Maquinas Hidraulicas y Termicas Unidad 3

ndice

Objetivo de la unidad . Pg. 2

Introduccin.. Pg. 3

Clasificacin de turbinas. Pg. 5

Conceptos bsicos de turbinas Pg. 6

Formulario Pg. 11

Ejercicios Resueltos

Turbina pelton .. Pg. 12

Turbina francis Pg. 15

Bibliografa Pg. 17

Apndices.. Pg. 18

Mquinas Hidrulicas y Trmicas

Carlos de Jess Estrada Rentera 09490505

Ing. Mecatrnica 1

Objetivo de la unidad

Conocer las partes y funcionamiento de las turbinas hidrulicas y trmicas.

Realizar el clculo de la carga y el caudal necesario, para la operacin de las turbinas hidrulicas en una central hidroelctrica.

Analizar y conocer la instalacin, operacin y mantenimiento de una central hidroelctrica

Obtendr el valor de la potencia de una turbina trmica.

Analizar y conocer la instalacin, operacin y mantenimiento de una central trmica Conocer el campo de aplicacin de las turbinas trmicas en la Mecatrnica.



Ing. Mecatrnica 2

Introduccin

Por medio del presente trabajo se muestran las evidencias elaboradas durante la tercer

unidad del curso de Mquinas Hidrulicas y Trmicas, es importante hablar primeramente de los

conceptos bsicos para el manejo adecuado de trminos que se usan en el anlisis del

comportamiento de las turbinas, as como las ecuaciones que rigen su funcionamiento, calculo de

variables, y el manejo de estos en las aplicaciones de la vida diaria.



Ing. Mecatrnica 3

Turbinas hidrulicas

Accin

De admisin parcial

No tiene turbo aspiracin

Flujo tangencial Pelton

ReaccinAdmisin total

flujo misto y rara vez radial

Francis

Lenta

Normal

Rpida

KaplanDe labes

orientables

Hlice De labes fijos

Turbinas hidrulicas



Ing. Mecatrnica 4

Elementos Constitutivos de las Turbinas Hidrulicas Las turbinas hidrulicas estn constituidas por los siguientes elementos:

a) Canal de llegada o tubera forzada

Es la conduccin que lleva el caudal de agua desde el embalse hasta la cmara espiral o caja espiral. No debe tener una seccin demasiado estrecha para evitar que se produzca elevada prdida de carga del fluido, ya que es energa perdida que no podr aprovecharse en el rodete de la turbina. En esta tubera, y debido a la regulacin de caudal asociada a los cambios de energa elctrica demandada, se pueden producir sobrepresiones peridicas asociadas a golpes de ariete, que son tanto ms peligrosos cuanto mayor es la presin a la que opera la central hidroelctrica. Para evitar que estos golpes de ariete produzcan roturas en la instalacin, es habitual la colocacin de chimeneas de equilibrio, que neutralizan estos cambios de presin.

b) Caja o cmara espiral

Este elemento slo lo tienen las turbinas de reaccin, que son de admisin total. En las turbinas de admisin total, el fluido entra al rodete por todo el permetro exterior. La misin de la cmara espiral es precisamente distribuir el fluido a lo largo de todo el permetro. El diseo de la caja o cmara espiral difiere en funcin de la presin a que opere la central hidroelctrica en que se site la turbina. En centrales hidroelctricas de presin ms elevada, la cmara espiral es metlica, relativamente pequea y tiene seccin circular. A medida que disminuye la presin, la cmara espiral se va haciendo mayor (opera con ms caudal), se construye normalmente en hormign, y la seccin se va haciendo cuadrada. Particularmente en diseos metlicos, de presin alta, la cmara espiral suele estar provista de una vlvula de seguridad o de alivio, cuya misin es reducir el golpe de ariete Que puede producirse por variaciones de caudal en la turbina, evitando posibles roturas en la instalacin.

c) Distribuidor

Es un elemento, situado entre la cmara espiral y el rodete de la turbina, cuya finalidad es orientar adecuadamente el fluido para que entre con la direccin ms adecuada en el rodete, de forma a que el tringulo de velocidades de entrada permita el mximo aprovechamiento de la energa del fluido en la turbina. Su diseo es muy diferente en turbinas de accin y en turbinas de reaccin, por lo que se describir ms especficamente en los temas correspondientes.



Ing. Mecatrnica 5

d) Rodete

Es el elemento donde se produce el intercambio de energa del fluido en la turbina. Su diseo vara mucho dependiendo del tipo de turbina, de modo que se discutir en los temas posteriores.

e) Tuvo de aspiracin o de descarga

Es el tubo que conecta la salida del rodete de la turbina con el canal inferior, y slo est presente en turbinas de reaccin. Su misin es transformar carga de velocidad del fluido a la salida del rodete en carga de presin, con la mnima prdida de carga posible. Su diseo es fundamental, sobre todo en turbinas de centrales de baja presin.

f) Planta hidrulica Las centrales hidroelctricas toman la energa del flujo de agua en el cauce natural de un desnivel conocido como salto geodsico, donde una turbina transmite la energa a un alternador que la convierte en energa elctrica. Esta forma de aprovechar la fuerza de la Naturaleza genera una energa limpia, renovable y de bajo riesgo.

g) Gravedad especifica

La velocidad especfica Ns es el nmero de revoluciones que dara una turbina semejante a la que se trata de buscar y que entrega una potencia de un caballo, al ser instalada en un salto de altura unitaria. Esta velocidad especfica, rige el estudio comparativo de la velocidad de las turbinas, y es la base para su clasificacin. Se emplea en la eleccin de la turbina ms adecuada, para un caudal y altura conocidos, en los anteproyectos de instalaciones hidrulicas, consiguiendo una normalizacin en la construccin de rodetes de turbinas. Los valores de esta velocidad especfica para los actuales tipos de turbinas que hoy en da se construyen con mayor frecuencia (Pelton, Francis, Hlices y Kaplan)

Velocidad especfica Ns Tipo de Turbina

De 5 a 30 Pelton con un inyector De 30 a 50 Pelton con varios inyectores

De 50 a 100 Francis lenta De 100 a 200 Francis normal De 200 a 300 Francis rpida De 300 a 500 Francis doble gemela rpida o express Ms de 500 Kaplan o hlice

h) Coeficiente de cavitacin de Thomas



Ing. Mecatrnica 6

=

= max

i) Golpe de ariete

Es una condicin de depresin y sobrepresin que ocurre al momento de darle a la vlvula la orden de cierre, el cual se produce de forma instantnea, llegaramos a observar los fenmenos siguientes en la conduccin:

En el tramo entre el depsito y la vlvula, y concretamente junto a sta, se origina una sobrepresin brusca que ocasiona una deformacin de la tubera, puesta de relieve por un ensanchamiento elstico de sus paredes. Que se propaga hacia el depsito con cierta velocidad, requiriendo, la sobrepresin, un tiempo de desplazamiento. Al llegar al depsito, desaparece la sobrepresin inicial producindose una contraccin en la tubera en el sentido descendente hacia la vlvula. El fenmeno se repite, aunque con menor intensidad hasta que se amortigua por completo, debido a rozamientos, etc.

En el tramo desde la vlvula en adelante, y a partir de sta, se crea una depresin en el instante del cierre, que causa una contraccin de las paredes del conducto elstico, transmitindose a toda su longitud, volviendo a su dimetro original una vez que el lquido se evacua por completo

j) formula de allievi y Joukowski

Joukowski Las ecuaciones integrales de continuidad y cantidad de movimiento pueden aplicarse para obtener el valor del pulso de presin o pulso de Joukowski producido por una variacin v de la velocidad en una tubera de caracterstica a resultando:

=

Expresada en altura de columna del fluido. Si se trata de un cierre instantneo como el del ejemplo descrito v=-v0 y el valor del pulso es:

= 0

Allievi

=2

(2 4 + 2)

Siendo: =0



Ing. Mecatrnica 7

k) Chimenea de equilibrio

Son tneles verticales abiertos que se sitan cerca del elemento que provoca el golpe de ariete. De esta forma, la condicin de contorno se transforma en la de un depsito no ideal-, convirtiendo la pulsacin de alta intensidad y frecuencia del golpe de ariete en una pulsacin de baja intensidad y frecuencia, correspondiente a una oscilacin en masa. Es habitual su utilizacin en centrales hidrulicas para proteger los tneles de hormign anteriores a las tuberas forzadas

l) Presa o represa

Es una obra que se lleva a cabo para contener o regular el curso del agua. El concepto se

utiliza para nombrar al lugar donde las aguas quedan detenidas, ya sea de forma artificial

o natural.

La represa o presa consta de una barrera de hormign, piedra u otro material, que se

construye sobre un ro, arroyo o canal para embalsar el agua en su cauce. Luego esta agua

embalsada puede derivarse a canalizaciones de riego o aprovecharse para la produccin

de energa mecnica o elctrica.

m) Embalse

Se denomina as, a la acumulacin de agua producida por una obstruccin en el lecho de

un ro o arroyo que cierra parcial o totalmente su cauce.

La obstruccin del cauce puede ocurrir por causas naturales como, por ejemplo, el

derrumbe de una ladera en un tramo estrecho del ro o arroyo, la acumulacin de placas

de hielo o las construcciones hechas por los castores, y por obras construidas por el

hombre para tal fin, como son las presas.

n) Cortina

Con la cortina se represa el agua hasta una elevacin suficiente que permita derivar el

gasto por la bocatoma y se disea para que la corriente convierta sobre ella, ya sea parcial

o totalmente su longitud; por lo que siempre sern cortinas vertedoras.

Se puede intentar una clasificacin de estas cortinas considerando varios aspectos:

Por su eje en planta:

Rectas

Curvas



Ing. Mecatrnica 8

La lnea del eje por lo general es recta, y normal a la corriente, pero en ocasiones debido a

la topografa o geologa, del cauce se adaptan ejes curvos y mixtos con el fin de disminuir

las excavaciones y volmenes del material en el cuerpo de la cortina o bien por cimentarla

en los estratos geolgicos ms favorables del sitio.

Por su tipo de materiales:

Flexibles

Rgidas

Mixtas

o) Aliviadero

Son utilizados, intensiva y satisfactoriamente, en la medicin del caudal de pequeos

cursos de agua y conductos libres, as como en el control del flujo en galeras y canales.

Terminologa

El borde superior se denomina cresta, pared o umbral.

Los bordes verticales constituyen las caras del vertedero.

La carga del vertedor, H, es la altura alcanzada por el agua, a partir de la cresta del vertedor.

Los niveles a ambos lados del vertedor se llaman niveles, aguas arriba y aguas abajo, respectivamente.

Debido a la depresin de la lmina vertiente junto al vertedor la carga H debe ser medida aguas arriba, a una distancia aproximadamente igual o superior a 5H.

Clasificacin

Su forma

Altura relativa del umbral

El espesor de la pared

p) Numero de polos en funcin de un generador

=120

:



Ing. Mecatrnica 9

Turbina pelton:

Son para grandes salton y bajo caudal.

No tiene caja espiral.

Inyector (Distribuidor).

Los labes se llaman cucharas o cangilones.

El deflector evita el golpe de ariete y embalamiento de la turbina.

Nota: La caja espiral de las turbinas sirve para convertir energa de presin en energia de

velocidad.

Elementos para la instalacin de turbinas:

Canal de llegada o tuberia forzada.

Caja espiral.

Distribuidor.

Rodete.- Impulsor.

Tubo de aspiracin.

Planta hidrulica.

Se basan en la ecuacin de Euler.

Turbinas francis

Lenta

Normal

Rpida

Partes constitutivas

Caja espiral

Distribuidor

Rodete

Tubo de desfogue

=

=

0.65~2.5



Ing. Mecatrnica 10

Fomulario para turbinas

=

=

=

60

= 2

=60

= 1

1 = 2

=

= 12

54

=

12

=

12

=120

=60

=120 60

=

75=

=

12

54

=



Ing. Mecatrnica 11

Problemas

13.- Una turbina pelton desarrolla bajo una carga neta de a una velocidad de

suponiendo que el coeficiente de velocidad es . el factoe de velocidad es . el

rendimeitno % la relacin de dimetros . Determine:

a) Caudal requerido.

b) Dimetro de la rueda.

c) Dimetro y nmero de chorros requeridos.

Datos:

= 4470

= 122

= 200

= 0.98

= 0.46

= 88 %

= 1 9

Solucin:

Inciso a:

=

=

=

4470

1 9.81 2 122 0.88= .

Inciso b:

=

=

= 2(9.81 2)(122) = .



Ing. Mecatrnica 12

=

=

60(22.505 )

(200 )= .

Inciso c:

=

=

9=

2.14

9= .

=

= = 0.982(9.81 2)(122) = .

= 47.94 0.0442 = .

=

=

.

. = .



Ing. Mecatrnica 13

14.- Determinar las caractersticas de funcionamiento de una turbina pelton de con

una carga neta de con la que se movera un generador de la urbina es de eje

horizontal con y una velocidad especifica de la relacin de velocidad es igual al

y es . la velocidad unitaria es de . Determinar:

a) Velocidad

b) Dimetro de la rueda

c) Numero de polos del generador

Datos:

= 40 000 = 54384.92

= 850

= 2

= 30

= 0.47

= 40

= 60

Inciso a:

=

=

=30

(54385)12 850

54

= .

=

=

=850

12 40

590.41= .

=

=

120 60

590.41= .

=

=

60 60

590.41= .



Ing. Mecatrnica 14

=120 60

16=

15.- En un aprovechamiento hidroelctrico se instalar una turbina Francis que dispondr de un

gasto de 194/ y una carga neta de 101m. Se considera una eficiencia global de 87%. La

velocidad especfica es de 210/ y el coeficiente de cavitacin de 0.13. La presin atmosfrica

del lugar es 10m.c a. Calcular:

a) Velocidad de giro.

b) Altura de aspiracin para las condiciones del diseo.

c) Dimetro del rodete.

Datos:

= 1943/

= 101

= 0.75

= 87%

= 210

= 0.13

= 10

Solucin:

Inciso a:

a) =

=

(1000)(194)(101)(.87)

75= .

=

=210

[(227290.40)1

2 (101)54]

= .

Inciso b:

b) = = (10) (. 13)(101) = .

Inciso c:

c) = = (. 75)2(9.81)(101) = . /

=

=

(33.38)(60)

(141.03)= .



Ing. Mecatrnica 15

16.- Una turbina Francis funcionando a 300rpm desarrolla una potencia en el eje de 1125cv

cuando el caudal es 120/. Calcular la altura del rodete si el rendimiento de la turbina es del

85%. Exprese el resultado tanto en pies como en metros.

Datos:

= 1125

= 300

= 1203/ = 3,393/

= 85%

Solucin:

=

=

75

=

(1125)(75)

[(3.39)(1000)(. 85)]= . .



Ing. Mecatrnica 16

Bibliografa

Claudio Mataix

Mecnica de Fluidos y Mquinas Hidrulicas

Ed. Harla

Mxico, D.F.

Ao 1982

Pgina. 355- 406

Maquinas Hidraulicas y Termicas Unidad 3

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