UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA FACULTAD DE INGENIERÍA E.A.P INGENIERÍA MECÁNICA
DISEÑO MECANICO DE UNA TURBINA KAPLAN PARA UNA MICRO CENTRAL HIDROELÉCTRICA HIDROELÉCTRICA EN LA ZONA DE TAMBORREAL
I. GENERALIDADES 1.1 Titulo: “DISEÑO DE UNA TURBINA KAPLAN PARA UNA MINI CENTRAL HIDROELÉCTRICA EN LA ZONA DE TAMBORREAL” 1.2 Autores: •
Blas Espinoza NEYSSER EDUARDO
•
Chávez Huingo MARIANO ANTONIO
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Reyes Aranda JOANÁN MAURO
1.3 Asesor: Ing. Nelver Escalante Espinoza 1.4 Tipo de Investigación: Correlacional- Explicativo 1.5 Línea de Investigación: Transferencia de tecnología metal mecánica 1.6 Localidad: Pueblo de Tamboreal- Santa- Ancash- Perú 1.7 Duración de la investigación: 13 abril a 30 de julio II. PLAN DE INVESTIGACION 2.1 Realidad Problemática En la zona de Tamboreal "Tamboreal Nuevo y Tamboreal Viejo" de la provincia del santa viven muchas familias las cuales se muestran descontentos por los servicios brindados por las empresas encargadas del servicio eléctrico. Mucha gente que no ha tenido una educación superior y también familias que migran de la sierra encuentra en este pueblo una manera de vivir de sus tierras, y este proceso en muchas familias es cíclico, con lo cual tenemos un aumento en la población y una mayor demanda de energía. En este contexto las necesidades energéticas de la población se incrementan en el consumo básico del hogar, alumbrado público y algunos tipos de máquinas industriales utilizadas en la zona. La zona de estudio presenta una geografía favorable para el desarrollo de una pequeña central Hidroeléctrica que será de beneficio para la población, porque en el estudio de la zona podemos encontrar desniveles de terreno y de caídas de agua que pueden ser usadas en el proceso de solución al problema.
2.2 Formulación del problema ¿De qué manera el diseño de la Turbina Kaplan para la mini central hidroeléctrica influye en la calidad de vida de la población de Tamboreal?
2.3 Objetivos 2.3.1. General •
Diseñar una turbina Kaplan para la generación de energía eléctrica en la zona de Tamboreal.
2.3.2. Específicos •
Determinar las dimensiones de la turbina Kaplan.
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Estudiar la utilidad del perfil NACA en el diseño de turbinas de Flujo Axial.
•
Calcular la potencia generada en la mini central hidroeléctrica.
•
Seleccionar aceros estructurales adecuados para cada elemento mecánico.
2.4 Antecedentes Las turbinas hidráulicas tipo axial nacen con la turbina de hélice que fue desarrollada en los primeros 25 años de este siglo y se caracteriza por tener los álabes del rodete y los álabes del distribuidor regulables. Su aplicación se justifica en instalaciones en las que no sea muy sensible la variación de potencia. En 1980 en Ing. Víctor Kaplan concibió la idea de corregir el paso de los álabes del rotor, al igual que el distribuidor, con las variaciones de potencia. En base a esto se desarrolla la turbina Kaplan que se caracteriza, a diferencia de la hélice, por mantener un excelente rendimiento a cargas parciales. Debido a los proyectistas habían menospreciado los micro saltos que van de 2 a 25 metros, por resultar costosos estos aprovechamientos con turbinas convencionales, en 1936 Escher Wyss y Arno Fischer presentaron la primera turbina bulbo. De igual manera fueron desarrollados los otros tipos de turbinas de flujo axial, como las tubulares y las de pozo, con las cuales se aprovecha las pequeñas caídas reduciendo los trabajos de excavación y por lo tanto el costo de la obra civil. En la actualidad se ha difundido ampliamente por su aplicabilidad. En cuanto al método de diseño se debe indicar que si bien es cierto existe un trabajo de tesis de diseño y construcción de una turbina axial tipo bulbo, nuestra posición es la de elaborar e implementar un software con el fin de que puedan disminuir los costos de investigación para futuras instalaciones.
Asimismo cabe mencionar las investigaciones realizadas por los siguientes profesionales: •
ING. GONZALO OROZCO ACEVES(2011): en su tesis para
para
obtener el grado de Maestro en Ciencias en Ingeniería mecánica; “DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN PROTOTIPO DE TURBINA PARA
GENERACION
DE
ENERGIA
ELECTRICA
EN
UNA
MICROPLANTA” •
Jimmy Livino López Galarza: TESIS DE GRADO Previa a la obtención del
Título
de:
INGENIERO
MECÁNICO;
“ELABORACIÓN
E
IMPLEMENTACION DE UN SOFWARE PARA EL DISEÑO DE TURBINA AXIAL TIPO BULBO DE HASTA 10MW”
2.5 Justificación En muchos pueblos peruanos existe la falta de energía eléctrica ,la desconformidad y una baja calidad de vida en lo que respecta a energía, con este proyecto de investigación contribuiremos al desarrollo de una minicentral eléctrica que contribuirá con las necesidades de energía eléctrica del pueblo de Tamboreal; si bien el pueblo de Tamboreal cuenta con energía eléctrica, mediante un estudio de aprobación de calidad de servicios eléctricos hemos obtenido respuestas en su mayoría de desaprobación por el alto costo del servicio eléctrico, por ello en el presente proyecto de investigación encontramos una solución a esta problemática. La energía hidroeléctrica es parte de la llamada energía limpia porque no emite residuos contaminantes al ambiente o el daño ambiental es mínimo, en este contexto este proyecto de investigación contribuiría al desarrollo de este tipo de energía que el mundo necesita y así remplazar el uso de energía como las obtenidas de combustibles fósiles.
2.6 Marco Teórico A. Mini centrales Hidroeléctricas y Energía Hidroeléctrica Las pequeñas centrales hidroeléctricas, están muy condicionadas por las peculiaridades y características que presente el lugar donde vayan a ser ubicadas. Cuando se vaya a poner en marcha una instalación de este tipo hay que tener en cuenta que la topografía del terreno va a influir tanto en la obra civil como en la selección de la maquinaria. De acuerdo con la altura del salto los aprovechamientos pueden clasificarse en: De alta caída: salto de más de 150 m.
De media caída: salto entre 50 y 150 m. De baja caída: salto entre 2 y 20 m
B. Turbina Kaplan B.1 Definicion: son uno de los tipos más eficientes de turbinas de agua de reacción de flujo axial, con un rodete que funciona de manera semejante a la hélice del motor de un barco, y deben su nombre a su inventor, el austriaco Viktor Kaplan. Se emplean en saltos de pequeña altura y grandes caudales. Las amplias palas o álabes de la turbina son impulsadas por agua a alta presión liberada por una compuerta. B.2 Clasificacion de turbinas Kaplan: T u r b i n a t i p o K a p l an
Turbina de flujo axial, de reacción y de admisión total, su principal característica es que cuenta con un rodete que contiene álabes regulables, su función es controlar la componente tangencial de la velocidad a la entrada del rodete, en consecuencia el fluido sale de los alabes directores (distribuidor) y entra en la rueda con un momentum angular adquirido. A medida que el fluido discurre a través del rodete, su momentum angular se reduce e imparte un momento de torsión a la rueda, que a su vez impulsa el eje para producir energía. Además posee un distribuidor radial tipo Fink de paletas regulables. Puede tener una cámara tipo espiral circular o del tipo rectangular y un tubo de succión de forma recta o acodada, según sea el requerimiento de la altura de succión. Gracias a sus álabes orientables tanto en el rodete como en el distribuidor, se puede operar con muy buena eficiencia dentro de un rango amplio de caudales debido a su doble regulación. También se puede encontrar turbinas Kaplan con álabes fijos o llamadas también turbinas de hélice, con ellos se logra una reducción significativa de costos pero se reduce la eficiencia, especialmente a cargas parciales
Turbina tipo Bulbo Esta turbina posee un rodete Kaplan y un distribuidor Fink axial, pero la característica principal es que el generador se encuentra dentro del cubo, lo que constituye un ahorro de espacio del grupo ya que la extensión del eje resulta ser menor por lo que se obtiene un grupo más compacto, menor vibración del eje, además de ser más barato.
Turbina tipo axial tubular Turbina que tiene un rodete tipo Kaplan y un distribuidor tipo Fink adaptado al flujo axial, en vez de la cámara espiral posee una carcasa cilíndrica o también de forma tronco cónica de sección convergente. Su característica principal es la extensión del eje de la turbina hasta la sala de máquinas para que accione el generador. Esta turbina llamada también tipo “S” es aplicada a bajas caídas y además puede tener álabes fijos o regulables. En el caso de que el rodete posea álabes fijos se le denomina a veces turbina de hélice.
Turbina tipo axial de generador periférico Con esta turbina se logra una reducción axial del grupo porque el generador va instalado en la periferia del rodete, eliminándose el eje de transmisión, además de la reducción en costos de obras civiles.
Las turbinas Kaplan y tubular de álabes regulables pueden ser aplicadas en centrales donde se varié el caudal, al tener álabes regulables podrán mantener la eficiencia. Por el contrario las turbinas de hélice que trabajen con álabes fijos al variarles la carga de caudal tendrán como resultado la disminución de la eficiencia a cargas parciales
B.3 Elementos de una Turbina Kaplan
FUENTE- TURBOMAQUINAS HIDRAULICAS_ CLAUDIO MATAIX
Elementos constitutivos de las Turbinas Kaplan 1. CARCAZA O CARACOL. Según las dimensiones de la turbina se construyen de acero, concreto armado solo o con camisa de acero. Su función principal es la de transformar la energía de presión en energía cinética y cubrir las partes internas de la turbina como el distribuidor y el rodete. Pueden tener pequeños álabes difusores o ser sólo tipo voluta.
2. DISTRIBUIDOR. El difusor de la carcasa y los álabes móviles del distribuidor dirigen el agua al rodete con un mínimo de pérdidas y transforman la energía de presión en energía cinética. La movilidad de los álabes del distribuidor permite aumentar o reducir el caudal Q de entrada al rodete, de acuerdo a la demanda de potencia, operando como uno o varios chiflones. Por ejemplo, cuando se demanda mayor potencia, los álabes del distribuidor se abren para admitir el paso de mayor caudal Q y en el caso contrario, se cierran cuando hay una menor demanda o rechazo de carga.
3. RODETE. Es el elemento principal de la turbina, donde se transforma la energía cinética en energía mecánica y es la pieza que gira a la misma velocidad de rotación síncrona N' acoplado al rotor del generador mediante la flecha.
4. TUBO DE ASPIRACIÓN O SUCCIÓN. Está conectado a la salida de la turbina y en su parte final inicia la conducción hacia la descarga o desfogue. Se le llama tubo de aspiración porque crea una depresión a la salida del rodete y tiene dos funciones principales, la primera recuperar la energía cinética del agua y la segunda transformarla en energía de presión y posición, para conducir el gasto turbinado hacia el desfogue, el cual puede estar a pie de presa o en instalaciones subterráneas (aguas debajo de túneles con longitudes considerables). Generalmente se construyen de acero o concreto armado con o sin blindaje (camisa de refuerzo de acero).
B.4 Turbinas Kaplan en el Perú Turbinas Kaplan.
El Sindicato Energético S.A. (Sinersa) es una empresa peruana que posee dos centrales hidroeléctricas: Curumuy de 12.5 MW, puesta en operación desde 1998 y ubicada a 20 km de la ciudad de Piura; y Poechos 1 de 15.4 MW, operativa desde el 2004 y ubicada al pie de
la represa de Poechos en el departamento de Sullana, a 60 km de la ciudad de Piura. Ambas centrales poseen turbinas tipo Kaplan. Tabla: Características de la central hidroeléctrica de Poechos 1.
Generador síncrono y turbina Kaplan, central hidroeléctrica de Poechos 1.
Turbina axial semi Kaplan. “ITDG, soluciones prácticas” ha desarrollado y probado un modelo de turbina del tipo Kaplan de álabes fijos, rodete semi Kaplan, para capacidades entre los 10 kW y 50 kW de potencia con la finalidad de aprovechar el potencial microhidro-energético. Dicho prototipo fue construido e instalado en el centro poblado “Las Juntas” de la provincia de Jaén (Cajamarca, Perú) y genera 27 kW. Basado en este modelo, construyeron un segundo prototipo que será instalado para uso privado en la zona de Magdalena (Cajamarca)
Turbina semi Kaplan instalada en Jaén, Cajamarca.
C. Graficas de curvas características para selección de turbinas axiales
D. Parámetros y fundamento de Diseño Velocidades específicas. En el diseño de las turbinas no sólo basta con el cálculo, sino que, en principio, es recomendable que se construya el modelo de la turbina. Con éste se puede comprobar los cálculos realizando experimentos en un banco de pruebas para la verificación y corrección de los parámetros. Para la construcción del modelo a escala se utiliza números adimensionales, y una forma de incluir dichos números adimensionales es a través de la velocidad específica, la cual nos servirá para clasificar a las turbinas. •
Velocidad específica de caudal o número de Brauer():
• Velocidad
específica
de
potencia
o
número
de
Camerer:
Dónde: N: Velocidad de rotación de la turbina, rpm. Q: Caudal, m3/s. H: Salto neto, m. P: Potencia al eje, HP o kW.
Transferencia de energía en un rodete axial. Para analizar la transferencia de energía en la turbina se asumieron las siguientes consideraciones: • Se omitirá la viscosidad, es decir, un flujo sin pérdidas. • Se asumirá un flujo bidimensional ideal en toda la región del rodete. • El sistema considerado es un sistema inercial. • El fluido discurrirá y en régimen permanente. El estudio se realizará mediante un volumen de control que abarca la región del rodete, el flujo atravesará dicha superficie de control por la entrada y saldrá por el otro lado de la superficie de control. Dentro de dicho volumen se tendrá un conjunto de álabes que se encuentran girando alrededor del eje con una velocidad angular ω determinada. Se considera como ingreso del fluido hacia el rodete el punto número 2 y como salida el punto número 1, ésta consideración se mantendrá a lo largo de la tesis.
Selección de los álabes. Teoría del álabe portante situada en una corriente uniforme de un fluido. Como se observa en la el álabe se encuentra sometida a una corriente, uniforme da de un fluido con una velocidad ( ) y con un ángulo de ataque. La velocidad del fluido variará en la cercanía del álabe donde se apreciará que la velocidad crece en el lado convexo, con lo cual se forma una depresión cóncavo la velo observa la distribución de las alturas de presión que poseen una dirección perpendicular a la velocidad del fluido y su magnitud dependerá de la forma del perfil. C S fuerza de resistencia (R ), con dirección perpendicular y dirección paralela a ( ) respectivamente. ∞
Dónde: : Fuerza ascensional, N : Fuerza de resistencia, N : Coeficiente de resistencia, adim. : Coeficiente de sustentación, adim. : Velocidad de fluido, m/s : Longitud de álabe, m : Ancho del álabe, m : Peso específico del fluido, N/m 3
III. METODOLOGÍA: 3.1. TIPO DE ESTUDIO: Correlacional- Explicativo
3.2. DISEÑO DE INVESTIGACIÓN: Cuasiexperimental, longitudinal y transeccional causal.
3.3. HIPÓTESIS:
Mediante el diseño de esta turbina, se generara energía eléctrica para satisfacer las necesidades eléctricas del pueblo de Tamboreal, mejorando de este modo su calidad de vida.
Los aceros estructurales a usar cumplen con las condiciones de trabajo y brindan un alto grado de resistencia al diseño.
3.4. IDENTIFICACIÓN DE VARIABLES: 3.4.1. OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES: Variable
Calidad de los servicios eléctricos en Tamboreal
Aceros estructurales
Potencia Generada
Definición conceptual
Indicadores
Escala de medición
