ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
TURBINAS HIDRÁULICAS, TIPOS Y MODELOS DE LA TRANSFERENCIA TRANSFERENCIA DE ENERGÍA
JORGE CARLOS BAQUERO DUQUE
ING. LENIN UBIDIA Quito, diciembre 2013 1
ÍNDICE ÍNDICE DE FIGURAS .......................................................... .................................................................................... ................................... ......... 4 ÍNDICE DE TABLAS ................................................ ......................................................................... ............................................... ...................... 4 1.
GENERALIDADES..................................................................... ........................................................................................... ...................... 5 1.1. TÍTULO .................................................. ............................................................................ .................................................... .......................... 5 1.2. OBJETIVOS ................................................ ......................................................................... ............................................... ...................... 5 1.2.1. OBJETIVO GENERAL ....................................... ................................................................. .................................. ........ 5 1.2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................. ............................................................... ............. 5 1.3. ALCANCE ................................................... ............................................................................ ............................................... ...................... 5 1.4. JUSTIFICACIÓN .................................................. ........................................................................... ...................................... ............. 5
2.
ESTUDIO PREVIO ................................... ............................................................ ................................................... ............................... ..... 6 2.1. INTRODUCCIÓN ................................................. .......................................................................... ...................................... ............. 6 2.2. ELEMENTOS CONSTITUTIVOS ............................................. ............................................................... .................. 6
3.
TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS ................................................... ............................................................ ......... 7 3.1. SEGÚN EL GRADO DE REACCIÓN .................................................... ......................................................... ..... 7 3.1.1. TURBINA DE ACCIÓN, R=0 .............................................................. ................................................................ 8 3.1.2. TURBINA DE REACCIÓN, R ≠0.............................................. ........................................................... ............. 8 3.1.3. TIPOS ACTUALES ................................................ .......................................................................... .............................. .... 9 3.2. SEGÚN EL NÚMERO ESPECÍFICO DE REVOLUCIONES ...................... ...................... 9
4.
TURBINAS DE ACCIÓN, TURBINAS PELTON ............................................. ............................................. 11 4.1. ELEMENTOS PRINCIPALES .................................................. .................................................................. ................ 11 4.2. ECUACIONES ................................................ ......................................................................... ......................................... ................ 12 4.3. CLASIFICACIÓN: Según el número específico espec ífico de revoluciones ............. 14
5.
TURBINAS DE REACCIÓN ............................................... ......................................................................... ............................ .. 15
5.1. TURBINAS FRANCIS Y HÉLICE ................................................ ................................................................ ................ 15 2
ÍNDICE ÍNDICE DE FIGURAS .......................................................... .................................................................................... ................................... ......... 4 ÍNDICE DE TABLAS ................................................ ......................................................................... ............................................... ...................... 4 1.
GENERALIDADES..................................................................... ........................................................................................... ...................... 5 1.1. TÍTULO .................................................. ............................................................................ .................................................... .......................... 5 1.2. OBJETIVOS ................................................ ......................................................................... ............................................... ...................... 5 1.2.1. OBJETIVO GENERAL ....................................... ................................................................. .................................. ........ 5 1.2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................. ............................................................... ............. 5 1.3. ALCANCE ................................................... ............................................................................ ............................................... ...................... 5 1.4. JUSTIFICACIÓN .................................................. ........................................................................... ...................................... ............. 5
2.
ESTUDIO PREVIO ................................... ............................................................ ................................................... ............................... ..... 6 2.1. INTRODUCCIÓN ................................................. .......................................................................... ...................................... ............. 6 2.2. ELEMENTOS CONSTITUTIVOS ............................................. ............................................................... .................. 6
3.
TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS ................................................... ............................................................ ......... 7 3.1. SEGÚN EL GRADO DE REACCIÓN .................................................... ......................................................... ..... 7 3.1.1. TURBINA DE ACCIÓN, R=0 .............................................................. ................................................................ 8 3.1.2. TURBINA DE REACCIÓN, R ≠0.............................................. ........................................................... ............. 8 3.1.3. TIPOS ACTUALES ................................................ .......................................................................... .............................. .... 9 3.2. SEGÚN EL NÚMERO ESPECÍFICO DE REVOLUCIONES ...................... ...................... 9
4.
TURBINAS DE ACCIÓN, TURBINAS PELTON ............................................. ............................................. 11 4.1. ELEMENTOS PRINCIPALES .................................................. .................................................................. ................ 11 4.2. ECUACIONES ................................................ ......................................................................... ......................................... ................ 12 4.3. CLASIFICACIÓN: Según el número específico espec ífico de revoluciones ............. 14
5.
TURBINAS DE REACCIÓN ............................................... ......................................................................... ............................ .. 15
5.1. TURBINAS FRANCIS Y HÉLICE ................................................ ................................................................ ................ 15 2
5.1.1. ELEMENTOS PRINCIPALES .................................... ............................................................ ........................ 16 5.1.2. ECUACIONES ........................................................................ ................................................................................... ........... 17 5.1.3. CLASIFICACIÓN: Según el e l número específico de revoluciones ....... 18 5.2. TURBINAS KAPLAN Y DERIAZ ................................................... .............................................................. ........... 19 5.2.1. ORIENTACIÓN DE LOS ÁLABES .................................................. ..................................................... ... 19 5.2.2. ELEMENTOS PRINCIPALES .................................... ............................................................ ........................ 22 6.
TENDENCIAS ACTUALES EN LA CONSTRUCCIÓN................................... ................................... 24
7. ALTURA NETA ........................................ .................................................................. ................................................... ............................ ... 25 7.1. NORMAS INTERNACIONALES PARA DETERMINACIÓN ..................... 25 7.2. PRIMERA EXPRESIÓN DE LA ALTURA NETA .............. ...................................... ........................ 30 7.3. SEGUNDA EXPRESIÓN E XPRESIÓN DE LA ALTURA NETA ..................................... ..................................... 31 8.
PÉRDIDAS, POTENCIAS, RENDIMIENTOS ................................................. ................................................. 31 8.1. PÉRDIDAS .................................................. ........................................................................... ............................................. .................... 31 8.2. POTENCIAS ............................................... ........................................................................ ............................................. .................... 31 8.3. RENDIMIENTOS.............................................................. ...................................................................................... ........................ 32
9.
ECUACIÓN DEL TUBO DE ASPIRACIÓN ................................................. .................................................... ... 33
10.
CAVITACIÓN Y GOLPE DE ARIETE DE UNA TURBINA ........................... ........................... 34
10.1.
CAVITACIÓN ............................................... ........................................................................ ......................................... ................ 34
10.2.
GOLPE DE ARIETE DE UNA TURBINA:.............................................. .............................................. 35
10.2.1.
PANTALLA DEFLECTORA ............................................ ............................................................ ................ 35
10.2.2.
ORIFIO COMPENSADOR................................................... .............................................................. ........... 36
10.2.3.
CHIMENEA DE EQUILIBRIO ............................ ...................................................... ............................. ... 36
11.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES............... RECOMENDACIONES......................................... ................................ ...... 37
12.
BIBLIOGRAFÍA....................................................... ................................................................................. ..................................... ........... 38
3
ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1. Partes constitutivas de un sistema con turbina ..................................... 7 Figura 4.1. Esquema de turbina Pelton de eje vertical de 4 chorros ..................... 11 Figura 4.2. (a) Rodete Pelton rápido: caudales grandes y alturas pequeñas, (b) rodete Pelton lento: caudales muy pequeños y alturas de salto elevadas ............ 12 Figura 4.3. Triángulos de velocidades para una turbina Pelton ............................ 13 Figura 5.1.1. Distribuidor Fink: (a) En posición cerrada, (b) en posición abierta ... 15 Figura 5.1.2. Esquema de turbina Francis ............................................................ 16 Figura 5.1.3. Desde (a) hasta (f) se produce un incremento del caudal (Q) y una disminución del salto neto (H), (a) rodete radial centrípeto, (b) n s=45 Francis lenta, (c) ns=110, (d) ns=200 Francis normal, (e) n s=400 Francis exprés, (f) n s=800 hélice o Kaplan ................................................................................................................ 18 Figura 5.1.4. Curvas de rendimientos de los diferentes tipos de turbinas ............. 20 Figura 5.1.5. Esquema de turbina Dériaz .............................................................. 21 Figura 5.1.6. Mecanismo de orientación de los álabes en rodete Kaplan ............. 22 Figura 5.1.7. Esquema de elementos de central con turbina Kaplan .................... 23 Figura 7.1. Determinación de altura neta (H) para turbina de reacción ................. 26 Figura 7.2. Determinación de altura neta (H) para turbina hidráulica de reacción con cámara espiral de sección circular ................................................................. 27 Figura 7.3. Determinación de altura neta (H) para turbina hidráulica de reacción de eje horizontal ......................................................................................................... 28 Figura 7.4. Determinación de altura neta (H) para turbina Pelton de un chorro y de dos chorros............................................................................................................ 29 Figura 9.1. Esquema del tubo de aspiración troncocónico .................................... 33 Figura 10.1. Esquema de una chimenea de equilibrio .......................................... 36
ÍNDICE DE TABLAS Tabla 3.1. Tipos actuales de turbinas ...................................................................... 9 Tabla 3.2. Alturas de salto (neto), tamaños y potencias de tipos actuales de turbinas ................................................................................................................... 9 4
1. GENERALIDADES 1.1. TÍTULO Turbinas hidráulicas, tipos y modelos de la transferencia de energía.
1.2. OBJETIVOS 1.2.1. OBJETIVO GENERAL Realizar un estudio introductorio de las turbinas hidráulicas, sus principales tipos y los respectivos modelos de la transferencia de energía. 1.2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Conocer el principio de funcionamiento de una turbina hidráulica, sus aplicaciones y, ventajas y desventajas. Identificar los diferentes tipos de turbinas hidráulicas, así como las diferencias respectivas entre cada uno. Determinar los modelos de transferencia de energía para cada uno de los tipos, así como conceptos como eficiencia, grado de reacción, etc.
1.3. ALCANCE
Se estudiarán los principios de funcionamiento de una turbina hidráulica, sus aplicaciones, ventajas y desventajas.
Se identificarán los diferentes tipos de turbinas hidráulicas con sus diferencias respectivas.
Se determinarán los modelos de transferencia de energía para turbinas hidráulicas, y los conceptos que complementan dichos modelos.
1.4. JUSTIFICACIÓN El presente estudio surge de la necesidad de complementar los conocimientos adquiridos en clase sobre turbomaquinaria, poniendo un mayor énfasis en las turbinas hidráulicas. Se tiene en el Ecuador un gran campo de aplicación de este tipo de equipos con la generación de energía y los proyectos que se proyectan para posteriores años, donde un factor clave es el conocimiento del funcionamiento de los mismos. 5
2. ESTUDIO PREVIO 2.1. INTRODUCCIÓN Una turbina es una turbomáquina que permite la extracción de energía desde un fluido para transformarla en trabajo hacia un eje. La turbina se utiliza como un medio de obtención de energía eléctrica, mismas que varían su tamaño y capacidad; van desde unidades pequeñas de 5[kW], hasta grandes instalaciones de más de 400 [MW]. Se puede definir además como: “La turbina hidráulica es una turbomáquina
motora, y por tanto esencialmente es una bomba rotodinámica que trabaja a la inversa”
Realizando la analogía respectiva, una bomba absorbe energía mecánica y entrega energía a un fluido, y una turbina absorbe energía de un fluido y entrega energía mecánica.
2.2. ELEMENTOS CONSTITUTIVOS
Canal de llegada o tubería forzada (1), al final de la tubería se instala una válvula, detrás de la válvula está la entrada (E)
Caja espiral (2), transforma presión en velocidad
Distribuidor, es una corona directriz que transforma presión en velocidad y actúa como tobera
Rodete, o elemento móvil de la turbina, el cual contiene los álabes.
Tubo de aspiración (3), es el medio de desagüe, crea una aspiración o depresión a la salida del rodete. Las turbinas de acción no presentan este elemento, el agua sale directamente del rodete al canal de salida (S).
6
Figura 2.1. Partes constitutivas de un sistema con turbina
3. TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS 3.1. SEGÚN EL GRADO DE REACCIÓN Si el grado de reacción (R) es 0, se denomina turbina de acción, si el grado de reacción (R) es distinto de 0, la turbina se denomina de reacción. El grado de reacción (R) se define así:
Donde
7
3.1.1. TURBINA DE ACCIÓN, R=0
La presión del agua no varía en los álabes
El rodete no está inundado
Se encuentra a la presión atmosférica
Son de admisión parcial
El rodete trabaja a presión constante
No tiene tubo de aspiración
La salida del rodete coincide con la salida de la turbina
En el rodete la altura de velocidad disminuye, porque la energía cinética del chorro se va transformando en energía útil en el eje.
Se requiere que la energía de flujo se convierta en energía cinética a través de una tobera antes de que el líquido choque contra el rotor
3.1.2. TURBINA DE REACCIÓN, R ≠0
La presión de entrada del rodete es mayor que la presión atmosférica
La presión de salida del rodete es menor que la presión atmosférica
El rodete está inundado
Son de admisión total
La salida de la turbina se encuentra en el nivel de aguas abajo
Presenta tubo de aspiración
El rodete transforma energía de presión y cinética en energía útil en el eje
En el tubo de aspiración la energía de presión aumenta desde un valor negativo hasta cero (presión barométrica).
8
3.1.3. TIPOS ACTUALES Tabla 3.1. Tipos actuales de turbinas
GRADO DE REACCIÓN
TIPO DE FLUJO
TIPO DE TURBINA
Tangencial
Pelton
Acción, R=0
Álabes fijos: Francis
Diagonal
Reacción, R≠0
(excepcionalmente radial)
Álabes orientables: Dériaz Álabes fijos: Turbinas hélice
Axial
Álabes orientables: Kaplan
Tabla 3.2. Alturas de salto (neto), tamaños y potencia s de tipos actuales de turbinas
Grado de reacción
Reacción
Acción
Tipo de turbina
Axiales (Kaplan)
Diagonales (Francis)
(Pelton)
Salto neto, H [m]
2-70
2-500
40-1700
Diámetro exterior del rodete, [m]
1.0-10.5
0.35-7.65
0.36-5.2
Potencia en el eje [MW]
Hasta 250
Hasta 750
Hasta 400
3.2. SEGÚN EL NÚMERO ESPECÍFICO DE REVOLUCIONES Debido a que el rodete de las turbinas va cambiando de forma para adaptarse a las diferentes condiciones de servicio, la clasificación de las turbinas se convierte, de mejor forma, en una clasificación numérica, asignando a todas las turbinas geométricamente semejantes un número denominado, Número específico de
revoluciones ( ):
9
Donde
Existe solo un salto brusco de forma cuando se pasa de un rodete de acción (Pelton) a un rodete de reacción (Francis) teniendo que:
Las turbinas Pelton no tienen caja espiral, las de reacción, sí.
El distribuidor de las turbinas Pelton se llama inyector, y consta de una tobera y válvula de aguja, en las turbinas de reacción existe el denominado distribuidor Fink. Los dos desempeñan el mismo papel, reducen la altura de presión e incrementan la altura cinética.
Los álabes de las turbinas Pelton se denominan cucharas y son muy diferentes a los álabes de las turbinas de reacción.
10
4. TURBINAS DE ACCIÓN, TURBINAS PELTON 4.1. ELEMENTOS PRINCIPALES
Figura 4.1. Esquema de turbina Pelton de eje vertical de 4 chorros
Una instalación típica de turbinas Pelton consta de los siguientes elementos:
Codo de entrada
Inyector, es el distribuidor de las turbinas Pelton.
Tobera
Válvula de aguja
Servomotor, desplaza mediante presión de aceite la aguja del inyector
Regulador
Mando del deflector
Deflector, sirve para evitar el golpe de ariete y el embalamiento de la turbina
Chorro
Rodete
11
Figura 4.2. (a) Rodete Pelton rápido: caudales grandes y alturas pequeñas, (b) rodete Pelton lento: caudales muy pequeños y alturas de salto elevadas
Álabes o cucharas
Freno de la turbina por chorro de agua, actúa sobre el dorso de los álabes y frena el rodete
Blindaje, protege a la estructura del efecto destructor del chorro desviado
Destructor de energía, evita erosiones en la infraestructura
4.2. ECUACIONES La ecuación de la altura neta (H) para esta turbina es:
Donde los subíndices E y S representan la entrada y la salida respectivamente, y
es la presión, la densidad, la gravedad, la velocidad y la altura.
Las turbinas Pelton se clasifican en sencillas (un rodete y un solo chorro) y múltiples; las turbinas Pelton se multiplican por el número de chorros, llamándose Pelton doble, triple, etc., a la Pelton de 2,3,… chorros.
Los chorros se pueden instalar en rodetes distintos o en un solo rodete.
12
Figura 4.3. Triángulos de velocidades para una turbina Pelton
Debido a que la trayectoria del agua en la cuchara es siempre tangencial se verifica siempre que para las turbinas Pelton:
Si no existe rozamiento al ser el flujo en la cuchara de la lámina libre idealmente
Pero la velocidad real es algo menor que La velocidad real es aproximadamente
El rendimiento óptimo se alcanza aproximadamente a
Idealmente el ángulo y el ángulo , sin embargo el ángulo suele ser algo mayor, aunque siempre muy pequeño, aproximadamente 17°
La turbina Pelton no tiene tubo de aspiración, por ende no se aprovecha la velocidad de salida, por tanto, es conveniente que la energía cinética a la salida del álabe sea cero, de esta manera el álabe habrá aprovechado toda la energía. Prácticamente de la turbina.
es muy pequeña, lo suficiente para que exista un flujo de salida 13
4.3. CLASIFICACIÓN: Según el número específico de revoluciones
, en y en se tiene que el número específico de revoluciones ( ) se define como: Que es la expresión de en función del caudal y de la altura neta. En las turbinas Pelton cuyo es pequeño se llaman lentas y cuyo es grande se llaman rápidas. Dicho valor no se refiere estrictamente el número real de revoluciones , ya que sucede frecuentemente que la turbina rápida gira a un Expresando a en
número de revoluciones menor que la lenta.
La ecuación mostrada al principio del subcapítulo demuestra que las turbinas lentas:
Giran a velocidad relativamente más baja que las turbinas rápidas con las
mismas condiciones de salto neto ( ) y caudal ( ) iguales.
Absorben relativamente menos caudal que las rápidas bajo el mismo
y con el mismo salto neto ( ) Se destinan a saltos más elevados bajo las mismas condiciones de número de revoluciones () y caudal ( ). El tamaño de las cucharas depende del valor de teniéndose que para grandes número de revoluciones
saltos y pequeños caudales las cucharas son más pequeñas y para saltos más pequeños y caudales más grandes las cucharas sean más grandes.
14
5. TURBINAS DE REACCIÓN 5.1. TURBINAS FRANCIS Y HÉLICE El paso de una turbina Francis a una hélice no constituye un cambio brusco de forma como el paso de una Pelton a una Francis El distribuidor utilizado en las turbinas de reacción es el Fink. Consta de dos bielas movidas por servomotores de aceite que hacen girar al anillo donde pivota un extremo de las pequeñas bielas, las cuales a su vez hacen girar a los álabes de perfil aerodinámico, que pivotan en torno a un eje fijo. El distribuidor Fink sustituye al inyector de las turbinas Pelton
Figura 5.1.1. Distribuidor Fink: (a) En posición cerrada, (b) en posición abierta
15
5.1.1. ELEMENTOS PRINCIPALES
Figura 5.1.2. Esquema de turbina Francis
1. Caja espiral, dependiendo de las dimensiones de la turbina se construye de acero colado, fundición, chapa roblonada o soldada u hormigón armado.
2. Distribuidor, junto con la caja espiral dirigen el agua al rodete con un mínimo de pérdidas y transforman parte de la energía de presión en energía cinética. El distribuidor es de álabes orientables y sirve para reducir el caudal cuando la carga de la turbina disminuye. Algunas veces las turbinas de reacción si no interesa regular el caudal se instalan sin distribuidor y otras también con distribuidor de álabes fijos.
3. Rodete
4. Codo de entrada en el tubo de aspiración. El tubo de aspiración crea una depresión a la salida del rodete
S. Sección de salida de la turbina, sirve para definir la altura neta
5. Nivel inferior (
) del salto 16
5.1.2. ECUACIONES La velocidad periférica óptima del rodete a la entrada en las turbinas Pelton, donde:
es superior a la obtenida
oscila entre 0.65 a 2.5 en las turbinas de reacción, dicho valor aumenta al incrementar Dado que se tiene que √ Donde es una constante Donde
Por lo que se tiene que:
Para un mismo salto y un mismo tamaño de turbina, las turbinas de acción giran más lentamente que las de reacción, porque primeras
es menor en las
Las turbinas de reacción son turbinas tanto más rápidas cuanto mayor sea
, se tiene por ejemplo que va desde 0.65 (Francis lentas) a 2.5 (hélices rápidas)
Para determinar una corriente con una frecuencia determinada debe girar a:
Donde es el número de polos del alternador.
17
la turbina
5.1.3. CLASIFICACIÓN: Según el número específico de revoluciones De forma similar que en las turbinas Pelton, el rodete va cambiando de forma para adaptarse a las condiciones de funcionamiento, se tiene la misma ecuación que rige al sistema:
Se presenta un esquema de la evolución del rodete para diferentes valores del número específico de revoluciones
Figura 5.1.3. Desde (a) hasta (f) se produce un incremento del caudal (Q) y una disminución del salto neto (H), (a) rodete radial centrípeto, (b) n s=45 Francis lenta, (c) n s=110, (d) ns=200 Francis normal, (e) n s=400 Francis exprés, (f) n s=800 hélice o Kaplan
Se tiene por lo tanto que para una turbina cualquiera, esta funcionará con óptimo rendimiento cuando la potencia desarrollada, la altura neta y el número de revoluciones sean tales que sustituyendo sus valores en la ecuación se obtenga el valor del número específico de revoluciones requerido.
18
En la figura citada se tiene que:
La turbina (a) se denomina radial
Las turbinas (b), (c),(d), y (e), se denominan Francis, son de flujo radioaxial
La turbina (f) se denomina turbina hélice, es de flujo axial
Se tiene por lo tanto que las turbinas de reacción cubren una gama grande de
número específico de revoluciones ( ) desde 60 a más de 1000. Los términos expresados, lento y rápido se refiere al número específico de revoluciones y no al número real de revoluciones, ya que, por ejemplo, las turbinas lentas (Pelton lentas) suelen girar a número de revoluciones mayores porque se instalan en saltos de mucha altura, si en ese mismo salto se instalara una máquina rápida iría a una velocidad excesiva. Por el contrario, las turbinas rápidas (de hélice rápidas) suelen girar muy lentamente, a veces a menos de 80 rpm, si se instalara una máquina lenta giraría tan lentamente que su velocidad sería prácticamente irrealizable. Por ello es la necesidad de fabricar turbinas muy lentas y muy rápidas.
5.2. TURBINAS KAPLAN Y DERIAZ 5.2.1. ORIENTACIÓN DE LOS ÁLABES Debido a que el consumo varía en el tiempo, la turbina debe proporcionar la potencia requerida variando los parámetros disponibles, como la altura de salto es una constante, lo que se puede variar es el caudal, mismo que no será el que se
). Por lo tanto las curvas del rendimiento total en función del caudal ( ) expresado en fracción del caudal máximo ( ) son de tiene con la admisión máxima ( gran interés.
19
Figura 5.1.4. Curvas de rendimientos de los diferentes tipos de turbinas
Estas curvas corresponden a:
aproximadamente b. turbina Kaplan, c. turbina Francis normal, d. turbina Francis rápida, e. turbina hélice, f. turbina hélice muy rápida, a. turbina Pelton,
Las curvas como la a son características de las turbinas Pelton y se denominan curvas planas, las curvas como la e son características de las turbinas hélice y se denominan curvas en gancho. Se observa que a medida que se incrementa curva se va haciendo más del segundo tipo.
la
La curva b posee características diferentes, ya que no es una curva en gancho a pesar de su
sino una curva plana. Esta turbina Kaplan es una turbina hélice en
que los álabes del rodete giran en marcha, ajustándose automáticamente según la carga a las condiciones de óptimo rendimiento. De aquí que se pueden explotar saltos de gran potencia con poca altura.
20
Se tiene por ende que es fácil diseñar una turbina Kaplan reversible, es decir, que pueda funcionar como turbina y bomba con buen rendimiento. Las turbinas Dériaz permiten la explotación de saltos de mediana y gran altura, esta turbina se presta fácilmente para su construcción como bomba-turbina reversible. Esta turbina Dériaz es una turbina Francis con álabes orientables.
Figura 5.1.5. Esquema de turbina Dériaz
Esta bomba-turbina reversible funcionando como turbina tiene mejor rendimiento que una turbina Francis de rodete análogo de álabes fijos, a cargas intermedias, y funcionando como bomba tiene mejor rendimiento que una turbina-bomba de álabes fijos. Se presenta además el mecanismo de orientación de los álabes de un rodete Kaplan, el cual consta de un vástago que con un movimiento de traslación hace subir o bajar una cruceta, la cual hace girar simultáneamente a todos los álabes.
21
Figura 5.1.6. Mecanismo de orientación de los álabes en rodete Kaplan
5.2.2. ELEMENTOS PRINCIPALES Una central de pequeña altura con turbinas Kaplan presenta los siguientes elementos:
1. Compuerta de admisión, permite que la turbina quede sin agua para la revisión, no se logra estanqueidad con el distribuidor Fink completamente cerrado. La compuerta puede ser de rodillos o de válvula mariposa.
2. Distribuidor Fink
3. Rodete, debido a su elevado costo a veces se equipa en las centrales una combinación de turbinas, por ejemplo Kaplan y hélice.
4. Tubo de aspiración, suele ser de hormigón blindado con chapa para óptimo rendimiento, pasando de sección circular a sección rectangular. La turbina termina en la sección de salida, S.
22
La función del tubo de aspiración es recobrar la altura de velocidad que sale del rodete, con este elemento el rendimiento es mayor al 90%, sin este sería inferior al 50%.
Figura 5.1.7. Esquema de elementos de central con turbina Kaplan
Como se indica en la figura, la ecuación que determina la altura neta (H) es:
( )( )
Donde E y S es la entrada y salida de la turbina respectivamente y es la presión,
la densidad, la gravedad, la altura y la velocidad.
23
6. TENDENCIAS ACTUALES EN LA CONSTRUCCIÓN La evolución de la construcción de turbinas se refleja en:
Construcción de turbinas de potencia creciente De 7 [MW] en 1905 se llegó en cincuenta años a turbinas de alrededor de 100 [MW], debido a que el precio por [kW] instalado disminuye con la potencia unitaria, por ende es más barata una central con pocas turbinas de tamaño adecuado.
Alturas mayores y adaptación de las Francis y Kaplan a saltos crecientes Se ha logrado tener alturas máximas de valores cercanos a 2000 [m] para turbinas de grandes saltos.
Caudales mayores La evolución de las turbinas rápidas como la construcción de compuertas móviles ha hecho posible la explotación de los “saltos de llanura”; cercanos
a las desembocaduras de los ríos, que se caracterizan por grandes caudales y pequeñas alturas.
Número específico de revoluciones creciente Donde se ha logrado valores superiores a
Rendimientos crecientes
Se tiene valores de rendimientos para:
o
turbinas Kaplan, 93%
o
turbinas Francis, 92%
o
turbinas Pelton, 90.5%
Aumento de potencia unitaria Además de reducir el costo por [kW] instalado, facilita la explotación, el problema radica en la capacidad de producción y mecanización de piezas grandes y el transporte de las mismas.
Aumento de potencia específica (Potencia por unidad de peso o unidad de volumen)
Facilitación de revisión y desmontaje de la turbina
Automatización de la central 24
Sustitución de la fundición por construcción en chapa Generando una disminución del peso de la máquina.
Sustitución casi total del roblonado por la soldadura en turbinas Francis y Kaplan
Control del fenómeno de cavitación e incremento del
de las turbinas
Se realiza este control tomando en cuenta la selección apropiada de la altura de aspiración, forma adecuada de partes sujetas a cavitación, selección de materiales y capas protectoras.
Aumento de la presión de aceite en la regulación automática
Construcción de grupos bulbos Permiten reducir el precio por [kW] instalado en un 15%
7. ALTURA NETA Una turbina absorbe energía hidráulica y restituye energía mecánica, la altura neta es la altura teórica que hubiera aprovechado la turbina si no hubiera habido pérdidas
7.1. NORMAS INTERNACIONALES PARA DETERMINACIÓN Es importante determinar en qué sección comienza la máquina (sección E) y en qué sección termina (sección S), debido a que las curvas de rendimiento en función de la carga siempre están garantizadas y existe mucha importancia en las potencias que se obtienen. El objeto de la norma es determinar las secciones E y S; el contrato de garantía de rendimiento debe ir acompañado de un esquema o cláusula que determine la norma que se ha adoptado para definir la entrada E y la salida S de la turbina. “
Altura neta es la diferencia de alturas totales entre la entrada y la salida de la
turbina
”
Se tiene los siguientes esquemas para los diferentes tipos de turbinas:
25
Turbina de reacción (turbinas Francis, Dériaz, hélice y Kaplan) con caja espiral de hormigón y tubo de aspiración de secciones transversales con aristas rectas
Figura 7.1. Determinación de altura neta (H) para turbina de reacción
Donde es la altura neta, es la presión, la densidad, la gravedad, la altura y la velocidad
26
Turbina hidráulica de reacción con cámara espiral de sección circular
Figura 7.2. Determinación de altura neta (H) para turbina hidráulica de reacción con cámara espiral de sección circular
Donde es la altura neta, es la presión, la densidad, la gravedad, la altura y la velocidad
27
Turbina hidráulica de reacción de eje horizontal
Figura 7.3. Determinación de altura neta (H) para turbina hidráulica de reacción de eje horizontal
Donde es la altura neta, es la presión, la densidad, la gravedad, la altura y la velocidad
28
Turbina Pelton de un chorro y de dos chorros (línea de puntos)
Figura 7.4. Determinación de altura neta (H) para turbina Pelton de un chorro y de dos chorros
Para un chorro:
Donde es la altura neta, es la presión, la densidad, la gravedad, la altura y la velocidad Para dos chorros:
Donde es la altura neta, es la presión, la densidad, la gravedad, la altura, la velocidad y el caudal. 29
En las turbinas Pelton según la norma indicada no aparece el término
(la salida de la turbina se encuentra a la salida del rodete). El constructor deberá procurar que ya que dicha altura que sería igual a
cinética constituye una pérdida de rendimiento. En resumen de la norma se tiene que:
Sección E: Se encuentra inmediatamente detrás de la válvula de admisión
Sección S: o
En las turbinas de reacción se halla en la sección de salida del tubo de aspiración
o
En las turbinas de acción (Pelton) en el punto de tangencia del eje del chorro con un círculo cuyo centro es el centro del rodete
7.2. PRIMERA EXPRESIÓN DE LA ALTURA NETA
Donde es la altura neta, es la presión, la densidad, la gravedad, la altura y la velocidad Consideraciones:
y si se toma como plano de referencia el plano de salida En un turbina Pelton En toda turbina es muy pequeñas y muchas veces puede despreciarse. se calcula leyendo convenientemente el manómetro instalado a la entrada de la turbina, se calcula midiendo el caudal y la sección de En toda turbina
entrada.
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7.3. SEGUNDA EXPRESIÓN DE LA ALTURA NETA
Donde es la altura neta, es la altura bruta, son las pérdidas exteriores antes de la turbina y son las pérdidas exteriores después de la turbina Donde es la altura en el nivel superior del salto, y es la altura en el nivel inferior de aguas abajo en el canal de salida.
8. PÉRDIDAS, POTENCIAS, RENDIMIENTOS 8.1. PÉRDIDAS Las pérdidas en la turbina se clasifican en tres grupos:
Pérdidas hidráulicas: Desde la sección de entrada E hasta el distribuidor; en el distribuidor Fink o el inyector; entre el distribuidor y el rodete; en el rodete y finalmente en el tubo de aspiración, si lo hay.
Pérdidas volumétricas o intersticiales, se dividen en pérdidas exteriores y pérdidas interiores.
Pérdidas mecánicas, que son de igual naturaleza en las bombas y en las turbinas.
8.2. POTENCIAS
Potencia teórica ( ), o potencia neta
es la potencia teórica, es el caudal, la densidad, la altura neta, esta potencia es la potencia absorbida por la turbina. Donde
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Potencia útil ( ), potencia restituida o potencia al freno
Esta es la potencia en el eje, se mide con dinamómetro y se expresa en función de las revoluciones con un cuentarrevoluciones Potencia interna ( ), es la potencia suministrada por la turbina descontando la potencia necesaria para vencer los rozamientos mecánicos
8.3. RENDIMIENTOS
Rendimiento volumétrico ( ) Donde es el caudal suministrado a la turbina y es el caudal útil, o sea caudal que cede su energía en el rodete Rendimiento interno ( ) Rendimiento mecánico ( ) Rendimiento total ( ) Rendimiento hidráulico ( )
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9. ECUACIÓN DEL TUBO DE ASPIRACIÓN El tubo de aspiración desempeña un papel importante en las turbinas de reacción, mientras mayor es el número específico de revoluciones
más importante es el
papel del tubo de aspiración. El tubo de aspiración es excepcionalmente cilíndrico, siendo ordinariamente troncocónico o acodado.
Figura 9.1. Esquema del tubo de aspiración troncocónico
La ecuación correspondiente es:
son las pérdidas en el tubo de aspiración, incluyendo las pérdidas por velocidad de salida del mismo, que es la altura de suspensión o altura Donde
de aspiración Se tiene que:
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Por lo tanto la ecuación queda de la siguiente forma:
( ) De la ecuación se determinan las funciones que tiene el tubo de aspiración:
Recuperar la altura de suspensión de la turbina, creando una depresión a la salida del rodete (función aspiradora)
Recuperar la energía cinética a la salida del rodete, creando también una depresión a la salida del mismo (función difusora)
10.
CAVITACIÓN Y GOLPE DE ARIETE DE UNA
TURBINA 10.1. CAVITACIÓN Si se eleva excesivamente la altura de aspiración
de la turbina con el fin por
ejemplo de proteger el alternador contra las inundaciones posibles por la elevación
, o/y la velocidad del agua a la salida del rodete es relativamente grande, lo que tiene lugar en turbinas rápidas o de elevado, la presión media del agua en el
a la salida del rodete puede llegar a ser menor o igual a la presión de saturación
del vapor a la temperatura del agua en la turbina y producirse la cavitación. La presión local en un punto cercano a la salida del rodete puede también descender hasta el valor mencionado, iniciándose en ese punto la cavitación. La cavitación ha constituido y sigue constituyendo un serio obstáculo en el proyecto de las turbinas, porque al producirse se origina la destrucción del material por erosión y corrosión química, disminuye el rendimiento de la turbina y se produce ruido con vibraciones intensas. En la práctica se construyen turbinas en las cuales pueda originarse un grado de cavitación controlado, con erosión en los álabes tolerable que obligue a reparaciones periódicas, pero que no afecte al rendimiento de las turbinas. 34
El coeficiente de cavitación de Thoma se define:
es la presión atmosférica indicada por el barómetro, es la presión de saturación del vapor, para turbinas que trabajan con agua fría , es el valor máximo que alcanza cuando tiene lugar la cavitación. Cuánto más rápida sea la turbina (mayor ) mayor es el peligro de cavitación, por Donde
tanto, este peligro es mayor en las turbinas Kaplan que en las Francis y en éstas que en las Pelton.
Si interesa utilizar una turbina muy rápida el coeficiente de Thoma será grande y para ello convendrá disminuir
colocando un tubo de aspiración adecuado.
Se ha comprobado que todas las turbinas geométricamente semejantes tienen el mismo valor del coeficiente de cavitación
10.2. GOLPE DE ARIETE DE UNA TURBINA: Si en una central el distribuidor Fink o el inyector Pelton se cerrasen lentamente la turbina se embalaría, lo que hay que evitar, pero si el distribuidor Fink o el inyector se cierran rápidamente se produce el golpe de ariete; para solucionar este problema se utilizan las siguientes soluciones. 10.2.1. PANTALLA DEFLECTORA Se utiliza en las turbinas Pelton, si la turbina se queda sin carga, la pantalla deflectora automáticamente se hunde en el chorro desviándolo en el acto, con lo que se evita el embalamiento de la turbina. El golpe de ariete no se produce porque sigue circulando agua por el inyector y la tubería forzada.
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10.2.2. ORIFIO COMPENSADOR Se utiliza en las turbinas Francis, es un orificio obturado con una válvula que, cuando la turbina se queda sin carga, se abre automáticamente. Al abrirse pone en comunicación directamente la cámara espiral con el canal de salida sin pasar por el rodete. De esta forma la turbina no se embala. La coordinación del lento cierre del distribuidor y rápida apertura del orificio compensador se consigue con la regulación automática con un relé hidráulico. 10.2.3. CHIMENEA DE EQUILIBRIO
Figura 10.1. Esquema de una chimenea de equilibrio
Se debe colocar lo más cerca posible de la central, la onda elástica de sobrepresión no se propaga en la tubería que una la chimenea de equilibrio con el embalse porque la onda se refleja en ella. Por tanto, la conducción entre la chimenea y el embalse sujeta a mucha menos presión puede construirse como un túnel. Al mismo tiempo se reduce la longitud de la tubería entre la turbina y la chimenea de equilibrio, con lo que el golpe de ariete queda aminorado.
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11.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Las turbinas hidráulicas tienen dos tipos de clasificación, según el grado de reacción y según el número específico de revoluciones.
Las turbinas con grado de reacción igual a cero se denominan de acción, como la turbina Pelton, y con grado de reacción diferente de cero se denominan de reacción, como las turbinas Francis, Dériaz, hélice, Kaplan.
Las turbinas pueden tener álabes fijos o álabes orientables, dependiendo de su forma de diseño y construcción. Un factor importante en el diseño es la altura neta que se tiene, incluido además del caudal presente en la instalación.
Se puede estimar las ecuaciones para la transferencia de energía en las turbinas y en todo el sistema de generación, considerando factores de pérdidas y aproximaciones adecuadas.
Según el número específico de revoluciones se determinan a las turbinas lentas o rápidas conforme dicho número va de un valor pequeño a uno grande. El número específico de revoluciones no se refiere al número real de revoluciones a las que gira la turbina.
En las turbinas Pelton (de acción) como distribuidor se utiliza un inyector, en las demás turbinas (de reacción) se utiliza al distribuidor Fink
Existen curvas de rendimiento para los diferentes tipos de turbinas, las mismas que están en función del caudal expresado como fracción del caudal máximo
Actualmente la evolución de las turbinas se refleja en: construcción de turbinas de potencia creciente, alturas mayores, caudales mayores, número específico de revoluciones creciente, rendimientos crecientes, aumento de potencia unitaria y específica, facilitación de revisión, automatización, control de cavitación, reducción de precio y otros.
Existen normas internaciones para la determinación de la altura neta de una turbina, en la cual se especifica principalmente los puntos donde comienza y termina la misma. 37
