UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO – SEDE SEDE VALLE JEQUETEPEQUE Facultad de Ingeniería EAP DE INGENIERIA MECANICA
Curso:
TURBOMAQUINAS
Docente: ING.LUIS JULCA VERASTEGUI
Nombre del estudiante: estudiante: FERNANDEZ FERNANDEZ ZELADA ZELADA JOSE EDINSON
Ciclo: VIII
No. de Carné: 3331400312
Tema del trabajo: TURBINA DE FLUJO TRANSVERSAL O MICHELL-BANKI
Guadalupe, 08 Diciembre, 2017
INTRODUCION
Perú, 16 poseen un bajo coeficiente de electrificación rural no superior al 78.1%, que es el promedio nacional de coeficiente de electrificación rural hasta el año 2005. Esta electrificación rural presenta características especiales como la lejanía y poca accesibilidad de sus localidades, poblaciones y viviendas dispersas, bajo poder adquisitivo de los habitantes, poca infraestructura vial, entre otros. Esta situación determina la participación activa del Estado debido a que estos proyectos de electrificación rural no son atractivos a la inversión privada, ya que poseen una rentabilidad financiera baja. Por lo anterior, existen grandes esfuerzos del Estado para el aprovechamiento de las energías renovables en la electrificación de zonas rurales. La energía hidráulica tiene un papel muy importante, ya que la geografía del Perú presenta muchos ríos favorables para el aprovechamiento de caídas de agua y la construcción de Pequeñas Centrales Hidroeléctricas. Hidroeléctricas. Considerando que en las zonas de electrificación rural se trabaja con potencias pequeñas menores a 500 kW, se plantea el diseño de un grupo hidroenergético que aproveche la caída de agua y mediante un sistema de transmisión transforme la energía técnica en el eje de la turbina hidráulica en energía eléctrica con un potencia de 120 kW. Además, la turbina hidráulica debe trabajar hasta con un 70% de carga parcial conservando su eficiencia. Existen varios tipos de tipos de turbinas hidráulicas, como las Kaplan, Francis, MichellBanki, Pelton, entre otras, que pueden ser utilizadas en el diseño del grupo Hidroenergético. Sin embargo, la mejor alternativa para el trabajo en el sector rural son Las turbinas estandarizadas Michell-Banki, debido a que tienen una buena eficiencia Dentro de un amplio rango de caudal, poseen bajo costo y son de fácil construcción Local. El trabajo de esta tesis presenta en su primer capítulo las consideraciones para el Diseño del grupo hidroenergético en la que se encuentran la situación de la Electrificación rural en el Perú, el aprovechamiento de las energías renovables para la Electrificación rural en el Perú, los tipos de turbinas hidráulicas, y sus principales características, definición del generador eléctrico y definición del grupo Hidroenergético.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS TIPOS DE TURBINAS PELTO N, MICHELL BANKI O TURGO
A través de una serie de publicaciones especificó que, para obtener la máxima
eficiencia, el ángulo con el cual el chorro golpea al álabe debe ser tan pequeño como sea posible. Basado en esta suposición calculó los ángulos de entrada y salida del rotor,
ancho del mismo, la forma del flujo a través de éste, curvatura del álabe,etc. Consideró todas las pérdidas posibles que ocurren en el inyector y el rotor y
expresó el rendimiento máximo posible como:
En el cual D es el diámetro de la turbina y H la altura total. Modificó la teoría de Banki asumiendo un ángulo del álabe constante e
iguala30º, con lo que la expresión del rendimiento máximo resultó en:
Desde esa época fueron muchas la investigaciones realizadas sobre esta turbina a
través del tiempo, las cuales han introducido mejoras sustanciales en la eficiencia de la misma
CARACTERISTICAS GENERALES: Aunque la turbina de flujo transversal se conoce como una máquina de pequeña
escala, existen actualmente máquinas de este tipo de hasta 6MW. Las principales características de esta máquina son las siguientes: La velocidad de giro puede ser seleccionada en un amplio rango. El diámetro de la turbina no depende del caudal Se alcanza un aceptable nivel de rendimiento con pequeñas turbinas Se puede regular el caudal y la potencia por medio de un álabe ajustable No produce cavitación, debido a que la presión permanece constante
entre la entrada y salida del rodete. La velocidad de giro puede ser seleccionada dentro un rango amplio. El diámetro de la turbina no depende del caudal. Es apropiada para ríos con pequeños caudales. Estos ríos generalmente llevan poca agua durante varios meses del año, por lo que en el diseño se debe considerar el caudal parcial o el caudal mínimo, y para épocas de abundancia de agua se considerara el caudal total para fines productivos
CAMPO DE APLICACION: Las turbinas de flujo transversal poseen Números Específicos o Velocidades Específicas que varían entre 18 y 60 para ns en función del caudal, y entre 51 y 175 para ns en función de la potencia.
Este tipo de turbina siempre son adaptadas individualmente alas condiciones deservicio (caída/caudal) existentes en un determinado salto de agua.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO: La turbina consta de dos elementos principales: un inyector y un rotor. El agua es restituida mediante una descarga a presión atmosférica El rotor está compuesto por dos discos paralelos a los cuales van unidos los álabes curvados en forma de sector circular Este inyector es el que dirige el agua hacia el rotor a través de una sección que toma una determinada cantidad de álabes del mismo, y que guía el agua para que entre al rotor con un ángulo determinado obteniendo el mayor aprovechamiento de la energía como se verá posteriormente. Turbina de doble efecto, y de las cuales la primera etapa entrega un promedio del 70%
Fig. 1 Entrada horizontal de agua
Fig. 2 Entrada vertical de agua
Las secciones de referencia consideradas en el a nálisis responden a la siguiente nomenclatura de la figura mostrada Sección 3, ubicada aguas arriba del inyector, donde termina la tubería forzada. Sección I y sección i, ubicadas un tramo antes de abandonar el inyector directriz
(presión del flujo aun no es la atmosférica o la que corresponde al interior de la carcasa) y un tramo después de abandonarlo (la presión del flujo es la correspondiente al interior de la carcasa). Sección 2, ubicada al interior del rodete (el flujo considera el efecto del espesor de los álabes). Sección 2' y sección 2", corresponde respectivamente a las secciones antes y después de abandonar el rodete en el primer efecto (antes y después de sufrir los efectos del espesor de los álabes respectivamente). Sección 1" y sección 1', corresponde respectivamente a las secciones antes y después de ingresar por segunda vez al rodete para comenzar el segundo efecto (antes y después de sufrir los efectos del espesor de los álabes respectivamente). Sección 1 y sección s, corresponde respectivamente a las secciones antes y después de abandonar por segunda vez al rodete para finalizar el segundo efecto (antes y después de sufrir los efectos del espesor de los álabes respectivamente). La distribución de los vectores velocidad en todas las secciones de referencia consideradas será siempre constante en magnitud y dirección.
DISEÑO CON ADMISION PARCIAL
Esto se logra con un diseño de la turbina con admisión parcial. Se divide el rotor en 3 partes iguales y la admisión del agua se puede realizar por 1/3, 2/3 o la totalidad del rodete. Este tipo de diseño es el desarrollado por la firma OSSBERGER que construye una máquina como se ve en la Figura Esta clase de admisión permite obtener una curv a de rendimiento como la de la Figura en la cual se observa la comparación con la curva de rendimiento de una turbina tipo Francis.
Fundamentalmente su aplicación se destina a la producción de energía eléctrica en pequeña escala, o en otros casos, su eje se acopla por correa a otros dispositivos mecánicos, y la energía mecánica obtenida se utiliza directamente en trabajos de taller. El campo de aplicación cubre un sector de la demanda que dejan libres otros tipos de máquinas, como se aprecia en los gráficos proporcionados por los fabricantes.
Fig. Clasificación de las turbinas en función del salto
UTILIZACION DE LA TURBINA MICHEL BANKI EN PERU
Fundamentalmente su aplicación se destina a la producción de energía eléctrica en pequeña escala, o en otros casos, su eje se acopla por correa a otros dispositivos mecánicos, y la energía mecánica obtenida se utiliza directamente en trabajos de taller. A continuación se listan algunos proyectos lo grados: 20 Kw, Cortegana – Celendín - Cajamarca. 70 Kw, Oyolo - Provincia de Paucar del Sara Sara – Ayacucho. 5 Kw, Centro Artesanal de Iglesia Pampa – San Pablo – Cajamarca. 125 Kw, Paccha - Chota - Cajamarca. 45 Kw, Mayorarca - Recuay - Ancash. 10 Kw, Buenos Aires – Catilluc – Jaén – Cajamarca. 3 Kw, Santa Rosa de Congona – Colasay – Jaén – Cajamarca.
12,5 Kw, La Paz, Valle del río Pativilca - Lima.
PARTES DE LA TURBINA MICHELL BANKI
PIEZA DE TRANSICION
Es un dispositivo que une la tubería de presión de agua con el inyector. Esta pieza es importante debido a la geometría de ingreso que tiene el inyector (sección rectangular), que al no coincidir con la geometría de la tubería (sección circular), genera perturbaciones en el flujo. El objetivo de la pieza es hacer que el flujo sea más uniforme El cambio de sección en la tobera implica un aumento en la velocidad de la turbina por lo que se infiere que el desgaste que podría ocurrir en el interior de la tobera (pieza de transición) es considerable. El máximo esfuerzo al que está expuesta la tobera, es debido a la sobrepresión generada por un cierro bruco. Al modelar con elementos finitos la geometría las condiciones de sobrepresión se obtiene que los esfuerzos se encuentren dentro de un rango aceptable
para el material, es importante incorporar nervios para disminuir los esfuerzos que produciría el flujo de agua debido al cambio de sección.
INYECTOR
Guía al agua en su ingreso hacia el rotor. En su interior se puede encontrar con un álabe regulador de caudal para controlar la potencia de salida en el generador.
El inyector de la turbina de flujo transversal es el segundo componente de esta máquina que junto con el rotor influyen en la eficiencia total de la turbina. Este es el que dirige el agua hacia el rotor, a través de una sección denominada arco de admisión que cubre una determinada cantidad de alabes del mismo.
Un inyector adecuadamente diseñado aseguraría un bajo nivel de pérdidas de carga y permitiría obtener distribución uniforme de velocidades en la sección de salida, permitiendo la mayor transformación posible de energía potencial e n energía cinética.
El inyector posee una sección transversal de forma rectangular, compuesta principalmente de dos caras laterales rectas y una cara superior envolvente, que guía el flujo y que permite descargar el flujo sobre todo el ancho del rotor.
I nyector sin regulación El inyector sin regulación, es diseñado a partir de una curva elíptica siguiendo las teorías de vórtice libre. Esto permite una verdadera flexibilidad en el diseño ya que se puede obtener una curva suave para todo tamaño de todo tamaño de rodete, y al mismo tiempo asegurar el ingreso de agua con un ángulo de ataque (∝1) óptimo constante en cada punto de la curva de rodete, y que la velocidad absoluta sea tangente a esta curva en todo punto. El chorro entra al rotor con un ángulo 1 que es constante en toda la admisión y tangente a la periferia de la rueda. El flujo que abandona las paredes sólidas del inyector es definido como un chorro libre. La velocidad a la salida del inyector tiene un valor un poco más pequeño que el valor de diseño lo que provoca un incremento en el arco de entrada. A través de las diversas investigaciones que se han realizado sobre esta máquina los ángulos de admisión del inyector van desde los 30º hasta los 120º.
Fig. Inyector sin regulación de una turbina Michell – Banki
I nyector con regulación La regulación de la potencia se realiza variando el caudal que ingresa a la máquina, mediante un alabe regulador que permite estrechar la sección de pasaje del agua a través de un movimiento sobre su eje. Como se ha mencionado antes existe una gran variedad de geometrías de inyectores con regulación. En la siguiente figura se pueden observar algunas de las geometrías más comunes encontradas en diseño de TFC. Los principales diseños de inyectores con regulación utilizados actualmente son el tipo SKAT y el recomendado por la organización latinoamericana de energía denominado tipo OLADE. Estos se caracterizan por poseer un ángulo de entrada característico en su diseño: 71º para el tipo SKAT y 120º para el tipo OLADE
Fig. Inyector con regulación de una turbina Michell – Banki
Carcasa de la turbina La carcasa de una turbina Crossflow es de acero estructural, muy robusto y resistente a los impactos y a las heladas. Si hay un alto contenido de material abrasivo en el agua (por ejemplo, arena o limo) o si la composición del agua se considera agresiva (por ejemplo, agua de mar o agua ácida) todas las partes de la turbina en contacto con el agua se construyen de acero inoxidable.
Álabes guía •
En una turbina Crossflow separada en dos cámaras, el agua se regula con dos álabes guía de fuerza equilibrada. Los álabes dividen el flujo de agua, lo equilibran y lo dejan entrar al rodete de forma
suave, independientemente de la anchura de cada cámara. Los álabes guía se colocan con alta precisión en la carcasa de la turbina y pueden servir como dispositivo de cierre de la turbina en centrales con saltos bajos. En este caso no es necesario utilizar una válvula de cierre entre la tubería de presión y la turbina. Ambos álabes guía están equipados de forma independiente con un brazo extendido, al cual se conecta el control automático o manual. Los álabes guía se colocan en rodamientos de alta calidad y resistencia, que no requieren ningún tipo de mantenimiento. En caso de cierre de emergencia la turbina puede cerrar por gravitación a través de los pesos c olocados al final de los brazos.
E l Rodete
El rodete es la pieza más importante de la turbina. Está formado por álabes que están fabricados en acero perfilado y pulido, usando un método altamente probado. En función de los datos hidráulicos concretos, se utiliza acero estructural o acero inoxidable para su construcción. Los dos extremos de los álabes terminan dentro de unos discos y son soldados con discos intermedios, siguiendo un procedimiento específico. Dependiendo del tamaño, el rodete está equipado con hasta 37 álabes. Los álabes inclinados linealmente generan muy poca fuerza axial y por lo tanto no se requiere un montaje complejo de rodamientos reforzados ni lubricación. Las palas de rodetes anchos van apoyadas con varios discos intermedios. Los rodetes son cuidadosamente equilibrados y balanceados antes de la instalación definitiva de la turbina y sometidos a pruebas de fuerza
RODETE DE LA MARCA OSSBERGER
Tubo de aspiración La turbina Crossflow es una turbina de descarga l ibre, como la turbina Pelton. Sin embargo, en el caso de saltos medios o bajos, es posible aplicar un tubo de aspiración con el fin de utilizar el salto en su totalidad. Sin embargo la columna de agua en el tubo de aspiración debe ser controlable. Esto se consigue mediante una válvula de regulación de aire, afectando a la presión de aspiración en la carcasa de la turbina. De tal manera, turbinas con una altura de aspiración de 1 a 3 m funcionan sin ningún peligro de cavitación.
EJ E PRINCIPAL
E lemento mecánico que transmitirá el torque hacia el generador o máquina impulsada
E l objetivo del eje principal, como es de notar, transmitir la energía hidráulica, que es convertida a través de los álabes, hacia el sistema de acople del generador y así poder completar la fase de transformación de energía hidráulica a energía eléctrica
E l diseño de la turbina se realiza considerando, que la turbina transmitirá su potencia al generador por intermedio de un acoplamiento o un sistema de transmisión por bandas o engranajes.
CANAL DE DE SCARGA Y TUBO DE ASPI RACI ON
Si la turbina de flujo cruzado se instala con una altura de salto grande, generalmente se instala sin tubo de aspiración co mo cualquier turbina de impulso, debido a que la altura que se pierde es despreciable con respecto a la caída total.
No obstante si la turbina se instala con alturas de salto medianas a pequeñas, se instala un tubo de aspiración. Este tubo permite realizar un montaje a prueba de crecidas con un aprovechamiento de toda la altura disponible en el salto
El tubo de aspiración se instala con el extremo inferior sumergido en el canal de restitución y el agua contenida en su interior genera una presión negativa en la zona del rodete, por lo cual la carcasa debe tener un cierre hermético.
La regulación del nivel de agua generalmente se realiza por medio de una válvula de aireación que influye sobre el vacío en la carcasa de la turbina. La empresa OSSBERGER asegura que esto permite un aprovechamiento óptimo de saltos de hasta 1 metro.
Sistema de transmisión de potencia Los elementos mecánicos de transmisión de potencia en general involucrados en un Grupo hidroenergético son las siguientes:
Rueda impulsora.
Rueda conducida.
Ejes que soportan las ruedas y giran con ellas.
Cojinetes de rodamientos (soporte de ejes). El eje motriz entrega movimiento a la rueda impulsora mediante una unión por chaveta, en este caso la rueda mueve una faja por fricción, la faja mueve a la ruede conducida y finalmente la faja mueve al eje del generador síncrono.
Parámetros para el diseño hidráulico de la turbina Michell-B anki. El diseño y construcción de la turbina Michell-Banki requiere la solución de problemas que no siempre se pueden afrontar matemáticamente y más bien deben resolverse experimentalmente mediante el uso de modelos. El modelo permite verificar los cálculos antes de construir lá turbina real o protótipo. Las relaciones entre el modelo y el prototipo se realizan a través de los números adimensionales. Entre estos, los que mejor expresan la semejanza entre el modelo y prototipo son los llamados números específicos de revoluciones o también llamados números de velocidad específica 1. Velocidad específica de caudal o número de Brauer
2. Velocidad específica de potencia o número de Cramerer
Para el diseño de una turbina Michell-Banki se requiere determinar datos como salto neto, caudal máximo que fluye por la turbina y la potencia al freno que la turbina deberá entre gar al generador para que este entregue la potencia nominal de 120 kW. La potencia al freno de la turbina se obtiene con la siguiente fórmula:
Donde:
El caudal de diseño se obtiene en función de la potencia al freno con la siguiente fórmula:
Diagrama de velocidades Para diseñar el perfil del álabe del rodete es necesario determinar el diagrama de velocidades en cada punto del rodete. Para determinar los diagramas de velocidades es necesario definir la velocidad de salida del agua de inyector. Esta velocidad se determina aplicando la Ecuación de Bernoulli entre la superficie del reservorio de la MCH donde la velocidad es aproximadamente
.
cero y la salida del inyector
E cuación de Bernoulli:
Donde:
En la ecuación de Bernoulli anterior, las presiones e n la superficie del reservorio y en la salida del inyector se pueden considerar iguales a la presión atmosférica y la diferencia entre representa al salto bruto
en metros. El salto neto
diferencia entre el salto bruto y la perdida por fricción en la tubería
se obtiene de la
Con todas las consideraciones anteriores y partiendo de la e cuación (2.5) se puede determinar la velocidad del chorro de agua
en la salida del inyector:
Asimismo, se define el coeficiente de velocidad del inyector k, que generalmente es determinado en forma experimental con valores varían entre 0.95 y 0.98 [Ref. 5]. Para el propósito de estudio de esta tesis se toma el valor de k igual a 0.96.
La velocidad de salida del agua en inyector queda definida por:
Además, se considera que la velocidad del chorro de agua a la salida del inyector es iguala a la velocidad de ingreso del agua al rodete un ángulo promedio
. Ese chorro de agua se orienta hacia el rodete con
.
En forma práctica, para la máxima utilización de la e nergía se puede considerar que la velocidad de arrastre del agua al ingreso del rodete es
, debido a que el agua no
ingresa en forma paralela al plano longitudinal que contiene al eje [Ref.6]. En la figura 2.1 se puede apreciar el triángulo de velocidades del primer y segundo efecto del agua a su paso por el rodete.
Una vez determinada la velocidad de arrastre, la velocidad relativa del agua al ingreso del rodete puede expresarse utilizando la ley de cosenos:
De la figura 2.1 también se puede determinar la velocidad de ingreso en la dirección radial y tangencial:
Reemplazando la ecuación (2.11) en (2.9) y resolviendo se obtiene:
Relacionando las ecuaciones (2.12) y (2.9) con (2.10) se obtiene:
Teniendo estas consideraciones se puede definir:
A la salida del agua del rodete se forma un triángulo de velocidades parecido al de ingreso en la que se cumple:
Donde
es el coeficiente de velocidad relativa que expresa la pérdida por fricción del agua
con los álabes del rodete, y su valor se puede aproximar a 0.98 [Ref. 5]. Geometría del rodete
Cuando se diseña una turbina para que gire a una velocidad síncrona, el diámetro exterior del rodete en metros, se determina con la siguiente expresión:
El diámetro interior del rodete se determina en base al diagrama de velocidades visto en el punto 2.1.1 y se calcula con la siguiente expresión:
Para facilitar la fabricación del rodete por soldadura, el ancho como mínimo puede considerarse como un 50% mayor que ancho de l inyector.
Geometría básica Del inyector La única dimensión del inyector que varía en función del salto y caudal es el ancho del inyector, que se calcula con la siguiente expresión
Donde:
Número de álabes del rodete.
El número de álabes se escoge en función del diámetro exterior del ro dete y según condiciones de funcionamiento de la turbina como salto y caudal. Producto de diferentes investigaciones,
en la tabla 2.2 se muestra que el número óptimo de álabes del rodete se encuentra entre 24 y 36. Tabla 2.2: Parámetros característicos en turbinas Michell-Banki ensayadas por diferentes investigaciones
Geometría del álabe.
Los álabes del rodete tienen forma de sector circular, deben ser afilados en las puntas para evitar pérdidas y el radio de curvatura se expresa con la siguiente fórmula:
Por otro lado, el ángulo de c urvatura de los álabes se obtiene con la expresión:
Finalmente el radio de centros de donde se traza el radio de curvatura se obtiene con la siguiente expresión:
Conociendo el radio de curvatura, el ángulo de curvatura, la circunferencia de centros de los álabes, el diámetro interior y el diámetro exterior del rodete se puede fijar la geometría del álabe dentro del disco del rodete donde se debe realizar una ranura con la geometría de álabe para luego fijar cada álabe mediante soldadura. Tomando como guía la figura 2.2, el procedimiento para hallare el centro cada álabe en el disco del rodete es el siguiente:
Trazar una tangente en un punto del diámetro interior del rodete. Trazar el radio interior del rodete (r C) de manera que se forme un ángulo de 90° con la tangente antes trazada.
Trazar el diámetro de centros de los álabes e intersecarla con la tangente antes trazada. De esta manera se define exactamente el centro de circunferencia de un álabe.
Finalmente con el dato del radio de c urvatura (r ) trazar el arco de circunferencia que define la geometría del álabe.
De esta manera la geometría y la posición de cada álabe están completamente definidas.
