Unidad 12 y 13 - Presentación Centrales y Turbinas Hidráulicas
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Máquinas Térmicas Hidráulicas y Fluidos CENTRALES HIDRÁULICAS 1
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Centrales Eléctricas
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Máquinas Térmicas Hidráulicas y Fluidos
CENTRALES HIDRÁULICAS
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El aprovechamiento de la energía potencial del agua para producir energía eléctrica utilizable constituye en esencia la energía hidroeléctrica. Es por tanto, un recurso renovable y autóctono
El conjunto de instalaciones e infraestructura para aprovechar este potencial se denomina central hidroeléctrica
Se llama salto natural o altura bruta Hb al desnivel entre dos puntos de un río tal que:
CENTRALES HIDRÁULICAS
puntos de un río tal que: Hb= Z1- Z2 = δZ
El río desde su fuente hasta su desembocadura pierde energía
potencial geodésica, la cual se gasta íntegramente en vencer los rozamientos (Hr)
Explotar un salto de altura bruta Hb= δZ, es reducir a un
mínimo la altura perdida: Hr, a fin de aprovechar la altura de salto en una o varias turbinas hidráulicas
CENTRALES HIDRÁULICAS
a) Interceptación de la corriente con un dique o presa:
Existen dos métodos principales de aprovechar un salto:
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�� El desnivel entre "aguas El desnivel entre "aguas arriba" y "aguas abajo", es arriba" y "aguas abajo", es reducidoreducido
�� El embalse tiene capacidad El embalse tiene capacidad reducida en relación al reducida en relación al módulomódulo
CENTRALES HIDRÁULICAS
a) Interceptación de la corriente con un dique o presa:
La presa eleva el nivel del río con lo cual disminuyen la velocidad media y las pérdidas. Las centrales hidroeléctricas de este tipo se denominan Centrales de agua fluyente.
CENTRAL HIDROELÉTRICA YACIRETÁ
20 Unidades de 155 MW == > 3100MW
CENTRAL HIDROELÉTRICA YACIRETÁ
20 Unidades de 155 MW == > 3100MW
CENTRALES HIDRÁULICASb) Desviación de la corriente:Para desviar el curso natural de la corriente se intercepta el río con un dique y se construye un canal y/o conducto cerrado (tubería forzada) que lleva el agua a la central (conducto de llegada), y otro conducto que devuelve el agua al río, después de haber accionado las turbinas (conducto de salida)
En el lugar En el lugar apropiado por apropiado por la topografía la topografía del terreno, del terreno, se ubica la se ubica la obra de toma obra de toma de aguade agua
CENTRALES HIDRÁULICASb) Desviación de la corriente:
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b) Desviación de la corriente:
CENTRALES HIDRÁULICAS
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Explotación de los saltos naturales : Caudal instalado, es el caudal total que absorberán todas las turbinas de la futura central en su carga nominal
CENTRALES HIDRÁULICAS
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200
Hidrografía anual en una estación hidráulica. En el eje de abscisas se han indicado meses del año. El caudal instalado, en este caso de 230 m3/seg, se determina haciendo un estudio energético y económico global de la explotación.
CENTRALES HIDRÁULICASTipos y Costos
Cada central hidroeléctrica constituye un proyecto distinto de los demás. Porque la naturaleza no ofrece simplemente una
potencia hidráulica bruta
Por ej.: una potencia de 100000 Kw (potencia bruta ~ QH*10), se Por ej.: una potencia de 100000 Kw (potencia bruta ~ QH*10), se puede presentar, en sitios distintos del globo con caudales y saltos brutos distintos: Q= 10m³/s y Hb= 1000 m; Q=50m³/s y Hb= 200m; Q= 100m³/s y Hb= 100m, etc.
Por tanto ni las centrales, ni las turbinas de estos distintos
lugares pueden ser iguales.
CENTRALES HIDRÁULICAS
El costo de una central hidroeléctrica orientativamente podría en algunos casos repartirse así:
* 55% la presa * 20% el equipo ó maquinaria * 15% el terreno * 10% las estructuras de la central* 10% las estructuras de la central
Como el costo absoluto de una central depende de la potencia, para comparar costos se atiende al costo por Kw instalado. Este disminuye al aumentar la potencia instalada en la central.
Así orientativamente si el costo por Kw: en una central grande es 1, en una central pequeña será 3 y en una central muy pequeña será 6
CENTRALES HIDRÁULICASClasificación de las centrales ~ Según el tipo de embalse
Centrales de aguas fluyentes
No tienen embalse propiamente dicho. El agua o se utiliza en las turbinas o se derrama por el aliviadero de la central. Son las más frecuentes y entre ellas se encuentran las centrales de encuentran las centrales de más potencia. Son centrales de llanura. Se caracterizan por gran caudal y poca altura. La central se instala en el curso del río o en un canal desviado después de interceptar el mismo por un dique de contención.
CENTRALES HIDRÁULICASClasificación de las centrales ~ Según el tipo de embalse
Centrales de aguas fluyentes
CENTRALES HIDRÁULICASClasificación de las centrales ~ Según el tipo de embalse
Centrales con embalseSon los aprovechamientos hidroeléctricos que tienen la opción de almacenar las aportaciones de un río mediante un embalse. En estas centrales se regulan los caudales de salida para utilizarlos cuando se para utilizarlos cuando se precisen. El canal se construye con poca pendiente y gran sección transversal para disminuir las pérdidas y aprovechar al máximo la energía, que perdería en el lecho natural tortuoso del río.
CENTRALES HIDRÁULICASClasificación de las centrales ~ Según el tipo de embalse
Centrales con embalse
CENTRALES HIDRÁULICASClasificación de las centrales ~ Según el tipo de embalseCentrales de acumulamiento por bombeo
El principio básico consiste que en períodos de poca demanda de energía, por ejemplo en horas nocturnas, se utiliza energía sobrante de la red, proveniente de otras centrales conectadas eléctricamente con la central de bombeo, para bombear agua del nivel aguas abajo al nivel de aguas arriba.
CENTRALES HIDRÁULICASClasificación de las centrales ~ Según el tipo de embalseCentrales de acumulamiento por bombeo
Centrales mareomotrices
CENTRALES HIDRÁULICASClasificación de las centrales ~ Según el tipo de embalse
CENTRALES HIDRÁULICASClasificación de las centrales ~ Según la potencia
Microcentrales:Aquellas cuya potencia máxima es 99 kW
Centrales de pequeña potencia:Aquellas cuya potencia abarca desde 100 a 999 kW
Centrales de potencia media:
Aquellas cuya potencia abarca desde 1000 a 9999 kW
Centrales de gran potencia:
Aquellas cuya potencia es superior a los 10000 kW
CENTRALES HIDRÁULICASClasificación de las centrales ~ Según la altura del salto
Se entiende por salto la altura neta, que suele ser menor que la altura bruta, Hb. El concepto de altura neta juega un papel tan importante en las turbinas como el de altura útil o efectiva en las bombas.
La clasificación de las centrales según la altura del salto es la más importante porque es el salto neto más que ninguna otra característica el que determina la obra civil, el tipo de turbina, la velocidad del grupo y el tipo de alternador.
Centrales de salto de pequeña altura:Cuya altura neta H < 14,99 m
Centrales de salto de mediana altura:Cuya altura neta 15,00 m < H < 49,99 m
Centrales de salto de gran altura:Cuya altura neta H > 50 m.
De acuerdo al tamaño del salto se clasifican :
CENTRALES HIDRÁULICAS
Centrales independientes: Aquellas que alimentan una red individual no conectada a otra centrales.
Centrales interconectadas: Aquellas que alimentan una red común junto con otras centrales hidráulicas, térmicas, convencionales o nucleares.
CENTRALES HIDRÁULICASClasificación de las centrales ~ Según la economía de explotación
Clasificación de las centrales ~ Según el lugar de instalación
Centrales de agua fluyente: La central intercepta el curso del río.Centrales de agua fluyente: La central intercepta el curso del río.
Centrales de pie de presa: La central se construye al pie del
embalse.
Centrales subterráneas: Se desarrollaron grandemente en Suecia.
En la actualidad gracias al avance de la técnica de construcción de túneles, han adquirido un gran auge en el mundo entero y en muchos casos constituyen la solución más económica.
CENTRALES HIDRÁULICASVista de una Central hidroeléctrica de agua fluyente
CENTRALES HIDRÁULICASVista panorámica de una central de pie de presa
CENTRALES HIDRÁULICAS
TURBINAS HIDRÁULICASLa turbina hidráulica es una turbomáquina motora, o sea recibe energía del fluido, y por tanto esencialmente es una bomba rotodinámica que trabaja a la inversa
Elementos constitutivosLos elementos constitutivos de una turbina son análogos a los de una bomba pero dispuestos en orden inverso
TURBINAS HIDRÁULICAS
TURBINAS HIDRÁULICASUna máquina hidráulica es un dispositivo capaz de convertir energía hidráulica en energía mecánica; pueden ser motrices (turbinas), o generatrices (bombas), modificando la energía total de la vena fluida que las atraviesa
Una turbomáquina elemental o monocelular tiene, básicamente, una serie de álabes fijos, (distribuidor), y otra de álabes móviles, (rueda, rodete, rotor).
La asociación de un órgano fijo y una rueda móvil constituye una La asociación de un órgano fijo y una rueda móvil constituye una célula; una turbomáquina monocelular se compone de tres órganos diferentes que el fluido va atravesando sucesivamente, el distribuidor, el rodete y el difusor
El distribuidor y el difusor (tubo de aspiración), forman parte del estator de la máquina, es decir, son órganos fijos; así como el rodete está siempre presente, el distribuidor y el difusor pueden ser en determinadas turbinas, inexistentes.
Clasificación de las turbinas según el grado de reacción
TURBINAS HIDRÁULICAS
Atendiendo a que la presión varíe o no en el rodete, las turbinas se clasifican en:
Turbinas de acción o impulsión
Turbinas de reacción o sobrepresión
El grado de reacción se define en una turbina como:
edetroelporabsorbidatotalaltura
edetroelporabsorbidapresióndealturaGr
⋅⋅⋅⋅⋅
⋅⋅⋅⋅⋅⋅
=
TURBINAS HIDRÁULICAS
En las turbinas de acción el agua sale del distribuidor a la presión atmosférica, y llega al rodete con la misma presión; en estas turbinas, toda la energía potencial del salto se transmite al rodete en forma de energía cinética.
TURBINAS HIDRÁULICAS
En las turbinas de acción, el empuje y la acción del agua, coinciden
Las turbinas de acción son de admisión parcial
La presión del agua no varía en los álabes. El rodete NO está inundado, se encuentra a la presión atmosférica
TURBINAS HIDRÁULICASEn las turbinas de reacción el agua sale del distribuidor con una cierta presión que va disminuyendo a medida que el agua atraviesa los álabes del rodete, de forma que, a la salida, la presión puede ser nula o incluso negativa; en estas turbinas el agua circula a presión en el distribuidor y en el rodete y, por lo tanto, la energía potencial del salto se transforma, una parte, en energía cinética, y la otra, en energía de presión.
El difusor o tubo de aspiración, es un conducto por el que desagua el agua, generalmente con ensanchamiento progresivo, recto o el agua, generalmente con ensanchamiento progresivo, recto o acodado, que sale del rodete y la conduce hasta el canal de fuga, permitiendo recuperar parte de la energía cinética a la salida del rodete para lo cual debe ensancharse
Si por razones de explotación el rodete está instalado a una cierta altura por encima del canal de fuga, un simple difusor cilíndrico permite su recuperación, que de otra forma se perdería
TURBINAS HIDRÁULICAS
TURBINAS HIDRÁULICAS
Las turbinas de reacción son de admisión total
La presión a la entrada del rodete es superior a la atmosférica y a la salida inferior. El rodete está inundado
En las turbinas de reacción, el empuje y la acción del agua son opuestos
Este empuje es consecuencia de la diferencia de velocidadesentre la entrada y la salida del agua en el rodete, según la proyección de la misma sobre la perpendicular al eje de giro.proyección de la misma sobre la perpendicular al eje de giro.
TURBINAS HIDRÁULICASDescripción de los distintos tipos de turbinas
TURBINAS HIDRÁULICAS ~Turbinas de acción Turbina Pelton Consta de un disco circular que
tiene montados en su periferia unas paletas en forma de doble cuchara y de un inyector que dirige y regula el chorro de agua que inciden sobre las cucharas, provocando el movimiento de giro de la turbina.
Hn = c02/2 g +p0 /g+ z0- za
TURBINAS HIDRÁULICAS ~Turbinas de acción Turbina Pelton
TURBINAS HIDRÁULICAS ~Turbinas de acción Turbina Pelton
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TURBINAS HIDRÁULICAS ~Turbinas de reacción Turbina Kaplan
La importancia de las turbinas Hélice y Kaplan en pequeños saltos con grandes caudales, las hacen idóneas tanto en posición horizontal como vertical
El rodete está compuesto por unas pocas palas, que le confieren forma de le confieren forma de hélice de barco; cuando éstas sean fijas, se llama turbina hélice, mientras que si son orientables se denominan turbinas Kaplan; en ambos casos las turbinas funcionan con un único sentido de giro de rotación; son pues turbinas irreversibles
TURBINAS HIDRÁULICAS ~Turbinas de reacción Turbina Kaplan
Sección de una central hidroeléctrica con turbina Kaplan
TURBINAS HIDRÁULICAS ~Turbinas de reacción Turbina Kaplan
Triángulos de velocidades
TURBINAS HIDRÁULICAS ~Turbinas de reacción
Mecanismo de regulación de álabes de una turbina Kaplan
TURBINAS HIDRÁULICAS ~Turbinas de reacción Turbina Kaplan
Sistema hidráulico de regulación de álabes
Modificación del triángulo de velocidades al variar el ángulo de ataque
TURBINAS HIDRÁULICAS ~Turbinas de reacción Turbina Kaplan
TURBINAS HIDRÁULICAS ~Turbinas de reacción
Se caracteriza por recibir el flujo en dirección radial y orientarlo a la salida en forma axial
Turbina Francis
La turbina Francis se compone de:
Distribuidor
Cámara de entrada
Rotor
Tubo de aspiración
TURBINAS HIDRÁULICAS ~Turbinas de reacción Turbina Francis ~ Componentes
Un distribuidor que contiene una serie de álabes fijos o móviles que orientan el agua hacia el rodete.
Una cámara de entrada, que puede ser abierta o cerrada de forma espiral, para dar una componente radial al flujo de agua
hacia el rodete.
Un rodete formado por una corona de paletas fijas, torsionadas de forma que reciben el agua en dirección radial y lo orientan axialmente.
Un tubo de aspiración o de salida de agua, que puede ser recto o acodado y se encarga de mantener la diferencia de presiones necesaria para el buen funcionamiento de la turbina
TURBINAS HIDRÁULICAS ~Turbinas de reacción Turbina Francis en una central
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