turbo maquina ria
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UNIVERISDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE
HONDURAS
Mecánica de Fluidos
Turbomaquinaria
Ing. Amparo Guadalupe Salgado
Integrantes
Sección 1101
9 de Mayo del 2012
Tegucigalpa M., D., C.
Angela Gabriela Morales 20101001126
Allan Roberto García
Junior Reyes
Miguel Rafael Milla 20091001413
Wilmam
Josue Mauricio Carbajal
INTRODUCCIÓN
Las turbinas son máquinas que nos permiten obtener energía por medio de un fluido
que generalmente es agua, obtenida de una fuente natural sin pre tratamientos
fisicoquímicos o de tipo microscópicos. El fluido es movido por medio de rodetes que
pueden ser de diferentes tipo, entre los más comunes están; los de hélice, aspas, de
T, en u, y espiral. Usualmente se utilizan las turbinas para generar energía eléctrica
siendo una fuente de desarrollo y mejoramiento de la calidad de vida, con las
comodidades que estos dispositivos nos brindan. Para motivo de la clase, también
nos referiremos al origen de la energía por medio de manera hidráulica, sabiendo
que existen otras maneras más amigables para el medio ambiente como la eólica y
la solar.
Para tener eficiencia máxima del sistema se debe conocer los tipos de turbinas para
saber cual escoger y aprovechar el potencial de la máquina.
TURBOMAQUINARIA
MÉTODOS DE ESTUDIO
Métodos de estudio para el comportamiento general de las turbomáquinas: el método
analítico, el método experimental y el análisis dimensional.
Se deben considerar aquellos procedimientos que tienen la misma base común de estudio
para todas las turbomáquinas cualquiera que sea el tipo estableciendo principios universales
que puedan ser fáciles de comprender.
El método analítico está basado en el estudio del movimiento de los fluidos en los labeles:
análisis de diagramas vectoriales de velocidades a la entrada y salida de labeles. Estudio
dinámico por la influencia de fuerzas exteriores y de cantidades de movimiento, propiedades
de la dinámica del fluido a su paso por la maquina como son: el gasto o caudal, la carga, la
presión, la potencia, la velocidad de rotación, el tamaño o dimensión, la masa especifica, la
viscosidad, la elasticidad, etc.
El método experimental se utiliza en la construcción de las maquinas hidráulicas hasta el
presente siglo, las formulas empíricas de la hidráulica eran de utilidad en aquellos procesos
mejor conocidos y fácilmente medibles como el movimiento del agua en ductos y canales,
pero en una turbomáquina los experimentos eran más difíciles, los diseños de elementos no
podía hacerse con precisión y se obtenían rendimientos bajos. Fue con la ayuda de la
mecánica de fluidos cuando el proyecto progreso y construcción de las bombas y turbinas
hidráulicas. Los principios teóricos de la hidrodinámica con el auxilio de la hidráulica
completaron el conocimiento de la dinámica de fluidos.
Aunque el progreso de la tecnología hidráulica debido a la mecánica de fluidos, la
experimentación sigue haciéndose necesaria en la maquina concebida como un todo.
Análisis dimensional con el conocimiento de las variables que intervienen en el movimiento
de un fluido en una turbomáquina, manejas en forma matemática, el análisis dimensional
ofrece grupos de relaciones entre dichas variables, el método aparece abstracto pero es una
herramienta en una aproximación, pues, con un mínimo de conocimientos procura una guía
eficaz en la investigación, limitada así, a buscar solo los coeficientes de proporcionalidad que
convierten los referidos grupos en identidades. Se confirma con el análisis dimensional, los
coeficientes de funcionamiento de las turbomáquinas, lo mismo que los números de Euler,
Reynolds, Froude, Mach etc. Que califican la influencia de los diferentes propiedades del
fluido (inercia, viscosidad, acción gravitacional, elasticidad etc.).
GRADO DE REACCIÓN
La proporción relativa de energía transferida por cambio en la carga dinámica o en la carga
estática es un factor importante en la clasificación de las turbomáquinas y en las
características de diseño de estas según las aplicaciones. Se llama grado de reacción o más
simplemente reacción, a la relación de la carga estática a la carga total transferida. Se ha
visto que una turbomáquina de reacción se caracteriza, pues, por producir una gradiente de
presión entre la entrada y la salida del rotor; debe trabajar en ducto cerrado. La reacción
generalmente tiene valores entre cero y uno, pero puede tener valores superiores a la unidad
en algún caso como en los compresores axiales de varios pasos. En turbinas axiales de
vapor el grado de reacción llega a tener valores positivos, negativos y nulos en la misma
máquina, según los diferentes rodetes de la misma.
LA SIMILITUD EN LAS TURBOMÁQUINAS
El establecimiento de grupos y expresiones adimensionales - obtenidas por análisis
dimensional o por las aplicaciones de principios mecánicos -, como:
Relación de cantidades geométricas de dimensiones lineadles o relaciones de cantidades
cinemáticas como velocidad, relaciones de cantidades dinámicas como fuerza, debidas a la
inercia la presión y otras propiedades de un fluido lleva el concepto de similitud y la
formulación de coeficientes que rigen el funcionamiento de maquinas similares.
Similitud física completa entre dos maquinas implica:
1. Similitud geométrica: las relaciones entre las dimensiones lineales son las mismas en
puntos homólogos de los dos sistemas o maquinas, esto es, las formas son las
mismas.
2. Similitud cinemática: velocidades u otras cantidades cinemáticas guardan la misma
relación; triángulos representativos de las velocidades serán semejantes, redes de flujo
que materializan el movimiento del fluido a través de la maquina.
3. Similitud dinámica: relaciones entre magnitudes de las diferentes fuerzas son las
mismas, en el mismo instante en puntos homólogos de las dos maquinas.
Es dudoso que se pueda lograr completamente una similitud física, que requiere una debida
ponderación de todas las variables en cada momento. Una misma forma tiene respuesta
diferente ante las propiedades de un fluido al variar la velocidad relativa, por ejemplo. Sin
embargo, para fines prácticos se puede aproximar muchos casos determinados, resultando
de gran utilidad. La aplicación mas inmediata se obtiene en la operación de modelos a
escala lineal más reducida de manera que se pueden realizar experimentos poco costosos.
Velocidad especifica
La velocidad específica representada normalmente por ns . denominada también velocidad
específica absoluta o velocidad angular específica, corresponde al número de
revoluciones por minuto que daría una turbina semejante a la que se desea proyectar (de
igual forma pero dimensiones reducidas), la cual, instalada en un salto de 1 m. de altura,
proporcionaría una potencia de 1 CV.
Formula:
O también
En la que: ns = velocidad específica en rpm.
n = velocidad de sincronismo en rpm.
p = potencia de la turbina en CV
H = altura del salto en m.
Se deduce que, para un mismo salto y potencia a desarrollar, se pueden proyectar tantos
rodetes como se desee, los cuales diferirán entre si en el diámetro, altura y numero de
álabes y por supuesto en el número real de revoluciones por minuto n y en la velocidad
específica ns. Este último dato determinará las características del rodete a adoptar, por estar
relacionado dicho valor con los rendimientos obtenidos en la turbina semejante, en función
de las distintas cargas solicitadas, siendo estos rendimientos idénticos a los que se
obtendrán en la turbina a construir.
Variación de las características del rodete a medida que aumenta ns
Curvas de rendimientos de las turbinas hidráulicas en función de los caudales
aportados
Dentro de un mismo tipo de turbina, a mayor número de vueltas específicas, corresponden
rodetes de menor diámetro y, lógicamente, menor número de álabes o palas. A la vez que
aumenta la velocidad específica, el diámetro de salida Ds crece respecto al diámetro de
entrada De. En turbinas de velocidad específica normal Ds»De.
Evolución de los diámetros de entrada y salida en relación con ns
Velocidades específicas en rodetes de un mismo tipo de turbina.
RENDIMIENTOS
Se definen varios rendimientos:
a) Rendimiento hidráulico o manométrico: que muestra la relación que existe entre la carga
teórica y la carga neta por un coeficiente Ψ.
Ψ=H/Hn
Este rendimiento caracteriza la capacidad de la máquina para intercambiar energía con el
fluido.
b) Rendimiento volumétrico: no todo el fluido puede intercambiar energía con la maquina, la
energía se fuga por alabes del rotor, partes del miso, estoperos o retenes. Antes de tener
esa oportunidad así se define un rendimiento volumétrico.
c) Rendimiento mecánico: tiene cuenta de las pérdidas por rozamiento mecánico en
chumaceras, cojinetes y órganos de regulación.
d) Rendimiento global: rendimiento enérgico total. Podría ser expresado como la relación
entre la potencia en la flecha de la maquina y la potencia cedida o tomada por el fluido.
Factores de pérdida de energía
a) Perdidas por fricción sobre las paredes de los contornos: estas van directamente con el
cuadrado de la velocidad relativa y la longitud del ducto o canal por donde se mueve el
fluido. También interviene la viscosidad del fluido y la rugosidad de las paredes.
b) Perdidas por separación del fluido de los contornos de los álabes o por choque
contra los mismos produciéndose turbulencias o vibraciones prejudiciales. Sirve para
modificar la potencia de acuerdo a la demanda, se regula el gasto, cambiando en magnitud o
dirección la velocidad absoluta de entrada del rotor, pero como la velocidad de arrastre
permanece constante, necesariamente la velocidad relativa se sale de la posición tangente
que debe tener respecto al alabe, produciéndose la separación o choque contra el mismo.
c) Perdidas por recirculación del fluido entre el rotor y la carcasa. El rotor gira dentro de
la carcasa llena de fluido y produce una verdadera centrifugación de las partículas que están
en contacto periférico, dando lugar a una corriente circulatoria que sigue al rotor en
movimiento.
d) Pérdidas por fugas. Resulta difícil evitar las fugas del fluido éntrelas partes móviles y fijas
de una turbomáquina. Esta energía perdida se considera perdida por fuga.
Fenómeno de cavitación
La cavitación o aspiraciones en vacío es un efecto hidrodinámico que se produce cuando el
agua o cualquier otro fluido en estado líquido pasa a gran velocidad por una arista afilada,
produciendo una descompresión del fluido debido a la conservación de la constante de
Bernoulli. Puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del líquido de tal forma que las
moléculas que lo componen cambian inmediatamente a estado de vapor, formándose
burbujas o, más correctamente, cavidades. Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor
presión e implotan , el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, aplastándose
bruscamente las burbujas, produciendo una estela de gas y un arranque de metal de la
superficie en la que origina este fenómeno.
Daño por cavitación de una turbina Francis
TURBINAS HIDRÁULICAS DE FLUJO RADIAL
Una turbina hidráulica es una turbomáquina motora hidráulica, que aprovecha la energía de
un fluido que pasa a través de ella para producir un movimiento de rotación que, transferido
mediante un eje, mueve directamente una máquina o bien un generador que transforma la
energía mecánica en eléctrica, así son el órgano fundamental de una central hidroeléctrica.
Coeficiente de utilización
El agua no puede ceder toda su energía al rotor a su paso entre los alabes, necesita
conservar energía para poder llegar al punto de descarga y se obtiene por medio de la
siguiente fórmula:
ε= energía utilizada/ energía utilizada
TURBINA DE FRANCIS
La turbina Francis fue desarrollada por James B. Francis. Se trata de una turbomáquina
motora a reacción y de flujo mixto.
Las turbinas Francis son turbinas hidráulicas que se pueden diseñar para un amplio rango de
saltos y caudales, siendo capaces de operar en rangos de desnivel que van de los dos
metros hasta varios cientos de metros. Esto, junto con su alta eficiencia, ha hecho que este
tipo de turbina sea el más ampliamente usado en el mundo, principalmente para la
producción de energía eléctrica mediante centrales hidroeléctricas. Las partes son:
Caja espiral: Tiene como función distribuir uniformemente el fluido en la entrada del rodete
de una turbina
Pre distribuidor: Tienen una función netamente estructural, para mantener la estructura de
la caja espiral, tienen una forma hidrodinámica para minimizar las pérdidas hidráulicas.
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. Este recibe el nombre de distribuidor Fink.
Rotor: 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. En general se construye en forma de difusor, para generar un efecto de aspiración, el
cual recupera parte de la energía que no fuera entregada al rotor en su ausencia.
Variación de la presión y de la velocidad del agua en una
turbina de reacción
En la figura se incluye un tramo de la unidad, pero con ello se quiere hacer notar la forma en
que va aumentando la presión del agua hasta alcanzar el caracol, mientras la velocidad
permanece constante en la tubería, ya que el diámetro se considera constante y el flujo
estable.
En el caracol, se mantiene constante la energía del fluido por razones de equilibrio dinámico.
Al distribuidor se produce una aceleración que incrementa la energía cinética.
En seguida ataca el agua a los álabes del motor con una velocidad y una presión
En su paso por entre los álabes cede casi toda su energía al rotor, conversando sólo valores
residuales ( ) a la salida, para continuar su curso hacia el tubo de desfogue o difusor,
en el cual el agua disminuye aún más su energía cinética, incrementándose ligeramente la
presión.
El agua termina su recorrido por el ducto cerrado, descargando en el socaz o bajo cauce del
río a la presión atmosférica.
4.7
Regulación de la potencia. El distribuidor
La turbina hidráulica se acopla rígidamente a un alternador al cual mueve para generar
energía eléctrica. Este debe girar a una velocidad fija, condicionada por la frecuencia y el
número de polos. Sin embargo, la potencia absorbida por el generador varía según las
exigencias de la curva de demanda de energía eléctrica del sistema al que está conectado.
La turbina que lo mueve, tiene que poner modificar su potencia, en cada momento, de
acuerdo con las necesidades del generador. La regulación de la potencia en la turbina se
realiza por medio del distribuidor, modificando convenientemente el gasto.
La potencia de la turbina viene definida por las variables fundamentales Q y H según la
ecuación:
Ahora bien, el caudal depende del área de paso y de la velocidad, según la ecuación de
continuidad. En las turbinas de reacción, el agua tiene acceso al rotor por su área
circunferencial lateral, correspondiente a la altura de los álabes del distribuidor, esto es, por
área normal a la dirección radial, cuyo valor es constante en una turbina determinada. Solo
cabe modificar la velocidad radial de paso por esa área ya que Q = A0 X VR1, siendo A0
el paso lateral de referencia. La variación en magnitud de VR1 se logra cambiando la
dirección de la velocidad absoluta de entrada V1, lo que se consigue con los álabes del
distribuidor.
El distribuidor de las turbinas de reacción está constituido por un sistema de álabes
pivotantes que circunda al rotor, dispuestos en forma de persiana que puede abrirse o
cerrarse según las necesidades de la turbina. El distribuidor tiene las funciones siguientes: a)
Regula el gasto según exigencias de la potencia. b) Convierte parcialmente la energía
estática en dinámica para que así el líquido pueda atacar a los álabes del rotor y tenga lugar
la transferencia energética. c) Dirige la velocidad absoluta del fluido V1 según una dirección
determinada α1 que da lugar a una componente radial VR1 de acuerdo con las exigencias
del gasto, y a una VR1 tangencial necesaria para la transferencia de energía del agua al
rotor.
Alimentación de las turbinas de reacción. El caracol
El distribuidor de las turbinas de reacción, recibe el agua de una caja espiral o caracol,
generalmente metálica en las turbinas Francis, que circunda al primero, dirigiéndose hacia
los álabes del distribuidor a través de unos portillos constituidos por paletas directas fijas o a
la carcasa.
Por razones de equilibrio, es conveniente que la energía que el agua que alcanza al contorno
del distribuidor sea la misma en todos los puntos del contorno. Como el gasto va
disminuyendo a lo largo del caracol, la sección de éste debe ir reduciéndose
progresivamente. Con objeto de que las pérdidas de carga con influya demasiado, se
procura una velocidad de escurrimiento relativamente baja, del orden de 6 a 20 pies por
segundo, según la carga.
La experiencia ha demostrado, que para mantener los mismos valores de energía periférica,
es más ventajoso disminuir menos rápidamente las secciones de la voluta que lo exige la
ecuación de continuidad y considerar una pérdida de carga uniforme por unidad de longitud
del caracol.
La condición fijada se traduce por:
o
Siendo V y D los valores de la velocidad media y del diámetro en una sección cualquiera; Ve
y De los valores a la entada del caracol.
4.19
Llamando X a la fracción del gasto total, que pasa por la sección de diámetro D, situada a un
ángulo Ө del origen, se tiene
Y de acuerdo con la ecuación de continuidad
Tubo de desfogue, función forma, altura de aspiración y rendimiento
El tubo de desfogue que sirve para la descarga del agua de una turbina de reacción hasta el
socaz, satisface además una función muy importante como órgano de recuperación de
energía, contribuyendo a mejorar el rendimiento global de la unidad. Puede también permitir,
que el nivel de aguas abajo, esté más bajo o más alto que el plano ecuatorial de la turbina,
según lo exijan las condiciones de la instalación.
También se le da de difusor, ya que debido a su forma divergente, produce una
desaceleración del agua que sale de la turbina, convirtiendo la energía cinética del líquido en
energía de presión.
En la figura pueden observarse las condiciones básicas de la descarga de una turbina de
reacción que trabaja en ducto cerrado. En el caso a) la turbina descarga directamente a la
atmósfera y se pierde la carga debida a la altura entre los niveles 2 y 3 al prolongar. En el
caso b) se aprovecha íntegramente la carga entre 2 y 3 al prolongar el ducto cerrado de
forma que descargue dentro del agua del socaz. Pero si se da el ducto de descarga la forma
divergente que presenta el caso c), se obtendrá una ganancia en presión a la salida del
ducto, a expensas de la velocidad del agua a la salida de la turbina.
4.21
La energía recuperada en el difusor es proporcionalmente más elevada cuanta mayor es la
velocidad específica de la turbina.
La forma del tubo de desfogue lógicamente debe ser conforme con los principios que rigen a
un difusor de buen rendimiento.
La sección es circular en el origen, en la parte que se conecta con la turbina; cambia a la
forma elíptica en el codo y termina en la descarga con sección rectangular. En la sección
elíptica y en la rectangular, el eje mayo es horizontal. En la parte acodada lleva
generalmente paletas directoras que favorecen el escurrimiento.
Los tubos de desfogue son generalmente metálicos en las turbinas Francis. En algún caso
de grandes caudales, con máquinas de velocidad específica muy altas, pueden ser de
concreto, con protección de acero en las zonas de más alta velocidad del agua, como a la
salida del rotor, donde puede hacerse más sensible la erosión de la pared.
La altura geométrica que debe tener el tubo de desfogue o difusor, llamada altura de
aspiración (Hs), se calcula fácilmente aplicando el teorema de Bernoulli entre el origen (2) y
la salida (3), y entre la salida (3) y el nivel de aguas abajo (a), se tiene, pues
Z2
p
Z3 0
Za p’
4.23
Siendo hp las pérdidas en el tubo de desfogue y hp’ las pérdidas debido al vaciado brusco a
la salida. Estas últimas pueden considerarse iguales a la pérdida de energía cinética a la
salida, donde la velocidad pasa del valor V3 al valor Va =0, seas
hp’ =
De las ecuaciones anteriores se obtiene
Z2
Za
Hs Z2 Za
El rendimiento del tubo de desfogue o difusor puede definirse por la relación
d =
Luego, Ha
d
En la siguiente ecuación, el valor de Hs puede ser positivo, cero o negativo, ello exige que
d
DETERMINACIÓN DEL TIPO Y CARACTERÍSTICAS DE LAS TURBINAS DE
UN APROVECHAMIENTO HIDRÁULICO
En un aprovechamiento hidráulico, los datos que normalmente se conocen son las cargas y
el caudal, los cuales permiten calcular la potencia total disponible, Es evidente que el dato de
la carga es muy significativo; desde luego es el más ponderativo en la decisión sobre el tipo
de turbinas a instalar, pero no puede ser el único, ya que para una misma carga se puede
encontrar solución con turbinas Francis o Pelton o bien con Francis o Kaplan, según el
caudal que se tenga por unidad. También importan la velocidad de giro y el tamaño, pues
para una potencia disponible, función de la carga y del caudal, se puede hallar respuesta,
con maquinas de variado tamaño y velocidad. Se sebe, en efecto, que la potencia es
proporcional al cubo de la velocidad de giro (N3) y a la quinta potencia de las dimensiones
geométricas (D5).
El éxito y acierto, en todo proyecto, está en encajar debidamente todas las variables de que
el mismo depende. En esta labor, son ayuda del proyectista, Ios parámetros y coeficientes
que ya viene estableciendo la experiencia. Estos parámetros y coeficientes relacionan, por
grupos, las variables a que está subordinado el sistema. Entre todos estos parámetros,
seguramente el más significativo, es la velocidad específica, porque relaciona las variables
más ponderativas, como son, en una turbina, la carga, la potencia y la velocidad de giro. El
tamaño o diámetro ya se obtendrá después de otros coeficientes, come el de la velocidad
tangencial (φ)
, que proporciona D con N y con H.
Partiendo, pues, de la carga y del caudal, o mejor de la carga y de la potencia, conviene, en
primer lugar, señalar un valor a la velocidad especifica; se dice señalar y no calcular ya que
haría falta conocer la velocidad de giro para una determinación correcta, pero generalmente
esta se deduce de aquella, sin perjuicio de un ajuste definitivo obligado por la velocidad de
sincronismo con el generador que mueve la turbina.
Señalando una iniciativa, algunos investigadores procuran adelantar valores para la
velocidad específica en función de la carga solamente.
Estos resultados son fruto de la experiencia recogida en el funcionamiento de muchas
turbinas que vienen operando a través del tiempo. Por ejemplo para una carga determinada,
la velocidad específica se ve condicionada por la altura de aspiración. Si aumenta ns, se
reduce Hs, y esto puede influir notablemente en el proyecto; las unidades pueden ser más
grandes, pero también las excavaciones van a ser más profundas y más costosas. Si por el
contrario, se toma una ns mas chica, se incrementa Hs; lógicamente se disminuye la potencia
por unidad, pero se alivia el costo de primera instalación. La tecnología moderna va
permitiendo el uso de unidades de mayor potencia pero debe haber un límite en cada caso.
Parece, pues que un procedimiento atinado para la determinación del tipo y características
de las turbinas de un aprovechamiento hidráulico podría ser el siguiente:
1. Partiendo de la carga y del caudal, se puede estimar un rendimiento global (que suele
ser del orden de 87%) y calcular la potencia total disponible.
2. De acuerdo con la potencia de la planta y su ponderación en el sistema al que va a
estar interconectada, se puede prejuzgar la magnitud de la potencia unitaria y el
número de unidades, teniendo presente las limitaciones aconsejables para la
velocidad especifica. Siempre será necesario un cálculo previo, para una evaluación
estimativa de las características que pueden ir resultando hasta llegar a un ajuste y a
una decisión final.
3. Definido el caudal y la potencia por unidad y conocida la carga, se estima la velocidad
específica, teniendo además presente el coeficiente de cavitación que puede resultar
de acuerdo con la altura de aspiración que se piensa admitir.
4. La velocidad de giro de la turbina se saca de la formula de velocidad especifica. El
ajuste con la velocidad del sincronismo se hacen necesario, procurando, en lo
posible, que resulte un número de polos en el generador que sea múltiplo de 4 para
facilitar la construcción de este. Esto obligara a un ligero recalculo de la velocidad
específica que no ha de modificar sensiblemente otros criterios.
5. Las dimensiones del rotor de la turbina (diámetros D1 y D2 y la altura del distribuidor
(B) se determinan por medio de los coeficientes φ1, φ2 y ψR).
Ejemplo
En un aprovechamiento hidroeléctrico se dispone de un caudal de 200 m3/s y de una carga
neta de 250 metros. Suponiendo que esta planta estará interconectada a un sistema de
regular capacidad en relación con la potencia de la misma, que la excavación es costosa,
que se empleara fundamentalmente para cubrir picos de la curva de demanda, defina:
a) Numero, tipo y velocidad especifica de las turbinas más convenientes
b) Velocidad de giro ajustada a generadores eléctricos de 60 c/s
c) Coeficiente de cavitación y altura de aspiración
Solución:
a) Veamos primero la magnitud de la potencia disponible
Teniendo en cuenta esta potencia, el caudal y la carga, la decisión es por turbinas Francis,
cuyo número se puede definir de acuerdo con las características del sistema del servicio que
deben prestar. Siendo el sistema de regular capacidad, la excavación costosa y el servicio en
horas pico, se deben tener unidades más bien chicas que permitan buena regulación del
sistema y que no exijan excavaciones profundas. Seis turbinas Francis puede ser un número
aceptable. La potencia por unidad será
Como la carga de 250 metros es alta en relación con la potencia, la velocidad especifica
seria más bien chica, esto es, se trata de maquinas específicamente lentas. Para H = 250
metros, estimamos ns = 70.
b) La velocidad de giro se saca de la formula de la velocidad especifica, así
Ajustándolo al valor sincrónico de 225 rpm, el número de polos del generador será
Cuyo valor es múltiplo de 4, facilitando la construcción del generador. Se acepta pues
Reajustando la velocidad especifica
c) Para ns = 70.4, se tiene que con lo que la altura de aspiración será
Suponiendo Hat = 10 metros de agua.
TURBINAS KAPLAN
Las turbinas Kaplan son uno de los tipos más eficientes de turbinas de agua de reacción de
flujo axial, con un rodete que funciona de manera semejante a la hélice de un barco, y deben
su nombre a su inventor, el austriaco Viktor Kaplan. Se emplean en saltos de pequeña altura.
Las amplias palas o álabes de la turbina son impulsadas por agua a alta presión liberada por
una compuerta.
Los álabes del rodete en las turbinas Kaplan son siempre regulables y tienen la forma de una
hélice, mientras que los álabes de los distribuidores pueden ser fijos o regulables. Si ambos
son regulables, se dice que la turbina es una turbina Kaplan verdadera; si solo son
regulables los álabes del rodete, se dice que la turbina es una turbina Semi-Kaplan. Las
turbinas Kaplan son de admisión radial, mientras que las semi-Kaplan pueden ser de
admisión radial o axial.
Para su regulación, los álabes del rodete giran alrededor de su eje, accionados por unas
manijas, que son solidarias a
unas bielas articuladas a una cruceta,
que se desplaza hacia arriba o hacia
abajo por el interior del eje hueco de la
turbina. Este desplazamiento es
accionado por un servomotor hidráulico,
con la turbina en movimiento.
Las turbinas de hélice se caracterizan
porque tanto los álabes del rodete como
los del distribuidor son fijos, por lo que
solo se utilizan cuando el caudal y el
salto son prácticamente constantes.
Sección de una turbina Kaplan de 67,700 KW, bajo 34 m de carga y 225 m3/seg de caudal,
instalada en Ribaroja, sobre el rio Ebro, España. El diámetro del rotor es de 5.7m.
1. Cubo
2. Servomotor del rotor
3. Sello
4. Cojinete
5. Tubos de lubricación
6. Chumacera de carga
7. Bomba para lubricación de
la chumacera
8. Grúa
9. Alabe del distribuidor
10. Servomotor del distribuidor
11. Caracol metálico
12. Tubo de desfogue.
Alimentación, regulación y desfogue en la turbina Kaplan
La alimentación, la regulación del gasto y el desfogue de las turbinas hidráulicas de
reacción Francis y Kaplan, es semejante, de forma que todo lo dicho para la turbina
Francis es prácticamente aplicable a la turbina Kaplan. Bien es verdad, que dadas las
condiciones de operación de cada una caracterizadas por la velocidad especifica, se
definen dimensiones y proporciones diferentes, que ya se han considerado en incisos
anteriores. También debe hacerse notar que en la regulación de la turbina Kaplan
además del distribuidor que controla el gasto, es preciso corregir debidamente la
orientación de los alabes del rotor.
MAQUINAS REVERSIBLES
Sistemas de almacenamiento de energía en el agua
Consideraciones generales
La creciente demanda de energía eléctrica en el mundo, y particularmente en los
países industrializados, está acelerando la explotación del potencial hidroeléctrico
mundial, que en forma relativamente tenemos en nuestro planeta.
Una de las opciones es la energía hidroeléctrica por sus grandes beneficio, por otra
parte esta la energía termoeléctrica que está creciendo a un ritmo más acentuado a tal
manera que son las que satisfacen la demanda, pero estas dificultan la regulación de
los sistemas, que controladas por un Despacho Central, cubren las necesidades de
una curva de demanda. Ello se debe a que las calderas y sistemas de una planta
termoeléctrica requieren varias horas para ponerlas en servicio. Sin embargo los picos
y depresiones de la curva de demanda se presentan a intervalos cortos, exigiendo
rapidez y brevedad en operaciones de puesta o retirada de servicio, maniobras que si
permiten las generadoras hidroeléctricas. De aquí la convivencia de un sistema
eléctrico se encuentre integrada por plantas termoeléctricas e hidroeléctricas para
tener una buena regulación del mismo. Moderadamente se está generalizando el uso
de turbinas de gas para cubrir la demanda, pero todavía no se cuenta con maquinas
de gran potencia, la turbina de gas si permite una rápida puesta en servicio.
Es precisamente esa energía termoeléctrica que no encuentra mercado, la que trata
de aprovechar, convirtiéndola en hidráulica que tiene más flexibilidad, esto es así,
almacenándola en forma de energía potencial en agua elevada a un embalse situado a
una altura determinada, que oscila, generalmente, entre 200 y 500 metros,
recuperando esa energía en las horas pico de la demanda.
Maquinas reversibles
El empleo de maquinas individuales independientes
obliga a tener conducciones diferentes para una u otra
máquina, o al menos válvulas de desviación, lo cual
complica la instalación ademar requiere de maquinas
diferentes.
En años recientes se ha sentido la preocupación de confiar en una sola maquina
bomba-turbina la doble operación, esto es una maquina reversible, con lo cual se
limitan las tuberías a una sola, sin arreglos, ya que la bomba que encuentra mejor
aplicación en estos sistemas de tipo centrifuga, la cual tiene admisión axial y descarga
periférica, la maquina reciproca.
Planta de Villarino
Se halla situada en la ribera del rio Duero en su límite entre España y Portugal, consta
de cuatro maquinas reversibles de tipo radial, bomba centrifuga-turbina Francis, de eje
vertical, de cada 144MW cada una. Dicha planta genera electricidad con agua
procedente del embalse. La maquina reversible trabajando como turbina desarrolla
una potencia nominal de 187,500 CV, con un caudal nominal d 38.75 m3/s y una
velocidad de giro nominal de 600 r.p.m. operando como bomba absorbe una potencia
de 200,000 CV e impulsa un caudal de 28 m3/s bajo la carga de 402 m. en el límite de
carga inferior de carga de 344 m el caudal impulsado es de 36.9 m3/s.
Plantas mareomotrices. La Rance
Las modernas turbinas hidráulicas axiales, tipo BULBO, capaces de aprovechar muy
pequeñas largas y grandes caudales, están haciendo posible la utilización del salto
que puede producirse con la amplitud de la marea, esto es por la diferencia de niveles
entre la marea alta y la marea baja, en un lugar apropiado del litoral.
Para lograr un aprovechamiento más completo de la energía del agua, y dadas las
posibilidades que la instalación ofrece, las maquinas empleadas son reversibles,
pudiendo trabajar como turbinas en los sentidos opuestos del flujo del agua, o sea, al
vaciar y al llenar el embalse cerrado por un dique. Además pueden operar como
bombas para sobre-llenar el embalse en ciertos momentos del ciclo, en que las
condiciones sean favorables y se tenga energía disponible en el sistema eléctrico.
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