fluidos 13. turbinas hidraulicas

José Agüera Soriano 2011 1

Turbinas hidráulicas


1. Centrales de agua fluyente

2. Centrales de agua embalsada a) de regulación b) de bombeo

3. Centrales según la altura del salto a) de alta presión (H > 200 m) b) de media presión (H entre 20 y 200 m) c) de baja presión (H < 20 m)

1. Centrales de agua fluyente

2. Centrales de agua embalsada a) de regulación b) de bombeo

3. Centrales según la altura del salto a) de alta presión (H > 200 m) b) de media presión (H entre 20 y 200 m) c) de baja presión (H < 20 m)

CLASIFICACIÓN


nivel superior

nivel inferiorturbina


central


aliviaderos


canal de acceso

tubería forzada

aliviadero

central


depósito superior

embalse inferior

chimenea de equilibrio

Central de Bombeo

turbina/bomba


Tajo de la Encantada

embalse inferior



depósito superior


tubería forzada chimenea de

equilibrio conducción casi

horizontal

central

depósito superior

embalse



Duero

cuenca del río Duero

metro

s sob

re e

l niv

el d

el m

ar

Tormes

salto Villarino

salto Saucelle

Duero


TURBINAS HIDRÁULICAS

Conceptos previos

Turbinas Pelton

Turbinas Francis

Turbinas Kaplan

Turbinas bulbo


Flujo en tuberías con salida libre

SLL

pérdida de carga

línea piezométrica (LP)11 22


V

p

B

SV

H

S

==HB SVg2

21

línea piezométrica con tobera

plano de carga inicialSLL

A

A'

L

rHB'

LEV 2

LP

V

2g

BS

Bp

i

VS

2g

=2gp

SV2

H

iV2

LE

V

p

B

SV

H

S

==HB SVg2

21

plano de carga inicialSLL

A

A'

L

rHB'

LEV 2

V

2g

BS

Bp

i

VS

2g

=2gp

SV2H

iV2

Salida por tobera

línea piezométrica (LP)

pérdida de carga


Conducción de hidroeléctrica Villarino

m 30 m; 0,8

m 60 m; ,07

m 40 m; 5,7

m 402

m 15000

r

r

r

HD

HD

HD

H

L


Turbina de reacciónPotencia de un flujo

(W) J/s HQgP

(J/kg) sm sm :Gravedad

m :Altura

kg/s mkg :Densidad

sm :Caudal

22

2

3

3

Hgg

H

QQ


A

E 1


HnH=

AEHr

SLL

Turbina de acción

SLL

tobera fija

rodete


Turbina de reaccióntobera fija

tobera móvil


cámara espiral


Triángulos de velocidades

c velocidad absolutau velocidad tangencialw velocidad relativaángulo c uángulo w u

perfil álabe

corona fija

perfil álabe rodete


Ecuación de Euler

222111 coscos cucuHg t

perfil álabe rodete

perfil álabe

corona fija


Semejanza deturbomáquinas


4/5

2/1

HPn

n es

4/52/1

2/1

o

Hg

Pn es

Velocidad específica

(dimensional)

(adimensional)


Elección turbina en función de la velocidad específica

4/5

2/1

HPn

n esa

ltura

de sa

lto

H m

velocidad específica

turbina Pelton

turbina Francis

turbina Kaplan

800



válvula

golpe de arieteLP antes del cierre

LP después del cierre

Golpe de ariete


A

E 1


HnH=

AEHr

SLLSLL

inyector

rodete

Turbina Pelton


Lester Allan Pelton(1829-1908)

MW 200 hasta

inyector) 1( 20)óptimo(

7510

m 1800100

e

s

s

P

n

n

H


tamaño y número de cucharas


rodete Pelton


Figura 1 inyector

Pelton con 1 inyector

inyector

deflector


inyector Pelton

aguja de regulación

deflector


Cucharas Pelton d = diámetro de chorro

L = 2,1 d

T = 0,85 d

B = 2,5 d t = 2 d

distancia entre cucharas

mella


Triángulos de velocidades

nn HgcHgc

cucu

298,0)real( ;2)teórico(

46,0)real( ;50,0)teórico(

11

1111


c2

c1


Diámetro del rodete (D)


Cálculo Pelton

nn HgcHgc

cucu

298,0)real( ;2)teórico(

46,0)real( ;50,0)teórico(

11

1111

dt 2

60

;4 1

2

n

uD

cd

Q


actuación del

deflector


Pelton con 2 inyectores


Pelton 4 inyectores y válvulas individuales


Turbinas Pelton (admisión parcial)

siguiente clase

Turbinas Francis (admisión total)


Turbinas Francis

James B. Francis(1815-1892)

MW 375 hasta

225)óptimo(

45050

m 55030

e

s

s

P

n

n

H


Primer rodete Francis

distribuidor

rodete

Resultaba el diámetro muy grande al tener que girar el agua 90º a la salida del rodete; convenía pues que saliera del mismo con una cierta componente axial.


TurbinaFrancis


Rodetes Francis

0,152

2,290

1,0

55sn

0,408

1,100

1,0

165sn

1,0

1,440

0,288

110sn 1,0

0,910

0,512

220sn

222111 coscos cucuHg t


Rodetes Francis

1,0

0,624

0,728

395sn

1,0

0,782

0,600

275sn

0,672

0,695

1,0

330sn

0,768

0,574

1,0

440sn

J.Agüera, 2/2010 50


velocidad específica: 120

álabe guía

álabe estructuralálabe rodete cámara espiral


Turbina-bomba reversible.Tajo de la Encantada (Málaga)

Potencia máxima: 90 MW

Revoluciones: 500 rpm

Altura máxima: 398,5 m

Caudal máximo (turbina): 27,2 m3/s

Caudal máximo (bomba): 24,5 m3/s

Velocidad específica: 100

Cuatro gruposPotencia total: 360 MW


rodete Francis

modelo


Sistema de regulación turbinas de reacción

álabes guía

anillo regulador


cerrado


abierto


bielas y anillo de distribución movido por dos brazos


álabes guía

rodetecámara espiral


bielas y anillo de distribución movido por dos brazos


Tubo de aspiración, o de descarga

Francis hasta un 10% de H Kaplan entre 20% y 38% rodete


Cavitación

burbuja de vapor

cavidad vacía

implosión


corrosión por cavitación


tubos de descarga


Turbinas Kaplan

Viktor Kaplan(1876-1934)

potencias grandes

bajo )óptimo(

900400

m 904

e

ss

s

P

nn

n

H


cámara espiral

álabes guía

álabes estructurales

álabes rodete


Turbina Kaplan

álabes rodete

álabes guía

c2

J.Agüera, 2/2010 68


ren

dim

ien

tos

% potencia nominal

héliceKaplan



cubo rodete

álabes guía

álabes rodete


Turbina Kaplan

tubo de aspiración, o de descarga

H = 3,8 m


Francis: de acero

Kaplan: de hormigón armado


cámara espiral


elección de la turbina en funciónde la velocidad específica, ns 4/5

2/1

HPn

n es

altura de salto H m

velocidad específica 800

Para las mareomotrices se necesitaban turbinas con mayores ns..Con las bulbo, se puede llegar hasta ns 1150.


Mareomotriz de La Rance (Francia)


maqueta central mareomotriz de La Rance


Turbina bulbo


álabes guía

álabes rodete


MW 251

1150600

m 151

e

s

P

n

H

La Rance (Francia)

24 turbinas 240 MW; reversibles y doble efecto


Rendimientos en función del caudal

Potencias normales, o de diseño, respecto de las nominales

Pelton: 67% al 75%

Francis: 85% al 90%

hélice: 90%

Kaplan: 67% al 75%

bulbo: 67% al 75%

caudal Q (%)

re

% caudal Q

ren

dim

ien

tos

bulbo

Kaplan

Pelton

Francis

fluidos 13. turbinas hidraulicas

Documents