Diseño de una Turbina Hidraulica

Bombas y Turbinas Hidraulicas

Diseño de Turbina Hidraulica

INDICE 1. 2. 3. 4. 5. 6.

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OBJETIVO DATOS PARA EL CÁLCULO FUNDAMENTO TEORICO PROCEDIMIENTO DE CALCULOS CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFIA

3 3 3 6 14 15

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1. OBJETIVO: Aplicar los conocimientos previos y los fundamentos de Ingeniería para el cálculo de una Turbina Hidráulica.

2. DATOS PARA EL CÁLCULO  H = 100m  Q = 780 /s 



agua

 1000kg / m3

Se trata de establecer el diámetro y tipo de turbina que se deben instalar, señalando sus características principales, considerando que los datos son para un aprovechamiento hidráulico, dicha planta estará conectada a un sistema de gran capacidad, aun dentro de la importante aportación de esta instalación. 3. FUNDAMENTO TEÓRICO Turbina hidráulica Una turbina hidráulica es una turbo máquina motora hidráulica, que aprovecha la energía de un fluido que pasa a través de ella para producir un movimiento de rotación que, transferido mediante un eje, mueve directamente una máquina o bien un generador que transforma la energía mecánica en eléctrica, así son el órgano fundamental de una central hidroeléctrica. Clasificación: Por ser turbo máquinas siguen la misma clasificación de estas, y pertenecen, obviamente, al subgrupo de las turbo máquinas hidráulicas y al subgrupo de las turbo máquinas motoras. En el lenguaje común de las turbinas hidráulicas se suele hablar en función de las siguientes clasificaciones: De acuerdo al cambio de presión en el rodete o al grado de reacción 

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Turbinas de acción: Son aquellas en las que el fluido de trabajo no sufre un cambio de presión importante en su paso a través de rodete.

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Bombas y Turbinas Hidraulicas 


Turbinas de reacción: Son aquellas en las que el fluido de trabajo si sufre un cambio de presión importante en su paso a través de rodete.

Para clasificar a una turbina dentro de esta categoría se requiere calcular el grado de reacción de la misma. Las turbinas de acción aprovechan únicamente la velocidad del flujo de agua, mientras que las de reacción aprovechan además la pérdida de presión que se produce en su interior. De acuerdo al diseño del rodete Esta clasificación es la más determinista, ya que entre las distintas de cada género las diferencias sólo pueden ser de tamaño, ángulo de los álabes o cangilones, o de otras partes de la turbo máquina distinta al rodete. Los tipos más importantes son: 

Turbina Kaplan: son turbinas axiales, que tienen la particularidad de poder variar el ángulo de sus palas durante su funcionamiento. Están diseñadas para trabajar con saltos de agua pequeños y con grandes caudales.(Turbina de reacción)



Turbina Hélice: son exactamente iguales a las turbinas kaplan, pero a diferencia de estas, no son capaces de variar el ángulo de sus palas.

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Bombas y Turbinas Hidraulicas 


Turbina Peltón: Son turbinas de flujo transversal, y de admisión parcial. Directamente de la evolución de los antiguos molinos de agua, y en vez de contar con álabes o palas se dice que tiene cucharas. Están diseñadas para trabajar con saltos de agua muy grandes, pero con caudales pequeños.(Turbina de acción)

Turbina Peltón Turbina Francis: Son turbinas de flujo mixto y de reacción. Existen algunos diseños complejos que son capaces de variar el ángulo de sus álabes durante su funcionamiento. Están diseñadas para trabajar con saltos de agua medios y caudal medios.

Turbina Francis

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4. PROCEDIMIENTO DE CÁLCULOS a) La potencia total disponible considerando un rendimiento total de 87%: P

 QH 0.87 x1000x 780x100   9.048x10 5 CV 75 75

b) Para estimar el número de turbinas y tipo de las mismas, es un dato importante saber que la planta estará interconectada a un sistema de gran capacidad. Se puede así pensar en el empleo de unidades de gran potencia .Se va a suponer; que el problema de excavación y otros de realización, transporte e instalación, no son inconvenientes en este caso para el uso de unidades grandes. Para la potencia total disponible, dentro de las técnicas de construcción actuales y considerando un equilibrio en la operación de la planta, se pueden admitir: Cuatro unidades de 226000 CV cada una. El caudal por unidad será 780/4=195

/s

c) Para la carga de 100m y el caudal de 195 /s o potencia de 226000CV, se puede estimar la velocidad específica y definir el tipo de turbinas. En la figura 4.29 del libro Polo Encinas se advierte para dichas condiciones que la solución por turbinas Francis es la más adecuada. La velocidad específica depende ahora de la altura de aspiración que se escoja, la cual hay que ajustar con el valor del coeficiente de cavitación dado por las graficas de las figuras 4.27 y 4.28 de dicho libro. Como son maquinas de gran potencia con gran ponderación del caudal, la velocidad específica debe ser más alta y la altura de aspiración reducida. Del siguiente grafico:

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Tomamos como primera aproximación n s  210 para H = 100m .Para este valor de n s  210 se tiene un valor de coeficiente de cavitación; del siguiente grafico sacamos este dato:

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Coeficiente de Cavitación:   0.13 si se admite para el lugar de la instalación una presión atmosférica equivalente a 10 m de agua, se tiene: 

H at  H s Hn

H s  H at  H s  H s  10  0.13x100  3.13m

Se puede establecer un reajuste de la velocidad especifica ante ese valor de  , pero nos llevaría a mayores valores de n s y de  , fuera de limites aceptable. d) Se calculará pues la velocidad de giro sobre el valor de n s  210 , aplicando la formula de la velocidad específica, o sea: ns 

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N(CV ) H

5

1

2

4

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210 

N(226000) 100

5

1


2

4

Sustituyendo valores tenemos: 210 

N(226000) 100

5

1

2

4

De donde: N = 140rpm Si la velocidad de sincronismo es en este caso de 50ciclo/s el número de polos del generador seria: 120f 120x50  N 140 p  42.8polos p

Ajustando p = 44 polos, que es múltiplo de 4, queda: 120f p 120 x 50 N 44 N

N = 136.4 rpm La velocidad de giro definitiva será pues: N = 136.4 rpm La velocidad específica queda ligeramente corregida y encajada en valores completamente aceptables o sea: ns 

136.4(226000) 100

5

1

2

4

n s  205

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La altura de succión para las condiciones de diseño será: H = -3.10 m Esto quiere decir que el plano ecuatorial del distribuidor deberá estar a un nivel 3.1m es inferior al del nivel de aguas abajo. e) Los diámetros D1 y D2 del rodete Francis se calculan por los coeficientes 1 y  2 . Para n s =205, en los gráficos 4.12a y 4.12b del libro Polo Encinas n tenemos:

1 

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ND1 (2gH)

1

2

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2 

ND 2 (2gH)

1

2

Resultan 1 = 0.76 y  2 = 0.78, esto es casi iguales en este caso. Lo que quiere decir que los diámetros D1 y D2 van a ser casi de la misma dimensión. Sustituyendo los valores de los coeficientes en las formulas correspondientes, se tiene: 1 

ND1 (2gH)

1

2

 (2gH) D1  1 

1

2

0.75(2x9.81x100) D1  136.4  60

Ahora:  2 

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1

2

 4.67m

ND 2 (2gH)

1

2

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 (2gH) D2  2 

1


2

0.78(2x9.81x100) D1  136.4  60

1

2

 4.84m

La altura del distribuidor B se define de la figura 4.12b del libro Polo Encinas; para n s =205 resulta:

B  0.24 D1

Luego: B = 0.24x4.67=1.13m f) Para la cámara espiral o caracol se tiene: D e  11.7(

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Q H

1

)

1

2

2

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En la cual D e viene dado en pulgadas, Q en


/s y H en pies. Sustituyendo

se tendrá: 195 1 D e  11.77( 0.0283 1 ) 2 (100x3.28) 2

D e = 5.76m

Con este valor y mediante la formula: 2 D x 5 De

Se puede calcular el diámetro en cualquier sección y diseñar al caracol. El diámetro ecuatorial máximo se puede obtener de la ecuación: Dem = 1.5 (D2) + 1.5 De Dem = 1.5 (4.86) + 1.5 (5.77) = 15.93m g) Las dimensiones del tubo de desfogue acodado se pueden determinar por las por las siguientes formulas: La anchura máxima será: A =3D2 A = 3x4.84 = 14.52m Altura vertical desde el plano ecuatorial del distribuidor a la parte inferior del codo: V = 2.7D2

V = 2.7x4.84 =13.068m Longitud horizontal desde la línea central del eje de la turbina al extremo de la descarga:

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L = 3.8D2 = 3.8x4.84 = 18.39 m Todos estos valores pueden servir de base para establecer la similitud con un modelo reducido, proceder a una experimentación sobre el mismo y observar los resultados que puedan conducir a las dimensiones definitivas del prototipo. En una obre de esta importancia estaría justificado. 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES El diseño de una turbina hidráulica es fundamental en la generación de corriente eléctrica que influye en el análisis de situaciones reales a las que nos podemos enfrentar como Ingenieros.

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6. BIBLIOGRAFIA  Manuel Polo Encinas, (1975) “Turbomaquinas Hidraulicas” (1ra Ed.), Editorial Limusa  Claudio Mataix, (1982) “Mecanica de Fluidos y Maquinas Hidraulicas” (2da Ed.) Editorial Omega.

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