Escuela Politécnica Nacional. Bonilla. Selección y Diseño de Turbinas Hidráulicas.
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SELECCIÓN Y DISEÑO DE TURBINAS HIDRÁULICAS. Bonilla Collaguazo Dennis Patricio
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RESUMEN: Para la elección del tipo de turbina adecuada para la velocidad específica se observa y compara con la Figura 1.
El presente documento contiene ejemplos de selección de turbinas hidráulicas para Proyectos Hidroeléctricos del País como Hidrocarolina, Coca-Codo Sinclair, y el diseño de cada parámetro correspondiente a la turbina a utilizar según características propias del proyecto como Caudal, Salto, Potencia y velocidad.
2000
m 1500
H 1000 , ot l 500 as l e d ar ut l a
PALABRAS CLAVE : Hidroeléctrica, Turbina, Diseño, Hidráulica, Selección.
turbina Pelton 1 inyector 2 inyector 4 inyector turbina Francis lenta turbina Kaplan lenta
100
1 INTRODUCCIÓN
50
turbina Kaplan rápida turbina Francis rápida turbina Francis extrarrápida
20
La selección y diseño de turbinas hidráulicas para la generación de electricidad para los diferentes proyectos hidroeléctricos del país, es importante para lograr aprovechar toda la capacidad, evitando pérdidas, y por lo tanto lograr altas eficiencias según las características particulares de cada proyecto.
10 5
turbina Kaplan normal
turbina Francis normal
100
200
300
400
turbina Kaplan extrarrápida
500
600
700
velocidad específica
Figura 1. Selección de Turbinas en función de la velocidad específica
El correcto dimensionamiento de cada una de las turbinas y sea Pelton, Francis o Kaplan, evita daños en las mismas, genera altas eficiencias y ayuda a aprovechar el máximo de energía posible que en este caso para la generación de electricidad.
Como se observa en la Figura 1. El tipo adecuado de turbina es una Turbina Francis y se procede a calcular todas las características de la turbina para obtener el diseño de la misma.
2 PROCEDIMIENTO
2.1 PROYECTO HIDROCAROLINA
Velocidad Absoluta c1 (C1=0,66)
= ∗ 2 ∗ ∗ = 0,66∗ 0,66∗ 2 ∗ 9,8 9,8 ∗ 38 = 18,01 ⁄
Tabla 1. Características del Proyecto Parámetro Valor Potencia Nominal Turbina 450 HP Velocidad de Rotación 1200 rpm Altura de Cabeza 38 m Caudal 1,23 m3s-1
Para los siguientes parámetros utilizamos la Figura 2. Con la velocidad específica obtenemos los parámetros restantes.
Para el diseño primero se debe calcular la velocidad específica para encontrar el tipo de turbina a utilizar.
∗ ∗ = ∗ ∗ 1,014 1 200 ∗ 450 1 = 38 = 271,69 1
ns
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.
2,5 0,98
2,4
20º
0,96 0,94
10º * =
2,2
, s
0,90 ei
0,88 mi
n
ot
0,86 er
n
d
* =
( n ) s
0,92 *
0º
( n s )
2,0 1,8
* (Pelton
18 1,6
≈ 0,3 ≈ 13,9/0,3 ≈ 46,33
, s e b al
14
1,4
á º n
12 / D
1
1,2
D t
D 2 / D 1
1,0 s
≈ 0,4 ≈ 0,4∗ 34,74 ≈ 13,9
z
16 z
el
un inyector)
0,84 0,82
≈ 0,86∗ 34,74 ≈ 29,87
30º * 1
a n oi s
U *1
0,8 n e
_ · 0,5 ·
Di / D = 0,4
mi d a e
7
z
0,6 s
/ D
1
B
n io c la er
0,4
z
á
B / D
s e
5 4
d B / D
,
6 b la º n
C a2
0,2
100
200 300 tu rb in as F ranc is
400
500
600 700 800 tu rb in as h élic e
= 15 álabes
900
velocidad específica, n s
Figura 2. Proporciones y Factores de diseño para turbinas
corona D1
rodete
s a t e l a
pestaña
Figura 3. Dimensiones características de la Turbina Velocidad Tangencial u1* (U1* = 0,8 De la Figura 2.)
= ∗ 2 ∗ ∗ = 0,8 ∗ 2 ∗ 9,8 ∗ 38 = 21,83 ⁄
Al finalizar el diseño observamos que se obtuvo todas las características, medidas de todos los parámetros importantes para el diseño de la turbina en este caso de tipo Francis.
Diámetro del Rodete D1
21,83 = 60∗∗ = 60∗∗ 1200
2.2 PROYECTO COCA-CODO SINCLAIR
= 0,3474 = 34,74
Angulo 1 a la entrada del rodete
tan = − ∗si ∗ncos tan = 0,80,−60,66∗6∗sin22 cos22 tan = 1,31 = 52,74
Dd
Rendimiento Hidráulico h (1*= 22º de la Figura 2.)
= 2∗ ∗ ∗ cos = 2 ∗ 0,8∗ 0,66∗ cos22 = 0,98
s a j i f
Dt D2
Rendimiento de Diseño según Figura 2.
∗ = 0,95
a s í a u d g a e B s t a o t v e i l a p
Número z de álabes según Figura 2.
≈ 0,86
2
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.
∗ ≈ 49 ⁄
Tabla 2. Características del Proyecto CocaCodo Sinclair Parámetro Valor Potencia Nominal Turbina 187,5 MW Número de Polos Alternador 24 Altura de Cabeza 603 m Caudal 34,8 m3s-1
∗6 = ∗ ∗ 4 34,86 = 106,54 ∗ ∗ 4 = 0,2632 = 26,32
Para el diseño primero se debe calcular la velocidad específica para encontrar el tipo de turbina a utilizar.
Velocidad de Rotación
= 60∗ = 60∗1260 = 300
Diámetro d del chorro
Dimensiones de la cuchara y paso t
≈ 2,1∗ = 2,1∗ 26,32 = 55,27 ≈ 2,5 ∗ = 25∗ 26,32 = 65,8 ≈ 0,85∗ = 0,85∗ 26,32 = 22,37 ≈ 2 ∗ = 2 ∗ 26,32 = 52,64
Velocidad Específica
∗ ∗ = ∗
∗ 1 359,62 3 00 ∗ 187, 5 1 = 603 = 50,69
d L
L f
Con la velocidad específica comparamos en la Figura 1. Y se puede observar que el tipo de turbina es Pelton. Con esta información se obtiene los par ámetros para el diseño de turbina Pelton con 6 inyectores.
e 1,1d
T
Velocidad Especifica para cada inyector
2,1· d 2,5 · d T 0,85 · d
B
F
Figura 4. Dimesiones de la Cuchara
Velocidad Absoluta c 1
Diámetro del Rodete D.
∗49 = 60∗∗ = 60 ∗ 300
= ∗ 2 ∗ ∗ = 0,98∗ 2 ∗ 9,8 ∗ 603 = 106,54 ⁄
L
F u F a
B
_ 4 ·· 20º
_ /2 = 7 ·· 15º
( ) = 50,√ 669 = 20,69
2=
= 3,12
Número de Cucharas z
= ∗ = ∗52,31264 = 18,62 = 18 ℎ
Velocidad Tangencial u*
∗ ≈ 0,46 ∗ ∗ ≈ 0,46 ∗ 106,54 3
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105 = 4 ∗ (0,55) ∗ 14,08∗ 1 = 4,15
Relación D/d
= 312 26,32 = 11,85 2.3 PROYECTO CENTRAL MANDURIACU
Parámetro Potencia Nominal Turbina Velocidad de rotación Altura de Cabeza Caudal
Valor 33 MW 200 Rpm 33,7 m 105 m3s-1
Para el diseño primero se debe calcular la velocidad específica para encontrar el tipo de turbina a utilizar.
= 0,45 = 0,45∗ 4,15 = 1,87 Número de álabes
= 6 á 3 REFERENCIAS
= 521,75
[1] Soraiano J. (1996).Mecánica de Fluidos Incompresibles y Turbomáquinas Hidráulicas. España.
De la Figura 1. Se observa que la turbina que se seleccionara es una tipo Kaplan. Con esta información se procede a calcular los parámetros necesarios para el diseño de la turbina.
[2] Soraiano J. (2012). Centrales Hidroeléctricas. Diapositivas de Clase.
Con base a la Figura 2 se obtienen los parámetros de diseño.
= 0,37 = 0,37∗ 4,15 = 1,54
∗ ∗ = ∗ ∗ 1 359,62 2 00 ∗ 33 1 = 33,7
= 0,3 = 0,548 = ∗ 2 ∗ ∗ = 0,548∗ 2 ∗ 9,8 ∗ 33,7 = 14,08 ⁄ Diámetro del Rodete
= 4 ∗ ( − 0,45) ∗ ∗ 105 = 4 ∗ ( − 0,45) ∗ 14,0 8∗ 1 4
