Centrales hidroeléctricas. José Agüera Soriano

Transcripción

1 Centrales hidroeléctricas José Agüera Soriano 0

2 CLASIFICACIÓN. Centrales de agua fluyente. Centrales de agua embalsada a) de regulación b) de bombeo 3. Centrales según la altura del salto a) de alta presión (H > 00 m) b) de media presión (H entre 0 y 00 m) c) de baja presión (H < 0 m) José Agüera Soriano 0

3 nivel superior turbina nivel inferior José Agüera Soriano 0 3

4 aliviadero José Agüera Soriano 0 4

5 José Agüera Soriano 0 5

6 aliviadero canal de acceso tubería forzada central José Agüera Soriano 0 6

7 Central de Itaipu (Brasil) José Agüera Soriano 0 7

8 Central de Itaipu (Brasil) José Agüera Soriano 0 8

9 Central de Itaipu (Brasil) José Agüera Soriano 0 9

10 Central de Itaipu (Brasil) José Agüera Soriano 0 0

11 Central de Itaipu (Brasil) José Agüera Soriano 0

12 Montaje del rodete - Central de Itaipu (Brasil) José Agüera Soriano 0

13 Montaje del rotor - Central de Itaipu (Brasil) José Agüera Soriano 0 3

14 Central de Itaipu (Brasil) CARACTERÍSTICAS Turbinas Francis 0 unidades Caudal 645 m 3 /s Salto 0 m Potencia 700 MW Total 4000 MW Velocidad 90,9 rpm José Agüera Soriano 0 4

15 depósito superior Central de Bombeo chimenea de equilibrio embalse inferior turbina/bomba José Agüera Soriano 0 5

16 Tajo de la Encantada embalse inferior José Agüera Soriano 0 6

17 Tajo de la Encantada depósito superior José Agüera Soriano 0 7

18 Tajo de la Encantada central tubería forzada embalse chimenea de equilibrio conducción casi horizontal depósito superior José Agüera Soriano 0 8

19 Compuerto Villalba Acera de la Vega Cuenca del río Duero metros sobre el nivel del mar Río Carrión Rio Tera Río Pisuerga Cernadilla Valparaiso San Roman Río Tormes Santa Teresa Villagonzalo Ricobayo Villalcampo Castro Río Duero salto Villarino Ledesma Aldeadavila Río Hueba Villarino Saucelle San Felices Bermellar Río Camaces Río Agueda Hinojosa José Agüera Soriano 0 9

20 TURBINAS HIDRÁULICAS Ruedas hidráulicas Turbinas Pelton Turbinas Francis Turbinas Kaplan Turbinas bulbo José Agüera Soriano 0 0

21 RUEDAS HIDRÁULICAS Son las precursoras de las turbinas. Estas ruedas giran por la acción de la gravedad; luego las alturas utilizables no podían superar el diámetro de la rueda. Llegaron a alcanzarse rendimientos de hasta el 80% y 90%. José Agüera Soriano 0

22 TURBINAS HIDRÁULICAS Desde mediados del siglo XIX, con los avances de la técnica que permitieron grandes instalaciones hidráulicas, se demandaron motores hidráulicos más potentes, que pudieran aprovechar alturas elevadas. La única posibilidad para ello era que, al final de la conducción de acceso a la máquina, se redujera la sección (efecto tobera), y tener así energía disponible. SLL chimenea de equilibrio A LP H r E H rae H=H n E José Agüera Soriano 0

23 Conducción de hidroeléctrica Villarino L = 5000 m H = 40 m D = 7,5 m; H r = 40 m De haber sido: D = 7,0 m; H r = 60 m D = 8,0 m; H r = 30 m José Agüera Soriano 0 3

24 Turbina de acción La transformación de la energía potencial del flujo en energía cinética tiene lugar integramente en órganos fijos (tobera). SLL chimenea de equilibrio LP H r E H rae A rodete H=H n E tobera fija José Agüera Soriano 0

25 Turbina de reacción (pura) La transformación de la energía potencial del flujo en energía cinética tiene lugar integramente en las toberas incorporadas al rodete (no existe en la industria). F c c aspersor F José Agüera Soriano 0

26 Turbina de reacción de vapor (pura) Esfera giratoria de Herón (0 a.c.) José Agüera Soriano 0

27 Turbina de reacción (es mixta de acción y reacción) La transformación de la energía potencial del flujo en energía cinética se realiza una parte en una corona fija y el resto en el rodete (es como una tobera partida). CORONA FIJA RODETE José Agüera Soriano 0

28 Grado de reacción teórico ( p p ) H ( p p 0 ) acción: reacción: 0 reacción pura: CORONA FIJA Grado de reacción real RODETE ( p p ) H t José Agüera Soriano 0

29 En todas las turbinas de reacción (admisión total), el agua entra en la corona fija, repartida uniformemente mediante una cámara espiral. José Agüera Soriano 0 9

30 Velocidad específica en turbinas n s n P H / e 5/ 4 (dimensional) revoluciones : potencia efectiva altura de diseño : de diseño : n rpm P e H CV m n so / P / e g H 5/ 4 (adimensional) José Agüera Soriano 0 30

31 Elección turbina en función de la velocidad específica m H altura del salto, turbina Pelton inyector inyector 4 inyector turbina Francis lenta turbina Francis normal turbina Kaplan lenta turbina Francis rápida turbina Francis extrarrápida turbina Kaplan normal n s turbina Kaplan rápida n P H / e 5/ 4 turbina Kaplan extrarrápida velocidad específica n s 800 José Agüera Soriano 0 3

32 Elección turbina en función de la velocidad específica Turbinas Pelton: H = m n s = 0 30 un inyector y hasta n s = 75 seis inyectores Turbinas Francis: H = m n s = Turbinas Kaplan: H = 4 90 m n s = Turbinas bulbo: H = 5 m n s = 50. José Agüera Soriano 0 3

33 Turbinas Pelton H m n n s s P e 0 75 (óptimo) 0 (inyector) hasta 00 MW Lester Allan Pelton (89-908) José Agüera Soriano 0 33

34 Turbina Pelton La transformación de la energía potencial del flujo en energía cinética tiene lugar integramente en órganos fijos (toberas, o inyectores): las hay de, inyectores (eje horizontal), y de 3, 4, 5, 6 inyectores (eje vertical). SLL chimenea de equilibrio LP H r E H rae A rodete H=H n E tobera fija José Agüera Soriano 0

35 inyector José Agüera Soriano 0 35

36 inyectores José Agüera Soriano 0 36

37 4 inyectores José Agüera Soriano 0 37

38 5 inyectores José Agüera Soriano 0 38

39 6 inyectores José Agüera Soriano 0 39

40 Inyector El inyector es una tobera diseñada para reducir el caudal en la conducción de acceso a la turbina a los límites deseados. Lleva en su interior una aguja de regulación de caudal, mandada por un servomotor mediante aceite a presión, que ocupa en cada momento la posición correspondiente a la potencia demandada. José Agüera Soriano 0 40

41 Cuando disminuye la carga, hay que actuar sobre el caudal rápidamente para que no se embale la turbina. A tal fin, cada inyector lleva incorporado un deflector, que intercepta inmediatamente el chorro, mientras se cierra la válvula. deflector José Agüera Soriano 0 4

42 inyector Pelton aguja de regulación deflector José Agüera Soriano 0 4

43 actuación del deflector José Agüera Soriano 0 43

44 válvula especial José Agüera Soriano 0 44

45 válvulas especiales José Agüera Soriano 0 45

46 Con frecuencia se usan los inyectores con servomotor y válvula propia de corredera anular interiores. Con ello se prescinde de las válvulas especiales a la entrada de la turbina, cuyo coste e instalación son elevados. José Agüera Soriano 0 46

47 Rueda Pelton Lleva alrededor unas cucharas sobre las que actúa el chorro del inyector. El tamaño y número de las cucharas dependen de las características de la instalación (velocidad específica n s ). Menor n s, menor caudal, mayor la altura del salto, menor diámetro del chorro y cucharas más pequeñas y en mayor número. José Agüera Soriano 0 47

48 Cucharas Pelton Para que no choque el chorro saliente de una cuchara con el revés de la siguiente, b > 0º, por lo que aparece una componente axial F a inadmisible. Pelton diseñó la cuchara para que las F a quedaran compensadas. La mella es para que quepa el chorro mientras actúa sobre la cuchara anterior. d L F a T F u F L = 4 _ 0º /= 7 _ 5º e f,d B L, d B,5 d T 0,85 d José Agüera Soriano 0 48

49 Triángulos de velocidades Velocidad absoluta c c (teórico) c g H real) C g H ( (C = 0,97 0,99) H r =D/ Velocidad tangencial u u D n 60 Velocidad relativa w a es variable, pero pequeño durante la actuación del chorro sobre una cuchara. Podemos tomar a 0, en cuyo caso, w c c u u José Agüera Soriano 0 49 u

50 w c = u u u = u w u c José Agüera Soriano 0 50

51 Velocidad relativa de salida w Como p = p y u = u = u, w teórica) ( w w ( real) kw w ( kw ) Velocidad absoluta de salida c c cosa u w cosb u ( c u) cosb c cosa u ( cosb ) c cosb w c = u u u = u w u c José Agüera Soriano 0 5

52 La energía cinética c / se desperdicia, por lo que, en condiciones de diseño, debe ser lo más pequeña posible: Para cucharas grandes, el ángulo b resulta mayor; pero hay que ajustarlo a su mínimo valor. La velocidad c debe ser perpendicular al rodete (a = 90º) w c = u u u = u w u c José Agüera Soriano 0 5

53 c c La diferencia de la energía cinética entre la entrada y la salida es la que se ha entregado a la turbina José Agüera Soriano 0 53

54 Rendimiento hidráulico y condiciones de diseño En la ecuación de Euler, g H t u c cosa u c cos sustituimos u = u = u; cos a = ; y también, a g H c : cosa u ( cosb) c cosb t g H u t c ( cosb) u ( cos ) b u c u u ( cosb ) c cosb g Ht ( cosb ) u ( c u ) que vamos sustituir en la fórmula de rendimiento hidráulico h h = H t /H José Agüera Soriano 0 54

55 Rendimiento hidráulico y condiciones de diseño h h ( cosb ) u ( c c u) u u h h ( cosb ) c c función parabólica de u/c : h h = f(u/c ). Se anula para, a) u/c = 0: rodete frenado b) u/c = : el chorro no alcanza a la cuchara. José Agüera Soriano 0 55

56 Rendimiento hidráulico y condiciones de diseño * h (teórico) h * (real) u u h h ( cosb ) c c h (teórico) = f ( ) h (real) h (global) = f u /c ( u / c ) 0 0,46 0,75 u * 0,8 = 0,5 = c u c José Agüera Soriano 0 56

57 = f Rendimiento hidráulico y condiciones de diseño u (teórico) 0,50 c; u (real) 0,46 c c (teórico) g H ; c (real) 0,98 g H * h (teórico) h * (real) h (teórico) = f ( ) h (real) h (global) u /c ( u / c ) 0 0,46 0,75 u * 0,8 = 0,5 = c u c José Agüera Soriano 0 57

58 El rendimiento hidráulico máximo (teórico) de la turbina: u u h h ( cosb ) c c h u* 0,5 c cosb h* Si el ángulo b pudiera ser cero, el rendimiento hidráulico máximo (teórico) de la turbina sería la unidad (cos 0º = ). José Agüera Soriano 0 58

59 Cómo varía la velocidad absoluta desde la entrada del agua en el inyector, y cómo lo hace la velocidad relativa en el rodete. H r (tobera) H p E V E velocidades absolutas c g velocidades relativas w w / g p = p a c /g E S tobera rodete José Agüera Soriano 0 59

60 Cómo varía la línea de energía del agua (LE) y la línea de presión (LP) desde su entrada en el inyector hasta su salida del rodete. E V / g LE H r (tobera) H r (rodete) H p E LP V g p c g LE Ht energía aprovechada por el rodete E tobera p = p a rodete c /g S José Agüera Soriano 0 60

61 Potencias P P E = Q H = P Q c /g P i (teórica) P e P i (real) (efectiva) 0,46 0,75 u * 0,8 u = 0,5 = c José Agüera Soriano 0 6 c

62 Potencia del flujo a la entrada del inyector Potencia del flujo a la salida del inyector P P E P g Q H Q c P E = Q H = P Q c /g P i (teórica) P e P i (real) (efec José Agüera Soriano 0 6

63 Potencia interior en el eje P P i h Q H h Tendrá la misma forma parabólica que el rendimiento. P E = Q H P = P Q c /g P i (teórica) P e P i (real) (efectiva) 0,46 0,75 u * 0,8 = 0,5 = c José Agüera Soriano 0 63 u c

64 Potencia efectiva P e (se anula cuando u/c 0,75). P P e M El par M y la velocidad se miden en un banco = Qde Hensayos. P E = P Q c /g P i (teórica) P e P i (real) (efectiva) 0,46 0,75 u * 0,8 = 0,5 = c José Agüera Soriano 0 64 u c

65 Cómo varía el rendimiento si, con la velocidad constante con la que ha de girar el rodete, se varía el caudal para ajustarlo a la carga. h = f ( Q) = f ( Q) 0 Q * Q máx José Agüera Soriano 0 65

66 Cálculo elemental de una turbina Pelton Los datos para el fabricante son la altura neta H y el caudal Q* de diseño, Potencia normal aproximada P e * En primera aproximación se estima del rendimiento global: P e Número de revoluciones * h Q* H n rpm = 000, 750, 600, 500,... José Agüera Soriano 0 66

67 Se tantea la velocidad específica n s : n s n H P * e *5 4 Si n s < 30, basta inyector. n s = 0 (mejor rendimiento). 0 n P H * e *5 4 José Agüera Soriano 0 67

68 Velocidad absoluta c c C g H ( C 0,98) Velocidad tangencial u u* 0,46 c Diámetro d del chorro d Q* c 4 José Agüera Soriano 0 68

69 Diámetro del rodete (D) D 60 u * n H r =D/ c u u José Agüera Soriano 0 69

70 Dimensiones de la cuchara L, d B,5 d T 0,85 d t d Número z de cucharas z D t d L F a T F u F L = 4 _ 0º /= 7 _ 5º e f,d B L, d B,5 d T 0,85 d Si D/d es grande, saldrán muchas cucharas y pequeñas (n s baja), y si es pequeña, pocas y grandes (n s alta). José Agüera Soriano 0 70

71 Turbinas Francis H n n s s P e m (óptimo) 5 hasta 375 MW James B. Francis (85-89) José Agüera Soriano 0 7

72 Turbinas Francis La turbina Francis es de admisión total: el agua entra por toda la periferia del rodete. En consecuencia, un mismo caudal así repartido requiere un rodete que puede resultar mucho menor que el de una rueda Pelton equivalente. José Agüera Soriano 0 7

73 Primer rodete Francis Resultaba el diámetro muy grande al tener que girar el agua 90º a la salida del rodete (punto ); convenía pues que saliera del mismo con una cierta componente axial. rodete distribuidor r = D / r = D / José Agüera Soriano 0 73

74 Rodetes Francis A medida que aumenta la velocidad específica, aumenta la,00 componente axial.,90 0,5 n s =55,0 n =65 s s 0,408 n =65 0,408,00,0,0 g H t u c cosa u c cos a 0,88,440 0,5 0,90 0,90 n s =0,0 n s n =0 s =0 0,5,0,0 José Agüera Soriano 0 74

75 0,408, n =65 s n =65 s,00,00 0,408 0,408,0,0,00,00,0,0 n n s s 0,78 0,78 =395 =395 n s n 0,78 =395 s,0,0 0,64 0,64 0,78 =395,0 0,64,0 0,64 0,5 0,5 0,5 0,90 n =0 n =440 s 0,5 0,90 0 n =0 ns =440 n =440 s 0,90 0,90 0 n =440,0,0,0 s 0,768 0,768 s 0,574 0,574,0 0,768,0 s 0,768 0,574 axial,0 0,574,0 José Agüera Soriano 0 75,0

76 José Agüera, Soriano 0 76

77 rodete Francis modelo José Agüera Soriano 0 77

78 La cámara espiral se encarga del reparto uniforme por toda la periferia del distribuidor. La estructura de la cámara exige soportes a la salida, en forma lógicamente de álabes con diseño adecuado. álabes estructurales José Agüera Soriano 0 78

79 Distribuidor El distribuidor está formado por aletas guía pivoteadas. Éstas pueden rotar un cierto ángulo sobre sus pivotes para modificar la sección de los canales, y así ajustar el caudal a la carga de la central. bielas bieletas entrada del agua álabes guía palas directrices abrir anillo cerrar anillo regulador José Agüera Soriano 0 79

80 cerrado José Agüera Soriano 0 80

81 abierto José Agüera Soriano 0 8

82 Cada paleta guía se mueve mediante una biela, unidas todas a un anillo. Este anillo gira ligeramente, por la acción de uno o dos brazos mandados por servomotor. bielas y anillo de distribución movido por dos brazos José Agüera Soriano 0 8

83 Los álabes guía forman un ángulo a ' variable con la carga, que hace también variable el ángulo a del triángulo de velocidades a la entrada: a 0 para caudal nulo y a = 5o 40o para caudal máximo. El perfil de los álabes se estudia de forma que la dirección de w origine el mínimo de choques a la entrada del rodete, sea cual fuere la posición de los álabes guía. distribuidor ' w u rodete u c c w José Agüera Soriano 0 83

84 Regulador álabes guía José Agüera Soriano 0 84

85 velocidad específica: 0 álabe estructural álabe guía álabe rodete cámara espiral José Agüera Soriano 0 85

86 cámara espiral rodete álabes guía pivotes José Agüera Soriano 0 86

87 José Agüera Soriano 0 87

88 Turbina-bomba reversible. Tajo de la Encantada (Málaga) Potencia máxima: 90 MW Revoluciones: 500 rpm Altura máxima: 398,5 m Caudal máximo (turbina): 7, m3/s Caudal máximo (bomba): 4,5 m3/s Velocidad específica: 00 Cuatro grupos Potencia total: 360 MW José Agüera Soriano 0 88

89 Tubo de aspiración, o de descarga El tubo de aspiración forma parte de la turbina; en consecuencia, su buen diseño, sobre todo para centrales de poca altura, es fundamental para el rendimiento. Cumple una doble función: rodete V d SLL H a S tubo de aspiración, o de descarga V S canal de desagüe José Agüera Soriano 0 89

90 . Aprovechar el desnivel H a entre la salida del rodete y el canal de desagüe. Esto permitiría instalar la turbina por encima del nivel de desagüe (SLL). Sin embargo, para evitar cavitación, casi siempre hay que instalarla sumergida. rodete V d SLL H a S tubo de aspiración, o de descarga V S canal de desagüe José Agüera Soriano 0 90

91 . En turbinas hidráulicas de reacción, la energía cinética de descarga, V d /, es importante: - en las Francis puede representar hasta un 0% del salto - en las Kaplan entre el 0% y el 38%. rodete V d SLL H a S tubo de aspiración, o de descarga V S canal de desagüe José Agüera Soriano 0 9

92 Si el tubo de aspiración (lógicamente divergente) es suficientemente largo, la energía cinética V S / de salida se reduce a límites despreciables. Esta disminución de velocidad provoca un vacío a la salida del rodete, por lo que la energía de presión entregada al mismo sería mayor. rodete V d SLL H a S tubo de aspiración, o de descarga V S canal de desagüe José Agüera Soriano 0 9

93 tubos de descarga José Agüera Soriano 0 93

94 tubos de descarga José Agüera Soriano 0 94

95 Peligro de cavitación a la salida del rodete rodete burbuja de vapor cavidad vacía implosión tubo de aspiración José Agüera Soriano 0 95

96 corrosión por cavitación José Agüera Soriano 0 96

97 Cómo varía la línea de energía (LE) y la línea piezométrica (LP) desde la entrada del agua en el distribuidor hasta la salida del tubo de aspiración. V E / g LE H (distribuidor) r H r (rodete) LP c /g p E LE H t p / p = p a = 0 E LP p / ( _ ) LE d c /g S LP H (aspiración) g r V S / distribuidor rodete tubo aspiración José Agüera Soriano 0 97

98 Cómo varía la línea de energía (LE) y la línea piezométrica (LP) desde la entrada del agua en el distribuidor hasta la salida del rodete, suponiendo que no hay tubo de aspiración. El trabajo obtenido H t sería ahora menor. V / g E LE H r (distribuidor) H r (rodete) c / g LP LE H t p E p / p = p a E LP c / g José Agüera Soriano 0 98

99 Triángulos de velocidades No es fácil mediante un estudio puramente teórico establecer el diseño adecuado de las turbinas hidráulicas de reacción. Existen estudios teóricos más o menos avanzados, que en cualquier caso quedan fuera del alcance de este libro; además muy pocos ingenieros tendrán oportunidad de proyectar en detalle una turbina. La teoría que aquí se da, va más bien dirigida al usuario; se analizan algunas características de funcionamiento y de carácter general. José Agüera Soriano 0 99

100 triángulo de entrada triángulo de salida u u baja n s c w c w baja n s alta n s c w c w alta n s sección álabe alta n s ' ' sección álabe baja n s José Agüera Soriano 0 00

101 Triángulo de entrada Factor de velocidad absoluta C c C g H En la turbina Pelton, C 0,98. En las turbinas Francis, para todos los valores de n s, Factor de velocidad tangencial U C 0,66 U u g H u D 60 n José Agüera Soriano 0 0

102 Cuando n s 50 65, la distancia r (r = D /) al eje de giro es la misma para todos los puntos; pero para n s > 65 es diferente. Cuando hablemos de u y/o D nos referiremos a valores medios. El factor de velocidad tangencial U * varía en las turbinas Francis entre U * = 0,68 para n s = 50 y U *= 0,8 para n s = 450. triángulo de entrada u c w baja n s c alta n s w c c José Agüera Soriano 0 0

103 El ángulo a fluctúa entre 5 o para n s = 50, y 40o para n s = 450 para caudal máximo; y para el caudal Q*: a * = 0o 8o. triángulo de entrada u c w baja n s c alta n s w c c José Agüera Soriano 0 03

104 Velocidad relativa w Conociendo triángulo de entrada a,c y u, quedan definidos triángulo salida w y b. En condiciones u de diseño, b ha de coincidir u el b ' que tienen los álabes a la entrada del rodete. baja n s sección álabe alta n s c w alta n s w c comprobado, c que pueden provocar cavitación w alta n s a la ' c En general se busca que b '< 90o ; ángulos mayores, se ha entrada del rodete. w baja triángulo de entrada ' n s baja n s u sección álabe baja n s c w alta n s w c José Agüera Soriano 0 04

105 Triángulo de salida triángulo de entrada Velocidad tangencial u u u La relación D /D varía entre 0,3 para n s = 50 y para n s = 450; w y, lógicamente, u /u c baja n s variará en la misma bajaproporción. n s c triángulo de salida w alta n s c w c w alta n s iángulo de entrada baja n s u ' u sección álabe alta n s c w c triángulo de salida w ' baja sección álabe baja ns n s n s c w c w alta n s José Agüera Soriano 0 05

106 Velocidad relativa w De la energía de presión entregada al rodete, triángulo de entrada baja n s u u u u w w E p w c baja c triángulo de salida una parte (cuando u > u ) o toda (cuando u = u ) se utiliza alta n s w c para aumentar c la energía cinética relativa w altadel n s flujo: w n s w w iángulo de entrada baja n s u ' u sección álabe alta n s c w c triángulo de salida w ' baja sección álabe baja ns n s n s c w c w alta n s José Agüera Soriano 0 06

107 Velocidad de salida c triángulo de entrada El agua debe u salir perpendicular al rodete (a 90º u ), para que no entre rotando en el tubo de descarga. En la realidad, a varía entre 85 o wpara c n s bajas y 75baja o para n s altas. baja n s c triángulo de salida w n s alta n s c w c w alta n s iángulo de entrada baja n s u ' u sección álabe alta n s c w c triángulo de salida w ' baja sección álabe baja ns n s n s c w c w alta n s José Agüera Soriano 0 07

108 Rendimiento hidráulico. Condiciones de diseño La ecuación de Euler W t u c cosa u c cosa para condiciones de diseño (a 90o : cos a = 0) adopta la forma, g Ht* u * c cosa * El rendimiento hidráulico h h * de diseño sería, H * * cosa * * h * t u c u c h cosa * H g H g H g H hh* U * C cos a que mejora con pequeños valores de a *: a * = 0o 8o. * José Agüera Soriano 0 08

109 Curvas características a velocidad angular constante En un banco de ensayos podemos obtener curvas características con régimen de giro variable. Sin embargo, para no alargar más el tema, nos limitaremos al régimen de giro constante, que es el que tendrá la turbina una vez construida e instalada. H (altura) (rendimiento) Q (caudal) % potencia nominal José Agüera Soriano 0 09

110 El rendimiento aumenta con bastante rapidez hasta la potencia normal, o de diseño, y luego disminuye a causa de los choques cuando trabaja fuera de diseño. H (altura) (rendimiento) Q (caudal) % potencia nominal José Agüera Soriano 0 0

111 La turbina Francis se adapta peor que la Pelton a las fluctuaciones de carga; en cambio, en condiciones de diseño se consiguen mejores rendimientos, que pueden llegar en ocasiones al 95% (grandes turbinas bien diseñadas y con una n s próxima a 5). H (altura) (rendimiento) Q (caudal) % potencia nominal José Agüera Soriano 0

112 ,0 0,9 Pelton rendimientos, 0,8 0,7 0,6 Francis 0,5 0,4 0 velocidad de giro constante % potencia nominal José Agüera Soriano 0

113 Proporciones y factores de diseño para turbinas de reacción * rendimientos, 0,98 0,96 0,94 0,9 0,90 0,88 0,86 0,84 0,8,5,4,,0,8,6,4, * *(Pelton un inyector) z Dt / D * = ( n s ) * = ( n s ) 30º 0º 0º 0º nº álabes, z corona Dt D D d D rodete B aletas guía pivoteadas aletas fijas pestaña relaciones adimensionales,0 0,8 0,6 0,4 0, 00 D /D B /D B/ D d U * turbinas Francis z B /D Di / D = 0,4 _ 0,5 C a turbinas hélice z nº álabes, Diagrama también útil para turbinas hélice velocidad específica, n s José Agüera Soriano 0 3

114 El diagrama muestra relaciones importantes para turbinas de reacción en función de la velocidad específica n s. Las curvas de rendimiento corresponden a grandes turbinas, que son, dentro de la misma familia (igual n s ), las que proporcionan mayor rendimiento. Estas relaciones difieren de unos fabricantes a otros, y son producto de la experimentación; pero aún así, nos da una buena idea de cómo evolucionan estos parámetros para distintos valores de n s. José Agüera Soriano 0 4

115 Cálculo elemental de la turbina Francis Haremos un cálculo aproximado valiéndonos del diagrama XII y de las condiciones de diseño, hh* U * C cos a en la que C = 0,66. Se entiende que los parámetros que vamos a obtener son valores medios. En realidad, debemos descomponer la turbina en varias partes (6 por ejemplo), obteniendo en cada de ellas triángulos de velocidades diferentes, y así ajustar en cada punto la inclinación de los álabes. * José Agüera Soriano 0 5

116 Potencia normal P e * aproximada A efectos de determinar la velocidad específica, estimamos el rendimiento ( 90%): P e * Q* H h* Número n de revoluciones y velocidad específica n s A través de la fórmula, n s n P H * e *5 4 tanteamos ésta y/o el número de revoluciones n, tomando un valor de sincronismo. José Agüera Soriano 0 6

117 Velocidad absoluta c c C g H 0,66 g H Velocidad tangencial de diseño u * u U * g H * El adimensional U * lo obtenemos del diagrama XII. Diámetro D a la entrada del rodete D 60 u * n Rendimiento hidráulico de diseño, h h * hh* U * C cos a C 0,66, y U * y a * los tomamos del diagrama XII. José Agüera Soriano 0 7 *

118 Angulo b ' a la entrada del rodete tgb U C r * C u U C * C sen a * cosa * U Cu U C r W C C Ca W José Agüera Soriano 0 8

119 Dimensiones D D t D d B A través del diagrama XII, se obtienen: D /D ; D t /D ; B/D ; B/D d corona D rodete B aletas guía pivoteadas aletas fijas Dt D pestaña D d José Agüera Soriano 0 9

120 Número z de álabes y rendimiento de diseño h* Se obtienen directamente del diagrama XII Potencia normal P e * Con el rendimiento de diseño encontrado, rehacemos los cálculos: P e * Q* H h* José Agüera Soriano 0 0

121 Turbinas hélice Puede decirse que la turbina hélice es el límite de las Francis, en las que al final (n s = 450) el flujo es ya casi axial. El rodete es como la hélice de un barco; tiene entre 3 y 8 álabes, aunque más frecuentemente entre 4 y 7. José Agüera Soriano 0

122 Hélices José Agüera Soriano 0

123 El rendimiento de una turbina hélice baja rápidamente cuando trabaja en condiciones fuera de diseño. El triángulo de velocidades de entrada variaría marcadamente, y con ello la velocidad relativa de entrada w. Se producen choques muy fuertes, por lo que el rendimiento baja. Tiene lo que se llama una curva de rendimiento en gancho. rendimientos,,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0 Francis Pelton hélice velocidad de giro constante % potencia nominal José Agüera Soriano 0 3

124 Turbinas Kaplan H = de 4 a 90 m Q = hasta 550 m 3 /s n s = de 400 a 900 Viktor Kaplan ( ) José Agüera Soriano 0 4

125 A principios del siglo XX, Kaplan desarrolla una turbina hélice con los álabes del rodete orientables. Al poder variar la posición de estos álabes, puede buscarse que su inclinación coincida, en cualquier punto de funcionamiento, con la dirección del flujo a la entrada del rodete, por lo que se adapta bien a cualquier carga. Tiene lo que se llama una curva plana de rendimientos. José Agüera Soriano 0 5

126 Hélice: curva de rendimientos en gancho Kaplan: curva plana de rendimientos,0 0,9 Kaplan Pelton rendimientos, 0,8 0,7 0,6 Francis hélice 0,5 velocidad de giro constante 0, % potencia nominal José Agüera Soriano 0 6

127 Turbina Kaplan álabes guía álabes rodete c José Agüera Soriano 0 7

128 Turbina Kaplan cámara espiral álabes guía álabes estructurales álabes rodete José Agüera Soriano 0 8

129 cubo del rodete En su interior se alojan los mecanismos para el ajuste de los álabes del rodete. José Agüera Soriano 0 9

130 Turbina Kaplan H = 3,8 m tubo de aspiración, o de descarga José Agüera Soriano 0 30

131 Francis: de acero Kaplan: de hormigón armado álabes estructurales cámara espiral José Agüera Soriano 0 3

132 José Agüera Soriano 0 3

133 José Agüera Soriano 0 33

134 Modelos de rodetes hélice, Pelton y Francis José Agüera Soriano 0 34

135 Elección turbina en función de la velocidad específica / n Pe n H m H altura del salto, turbina Pelton inyector inyector 4 inyector turbina Francis lenta turbina Francis normal s 5/ 4 Máximo n s = 800, forzando mucho 900 turbina Kaplan lenta turbina Francis rápida turbina Francis extrarrápida turbina Kaplan normal turbina Kaplan rápida turbina Kaplan extrarrápida velocidad específica n s José Agüera Soriano 0 35

136 Turbinas bulbo (quedan envueltas como si fueran un submarino) Para las centrales mareomotrices había que encontrar turbinas con mayores n s, pues, para aprovechar bien el desnivel de las mareas, tenían que funcionar con alturas variables entre y 5 metros, y además en ambos sentidos. Son en realidad un modelo especial de las Kaplan. Con las turbinas bulbo, hasta n s = 50 (n s = ). José Agüera Soriano 0 36

137 álabes estructurales álabes guía álabes rodete Turbina bulbo José Agüera Soriano 0 37

138 Rendimientos. Menos la hélice, todas tienen buenos rendimientos y su curva es bastante plana (se adaptan bien a la fluctuación de carga); las Francis algo menos Pelton Francis Kaplan bulbo 90 rendimiento (%) caudal Q (%) José Agüera Soriano 0 38

139 Potencias normales, o de diseño, respecto de las nominales Las condiciones de diseño de las turbinas hidráulicas no se buscan para la máxima potencia; más bien, Pelton Francis Kaplan bulbo Pelton: 67% al 75% Kaplan: 67% al 75% bulbo: 67% al 75% Francis: 85% al 90% hélice: 90% rendimiento (%) caudal Q (%) José Agüera Soriano 0 39

140 Aprovechamiento de las mareas José Agüera Soriano 0 40

141 Mareomotriz de La Rance (Francia) José Agüera Soriano 0 4

142 maqueta central mareomotriz de La Rance José Agüera Soriano 0 4

143 La Rance (Francia) 4 turbinas 40 MW; reversibles y doble efecto H n P s e 5 m MW José Agüera Soriano 0 43

144 Las centrales mareomotrices tiene más inconvenientes que ventajas. Lo más interesante del proyecto fue la investigación de la turbina bulbo, que ha tenido mucha aplicación para otras centrales posteriores. Hasta hoy, sólo existía la de la Ría de Rance (año 967). Había otras proyectadas en distintos países, pero nunca llegaron a construirse. José Agüera Soriano 0 44

145 Central de Shihwa Corea del Sur se ha atrevido con una aún mayor (central de Shihwa), inaugurada en diciembre de 0. Se ha instalado en el borde de un lago artificial, frente al mar cercano a Seúl, que ocupa una superficie de m. José Agüera Soriano 0 45

146 José Agüera Soriano 0 46