD
PRIVADA DEL VALLE
FACULTAD DE TECNOLOGIA INGENIERIA ELECTROMECANICA
Características de funcionamiento de las turbinas hidráulicas Trabajo realizado para Centrales Electricas
Estudiantes: Pablo Guille Pablo Nuez Jaime Fernando Dávalos Castellón Docente: Ing. Marcelo Hinojosa Fecha: 8 de septiembre del 2011
Cochabamba - Bolivia
