79049586 diseno de una turbina hidraulica
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Bombas y Turbinas Hidraulicas Diseño de Turbina Hidraulica
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INDICE
1. OBJETIVO 3
2. DATOS PARA EL CÁLCULO 3
3. FUNDAMENTO TEORICO 3
4. PROCEDIMIENTO DE CALCULOS 6
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 14
6. BIBLIOGRAFIA 15
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1. OBJETIVO:
Aplicar los conocimientos previos y los fundamentos de Ingeniería para el
cálculo de una Turbina Hidráulica.
2. DATOS PARA EL CÁLCULO
H = 100m
Q = 780 /s
3m/kg1000agua
Se trata de establecer el diámetro y tipo de turbina que se deben instalar,
señalando sus características principales, considerando que los datos son para
un aprovechamiento hidráulico, dicha planta estará conectada a un sistema de
gran capacidad, aun dentro de la importante aportación de esta instalación.
3. FUNDAMENTO TEÓRICO
Turbina hidráulica
Una turbina hidráulica es una turbo máquina 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.
Clasificación:
Por ser turbo máquinas siguen la misma clasificación de estas, y pertenecen,
obviamente, al subgrupo de las turbo máquinas hidráulicas y al subgrupo de
las turbo máquinas motoras. En el lenguaje común de las turbinas hidráulicas
se suele hablar en función de las siguientes clasificaciones:
De acuerdo al cambio de presión en el rodete o al grado de reacción
Turbinas de acción: Son aquellas en las que el fluido de trabajo no
sufre un cambio de presión importante en su paso a través de rodete.
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Turbinas de reacción: Son aquellas en las que el fluido de trabajo si
sufre un cambio de presión importante en su paso a través de rodete.
Para clasificar a una turbina dentro de esta categoría se requiere calcular el
grado de reacción de la misma. Las turbinas de acción aprovechan únicamente
la velocidad del flujo
de agua, mientras que las de reacción aprovechan además la pérdida de
presión que se produce en su interior.
De acuerdo al diseño del rodete
Esta clasificación es la más determinista, ya que entre las distintas de cada
género las diferencias sólo pueden ser de tamaño, ángulo de los álabes o
cangilones, o de otras partes de la turbo máquina distinta al rodete. Los tipos
más importantes son:
Turbina Kaplan: son turbinas axiales, que tienen la particularidad de
poder variar el ángulo de sus palas durante su funcionamiento. Están
diseñadas para trabajar con saltos de agua pequeños y con grandes
caudales.(Turbina de reacción)
Turbina Hélice: son exactamente iguales a las turbinas kaplan, pero a
diferencia de estas, no son capaces de variar el ángulo de sus palas.
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Turbina Peltón: Son turbinas de flujo transversal, y de admisión parcial.
Directamente de la evolución de los antiguos molinos de agua, y en vez
de contar con álabes o palas se dice que tiene cucharas. Están diseñadas
para trabajar con saltos de agua muy grandes, pero con caudales
pequeños.(Turbina de acción)
Turbina Peltón
Turbina Francis: Son turbinas de flujo mixto y de reacción. Existen algunos
diseños complejos que son capaces de variar el ángulo de sus álabes durante
su funcionamiento. Están diseñadas para trabajar con saltos de agua medios y
caudal medios.
Turbina Francis
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4. PROCEDIMIENTO DE CÁLCULOS
a) La potencia total disponible considerando un rendimiento total de 87%:
CV10x048.975
100x780x1000x87.0
75
QHP 5
b) Para estimar el número de turbinas y tipo de las mismas, es un dato
importante saber que la planta estará interconectada a un sistema de gran
capacidad.
Se puede así pensar en el empleo de unidades de gran potencia .Se va a
suponer; que el problema de excavación y otros de realización, transporte e
instalación, no son inconvenientes en este caso para el uso de unidades
grandes.
Para la potencia total disponible, dentro de las técnicas de construcción
actuales y considerando un equilibrio en la operación de la planta, se pueden
admitir:
Cuatro unidades de 226000 CV cada una.
El caudal por unidad será 780/4=195 /s
c) Para la carga de 100m y el caudal de 195 /s o potencia de 226000CV,
se puede estimar la velocidad específica y definir el tipo de turbinas. En la
figura 4.29 del libro Polo Encinas se advierte para dichas condiciones que la
solución por turbinas Francis es la más adecuada.
La velocidad específica depende ahora de la altura de aspiración que se escoja,
la cual hay que ajustar con el valor del coeficiente de cavitación dado por las
graficas de las figuras 4.27 y 4.28 de dicho libro.
Como son maquinas de gran potencia con gran ponderación del caudal, la
velocidad específica debe ser más alta y la altura de aspiración reducida.
Del siguiente grafico:
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Tomamos como primera aproximación 210ns para H = 100m .Para este
valor de 210ns se tiene un valor de coeficiente de cavitación; del
siguiente grafico sacamos este dato:
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Coeficiente de Cavitación: 13.0 si se admite para el lugar de la
instalación una presión atmosférica equivalente a 10 m de agua, se tiene:
n
sat
H
HH
m13.3100x13.010H
HHH
s
sats
Se puede establecer un reajuste de la velocidad especifica ante ese valor de
, pero nos llevaría a mayores valores de s
n y de , fuera de limites aceptable.
d) Se calculará pues la velocidad de giro sobre el valor de 210ns , aplicando
la formula de la velocidad específica, o sea:
45
21
s
H
)CV(Nn
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45
21
100
)226000(N210
Sustituyendo valores tenemos:
45
21
100
)226000(N210
De donde:
N = 140rpm
Si la velocidad de sincronismo es en este caso de 50ciclo/s el número de polos
del generador seria:
polos8.42p
140
50x120
N
f120p
Ajustando p = 44 polos, que es múltiplo de 4, queda:
44
50x120N
p
f120N
N = 136.4 rpm
La velocidad de giro definitiva será pues:
N = 136.4 rpm
La velocidad específica queda ligeramente corregida y encajada en valores
completamente aceptables o sea:
205n
100
)226000(4.136n
s
45
21
s
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La altura de succión para las condiciones de diseño será:
H = -3.10 m
Esto quiere decir que el plano ecuatorial del distribuidor deberá estar a un
nivel 3.1m es inferior al del nivel de aguas abajo.
e) Los diámetros D1 y D2 del rodete Francis se calculan por los coeficientes
1 y
2 .
Para s
n =205, en los gráficos 4.12a y 4.12b del libro Polo Encinas n
tenemos:
21
1
1
)gH2(
ND
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21
2
2
)gH2(
ND
Resultan 1 = 0.76 y
2 = 0.78, esto es casi iguales en este caso. Lo que quiere
decir que los diámetros D1 y D2 van a ser casi de la misma dimensión.
Sustituyendo los valores de los coeficientes en las formulas correspondientes,
se tiene:
21
1
1
)gH2(
ND
21
1
1
)gH2(D
m67.4
60
4.136
)100x81.9x2(75.0D
21
1
Ahora: 2
1
2
2
)gH2(
ND
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21
2
2
)gH2(D
m84.4
60
4.136
)100x81.9x2(78.0D
21
1
La altura del distribuidor B se define de la figura 4.12b del libro Polo Encinas;
para s
n =205 resulta:
24.0D
B
1
Luego:
B = 0.24x4.67=1.13m
f) Para la cámara espiral o caracol se tiene:
21
21e
)H
Q(7.11D
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En la cual e
D viene dado en pulgadas, Q en /s y H en pies. Sustituyendo
se tendrá:
21
21e
))28.3x100(
0283.0
195
(77.11D
eD = 5.76m
Con este valor y mediante la formula:
52
e
xD
D
Se puede calcular el diámetro en cualquier sección y diseñar al caracol.
El diámetro ecuatorial máximo se puede obtener de la ecuación:
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
las por las siguientes formulas:
La anchura máxima será:
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 línea central del eje de la turbina al extremo de la
descarga:
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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 experimentación sobre el mismo y observar
los resultados que puedan conducir a las dimensiones definitivas del prototipo.
En una obre de esta importancia estaría justificado.
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El diseño de una turbina hidráulica es fundamental en la generación de corriente eléctrica
que influye en el análisis de situaciones reales a las que nos podemos enfrentar como
Ingenieros.
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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.