sistemas y máquinas fluido mecánicas. bloque i. tema … 1: máquinas de fluidos incompresibles...
TRANSCRIPT
Bloque I. Tema 3.5. Estudio de Turbinas Hidráulicas
Sistemas y Máquinas Fluido Mecánicas
Carlos J. Renedo
Inmaculada Fernández Diego
Juan Carcedo Haya
Félix OrGz Fernández
Departamento de Ingeniería Eléctrica y Energé5ca
Este tema se publica bajo Licencia:
Crea5ve Commons BY-‐NC-‐SA 4.0
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles
Las trasparencias son el material de apoyo del profesorpara impartir la clase. No son apuntes de la asignatura.Al alumno le pueden servir como guía para recopilarinformación (libros, …) y elaborar sus propios apuntes
En esta presentación se incluye un listado de problemasen el orden en el que se pueden resolver siguiendo eldesarrollo de la teoría. Es trabajo del alumnoresolverlos y comprobar la solución
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles
1.1.- Introducción a las Máquinas Hidráulicas
1.2.- Bombas Hidráulicas
1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.1.- Generalidades de las Turbinas Hidráulicas
1.3.2.- Turbinas Pelton
1.3.3.- Turbinas Francis
1.3.4.- Turbinas Kaplan
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles
Departamento:
Area:
Ingeniería Eléctrica y Energética
Máquinas y Motores Térmicos
CARLOS J RENEDO [email protected]
INMACULADA FERNANDEZ DIEGO [email protected]
JUAN CARCEDO HAYA [email protected]
FELIX ORTIZ FERNANDEZ [email protected]
Las trasparencias son el material de apoyo del profesorpara impartir la clase. No son apuntes de la asignatura.Al alumno le pueden servir como guía para recopilarinformación (libros, …) y elaborar sus propios apuntes
En esta presentación se incluye un listado de problemasen el orden en el que se pueden resolver siguiendo eldesarrollo de la teoría. Es trabajo del alumnoresolverlos y comprobar la solución
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles
1.1.- Introducción a las Máquinas Hidráulicas
1.2.- Bombas Hidráulicas
1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.1.- Generalidades de las Turbinas Hidráulicas
1.3.2.- Turbinas Pelton
1.3.3.- Turbinas Francis
1.3.4.- Turbinas Kaplan
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles
Altura Neta o Salto Neto
Pérdidas, Potencias y Rendimientos
Leyes de Semejanza
Curvas Características
Regulación
Problemas de Funcionamiento
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
Análogamente al estudio de las bombas hidráulicas, se definen lassiguientes alturas (o saltos, denominación más apropiada en el caso deturbinas):
• Salto bruto: Hb, es la diferencia de cotas geométricas entre el embalsesuperior y el canal de descarga
• Salto neto: Hn, es la parte del Hb que se pone a disposición de la turbina,entre la entrada y la salida de la turbina
Pérdidas externas a la turbina, HL-ext
• Salto efectivo: Hef, es la parte del Hn que se aprovecha en el rodete
Pérdidas internas en la turbina, HL-int
efnb HHH
Altura Neta o Salto Neto (I):
extLbn HHH
intLnef HHH
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles
Altura Neta o Salto Neto
Pérdidas, Potencias y Rendimientos
Leyes de Semejanza
Curvas Características
Regulación
Problemas de Funcionamiento
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
Análogamente al estudio de las bombas hidráulicas, se definen lassiguientes alturas (o saltos, denominación más apropiada en el caso deturbinas):
• Salto bruto: Hb, es la diferencia de cotas geométricas entre el embalsesuperior y el canal de descarga
• Salto neto: Hn, es la parte del Hb que se pone a disposición de la turbina,entre la entrada y la salida de la turbina
Pérdidas externas a la turbina, HL-ext
• Salto efectivo: Hef, es la parte del Hn que se aprovecha en el rodete
Pérdidas internas en la turbina, HL-int
efnb HHH
Altura Neta o Salto Neto (I):
extLbn HHH
intLnef HHH
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
Análogamente al estudio de las bombas hidráulicas, se definen lassiguientes alturas (o saltos, denominación más apropiada en el caso deturbinas):
• Salto bruto: Hb, es la diferencia de cotas geométricas entre el embalse superiory el canal de descarga
• Salto neto: Hn, es la parte del Hb que se pone a disposición de la turbina
• Salto efectivo: Hef, es la parte del Hn que se aprovecha en el rodete
efnb HHH
ZANINSb zzzzH
extLbn HHH
intLnef HHH
E S
A
Outv
NivelSuperior
Z
Nivel Inferior
Altura Neta o Salto Neto (I):
«Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas» C. Mataix
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
Aplicando Bernoulli entre los niveles superior e inferior (secciones A y Z):
g2
vz
g
phH
g2
vz
g
p 2Z
ZZ
extLn
2A
AA
extLbextLZAn hHhzzH ZSLEALextL hhh
g2
vz
g
pH
g2
vz
g
p 2Z
ZZ
b
2A
AA
Aplicando Bernoulli entre la entrada y la salida de la turbina (E y S):
g2
vvzz
g
ppH
2S
2E
SESE
n
g2
vz
g
pH
g2
vz
g
p 2S
SS
n
2E
EE
0vv BA
0pp BA
Altura Neta o Salto Neto (II):
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
Análogamente al estudio de las bombas hidráulicas, se definen lassiguientes alturas (o saltos, denominación más apropiada en el caso deturbinas):
• Salto bruto: Hb, es la diferencia de cotas geométricas entre el embalse superiory el canal de descarga
• Salto neto: Hn, es la parte del Hb que se pone a disposición de la turbina
• Salto efectivo: Hef, es la parte del Hn que se aprovecha en el rodete
efnb HHH
ZANINSb zzzzH
extLbn HHH
intLnef HHH
E S
A
Outv
NivelSuperior
Z
Nivel Inferior
Altura Neta o Salto Neto (I):
«Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas» C. Mataix
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
Aplicando Bernoulli entre los niveles superior e inferior (secciones A y Z):
g2
vz
g
phH
g2
vz
g
p 2Z
ZZ
extLn
2A
AA
extLbextLZAn hHhzzH ZSLEALextL hhh
g2
vz
g
pH
g2
vz
g
p 2Z
ZZ
b
2A
AA
Aplicando Bernoulli entre la entrada y la salida de la turbina (E y S):
g2
vvzz
g
ppH
2S
2E
SESE
n
g2
vz
g
pH
g2
vz
g
p 2S
SS
n
2E
EE
0vv BA
0pp BA
Altura Neta o Salto Neto (II):
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
Según normas internacionales, las secciones de entrada y salida son:
• ENTRADA:
Se encuentra inmediatamente después de la válvula de admisión
• SALIDA:
En las T. de reacción coincide con la sección de salida del tubo deaspiración
En las T. de acción se encuentra en el punto de tangencia del ejedel chorro con un círculo cuyo centro es el centro del rodete
Antiguamente las normas europeas consideraban la sección de salida enel nivel inferior (canal de salida). Esto daba mayores valores de salto netoy por lo tanto menor rendimiento hidráulico (datos de fabricante)
Altura Neta o Salto Neto (III):
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
Las pérdidas internas en las turbinas aparecen por la imposibilidadde realizar una conversión completa de energía hidráulica en mecánica
Se distinguen los siguientes tipos de pérdidas:
• Pérdidas manométricas: debidas a rozamientos y choques
• Pérdidas volumétricas: debidas a pequeñas fugas
• Pérdidas mecánicas: debidas a rozamientos mecánicos
Pérdidas, Potencias y Rendimientos (I):
man
mec
volhid
Total
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
Según normas internacionales, las secciones de entrada y salida son:
• ENTRADA:
Se encuentra inmediatamente después de la válvula de admisión
• SALIDA:
En las T. de reacción coincide con la sección de salida del tubo deaspiración
En las T. de acción se encuentra en el punto de tangencia del ejedel chorro con un círculo cuyo centro es el centro del rodete
Antiguamente las normas europeas consideraban la sección de salida enel nivel inferior (canal de salida). Esto daba mayores valores de salto netoy por lo tanto menor rendimiento hidráulico (datos de fabricante)
Altura Neta o Salto Neto (III):
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
Las pérdidas internas en las turbinas aparecen por la imposibilidadde realizar una conversión completa de energía hidráulica en mecánica
Se distinguen los siguientes tipos de pérdidas:
• Pérdidas manométricas: debidas a rozamientos y choques
• Pérdidas volumétricas: debidas a pequeñas fugas
• Pérdidas mecánicas: debidas a rozamientos mecánicos
Pérdidas, Potencias y Rendimientos (I):
man
mec
volhid
Total
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
Las pérdidas internas en las turbinas aparecen por la imposibilidadde realizar una conversión completa de energía hidráulica en mecánica
Se distinguen los siguientes tipos de pérdidas:
• Pérdidas manométricas: debidas a rozamientos y choques
• Pérdidas volumétricas: debidas a pequeñas fugas
• Pérdidas mecánicas: debidas a rozamientos mecánicos
man
mec
volhid
TotalDisminuyen la energía que el fluido puede entregar a la turbina
Se define el rendimiento manométrico como la relación entre la energíahidráulica utilizada por el rodete y la que se pone a disposición de la turbina (neta)
n
n22n11
n
EULERman Hg
cucu
H
H
Pérdidas, Potencias y Rendimientos (I):
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
Las pérdidas internas en las turbinas aparecen por la imposibilidadde realizar una conversión completa de energía hidráulica en mecánica
Se distinguen los siguientes tipos de pérdidas:
• Pérdidas manométricas: debidas a rozamientos y choques
• Pérdidas volumétricas: debidas a pequeñas fugas
• Pérdidas mecánicas: debidas a rozamientos mecánicos
man
mec
volhid
TotalDan lugar a una merma en las prestaciones de la turbina
El rodete recibe un caudal de líquido algo menor que el teórico
Se define el rendimiento volumétrico como:
Q
QQ perdvol
volmanhid
Al igual que en el caso de las bombas hidráulicas, se verifica que:
manhidvol 1
Pérdidas, Potencias y Rendimientos (I):
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
Las pérdidas internas en las turbinas aparecen por la imposibilidadde realizar una conversión completa de energía hidráulica en mecánica
Se distinguen los siguientes tipos de pérdidas:
• Pérdidas manométricas: debidas a rozamientos y choques
• Pérdidas volumétricas: debidas a pequeñas fugas
• Pérdidas mecánicas: debidas a rozamientos mecánicos
man
mec
volhid
TotalDisminuyen la energía que el fluido puede entregar a la turbina
Se define el rendimiento manométrico como la relación entre la energíahidráulica utilizada por el rodete y la que se pone a disposición de la turbina (neta)
n
n22n11
n
EULERman Hg
cucu
H
H
Pérdidas, Potencias y Rendimientos (I):
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
Las pérdidas internas en las turbinas aparecen por la imposibilidadde realizar una conversión completa de energía hidráulica en mecánica
Se distinguen los siguientes tipos de pérdidas:
• Pérdidas manométricas: debidas a rozamientos y choques
• Pérdidas volumétricas: debidas a pequeñas fugas
• Pérdidas mecánicas: debidas a rozamientos mecánicos
man
mec
volhid
TotalDan lugar a una merma en las prestaciones de la turbina
El rodete recibe un caudal de líquido algo menor que el teórico
Se define el rendimiento volumétrico como:
Q
QQ perdvol
volmanhid
Al igual que en el caso de las bombas hidráulicas, se verifica que:
manhidvol 1
Pérdidas, Potencias y Rendimientos (I):
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
Las pérdidas internas en las turbinas aparecen por la imposibilidadde realizar una conversión completa de energía hidráulica en mecánica
Se distinguen los siguientes tipos de pérdidas:
• Pérdidas manométricas: debidas a rozamientos y choques
• Pérdidas volumétricas: debidas a pequeñas fugas
• Pérdidas mecánicas: debidas a rozamientos mecánicos
man
mec
volhid
Total
Disminuyen la energía comunicada al eje. Es decir, la energía hidráulica que elrodete convierte en energía mecánica no es aprovechable completamente en eleje de la máquina (potencia al freno)
Se define entonces el rendimiento mecánico como la relación entre la energíaentregada en el eje de la turbina y la hidráulica absorbida por el rodete
EULER
Ejemec H
H
Pérdidas, Potencias y Rendimientos (I):
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
Potencia entregada a la turbina: Potn
Potencia absorbida por el rodete: Potefec, PotEULER
Potencia útil (al freno, ó en el eje): PotEje, PotUtil
mecefu PotPot
n
u
Pot
Pot
nn HQgPot
efef HQgPot nhid HQg
mechidnPot
mecmanvolnPot
Pérdidas, Potencias y Rendimientos (II):
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
Las pérdidas internas en las turbinas aparecen por la imposibilidadde realizar una conversión completa de energía hidráulica en mecánica
Se distinguen los siguientes tipos de pérdidas:
• Pérdidas manométricas: debidas a rozamientos y choques
• Pérdidas volumétricas: debidas a pequeñas fugas
• Pérdidas mecánicas: debidas a rozamientos mecánicos
man
mec
volhid
Total
Disminuyen la energía comunicada al eje. Es decir, la energía hidráulica que elrodete convierte en energía mecánica no es aprovechable completamente en eleje de la máquina (potencia al freno)
Se define entonces el rendimiento mecánico como la relación entre la energíaentregada en el eje de la turbina y la hidráulica absorbida por el rodete
EULER
Ejemec H
H
Pérdidas, Potencias y Rendimientos (I):
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
Potencia entregada a la turbina: Potn
Potencia absorbida por el rodete: Potefec, PotEULER
Potencia útil (al freno, ó en el eje): PotEje, PotUtil
mecefu PotPot
n
u
Pot
Pot
nn HQgPot
efef HQgPot nhid HQg
mechidnPot
mecmanvolnPot
Pérdidas, Potencias y Rendimientos (II):
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
LTub
Embalse
AlternadorEjeTurbinaLHid=Lman+Lvol
Lmec
Potef Potu
Potn
nn HQgPot
efef HQgPot mecefu PotPot
n
EULERman H
H
Q
QQ perdvol
volmanhid
EULER
Ejemec H
H
mecvolmanTot
n
u
Pot
Potnhidefe PotPot
mecefu PotPot
nn HQgPot
PotElec
1vol
elecuelec PotPot
Salto geométrio / Salto neto
Pérdidas, Potencias y Rendimientos (III):
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
Consideraciones sobre el rendimiento manométrico (I):
El rendimiento manométrico se puede expresar en función de loscoeficientes óptimos de velocidad
n
u22u11man Hg
cucu
n
n2n2n1n1man Hg
Hg2Hg2Hg2Hg2
2211man 2
n11 Hg2u n22 Hg2u n1u1 Hg2c n2u2 Hg2c
: Xi
Pérdidas, Potencias y Rendimientos (IV):
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
LTub
Embalse
AlternadorEjeTurbinaLHid=Lman+Lvol
Lmec
Potef Potu
Potn
nn HQgPot
efef HQgPot mecefu PotPot
n
EULERman H
H
Q
QQ perdvol
volmanhid
EULER
Ejemec H
H
mecvolmanTot
n
u
Pot
Potnhidefe PotPot
mecefu PotPot
nn HQgPot
PotElec
1vol
elecuelec PotPot
Salto geométrio / Salto neto
Pérdidas, Potencias y Rendimientos (III):
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
Consideraciones sobre el rendimiento manométrico (I):
El rendimiento manométrico se puede expresar en función de loscoeficientes óptimos de velocidad
n
u22u11man Hg
cucu
n
n2n2n1n1man Hg
Hg2Hg2Hg2Hg2
2211man 2
n11 Hg2u n22 Hg2u n1u1 Hg2c n2u2 Hg2c
: Xi
Pérdidas, Potencias y Rendimientos (IV):
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
222111man coscos2
De manera análoga a lo que sucede con las bombas hidráulicas, elrendimiento máximo de las turbinas hidráulicas tiene lugar cuando en eltriángulo de velocidades a la salida se verifica que a2 = 90º.
11111máxman cos22
Consideraciones sobre el rendimiento manométrico (II):
n11 Hg2c n22 Hg2c
n
u22u11man Hg
cucu
n11 Hg2u n22 Hg2u
n
222111
Hg
coscucoscu
2211man 2
Fi
Pérdidas, Potencias y Rendimientos (V):
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
El grado de reacción se puede expresar en función de los coeficientesóptimos de velocidad
Consideraciones sobre el grado de reacción:
22
211
n
d
n
p
H
H1
H
H
n
22
21
Hg2
cc1
n
2
n2
2
n1
Hg2
Hg2Hg21
n11 Hg2c n22 Hg2c
Pérdidas, Potencias y Rendimientos (VI):
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
222111man coscos2
De manera análoga a lo que sucede con las bombas hidráulicas, elrendimiento máximo de las turbinas hidráulicas tiene lugar cuando en eltriángulo de velocidades a la salida se verifica que a2 = 90º.
11111máxman cos22
Consideraciones sobre el rendimiento manométrico (II):
n11 Hg2c n22 Hg2c
n
u22u11man Hg
cucu
n11 Hg2u n22 Hg2u
n
222111
Hg
coscucoscu
2211man 2
Fi
Pérdidas, Potencias y Rendimientos (V):
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
El grado de reacción se puede expresar en función de los coeficientesóptimos de velocidad
Consideraciones sobre el grado de reacción:
22
211
n
d
n
p
H
H1
H
H
n
22
21
Hg2
cc1
n
2
n2
2
n1
Hg2
Hg2Hg21
n11 Hg2c n22 Hg2c
Pérdidas, Potencias y Rendimientos (VI):
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
Permiten aplicar a los prototipos los resultados obtenidos mediante laexperimentación en laboratorio con modelos a escala
También permiten predecir el funcionamiento de una turbina en diferentescircunstancias de funcionamiento
Se consideran dos turbinas del mismo tipo, geométrica y dinámicamentesemejantes, siendo sus características:
• PROTOTIPO: Potencia N, velocidad n, caudal Q, salto neto Hn y parmotor C
• MODELO: Potencia N’, velocidad n’, caudal Q’, salto neto H’n y parmotor C’
Leyes de Semejanza (I):
1Modelo
Prototipo Geométrica Semejanza de Relación
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
Las relaciones de semejanza entre el modelo y el prototipo son (I):
• Número de revoluciones:
- Prototipo:
- Modelo:
60
nDHg2u 1
n11
60
'n'D'Hg2'u 1n11
n
n
1
1
'H
H
D
'D
'n
n
n
n1
'H
H
'n
n
n11 Hg2cQ
n11 'Hg2''c''Q n
n
'H
H
''Q
Q
n
n2
'H
H
'Q
Q
• Caudal:
- Prototipo:
- Modelo:
00 b
b
D
D
00 ω
ω
n
n
Leyes de Semejanza (II):
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
Permiten aplicar a los prototipos los resultados obtenidos mediante laexperimentación en laboratorio con modelos a escala
También permiten predecir el funcionamiento de una turbina en diferentescircunstancias de funcionamiento
Se consideran dos turbinas del mismo tipo, geométrica y dinámicamentesemejantes, siendo sus características:
• PROTOTIPO: Potencia N, velocidad n, caudal Q, salto neto Hn y parmotor C
• MODELO: Potencia N’, velocidad n’, caudal Q’, salto neto H’n y parmotor C’
Leyes de Semejanza (I):
1Modelo
Prototipo Geométrica Semejanza de Relación
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
Las relaciones de semejanza entre el modelo y el prototipo son (I):
• Número de revoluciones:
- Prototipo:
- Modelo:
60
nDHg2u 1
n11
60
'n'D'Hg2'u 1n11
n
n
1
1
'H
H
D
'D
'n
n
n
n1
'H
H
'n
n
n11 Hg2cQ
n11 'Hg2''c''Q n
n
'H
H
''Q
Q
n
n2
'H
H
'Q
Q
• Caudal:
- Prototipo:
- Modelo:
00 b
b
D
D
00 ω
ω
n
n
Leyes de Semejanza (II):
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
Las relaciones de semejanza entre el modelo y el prototipo son (II):
• Potencia:
- Prototipo:
- Modelo:
• Par Motor:
- Prototipo:
- Modelo:
nHQgPot
n'H'Qg'Potn
n
'H'Q
HQ
'Pot
Pot
3
n
n2
'H
H
'Pot
Pot
n2
Pot60PotPar
'n2
'Pot60
'
'Pot'Par
n
n
3
n
n2
H
'H
'H
H
n'Pot
'nPot
'C
C
n
n3
'H
H
'C
C
00 b
b
D
D
00 ω
ω
n
n
Leyes de Semejanza (III):
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
Curvas Características (I):
En el pto óptimo de trabajo el par y la velocidad son “aproximadamente” lamitad del de arranque, y de la de embalamiento
n (rpm)
PotRod (kW)
Par (N.m)
η (%)
PotHid (kW)
Velocidad deembalamiento
Par de arranque ηmax
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
Las relaciones de semejanza entre el modelo y el prototipo son (II):
• Potencia:
- Prototipo:
- Modelo:
• Par Motor:
- Prototipo:
- Modelo:
nHQgPot
n'H'Qg'Potn
n
'H'Q
HQ
'Pot
Pot
3
n
n2
'H
H
'Pot
Pot
n2
Pot60PotPar
'n2
'Pot60
'
'Pot'Par
n
n
3
n
n2
H
'H
'H
H
n'Pot
'nPot
'C
C
n
n3
'H
H
'C
C
00 b
b
D
D
00 ω
ω
n
n
Leyes de Semejanza (III):
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
Curvas Características (I):
En el pto óptimo de trabajo el par y la velocidad son “aproximadamente” lamitad del de arranque, y de la de embalamiento
n (rpm)
PotRod (kW)
Par (N.m)
η (%)
PotHid (kW)
Velocidad deembalamiento
Par de arranque ηmax
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
Curvas Características (II):
Cambio de las curvas al cambiar la altura suministrada a la turbina
n (rpm)
Par (N.m) η (%)H1 < H2 < H3
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
La principal aplicación de las turbinas hidráulicas es la producción deenergía eléctrica en las centrales hidroeléctricas, la regulación de lavelocidad de giro resulta fundamental
Los grupos turbina – alternador han de funcionar siempre a velocidadconstante, que será la velocidad de sincronismo
p
000.3
p
f60n
Regulación (I):
Para regular la velocidad de la turbina, lo que se hace es abrir o cerrar eldistribuidor en función de la carga demandada en cada instante
Esta regulación es siempre automática
El sistema de control, de lazo cerradoyuer
+-
C P
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
Curvas Características (II):
Cambio de las curvas al cambiar la altura suministrada a la turbina
n (rpm)
Par (N.m) η (%)H1 < H2 < H3
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
La principal aplicación de las turbinas hidráulicas es la producción deenergía eléctrica en las centrales hidroeléctricas, la regulación de lavelocidad de giro resulta fundamental
Los grupos turbina – alternador han de funcionar siempre a velocidadconstante, que será la velocidad de sincronismo
p
000.3
p
f60n
Regulación (I):
Para regular la velocidad de la turbina, lo que se hace es abrir o cerrar eldistribuidor en función de la carga demandada en cada instante
Esta regulación es siempre automática
El sistema de control, de lazo cerradoyuer
+-
C P
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
Esquema básico de un regulador de bolas
Regulación (II):
«Turbinas Hidráulicas» P. Fernández Díez
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
hp la pérdida de carga hasta la chimenea en condiciones normales
ST sección de la tubería
SCH sección de la chimenea
Para minimizar los riesgos de un golpe de ariete (I):
• Construir una chimenea de equilibrio
(cámara en la que el líquido puede oscilar libremente)
CH
Tmax Sg
SLvZ
T
CH
Sg
SL2t
g2
v
)hH(h
SLS
2
pp
TminCH
La reducción de SCH amortigua las oscilaciones
Es posible permitir el rebosamiento por la parte superior de la chimenea
Problemas de Funcionamiento (I):
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
Esquema básico de un regulador de bolas
Regulación (II):
«Turbinas Hidráulicas» P. Fernández Díez
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
hp la pérdida de carga hasta la chimenea en condiciones normales
ST sección de la tubería
SCH sección de la chimenea
Para minimizar los riesgos de un golpe de ariete (I):
• Construir una chimenea de equilibrio
(cámara en la que el líquido puede oscilar libremente)
CH
Tmax Sg
SLvZ
T
CH
Sg
SL2t
g2
v
)hH(h
SLS
2
pp
TminCH
La reducción de SCH amortigua las oscilaciones
Es posible permitir el rebosamiento por la parte superior de la chimenea
Problemas de Funcionamiento (I):
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
1) Estructura de admisión; 2) Tanques de equilibrio (depósito de aire y
chimenea de equilibrio);3) Túnel de presión aguas abajo; 4) Sala de turbinas (central); 5) Conducción forzada;6) Túnel de flujo abierto de admisión; 7) Túnel de flujo abierto de escape; 8) Túnel de presión de admisión;9) Embalse de carga
a) Sistemas de presión (chimeneas de equilibrio)
Para minimizar los riesgos de un golpe de ariete (II):
Problemas de Funcionamiento (II): «Turbinas Hidráulicas» P. Fernández Díez
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
b) Sistemas de admisión en flujo abierto
1) Estructura de admisión; 2) Tanques de equilibrio (depósito de aire y
chimenea de equilibrio);3) Túnel de presión aguas abajo; 4) Sala de turbinas (central); 5) Conducción forzada;6) Túnel de flujo abierto de admisión; 7) Túnel de flujo abierto de escape; 8) Túnel de presión de admisión;9) Embalse de carga
Para minimizar los riesgos de un golpe de ariete (II):
Problemas de Funcionamiento (III): «Turbinas Hidráulicas» P. Fernández Díez
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
1) Estructura de admisión; 2) Tanques de equilibrio (depósito de aire y
chimenea de equilibrio);3) Túnel de presión aguas abajo; 4) Sala de turbinas (central); 5) Conducción forzada;6) Túnel de flujo abierto de admisión; 7) Túnel de flujo abierto de escape; 8) Túnel de presión de admisión;9) Embalse de carga
a) Sistemas de presión (chimeneas de equilibrio)
Para minimizar los riesgos de un golpe de ariete (II):
Problemas de Funcionamiento (II): «Turbinas Hidráulicas» P. Fernández Díez
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
b) Sistemas de admisión en flujo abierto
1) Estructura de admisión; 2) Tanques de equilibrio (depósito de aire y
chimenea de equilibrio);3) Túnel de presión aguas abajo; 4) Sala de turbinas (central); 5) Conducción forzada;6) Túnel de flujo abierto de admisión; 7) Túnel de flujo abierto de escape; 8) Túnel de presión de admisión;9) Embalse de carga
Para minimizar los riesgos de un golpe de ariete (II):
Problemas de Funcionamiento (III): «Turbinas Hidráulicas» P. Fernández Díez