Turbinas_Hidráulicas

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EN INGENIERIA CIVIL

PROGRAMA MASTER

CON MENCION EN RECURSOS HIDRICOS

PROGRAMA MASTER EN INGENIERIA CIVILUNIVERSIDAD DE PIURA

CURSO: Centrales Hidroeléctricas y Energías no Convencionales

Dr. Daniel Marcelo AldanaOctubre 2008


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Tema 2. Turbinas Hidráulicas

Dr. Daniel MARCELO ALDANADr. Daniel MARCELO ALDANAOctubre 2008Octubre 2008


MÁQUINAS

TÉRMICASHIDRÁULICAS TÉRMICASHIDRÁULICAS

DesplazamientoP iti

Turbomáquinas

Desplazamiento

TurbomáquinasTurbinas•Francis•Kaplan•Pelton

Ing. Daniel MARCELO PROGRAMA MASTER EN INGENIERIA CIVIL

Positivo PositivoBombas

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TURBINAS HIDRÁULICAS.

La utilización de las turbomáquinas hidráulicasestá orientada hacia la generación de energíaeléctrica aprovechando el agua como recursoenergético (recurso). También se utilizan paramover otros elementos mecánicos o hidráulicos,p. ej: una bomba hidráulica.


Recurso

Turbina Energía Eléctrica

Una turbina hidráulica es un dispositivo capaz de convertirenergía hidráulica en energía mecánica.

En una máquina hidráulica, el agua intercambia energíacon un dispositivo mecánico de revolución que giraalrededor de su eje de simetría; éste mecanismo lleva una ovarias ruedas, (rodetes o rotores), provistas de álabes, deforma que entre ellos existen unos espacios libres ocanales, por los que circula el agua.


4


( )432

42

3g zz

g2vv

gpp

H 43 −+−

+ρ

−=

( )212

22

1 zzg2vv

gpp

H 21 −+−

+ρ

−=

Energía del aprovechamiento:

Energía de la máquina:

3 y 4 designan los niveles libres del agua en los límites exteriores del aprovechamiento Zg

4

3


4

Z4

Z2

2

1Z3

Z1

0Nivel de referencia

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La ECUACIÓN DE EULER es la ecuación fundamental para el estudio de las turbomáquinas. Es la ecuación básica tanto para el estudio de las bombas, ventiladores, turbinas hid á li (t b á i hid á li ) p l t dihidráulicas (turbomáquinas hidráulicas), como para el estudio de los turbocompresores, turbinas de vapor y turbinas de gas (turbomáquinas térmicas). Es la ecuación que expresa la energía intercambiada en el rodete de todas estas máquinas

Los dos planos de representación de una turbomáquina son


Los dos planos de representación de una turbomáquina sonel plano o corte meridional y el plano o corte transversal. Estos planos para una bomba radial son los que se muestran en la siguiente figura.


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LA ECUACIÓN DE EULER

Expresión energética: ( )uu cucuYu 2211 −±=

Expresión en alturas:

Yu (Hu) representa:1 En las bombas ventiladores y compresores la energía

( )g

cucuHu uu 2211 −±=


1. En las bombas, ventiladores y compresores, la energía (altura) teórica comunicada al fluido.2. En las turbinas hidráulicas, de vapor y de gas la energía (altura) útil aprovechada por el rodete.

TRIANGULOS DE VELOCIDAD EN UNA TURBOMÁQUINA


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ECUACIÓN DE EULER TENIENDO EN CUENTA LOS TRIÁNGULOS DE VELOCIDAD

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −+

−+

−±=

222

22

21

21

22

22

21 ccwwuuYu

⎟⎞

⎜⎛ −−− ccwwuuH

22

21

21

22

22

21


⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

++±=gcc

gww

guuHu

222211221

Escribiendo la ECUACIÓN DE BERNOULLI entre la entrada y salida del rodete, se tendrá:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −+−+

−±=

gcczz

gppHu

2

22

21

21

22

21

ρ

Al igualar con la expresión de la ECUACIÓN DE EULER, se deduce:

1. Altura de presión en el rodete,

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛ −

+−

±=⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

−+−

±=wwuuzzppHp

21

22

22

21

21

22

21


2. Altura dinámica del rodete,⎟⎠

⎜⎝

+±⎟⎠

⎜⎝

+±gg

zzg

Hp2221ρ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −±=

gccHd

2

22

21

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El GRADO DE REACCIÓN de una turbomáquina se refiere al modo cómo trabaja el rodete, es decir, el cociente de la altura que da (bomba) o absorbe (turbina) el rodete en forma de presión por la altura total que da (bomba) o que absorbe (turbina) el rodete (el denominador es la altura de Euler, H., en ambos casos).es la altura de Euler, H., en ambos casos).

Las máquinas en que el grado de reacción es iguala cero se llaman de acción. Todas las bombas son de reacción; las bombas de acción no

HuHp

=σ


suelen construirse. Las turbinas de acción constituyen la clase importante de las turbinas Pelton. Si el rodete da (bomba) o absorbe (turbina) la mitad de su energía en forma de presión y la otra mitad en energía dinámica, el grado de reacción es igual a 1/2.

CLASIFICACIÓN.

Motoras y Generadoras

Acción y Reacción

Lentas, Normales y Rápidas

Motoras, son aquellas en las que el fluido cede energía alrodete, por lo tanto la energía del fluido disminuye en su pasopor la máquina, p. ej. Turbinas Hidráulicas.


Generadoras, son aquellas en las cuales el rodete cede energía al fluido, incrementado la energía del mismo, p. ej. Bombas hidráulicas, ventiladores.

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rodete


TURBINAS HIDRAULICAS


BOMBAS CENTRIFUGAS

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Acción, son aquellas en las cuales la variación de presión en elrodete es igual a cero. Para esto se dice que el grado dereacción de la máquina es cero. p1= p2

Reacción, si la variación de presión en el rodete es diferente decero. Grado de reacción diferente de cero (entre cero y uno).p1≠ p2

entrada salida

p1 p2


entrada salida

Lentas, se caracterizan porque están diseñadas paraoperar con caudales bajos y para alturas muy altas. Sonde tipo tangencial.

Normales, utilizan caudales medios y operan bajo saltos(alturas) medios. Son de tipo axial – radial : mixto.

Rápidas, la característica de estas máquinas es queoperan bajo pequeños saltos y grandes caudales. Sonmáquinas de tipo axial.


Se utiliza el concepto de Número Específico de Revoluciones: ns , que es el número derevoluciones a que debería girar una turbomáquina hidráulica para suministrar al eje (turbinahidráulica) o al fluido (bomba) una potencia de 1 CV, en una salto de 1 m, con óptimo rendimiento.La expresión matemática de ns es la siguiente: 4521 //

HnPns−

=

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CLASIFICACION DE LAS TURBOMAQUINAS SEGUN LA DIRECCION DEL FLUJO EN EL

RODETE

En la máquina radial la velocidad en ningún punto (del rodete) tieneEn la máquina radial la velocidad en ningún punto (del rodete) tiene componente axial (según el eje a); solo tiene dos componentes: tangencial y radial

En la máquina axial la velocidad en ningún punto tiene componente radial (según el eje r); sólo tiene dos componentes: axial y periférica. En las máquinas axiales u1 = u2 . El efecto de la fuerza centrífuga es


En las máquinas axiales u1 u2.. El efecto de la fuerza centrífuga es nula.

En la máquina radio axial la velocidad tiene las tres componentes según los tres ejes.

En ninguna máquina falta la componente periférica, Cu, cuya variación a su paso por la máquina, según la ecuación de Euler, es esencial en la transmisión de la energía.

Las turbinas hidráulicas Pelton constituyen una clase especial, porque en ellas el flujo es meramente tangencial. Las turbinas de vapor de las centrales térmicas modernas son máquinas axiales.

Las turbinas hidráulicas son rara vez radiales. Las turbinas hidráulicas más frecuentes son las turbinas Francis que son máquinas


hidráulicas más frecuentes son las turbinas Francis, que son máquinas radio-axiales.

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ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE UNA TURBINA HIDRÁULICA

Canal de llegada (lámina libre) o tubería forzada (flujo a presión). Corresponde a la tubería de impulsión en una bomba Al final de laCorresponde a la tubería de impulsión en una bomba. Al final de la tubería forzada se instala una válvula (compuerta, mariposa, etc.), que no aparece en la figura y detrás de la válvula está la entrada en la tubería (sección E en la figura).

Caja espiral. Transforma presión en velocidad; en una bomba, velocidad en presión.


p

Distribuidor. Corresponde a la corona directriz en una bomba; pero en una turbina transforma presión en velocidad y actúa como tobera; en una bomba, por el contrario, actúa como difusor

Rodete. Es el elemento fundamental de la turbomáquina, pues es en éste donde se desarrolla el intercambio de energía entre el fluido y la máquina, la cual será convertida posteriormente en energía eléctrica.

Tubo de aspiración. En una turbina es el órgano de desagüe, pero se llama tubo de aspiración porque crea una aspiración o depresión a la salida del rodete; y crea también una depresión a la entrada del rodete. Las turbinas de acción, como veremos, carecen de tubo de aspiración: en ellas el agua sale del rodete directamente al canal de salida


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E, entrada de la turbina0, entrada del distribuidor1, entrada del rodete2, salida del rodeteS salida de la turbinaS, salida de la turbina

En una turbina de acciónel rodete trabaja a presión constante, no tiene tubo de aspiración.En la turbina de reacción


p1>p2, además, gracias al tubo de aspiración: p2<pamb. Finalmente pS = pamb

TIPOS DE TURBINA HIDRÁULICAS: CLASIFICACIÓN

De acuerdo a las condiciones geográficas: CAUDAL Y ALTURA, lasturbinas hidráulicas de mayor uso (instalación) son las siguientes:

1. T. Pelton: grandes alturas y caudales pequeños: saltos de 40 a 1700 m, diámetro exterior del rodete de 0.36 a 5.2 m, potencia en el eje hasta 400 MW

2. T. Francis: medianas alturas y caudales, de mayor aplicación a nivel mundial. Saltos de 2 a 500mm, diámetro exterior del rodete de 0.35 a 7 65 m p t n i h t 750 MW


7.65 m, potencia hasta 750 MW.

3. T. Kaplan: pequeñas alturas y grandes caudales. Saltos de 2 a 70 m, diámetro exterior del rodete de 1 a 10.5 m, potencia en el eje hasta 750 MW.

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EXPRESIONES DE LA ALTURA NETA

Esta ecuación está deducida a partir de la ecuación de Bernoulli aplicada entre la entrada y salida de la turbina Punto E y punto S

gvv

zzgpp

H SESE

SE

2

22 −+−+

−=

ρ

aplicada entre la entrada y salida de la turbina. Punto E y punto S respectivamente.

En toda turbina pS = 0, y zS =0 (tomando como plano de referencia zS).

Si se tiene en cuenta el nivel superior del salto (A) y la sección Z


p ( ) y(nivel inferior de aguas abajo en el canal de salida) y las pérdidas exteriores a la turbina Hr-ext . Otra forma de la ecuación es:

rEXTbSZrAErb HHHHHH −=−−= −−


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PERDIDAS, POTENCIAS Y RENDIMIENTOS

Potencia teórica P=QρgH

Potencia útil Pa=Mω=0.1047nM

Potencia interna Pi=Pa+Pmr

Rendimiento hidráulico ηh=Hu/H

Rendimiento volumétrico ηv=(Q-qe-qi)/Q


Rendimiento interno ηi=Pi/P ηi= ηh. ηv

Rendimiento mecánico ηi=Pa/Pi

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PERDIDAS, POTENCIAS Y RENDIMIENTOS

Rendimiento total ηt=Pa/P

ηt= ηh.ηv.ηm

Las pérdidas hidráulicas tienen lugar desde la sección E hasta el distribuidor; en el distribuidor Fink o el inyector; entre el distribuidor y el rodete; en el rodete y en el tubo de aspiración si lo hay.

Las pérdidas volumétrica o intersticiales se dividen en pérdidas


p pexteriores e interiores.

Las pérdidas mecánicas se presentan en todas las partes en contacto.

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