grado apertura distribuidor

Profesor: Juan E. González Fariñas

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MASTER EN ENERGÍAS RENOVABLES CURSO 2008-2010

TEMA 3. ASPECTOS ESPECÍFICOS DE LOS APROVECHAMIENTOS MINIHIDROELÉCTRICOS.

APLICACIONES EN CANARIAS.

CLASE 1 TEMA 3

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TEMA 3.

ASPECTOS ESPECÍFICOS DE LOS APROVECHAMIENTOS MINIHIDROELÉCTRICOS. APLICACIONES EN

CANARIAS.

3.1 Tipos de turbinas hidráulicas

3.1.1 Turbinas de acción o de impulso

3.1.2 Turbinas de reacción

3.2 Velocidad específica

3.3 Curvas características de las turbinas

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Una turbina hidráulica es un elemento que aprovecha la energía cinética y potencial del agua 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. En cuanto a su modo de funcionamiento, se pueden clasificar en dos grupos:

De: http://www.santiago.es/ir.php?var=Turbina_hidr%C3%A1ulica

3.1 Tipos de turbinas hidráulicas

1. Turbinas de acción.

2. Turbinas de reacción.

Las turbinas de acción o impulso aprovechan únicamente la velocidad del flujo de agua.

Las turbinas de reacción aprovechan, además, la pérdida de presión que se produce en su interior.

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De: http://www.santiago.es/ir.php?var=Turbina_hidr%C3%A1ulica


Turbina Pelton Rodete de turbina Pelton

El tipo de turbina de acción más conocido es la turbina Pelton, que se emplea generalmente para saltos de agua de gran altura (más de 50 m).

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Esquema de funcionamiento de

una turbina Pelton de un chorro

3.1.1 Turbinas de acción o de impulso (Cont.) CURSO 08- 10


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Turbina Pelton de varios chorros

3.1.1 Turbinas de acción o de impulso (Cont.)

Generador eléctrico con turbina Pelton

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Entre las turbinas de acción o impulso, además de la turbina Pelton, existen otros tipos: la turbina Turgo y la de flujo cruzado (también conocida como turbina Ossberger o Mitchell- Banki).


Turbina Turgo Flujo cruzado (turbina Ossberger o Mitchell- Banki)

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Micro turbina Turgo

Es una turbina con una acción parecida a la Pelton y es apta para saltos de 30 a 300 m.Los constructores la aconsejan para enclaves con importantes variaciones de flujo de agua y aguas turbias.

3.1.1 Turbinas de acción o de impulso (Cont.) CURSO 08- 10


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Flujo cruzado (turbina Ossberger o Mitchell- Banki)

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Lester Allan Pelton, carpintero y montador de ejes y poleas, inventó la turbina Pelton en 1879 mientras trabajaba en California. Obtuvo su primera patente en 1880.

La tobera o inyector lanza directamente el chorro de agua contra la serie de paletas en forma de cuchara montadas alrededor del borde de una rueda. Cada paleta invierte el flujo de agua, disminuyendo su energía. El impulso resultante hace girar la turbina. Las paletas se montan por pares para mantener equilibradas las fuerzas en la rueda. La turbina Pelton es un tipo de turbina de impulso y es la más eficiente en aplicaciones donde se cuenta con un gran desnivel de agua.

Dado que el agua no es un fluido compresible, casi toda la energía disponible se extrae en la primera etapa de la turbina. Por lo tanto, la turbina Pelton tiene una sola rueda, al contrario de las turbinas que operan con fluidos compresibles.


(Notas históricas)

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Los principales tipos de turbina de reacción son los siguientes: turbina Francis, Deriaz, Hélice (palas fijas), turbina Kaplan (palas de ángulo variable), Tubular y Bulbo.

La turbina Francis es muy utilizada en saltos de altura media (5 a 100 m) y la turbina Kaplan lo es en los saltos de baja altura (menos de 10 m).

Rotor de turbina Francis

3.1.2 Turbinas de reacción CURSO 08- 10


13Modelo original empleado para estudiar el diseño de las turbinas de la Presa Hoover (Foto de J. E. G. Fariñas/ Agosto 08)


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La turbina Kaplan es una turbina hélice en que los alabes del rodete giran en marcha, ajustándose automáticamente según la carga a las condiciones de óptimo rendimiento.

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La turbina Deriaz es una turbina reversible. Es como una turbina Francis de álabes orientables y posee:

-Funcionando como turbina, mejor rendimiento que una turbina Francis de rodete análogo de álabes fijos, a cargas intermedias.

-Funcionando como bomba, mejor rendimiento que una turbina-bomba de álabes fijos.

Las turbinas Deriaz se emplean en saltos entre los 20 y 400 metros y con una potencia máxima de 300 MW.

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Turbinas de reacción tipo Bulbo. Se usan en minicentrales de 100 kW a 1 MW, con saltos inferiores a los 10 metros y con distribuidores fijos. También se utilizan las turbinas Bulbo, pero con distribuidores móviles, en los ríos de gran caudal y con saltos entre 5 y 20 metros, normalmente en centrales con potencia inferior a los de 50 M W.

Turbina tipo Bulbo

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Turbinas Pelton Turbinas Francis

� Más robustas � Menos peligro de erosión de los álabes � Reparaciones más sencillas � Regulación e presión y velocidad más fácil � Mejores rendimientos a cargas parciales � Infraestructura más sencilla.

� Menor peso � Mayor rendimiento máximo � Aprovechan mayor desnivel, debido al tubo de

aspiración � Alternador más económico � Dimensiones en planta de la central más reducidas

oPara grandes alturas de salto (ventajas):

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Turbinas Francis Turbinas Kaplan Turbinas con hélices de palas

fijas

� Mayor economía en la turbina. � Menos coste de excavación y

cimientos. � Mejores rendimientos a cargas

parciales que las hélices de palas fijas.

� Menor peligro de cavitación.

� Mejores rendimientos a cargas parciales.

� Mejores rendimientos con alturas de salto variables.

� Menos obra de fábrica que las hélices de palas fijas.

� Alternador más barato.

� Buen rendimiento máximo.

� Más baratas que las Kaplan.

� Gran admisión con saltos pequeños.

� Alternador más barato.

oPara alturas medias de salto (ventajas):

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VI. SISTEMAS HÍBRIDOS

Los sistemas híbridos nacen de la unión de dos o más sistemas de generación, en parte convencionales (diesel, por ejemplo), para garantizar una base de continuidad del servicio eléctrico, y en parte de fuentes renovables (eólico, fotovoltaico, hidroeléctrico, etc.), completados con sistemas de almacenaje (baterías), de condicionamiento de la potencia (inverter, rectificadores, reguladores de carga) y de regulación y control.

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MINIHIDRÁULICA: MICROTURBINAS Y PICOTURBINAS


23http://www.soliclima.com/minihidraulica.html


24http://www.soliclima.com/minihidraulica.html


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Miniturbinas plásticas para viento


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3.2 Velocidad específica

La velocidad específica relaciona la altura, las revoluciones y la potencia de una turbina:

25.1

5.0*H

PNN s =

Tipo de Turbina Intervalo de NsPelton de un chorro 10 a 35Pelton de 2 chorros 10 a 45

Turgo 20 a 80Mitchell- Banki 20 a 90

Francis 70 a 500Hélice 600 a 900Kaplan 350 a 1000

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Potencia (kW)

Intervalos de aplicación para turbinas hidráulicas. (Cortesía de VoithHydro, Inc.)

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Carga (m)CURSO 08- 10


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Variación de las características del rodete

a medida que aumenta NsCURSO 08- 10


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Influence of Flow on Turbine Output

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

speed in rpm

Ou

tpu

t in

W

11.5 l/min

18.8 l/min

31.6 l/min

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Pelton Turbine Characteristic Curves

0.00

5.00

10.0015.00

20.00

25.00

30.00

35.0040.00

45.00

50.00

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

speed in rpm

Efficiency in %

Output in 10 -1 W

Torque in 10 -2 Nm

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Francis Turbine Characteristic Curves

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

40.00

45.00

50.00

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

speed in rpm

Efficiency in %

Output in 10 -1 W

Torque in 10 -2 Nm

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X: Grado de apertura del distribuidor

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Las curvas Q(n) para diferentes grados de apertura x y salto constante Hn, son rectas, Fig V.2; para las Pelton son rectas horizontales, siendo el gasto del inyector rigurosamente independiente de la velocidad de rotación; para las ruedas Francis, el caudal varía con la velocidad, pero la inclinación de las curvas Q(n) varía con los valores de ns; a las ruedas hélice, y a las Francis rápidas, corresponden curvas siempre crecientes, lo cual significa que a velocidad constante y salto variable, la capacidad de absorción de la rueda es tanto mayor cuanto menor sea el salto, lo que constituye una gran ventaja para saltos pequeños.

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