Monografia Regulacion de Turbinas

7/25/2019 Monografia Regulacion de Turbinas

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ÍNDICE

RESUMEN ................................................................................................................................................ 3

INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................................... 4

DESARROLLO ........................................................................................................................................... 5

REGULACIÓN MANUAL ............................................................................................................................ 5

REGULACIÓN AUTOMÁTICA .................................................................................................................... 5

REGULACIÓN DIRECTA ............................................................................................................................ 5

REGULACIÓN HIDRÁULICO-MECÁNICA INDIRECTA SIN RETROALIMENTACIÓN ..................................... 7

REGULACIÓN HIDRÁULICO-MECÁNICA CON AMPLIFICADOR Y RETROALIMENTACIÓN RÍGIDA:

SERVORREGULACIÓN CON ESTATISMO .................................................................................................. 8

REGULACIÓN INDIRECTA CON AMPLIFICACIÓN Y RETROALIMENTACIÓN ELÁSTICA:

SERVOMECANISMO DE REGULACIÓN ................................................................................................... 10

CONCLUSIONES ..................................................................................................................................... 11



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RESUMEN

Se partió del concepto de regulación:

“Regular una turbina es ir abriendo o cerrando el distribuidor siempre que se disminuye oaumente la carga a fin de que el grupo gire siempre a una velocidad constante” (ClaudioMataix Plana, 1982)

El fin buscado es una velocidad constante para obtener una frecuencia de energía eléctricagenerada que sea constante ya que la frecuencia depende directamente de dicha velocidad.

Se desarrolló las distintas maneras de regular turbo máquinas hidráulicas. Dichasregulaciones dependerán de la eficiencia buscada y del tipo de turbo máquina con la que setrabaje. Estas son: regulación manual y automática, regulación directa e indirecta. Semencionó las diferencias entre ellas y sus distintas subdivisiones. Cada una trabaja de formadistinta de acuerdo a sus componentes, teniendo distintos procesos y resultados. Los cualesno se comparó.

Se terminó el trabajo con una explicación esquemática de cómo regular turbomáquinashidráulicas, teniendo en cuenta las distintas maneras de hacerlo dependiendo de los

resultados buscados. Haciendo hincapié en los sistemas de regulación hidráulico-mecánicoya que los sistemas electrónicos escapan a los objetivos del estudio.

Palabras claves: turbinas, hidráulica, regulación, caudal, frecuencia.



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INTRODUCCIÓN

Para iniciar el problema de regulación se considera un grupo turboalternador cuyafrecuencia se determina por la siguiente expresión (1):

f p *n (1)

Donde:

f: frecuencia

p: potencia

n: número de revoluciones en rpm

Para que la frecuencia se mantenga constante o en un cierto entorno aceptable el númerode revoluciones también lo debe ser. Para ello se analizan dos situaciones:

1) Régimen estacionario: cuando acelerado el grupo el par entregado por laturbina sea (par resistente Mr) igual al par entregado por el motor ( par motor Mm).

Pa

Mr (2)

Pa: potencia útil o potencia en el eje

tot* g * Q * H *Mm (3)

Y según la ecuación fundamental de la dinámica del movimiento de rotación (2° Ley deNewton) donde:

I * M Mr Mm (4)

Como M=0, según lo expuesto anteriormente, entonces:

d0; cte; t

dt (5)

Donde , , ; son aceleración, velocidad y desplazamiento angular del grupo

turboalternador.

2) Régimen perturbado: variación de la carga de la red alimentadaa) El consumo de la red aumenta:M, aumenta Mr > Mm porque M= Mm – Mr < 0α < 0 y ω disminuyeb) El consumo de la red disminuye:M, disminuye M = Mm – Mr > 0

α > 0 y ω aumentac) El consumo de la red se anula: se anula el M por apertura del interruptor general:αmax = Mm/l para cada valor de Mm

Los casos a) y b) pueden llegar a autorregularse, es decir, pasan del régimen perturbado alestacionario sin regulación manual o automática. La autorregulación tiene la desventaja degenerar oscilaciones indeseadas en la frecuencia de la corriente.“El problema fundamental de la regulación de velocidad es mantener automáticamente, sinintervención de operario de velocidad de rotación constante o con una pequeña variaciónque no exceda un límite máximo admisible predeterminado.” (Mataix, 1975)



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DESARROLLO

REGULACIÓN MANUAL

Se da de dos maneras:

a) Por regulación de la carga: aumentado o disminuyendo la carga en función delconsumo eléctrico. Es un método antieconómico, pero se lo utiliza cuando se quiere hacerpasar todo el caudal por la turbina.b) Por regulación de la turbina: variando la potencia neta de la turbina, sabiendo que lamisma es función de la carga hidráulica y el caudal. Por lo tanto haciendo variar una u otravariable se regula la turbina. Sin embargo, modificando la carga hidráulica es la formaantieconómica, entonces la regulación por caudal es el método por adoptarse.

REGULACIÓN AUTOMÁTICAEn esta forma de regulación no es posible mantener constante la velocidad del grupo,admitiéndose la existencia de un error debido a la oscilación de los elementos del reguladorrespecto de la posición de equilibrio. Este error se denomina estatismo y es la relación entrela diferencia del número de revoluciones máximo (puesta en marcha en vació) y el númerode revoluciones mínimo (puesta en marcha a plena carga), respecto del número derevoluciones nominal. Matemáticamente el estatismo se presenta según las siguientesexpresiones

max minnom

n nn

2 (6)

max min

nom

n nn

(7)

Donde:

nomn : número de revoluciones nominal, en rpm.

maxn : número de revoluciones máximo cuando la marcha de la turbina es en vacío, en rpm.

minn : número de revoluciones mínimo cuando la marcha de la turbina es a plena carga, en

rpm.

: estatismo, se expresa en porcentaje.El estatismo cuando es mayor, es más estable el sistema. En los reguladores de turbinas <4% normalmente.

REGULACIÓN DIRECTA

Es aquella en la cual la energía necesaria para accionar el órgano regulador del caudal pormedio de la fuerza centrífuga del taquímetro (figura 1).



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Figura 1. Esquema de regulación directa.

El elemento esencial es el taquímetro (figura 2) el cual gira accionado por el motor que por

medio de la fuerza centrífuga las bolas se desplazan ocupando diferentes posiciones enfunción de la velocidad del giro según varíe la carga. La velocidad del taquímetro esinversamente proporcional a la variación de la carga. El manguito 2 se desplaza hacia arribay el balancín ABC pasa a la posición A´B´C´. Al bajar C a la posición C´ la válvula 4 hacedisminuir la admisión del fluido, con lo que coloca al sistema en una nueva posición deequilibrio en una apertura mayor de las bolas del taquímetro. Si la carga del motor aumentase verifica el proceso en sentido contrario al explicado anteriormente.

Figura 2. Diferentes tipos de taquímetros (reguladores de velocidad): a) con resortelongitudinal; b) con resorte transversal; c) con resorte longitudinal y transversal; d) con

resorte de lámina y resorte longitudinal sin articulaciones.

La regulación directa es simple pero presenta dos inconvenientes:

a) Estatismo relativamente elevado, para evitar el bombeo;b) Fuerza disponible muy pequeña, para la apertura de la válvula del distribuidor.

Por estas razones esta forma de regular no es factible de ser empleada porque las turbinasrequieren de fuerzas extremadamente grandes y esto hace que las dimensiones deltaquímetro sean prohibitivas.



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REGULACIÓN HIDRÁULICO-MECÁNICA INDIRECTA SIN RETROALIMENTACIÓN

Suponemos que la carga disminuye: el grupo se acelera, las bolas del taquímetro se

separan, y sube el manguito 2; el punto C baja. Aquí la fuerza del manguito no muevedirectamente por medio de la palanca ABC a la válvula de admisión o distribuidor de laturbina, sino tan solo a la válvula 3 denominada válvula de distribución. La válvula dedistribución es una válvula amplificadora hidráulica. En los reguladores indirectos de laturbina hidráulica de mediana y gran potencia, la fuerza disponible en el punto C es solo dealgunos gr-f y la necesaria para mover el distribuidor de varias toneladas. Al bajar el punto Cel aceite a presión pasa por la entrada situada en la parte central de la válvula dedistribución al lado derecho del servomotor 5 mientras que el aceite del lado izquierdo pasaa través de la válvula 4 al tanque de aceite. Al desplazarse el servomotor hacia la izquierdase cierra el distribuidor de la turbina. Al aumentar la carga de la turbina se verifica el mismoproceso en sentido inverso. Lo cual se observa en el esquema de la figura 3.

Figura 3. Esquema de regulación sin retroalimentación.

Esta regulación indirecta no se aplica ya que no se puede regular una turbina con la misma.Primero porque la válvula de distribución solo puede estar cerrada para una velocidaddeterminada de la turbina, suponemos la velocidad nominal.

Segundo la posición de las bolas del taquímetro es independiente de la posición del embolodel servomotor, al contrario de la regulación directa que a cada posición de la válvula deadmisión le corresponde una sola posición de las bolas del taquímetro, lo que permitía laregulación estable.

En efecto antes del instante 0, el régimen estacionario:

α = 0 y ω = ωN (ωN, velocidad angular nominal)

Instante 0: la carga de la maquina ha disminuido y empieza el régimen perturbado: nace una

aceleración α = dω/ dt; la velocidad aumenta hasta un valor máximo en el instante 1. La



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aceleración en el intervalo 0-1 disminuye pero como se mantiene aún positiva la velocidadsigue aumentando. El servomotor se desplaza a la izquierda y las bolas se separan.

Instante 1: velocidad máxima. Válvula de distribución abierta; entra aceite al espacio de laderecha del servomotor. Aceleración nula: par motor = par resistente. Si en el instante 1 secerrara la válvula de distribución el grupo queda regulado. A una velocidad más alta sin

embargo como la válvula está abierta el servomotor cierra más el distribuidor y surge unaaceleración negativa que aumenta cuando el servomotor se desplaza en el mismo sentido.

Instante 2: velocidad 0: válvula de distribución cerrada. Aceleración mínima, servomotor enposición extrema de la izquierda. Al ser la aceleración negativa la velocidad disminuye.

Instante 3: velocidad mínima, válvula de distribución abierta; entra aceite al espacio de laizquierda del servomotor, la aceleración aumenta. En este instante la aceleración 0 perocomo la válvula está abierta empieza a aumentar.

Instante 4: posición de las bolas y el servomotor idéntica al instante 0 y los fenómenos serepiten periódicamente, siendo un fenómeno oscilatorio t4-t0

Queda claro que esta regulación no es estable y en régimen perturbado se produce una

oscilación permanente de las bolas y el servomotor. Para que el regulador se estabilice enlos instante 1 y 3 en que la aceleración es nula se debería cerrar la válvula de distribución, loque se consigue con un nuevo mecanismo denominado retroalimentación, mandado por elservomotor.

REGULACIÓN HIDRÁULICO-MECÁNICA CON AMPLIFICADOR YRETROALIMENTACIÓN RÍGIDA: SERVORREGULACIÓN CON ESTATISMO

Se observó en las demás regulaciones que la válvula de corredera no se cerraba más quepara una posición perfectamente determinada del taquímetro por lo tanto la velocidaddeterminada de la maquina regulada. De ahí provienen las oscilaciones no amortiguadas detodo el sistema de regulación al variar la carga. Se obvia este inconveniente con laintroducción de la retroalimentación. En este caso mecánica consiste en la palanca angular5, mediante la cual al moverse el servomotor, tanto en dirección del cierre como en direcciónde la apertura del distribuidor cierra la válvula de la corredera.

Suponemos que disminuye la carga de la turbina, la velocidad aumenta, las bolas deltaquímetro se separan, el manguito A sube; la palanca ABC gira en torno del punto B, por elmomento fijo, el punto C desciende. Entra aceite por la cámara derecha del servomotor quecierra el distribuidor, simultáneamente actúa el mecanismo de retroalimentación. La palancaangular (5) gira en sentido horario y la palanca ABC gira ahora en torno al punto A,

momentáneamente fijo. El punto B ocupa la posición B´y la válvula de corredera vuelve a laposición central.



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Figura 4. Esquema de regulación hidráulico-mecánica con amplificación y retroalimentaciónrígida.

En este esquema de la figura 4:

a) En cualquier posición del taquímetro y para cualquier carga puede estarcerrada la válvula.b) A cada posición del servomotor, a cada carga corresponde una posición deltaquímetro.c) A cada carga corresponde una posición distinta del punto B

El nuevo estado de equilibrio se adquiere después de algunas oscilaciones, que se

amortiguan pronto.

Tiempo 0: la carga disminuye con la cual Mm > Mr , α > 0 y la velocidad empieza a aumentar.El distribuidor empieza a cerrarse.

Tiempo 1: Mm = Mr ; n = nmax; bolas separadas en su posición más extrema servomotor ydistribuidor en la posición final que le corresponde. El par sigue disminuyendo porque, sibien la retroalimentación ha actuado y cerrado en parte la válvula de aguja, sigue pasandoaceite a la misma cámara del servomotor porque la velocidad n es superior a la final.

Tiempo 2: Cesa el cierre del distribuidor, la velocidad tiene un valor tal que la combinaciónde posición del manguito del servomotor y de la retroalimentación es tal que la corredera dela válvula ocupa la posición central, el cesa el cierra del distribuidor; pero la velocidad sigue

disminuyendo porque el par motor es deficitario, con lo que se abre la válvula; en sentidocontrario de manera que el servomotor abre el distribuidor. El momento motor aumenta perola velocidad disminuye porque el momento total es negativo.

Tiempo 3: Apertura del distribuidor la final que le corresponde Af . Momento nulo. El númerode revoluciones alcanza su valor mínimo de manera que nmin < nf

Tiempo 4: vuelve la corredera a su posición central. Como el momento es positivo, lavelocidad aumenta y empieza de nuevo el cierre del distribuidor. Así sucesivamente.

Los órganos que intervienen en la regulación oscilan a uno y otro lado de su posición final yse amortiguan rápidamente.

Este esquema tiene el inconveniente de que las oscilaciones se amortiguan rápidamente

solo cuando el estatismo final es grande, lo cual muchas veces es inadmisible.



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REGULACIÓN INDIRECTA CON AMPLIFICACIÓN Y RETROALIMENTACIÓN ELÁSTICA:SERVOMECANISMO DE REGULACIÓN

El esquema de la figura 5 posee una biela elástica 1, que se compone de un cilindro lleno deaceite, en su interior se desplaza un el émbolo provisto de uno o varios taladros deestrangulamiento.

Figura 5. Esquema de regulación hidráulico-mecánica con amplificación y retroalimentación

elásticaPara explicar el esquema de la figura 5 se supone una disminución de la carga. El punto Bse mantiene fijo, porque al ser el movimiento rápido la catarata 1 funciona casi como unabiela rígida. El punto C baja, el servomotor cierra el distribuidor. El mecanismo deretroalimentación eleva el punto B comprimiendo más el resorte 2 y cerrando la válvula de lacorredera; pero la compresión del resorte lentamente cede el émbolo de la catarata y baja elpunto B, abriendo de nuevo de nuevo la válvula de distribución, y cerrando más eldistribuidor con lo cual la velocidad baja y el manguito del taquímetro vuelve eventualmentea la posición inicial. Al final del proceso el punto B ocupará la posición inicial debido alresorte, por cuanto, la válvula de distribución deberá permanecer cerrada en el nuevorégimen de equilibrio, el punto C también ocupará su posición inicial.

Con este tipo de regulación se consigue mantener constante la frecuencia de una sola redcuando se trabaja con un grupo de turbogeneradores, pero cuando el funcionamiento serealiza con grupos de turbogeneradores actuando en paralelo es aceptable un estatismo delorden de 2% al 4%.



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CONCLUSIONES

En una turbina hidráulica no es más que controlar el caudal que pasará por la misma con elfin de regular la velocidad de rotación del eje, teniendo como resultado el control de lapotencia que desarrollará la máquina. Para ello se preferirá la automatización antes que laoperación manual de la regulación para obtener una constancia en la velocidad o aceptando

pequeñas variaciones en la misma dentro de ciertos márgenes preestablecidos indicadospor el estatismo.



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BIBLIOGRAFÍA

Mataix, Claudio, (1982), “MECÁNICA DE FLUIDOS Y MÁQUINAS HIDRÁULICAS”, 2 da ed.,HARLA, Madrid.

Mataix, Claudio, (1975), “TURBOMÁQUINAS HIDRÁULICAS”, ICAI , Madrid.

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