Bombas y Turbinas HidraulicasDiseo de Turbina Hidraulica UNSAPgina 2 INDICE 1.OBJETIVO3 2.DATOSPARA EL CLCULO3 3.FUNDAMENTO TEORICO 3 4.PROCEDIMIENTO DE CALCULOS 6 5.CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 14 6.BIBLIOGRAFIA15Bombas y Turbinas HidraulicasDiseo de Turbina Hidraulica UNSAPgina 3 1. OBJETIVO: Aplicar los conocimientosprevios y los fundamentos de Ingeniera para el clculo de una Turbina Hidrulica. 2. DATOSPARA EL CLCULO H = 100m Q = 780 /s 3m / kg 1000agua = Se trata de establecer el dimetro y tipo de turbina que se deben instalar, sealando sus caractersticasprincipales, considerando que los datos son para un aprovechamiento hidrulico, dicha planta estar conectada a un sistema de gran capacidad, aun dentro de la importante aportacin de esta instalacin. 3. FUNDAMENTO TERICO Turbina hidrulica Una turbina hidrulica es una turbo mquina motora hidrulica, que aprovecha la energa de un fluido que pasa a travs de ella para producir un movimiento de rotacin que, transferido mediante un eje, mueve directamente una mquina o bien un generador que transforma la energa mecnica en elctrica, as son el rgano fundamental de una central hidroelctrica. Clasificacin: Por ser turbo mquinas siguen la misma clasificacin de estas, y pertenecen, obviamente, al subgrupo de las turbo mquinas hidrulicas y al subgrupo de las turbo mquinas motoras. En el lenguaje comn de las turbinas hidrulicas se suele hablar en funcin de las siguientes clasificaciones: De acuerdo al cambio de presin en el rodete o al grado de reaccin -Turbinas de accin: Son aquellas en las que el fluido de trabajo no sufre un cambio de presin importante en su paso a travs de rodete.Bombas y Turbinas HidraulicasDiseo de Turbina Hidraulica UNSAPgina 4 -Turbinas de reaccin: Son aquellas en las que el fluido de trabajo si sufre un cambio de presin importante en su paso a travs de rodete.Para clasificar a una turbina dentro de esta categora se requiere calcular el grado de reaccin de la misma. Las turbinas de accin aprovechan nicamente la velocidad del flujo de agua, mientras que las de reaccin aprovechan adems la prdida de presin que se produce en su interior. De acuerdo al diseo del rodete Esta clasificacin es la ms determinista, ya que entre las distintas de cada gnero las diferencias slo pueden ser de tamao, ngulo de los labes o cangilones, o de otras partes de la turbo mquina distinta al rodete. Los tipos ms importantes son: -Turbina Kaplan: son turbinas axiales, que tienen la particularidad de poder variar el ngulo de sus palas durante su funcionamiento. Estn diseadas para trabajar con saltos de agua pequeos y con grandes caudales.(Turbina de reaccin) -Turbina Hlice: son exactamente iguales a las turbinas kaplan, pero a diferencia de estas, no son capaces de variar el ngulo de sus palas. Bombas y Turbinas HidraulicasDiseo de Turbina Hidraulica UNSAPgina 5 -Turbina Peltn: Son turbinas de flujo transversal, y de admisin parcial. Directamente de la evolucin de los antiguos molinos de agua, y en vez de contar con labes o palas se dice que tiene cucharas. Estn diseadas para trabajar con saltos de agua muy grandes, pero con caudales pequeos.(Turbina de accin)Turbina Peltn Turbina Francis: Son turbinas de flujo mixto y de reaccin. Existen algunos diseos complejos que son capaces de variar el ngulo de sus labes durante su funcionamiento. Estn diseadas para trabajar con saltos de agua medios y caudal medios. Turbina Francis Bombas y Turbinas HidraulicasDiseo de Turbina Hidraulica UNSAPgina 6 4. PROCEDIMIENTO DE CLCULOS a) La potencia total disponible considerando unrendimiento total de 87%: CV 10 x 048 . 975100 x 780 x 1000 x 87 . 075QHP5= =q= b) Para estimar el nmero de turbinas y tipo de las mismas, es un dato importante saber que la planta estarinterconectada a un sistema de gran capacidad. Se puede as pensar en el empleo de unidades de gran potencia .Se va a suponer; que el problema de excavacin y otros de realizacin, transporte e instalacin, no son inconvenientes en este caso para el uso de unidades grandes. Para la potencia total disponible, dentro de las tcnicas de construccin actuales y considerando un equilibrio en la operacin de la planta, se pueden admitir: Cuatro unidades de 226000 CV cada una. El caudal por unidad ser 780/4=195 /s c) Para la carga de 100m y el caudal de 195 /s o potencia de 226000CV, se puedeestimar la velocidad especfica y definir el tipo de turbinas. En la figura 4.29 del libro Polo Encinas se advierte para dichas condicionesque la solucin por turbinas Francis es la ms adecuada. La velocidad especfica depende ahora de la altura de aspiracin que se escoja, la cual hay que ajustar con el valor del coeficiente de cavitacin dado por las graficas de las figuras 4.27 y 4.28 de dicho libro. Como son maquinas de gran potencia con gran ponderacin del caudal, la velocidad especfica debe ser ms alta y la altura de aspiracin reducida. Del siguiente grafico: Bombas y Turbinas HidraulicasDiseo de Turbina Hidraulica UNSAPgina 7 Tomamos como primera aproximacin 210 ns =para H = 100m .Para este valor de 210 ns =se tiene un valor de coeficiente de cavitacin; del siguiente grafico sacamos este dato: Bombas y Turbinas HidraulicasDiseo de Turbina Hidraulica UNSAPgina 8 Coeficiente de Cavitacin: 13 . 0 = osise admite para el lugar de la instalacin una presin atmosfrica equivalente a 10 m de agua, se tiene: ns atHH H = om 13 . 3 100 x 13 . 0 10 HH H Hss at s = =o = Se puede establecer un reajuste de la velocidad especifica ante ese valor deo, pero nos llevara a mayores valores de sn y deo, fuera de limites aceptable. d) Se calcular pues la velocidad de giro sobre el valor de210 ns = , aplicando la formula de la velocidad especfica, o sea: 4521sH) CV ( Nn =Bombas y Turbinas HidraulicasDiseo de Turbina Hidraulica UNSAPgina 9 4521100) 226000 ( N210 =Sustituyendo valores tenemos: 4521100) 226000 ( N210 =De donde: N = 140rpm Si la velocidad de sincronismo es en este caso de 50ciclo/s el nmero de polos del generador seria: polos 8 . 42 p14050 x 120Nf 120p== = Ajustando p = 44 polos, que es mltiplo de 4, queda: 4450 x 120Npf 120N== N = 136.4 rpm La velocidad de giro definitiva ser pues: N = 136.4 rpm La velocidad especfica queda ligeramente corregida y encajada en valores completamente aceptables o sea: 205 n100) 226000 ( 4 . 136ns4521s== Bombas y Turbinas HidraulicasDiseo de Turbina Hidraulica UNSAPgina 10 La altura de succin para las condiciones de diseo ser: H = -3.10 m Esto quiere decir que el plano ecuatorialdel distribuidor deber estar a un nivel 3.1m es inferior al del nivel de aguas abajo. e) Los dimetros D1 y D2 del rodete Francis se calculan por los coeficientes 1|y 2| . Para sn =205, enlos grficos4.12a y 4.12bdel libro Polo Encinas n tenemos: 2111) gH 2 (ND t= |Bombas y Turbinas HidraulicasDiseo de Turbina Hidraulica UNSAPgina 11 2122) gH 2 (ND t= |Resultan1| = 0.76 y 2| = 0.78, esto es casi iguales en este caso. Lo que quiere decir que los dimetros D1 y D2 van a ser casi de la misma dimensin. Sustituyendolos valores de los coeficientes en las formulas correspondientes, se tiene: 2111) gH 2 (ND t= |t|=2111) gH 2 (Dm 67 . 4604 . 136) 100 x 81 . 9 x 2 ( 75 . 0D211=t=Ahora: 2122) gH 2 (ND t= |Bombas y Turbinas HidraulicasDiseo de Turbina Hidraulica UNSAPgina 12 t|=2122) gH 2 (Dm 84 . 4604 . 136) 100 x 81 . 9 x 2 ( 78 . 0D211=t= La altura del distribuidor B se define de la figura 4.12b del libro Polo Encinas; parasn =205 resulta: 24 . 0DB1=Luego: B = 0.24x4.67=1.13m f) Para la cmara espiral o caracol se tiene: 2121 e)HQ( 7 . 11 D =Bombas y Turbinas HidraulicasDiseo de Turbina Hidraulica UNSAPgina 13 En la cual eDviene dadoen pulgadas, Q en/sy H en pies. Sustituyendo se tendr: 2121 e)) 28 . 3 x 100 (0283 . 0195( 77 . 11 D =eD= 5.76m Con este valor y mediante la formula: 52exDD=Se puede calcular el dimetro en cualquier seccin y disear al caracol.El dimetro ecuatorial mximo se puede obtener de la ecuacin: Dem = 1.5 (D2) + 1.5 De Dem = 1.5 (4.86) + 1.5 (5.77) = 15.93m g) Las dimensiones del tubo de desfogue acodado se pueden determinar por laspor las siguientes formulas: La anchura mxima ser: A =3D2 A = 3x4.84 = 14.52m Altura vertical desde el plano ecuatorial del distribuidor a la parte inferior del codo: V = 2.7D2 V = 2.7x4.84 =13.068m Longitud horizontal desde la lnea central del eje de la turbina al extremo de la descarga: Bombas y Turbinas HidraulicasDiseo de Turbina Hidraulica UNSAPgina 14 L = 3.8D2 = 3.8x4.84 = 18.39 m Todos estos valores pueden servir de base para establecer la similitud con un modelo reducido, proceder a una experimentacin sobre el mismo yobservar los resultados que puedan conducir a las dimensiones definitivas del prototipo. En una obre de esta importancia estara justificado. 5.CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Eldiseodeunaturbinahidrulicaesfundamentalenlageneracindecorrienteelctrica queinfluyeenelanlisisdesituacionesrealesalasquenospodemosenfrentarcomo Ingenieros. Bombas y Turbinas HidraulicasDiseo de Turbina Hidraulica UNSAPgina 15 6.BIBLIOGRAFIA Manuel Polo Encinas, (1975) Turbomaquinas Hidraulicas (1ra Ed.), Editorial Limusa Claudio Mataix, (1982) Mecanica de Fluidos y Maquinas Hidraulicas (2da Ed.) Editorial Omega.