introducciÓn a las mÁquinas hidrÁulicasgecousb.com.ve/guias/geco/turbomáquinas hidráulicas...
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INTRODUCCIÓN A LAS MÁQUINAS HIDRÁULICAS
Prof. Jesús DE ANDRADE
Prof. Miguel ASUAJE
Máquinas Hidráulicas
Motores Hidráulicos
Ruedas y Turbinas
Máquinas que transforman energía hidráulica en energía mecánica
Ruedas (Motores gravimétricos.) Energía potencial.
Turbinas
Clasificación
H Z Z1 2
12
2
2
2
121 zz2g
VVPPH
Máquinas Hidráulicas
Se clasifican en:
Máquina que transforma energía hidráulica en energía mecánica
Rueda Hidráulica (Motores gravimétricos)
Motores hidráulicos
Turbinas
Motor cuyo intercambio de energía se realiza de potencial a mecánica.
H Z Z1 2
12
2
2
2
121
2g
VVH ZZ
PPEl intercambio de energía
se realiza de forma de
presión y velocidad a
energía mecánica
Máquinas Volumétricas. (CONVERSIÓN III)
Ruedas Hidráulicas
Ruedas Hidráulicas
Motor cuyo intercambio de energía se realiza depotencial a mecánicaEn las ruedas, la energía de velocidad y la de presión son
despreciables frente a la energía potencial
Alimentación superior
Alimentación lateral
Alimentación Inferior
D/H ~ 1 η ≤ 75% n = 5…..8 r.p.m.
Ruedas Hidráulicas
Rueda de impulso
Rueda de Rio (14 A.C.)
D/H ~ 1 η ≤ 75% n = 5…..8 r.p.m.
U1 = U2 = U
β1 + β2 =
180°
2 = 90°
Ruedas Hidráulicas
Rueda de impulso
g.HV1
H Z Z1 2
g.Hb.aQ
Donde:
a altura del canal que lleva el agua hasta la turbina
b ancho del canal que lleva el agua hasta la turbina
Ruedas Hidráulicas
Ruedas de Río
Río Horontes; Hamah - Siria
Ruedas HidráulicasVentajas de las Ruedas:
Water wheels for electricity generation. In the previous section itwas shown that ‘modern’ water wheels have a surprisingly highefficiency for a wide range of flows. This has the great advantagethat power can be generated even from low flow volumes withoutcomplex control elements as they are e.g. required for Kaplanturbines. The power/speed curves were also quite flat, indicatingthat speed control is not very critical as long as the wheeloperates approximately at design speed. The slow speed of waterwheels means that gear boxes with transmission ratios ofapproximately 1:100 have to be employed. Although such gearboxes are available and do not cause significant energy losses (2-3%), they constitute a significant part of the costs (25-30% forundershot, 40-45% for overshot wheels) of a water wheelinstallation. The development o fa slow speed multipolargenerator which could be driven directly with a belt drive wouldconstitute a major advance in this field.
Ruedas HidráulicasDesventajas de las Ruedas:
La baja velocidad de giro (6-10 rpm) conduce alempleo de elevada relación de transmisión para elaccionamiento de generadores de electricidad (CA) a600- 1500 rpm.
Producción de un golpeteo ruidoso, a baja frecuencia,que puede ser molesto a las personas.
Escaso de conocimiento en la ingeniería para sudiseño y construcción.
Si la rueda es instalada fija a un lado del río, lapotencia en el eje de la rueda fluctúa al cambiar elnivel del río.
Cuando es instalada sobre una barcaza, el descensodel nivel del río puede ocasionar que la rueda golpeecontra el fondo del río y se ocasione daño a losalabes.
Ruedas HidráulicasDesempeño de las Ruedas:
Ruedas Hidráulicas
Diagrama de Selección
Turbinas
Ruedas
RAS
H [m]
Q [m3/s]
RAI
RAS – Rueda de Alimentación
Superior
RAI – Rueda de Alimentación
inferior
Turbinas Hidráulicas
Turbomáquina motriz que convierte energía hidráulica en energía mecánica
Creación del momento Cinético a la entrada:
Energía transferida Ht
cteVrVrM U00C0
Vu
V0
r0
r
Caja Espiral
Ecuación de Euler:
2U21U1t VUVUg
1H
Energía transferida Ht
g2
W
g2
W
g2
U
g2
U
g2
V
g2
VH
2
1
2
2
2
2
2
1
2
2
2
1t
Bajo la forma de
componentes energéticas:
Rodete
β1
β2
U1Nacen del aprovechamiento del agua en las ruedas hidráulicas. La energía es transferida al rotor en forma de presión o velocidad.
1
1
11m1U ctgA
QctgVV 2
2
222m22U ctgA
QUctgVUV
g
UQctg
A
Uctg
A
U
g
1H
2
22
2
21
1
1t
V1
U2U1
W1 V2 W2
Vm1 Vm2
VU1 VU2
α1 β1α2 β2
Energía transferida Ht
ht ZHH
2
Ac
2
f
2
22
2
21
1
1 )QQ(kQkg
UQctg
A
Uctg
A
U
g
1H
Cfh ZZZ
2
ff QkZ
Pérdidas Hidráulicas:
Altura neta:
Pérdidas por fricción y choque:
Altura neta H
2
AcC )QQ(kZ
Eficiencia Hidráulica:
Eficiencias
H
ZH
H
H hth
Eficiencia Volumétrica:Q
Q
Q fRv
QR
Q
Qf’
Qf’’≈ 0
fff
fR
QQQ
QQQ
≈ 0
Eficiencia Mecánica:
fricciónm
m
int
mm
PP
P
P
P
Eficiencia Global:mvh
H
m
P
P
discocojinetes/sellos frfrfricción
fricciónmint
PPP
PPP
Eficiencias
Curvas Características
H vs. Q, vs. Q y P vs. Q
@ n y 1 constantes
Salida Ortogonal:
Altura neta H
2
2
222m22U ctgA
QUctgVUV
2222 0 tgAUQV dU
2
2
21
1
1
2
20
t0
ctgA
Uctg
A
U
UQ
0HQ
Caudal mínimo de operación como turbina:
0 50 100 150 200 250 300 350 400 45040
20
0
20
40
60
80
100
120
140122.809
36.219
0
Z h Q( )
Z f Q( )
Z c Q( )
H t Q 40( )
H Q2 40( )
407.0390
Q 0 Q a
Q Q Q Q Q2
Curva H vs. Q
H
Q
n = cte.
1 = cte.H
Ht
Zh
Qo Qd
g
U2
2
Pérdidas Hidráulicas
0 50 100 150 200 250 300 350 400 4500
5
10
15
20
25
30
35
4037.217
0
Z f Q( )
Z c Q( )
Z h Q( )
4070
Q n Q a
Q
Zh
Q
Qn Qa Zh
Zc
Zf
n = cte.
1 = cte.
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
2.719 103
500
0
T Q 40( )
106
4070
Q 0 Q a
Q
Torque vs. QT
Q
Q0Qa
Zonade Motorización
(T < 0)
n = cte.
1 = cte.
0 50 100 150 200 250 300 350 40020
0
20
40
60
80
100100
20
0
P H Q 40( )
4000
Q 0 Q a
Q
Potencia vs. QPH
Q
Q0 Qa
Zonade
Motorización
n = cte.
1 = cte.
Curva Característica General de Explotación
n = cte.
0 100 200 300 400 500 600 7000
50
100
150
200
250
300
350301.217
0
H Q0 5( )
H Q1 10( )
H Q2 15( )
H Q3 30( )
H Q4 45( )
665.4980
Q
Q0 Q1 Q2 Q3 Q4
X = 20% X = 40% X = 60% X = 80% X = 100%
η = 80%
η = 60%
η = 40%
η = 40%
η = 60%
H
Q
Hn 90%
Qn
Máxima potencia
Punto de Operación
T
1
2
HB
Punto de Operación
12Turb21 hHHH
Ec. Bernoulli entre 1 y 2:
salidaforzadatuberia12hhh
HHTurb
salidaforzadatuberia21Turb hhzzH
(Altura neta)
Punto de Operación
SistemaTurb
2
BTurb
HH
kQHH
21B
2
salidaforzadatuberia
zzH
Q~hh
2
BSistema kQHH
n = cte.
0 100 200 300 400 500 600 7000
50
100
150
200
250
300
350301.217
0
H Q0 5( )
H Q1 10( )
H Q2 15( )
H Q3 30( )
H Q4 45( )
665.4980
Q
Q0 Q1 Q2 Q3 Q4
X = 20% X = 40% X = 60% X = 80% X = 100%
H
Q
HB
Punto de Operación
HSist.
Pto. Operación
para diferentes aperturas
HTurb.
Grado de Reacción
2
1
2
2
2
2
2
1
2
2
2
1
2
1
2
2
2
2
2
1
t
p
RWWUUVV
WWUU
H
HG
0 Turbina de acción (p1 = p2)
(0-1) Turbina de reacción (p1 > p2)
)WWUU(g2
1H 2
1
2
2
2
2
2
1p
)VV(g2
1H 2
2
2
1dAltura dinámica:
Grado de Reacción:
Altura de presión:
GR =
pdt HHHAltura total:
Factor de Utilización
g2
VHH
2
2udisp
g2
V 2
2
2
1
2
2
2
2
2
1
2
1
2
1
2
2
2
2
2
1
2
2
2
1
disp
t
WWUUV
WWUUVV
H
H
Hútil: Energía útil
Hdisp: Energía disponible
Energía necesaria para descargar el flujo de la turbina
tútil HH
Coeficientes Característicos
H
DnN11
HD
211
HHD
PP
2
m11
45
m
sH
Pnn
Número específico de revoluciones:
Caudal especifico:
Potencia específica:
Velocidad específica de giro referida
a la potencia:
Coeficientes Característicos
Para el cálculo de los coeficientes antes mencionados
se emplean las siguientes unidades:
Sistema Métrico Sistema Inglés
[n] = RPM [n] = RPM
[Q] = m3/s [Q] = GPM
[H] = m [H] = pies
[Pm] = CV [Pm] = HP
nS .... Número especifico de revoluciones en sistema métrico.
NS .... Número especifico de revoluciones en sistema ingles.
SS N44,4n
Clasificación de las turbinas
Según el grado de reacción:
Acción: GR = 0, P1 = P2
Reacción GR = 1, P1 > P2
Según la admisión:
Admisión parcial Chorro tangencial
Admisión total: Todo el rodete inmerso en el agua
Según la dirección del flujo:
Radiales
Diagonales
Axiales
Tangenciales
Clasificación de las turbinas
5/4
m
sH
Pnn
.
Según la posición del eje:
Vertical
Horizontal
Inclinado
Según la velocidad específica de giro:
Lentas
Normales
Rápidas
Expresas
Tipo ns H [m]
Pelton 1 - 60 50 - 2000
Banki 40 - 240 1 - 200
Francis 50 - 450 20 - 800
Deriaz 250 - 500 40 - 250
Kaplan 350 - 600 5 - 80
Bulbo 500 - 1000 1 - 15
Straflow (axial
concéntrica)
900 - 2000 1 - 10
Clasificación de las Turbinas Hidráulicas (Gr)
Turbinas Acción
Reacción
Banki- MichelHbruta= 1 a 100 m
PeltonHbruta= 100 a 2000 m
FrancisHbruta= 25 a 700 m
DeriazHbruta= 40 a 200 m
KaplanHbruta= 10 a 70 m
BulboHbruta= 2 a 25 m
StrafloHbruta= 1 a 10 m
Turbinas de Acción
Turbina Pelton
De Eje Vertical De Eje Horizontal
Turbinas de Acción
Turbina Banki
Turbinas de Reacción
Turbina Francis
Caja Espiral o Voluta
PredistribuidorRodete
Q
Distribuidor
Tubería de Aspiración
Rotor: Es una turbina Radial
Turbinas de Reacción
Turbina DeriazRotor: Es una turbina diagonal
Álabes regulables
Turbinas de Reacción
Turbina Kaplan
Rotor tiene entrada axial. La entrada a la turbina es Radial
Turbinas de Reacción
Turbina Bulbo
Rotor tiene entrada axial y salida axial. Modificación de la Kaplan
Diagrama de Conchas o Curvas de Nivel
Q11 Caudal reducido
P11 Potencia reducida
N11 Número de revoluciones reducido
Curvas de Nivel
Q11
N11 N11
P11
=Ns
x= mm
Selección de Turbinas
H [m]
Q [lt/s]
Selección de Turbinas
Potencia [kW]
Alt
ura [
m]
Selección de Turbinas
Selección de Turbinas