MAQUINAS HIDRAULICAS

SESIO Nº 6

MAG. JOSE MORALES VALENCIA

TURBINAS DE REACCIÓN

Una turbina de reacción, es una máquina motriz que consiste de una parte giratoria llamada rodete, que es impulsado por un fluido en movimiento. Dependiendo de la naturaleza de este fluido, las turbinas de reacción se pueden dividir en: hidráulicas, a vapor y a gas.

Primitiva turbina Francis

TURBINAS FRANCIS

Son conocidas como turbinas de sobrepresión, por ser variable la presión en las zonas del rodete.

Son de admisión total ya que éste se encuentra sometido a la influencia directa del agua en toda su periferia.

También se conocen como turbinas radiales-axiales y turbinas de reacción.

Rodete de una turbina Francis

PARTES DE UNA TURBINA FRANCIS

1. Cámara espiral

2. Predistribuidor 3. Distribuidor 4. Rodete 5. Tubo de succión

Cámara espiral: Tiene como función distribuir uniformemente el fluido en la entrada del rodete de una turbina.

Predistribuidor: Tienen una función netamente estructural, para mantener la estructura de la caja espiral, tienen una forma hidrodinámica para minimizar las pérdidas hidráulicas.

Detalle del predistribuidor

Distribuidor: Es el nombre con que se conocen los álabes directores de la turbomáquina, su función es regular el caudal que entra en la turbina, a la vez de direccionar al fluido para mejorar el rendimiento de la máquina.

Rodete: Es el corazón de la turbina, ya que aquí tiene lugar el intercambio de energía entre la máquina y el fluido, pueden tener diversas formas dependiendo del número de giros específico para el cual está diseñada la máquina.

Tubo de aspiración: Es la salida de la turbina. Su función es darle continuidad al flujo y recuperar el salto perdido en las instalaciones que están por encima del nivel de agua a la salida.

Diversos tipos de tubos de aspiración

PARTES DE UNA TURBINA FRANCIS

FUNCIONAMIENTO DE LA TURBINA FRANCIS

• El agua a presión va a la cámara espiral en forma de caracol.

El reparto del caudal por toda la periferia del rodete

• Álabes fijos canalizan las líneas de flujo del Agua.

• El distribuidor regula el caudal sin que las venas líquidas sufran desviaciones bruscas o contracciones.

El rendimiento es elevado incluso con cargas reducidas.

• Parte de la energía potencial gravitatoria del agua embalsada se convierte en energía cinética.

• La energía cinética aumenta al pasar por las palas fijas del antedistribuidor y por las palas móviles del distribuidor provocando el giro del rodete.

CLASIFICACCIÓN DE LA TURBINA FRANCIS

Se considera la siguiente clasificación, en función de la velocidad específica del rodete, cuyo número de revoluciones por minuto depende de las características del salto.

Turbina Francis lenta: Para saltos de gran altura (alrededor de 200 m o más). 50 < ns < 100

Turbina Francis normal: Indicada en saltos de altura media (entre 200 y 20 m) 100 < ns < 200

Turbinas Francis rápidas: Apropiadas a saltos de pequeña altura (inferiores a 20 m).200 < ns < 400

Turbinas extrarrápidas: Ruedas-hélice (inferiores a 20 m)

400 < ns < 700

COEFICIENTE DE THOMA

Uno de los problemas que se presentan en las turbinas de reacción es la cavitación.En las turbinas Francis puede aparecer localizada sobre las palas a la salida. Este fenómeno se puede representar con la

expresión del coeficiente de Thoma (σ), comprende las pérdidas por rozamiento hidráulico y la cavitación.

Que cuanto mayor sea el salto Hn menor será la altura de aspiración Hs; en la práctica, para que la columna de agua en el aspirador-difusor no se despegue de las paredes, Hs tiene que ser:

HS = B – σ Hn

Donde:

Hs = Altura de succión

B = Presión barométrica (atmosférica)

σ = Coeficiente de cavitación (thoma)

Hn = Altura útil o neta

Altura neta

Tubos de succión simple

VENTAJAS DE LA TURBINA FRANCIS

Su diseño hidrodinámico permite bajas perdidas hidráulicas, por lo cual se garantiza un alto rendimiento.

Su diseño es robusto, de tal modo se obtienen décadas de uso bajo un costo de mantenimiento menor con respecto a otras turbinas.

Junto a sus pequeñas dimensiones, con lo cual la turbina puede ser instalada en espacios con limitaciones física también permiten altas velocidades de giro.

Junto a la tecnología y a nuevos materiales, las nuevas turbinas requieren cada vez menos mantenimiento

DESVENTAJAS

No es recomendado para alturas mayores de 800 m, por las presiones existentes en los sellos de la turbina.

Hay que controlar el comportamiento de la cavitación.

No es la mejor opción para utilizar frente a grandes variaciones de caudal, por lo que se debe tratar de mantener un flujo de caudal constante previsto, antes de la instalación.

Diagrama de funcionamiento de una Turbina Francis

PRIMERA EXPRESION DE LA ALTURA NETA

Hn = Pe−Psγ + (ze – zs) + Ce2−Cs2

2g

Donde:

Hn = Altura neta

Pe−Psγ

= Energía Estática

Ce2−Cs2

2g = Energía Dinámica

ze – zs = Energía Geodésica

SEGUNDA EXPRESION DE LA ALTURA NETA

Hn = Hb - Hre - Hrs

Donde:

Hn = Altura neta

Hb = Altura bruta

Hre = Perdidas exteriores antes de la turbina.

Hrs = Perdidas exteriores después de la turbina.

Luego la ecuación será:

Hn = Hb – Hr

Donde:

Hr = Hre + Hrs

Hr = perdidas exteriores

ALTURA DE EULER

HE = U 1C1U –U 2C2Ug

HE = altura teórica o de Euler

g = gravedad

u1 y u2 = velocidad tangencial de la cucharas en los puntos donde llega y sale el flujo de agua.

c1u y c2u = Proyección de la velocidad absoluta del fluido, sobre la velocidad circunferencial.

EFICIENCIA HIDRAULICA

ηh = µ HEHnDonde:

ηh = Eficiencia hidráulica

µ = Coeficiente de resbalamiento (1 en turbinas)

Hn = Altura Neta

Ht = Altura teórica o de Euler.

PROBLEMAS

1. Una turbina Francis de eje vertical, sin tubo de aspiración, posee las siguientes características: D1 = 450 mm, D2 = 300 mm, β1 = 90º, β2 = 30º, Cm1 = 0,44 U1 , b1 = 50 mm, asumiendo que ηh = 0,96, ηt = 0,92, la velocidad meridional permanece constante a lo largo del rotor, el espesor de los alabes restringe el área periférica en 6%, considerar C2 ≈ 0 por tener un valor pequeño, el flujo de agua ingresa con una velocidad de 3 m/seg y una presión de 6 atmosferas manométricas, determinar:

a) La velocidad de rotaciónb) El caudalc) La cifra de presión.d) La velocidad especifica de revoluciones de potencia.

2. Una turbina Francis tiene 2000 hp, cuando opera bajo un salto neto de 18 m, tiene una eficiencia total de 90%, el diámetro y ancho a la entrada del rodete es de 1,31 m y 0,38 m respectivamente y en la salida de 1,1 m y 0,73 m, si el ángulo del alabe en la entrada del rotor es de 60º, para una salida radial del agua en la turbina, determinar:

a) La velocidad de rotación, si ηh = 91%.

b) La componente tangencial de la velocidad absoluta en la entrada al rodete.

c) El par producido en la turbina.

d) El angulo de salida del rodete.

3. Una turbina Francis tiene un rodete de 610 mm, de diámetro externo y 50 mm de ancho externo, el diámetro

interno es 0,65 del diámetro externo, los ángulos de los alabes de entrada y salida son 95º y 14º respectivamente, la componente meridional es constante atreves del rotor y la superficie periférico del rotor tiene el 8% ocupado por el espesor de los alabes, si la turbina opera bajo un salto neto de 53.6 m, ηh = 88%, ηt = 81%, considerar una salida radial, determinar:

a) La velocidad de rotación del eje en RPM.

b) El caudal en Gal/ min.

c) La potencia al eje en HP

FIN DE LA PRESENTACIÓN