Turbinas hidráulicas. José Agüera Soriano

Transcripción

1 Turbinas hidráulicas José Agüera Soriano

2 José Agüera Soriano CLASIFICACIÓN Centrales de de agua fluyente Centrales de de agua embalsada a) a) de de regulación b) b) de de bombeo Centrales según la la altura del salto a) a) de de alta presión (H > 200 m) b) b) de de media presión (H entre y 200 m) c) c) de de baja presión (H < m)

3 José Agüera Soriano nivel superior turbina nivel inferior

4 central José Agüera Soriano

5 aliviaderos José Agüera Soriano

6 José Agüera Soriano

7 José Agüera Soriano aliviadero canal de acceso tubería forzada central

8 José Agüera Soriano depósito superior Central de Bombeo chimenea de equilibrio embalse inferior turbina/bomba

9 José Agüera Soriano Tajo de la Encantada embalse inferior

10 José Agüera Soriano Tajo de la Encantada depósito superior

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

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

13 José Agüera Soriano TURBINAS HIDRÁULICAS Conceptos previos Turbinas Pelton Turbinas Francis Turbinas Kaplan Turbinas bulbo

14 José Agüera Soriano Flujo en tuberías con salida libre SLL SLL pérdida de carga línea de energía (LE) línea piezométrica (LP) H r H V L 1 2 línea piezométrica (LP) V 2 / 2g H = 2

15 LE LE LP Salida por tobera V 2 2g LP p B γ γ SLL A' plano de V carga inicial S B V 2 2g p V S 2 2g = H VS pb V S B 2g A SLL A' A plano de carga inicial línea piezométrica con tobera L V p B S = H = γ línea piezométrica sin tobera ( Q máx ) B B' S Hr V 2g 2 H VS 1 V p 2 B V S = H = 2g José Agüera Soriano i i γ p γ i V 2H S 2g pérdida de carga = VS línea piezométrica con tobera L γ línea piezométrica (LP) línea piezométrica sin tobera ( Q máx ) B B' S Hr H 1 VS

16 José Agüera Soriano Conducción de hidroeléctrica Villarino L = m H = 402 m D = 7,5 m; D = 7,0 m; D = 8,0 m; H H H r r r = = = 40 m 60 m 30 m

17 José Agüera Soriano Potencia Turbina de de reacción un flujo Caudal : Altura : Gravedad : Q Densidad : ρ kg H g m m 3 m s s m 2 3 ρ Q g H m kg/s 2 s 2 (J/kg) P = ρ g Q H J/s (W)

18 José Agüera Soriano Turbina de acción SLL SLL chimenea de equilibrio LP H rae A rodete H=H n tobera fija E 1

19 José Agüera Soriano Turbina de reacción tobera fija 1 CORONA FIJA tobera móvil 2 RODETE

20 cámara espiral José Agüera Soriano

21 José Agüera Soriano Triángulos de velocidades perfil álabe rodete perfil álabe rodete perfil álabe corona fija perfil álabe corona fija c velocidad absoluta u velocidad tangencial w velocidad relativa α ángulo c u β ángulo w u ' u w 2 u 2 2 w 1 c 2 1 u 1 c 1 1

22 José Agüera Soriano Ecuación de Euler g H t = u 1 c1 cosα1 u2 c2 cos α 2 perfil álabe rodete perfil álabe rodete perfil álabe corona fija perfil álabe corona fija ' u 1 1 w 1 1 u 1 c c 2 w 2 u 2 2

23 José Agüera Soriano Semejanza de turbomáquinas

24 José Agüera Soriano Velocidad específica n s n P = H 1/ 2 e 5/ 4 (dimensional) revoluciones : potencia efectiva de diseño : altura de diseño : n rpm P e H CV m n so = ρ 1/ 2 ω P 1/ 2 e ( g H ) 5 / 4 (adimensional)

25 José Agüera Soriano Elección turbina en función de la velocidad específica altura del salto, H m altura de salto H m turbina Pelton 1 inyector 2 inyector 4 inyector turbina Francis lenta turbina Francis normal turbina Pelton turbina Francis turbina Kaplan lenta turbina Francis rápida turbina Francis extrarrápida turbina Kaplan normal n turbina Kaplan s turbina Kaplan rápida n P = H 1/ 2 e 5/ 4 turbina Kaplan extrarrápida velocidad velocidad específica n s 800

26 José Agüera Soriano Golpe de ariete LP después del cierre LP antes del cierre golpe de ariete chimenea de equilibrio válvula

27 José Agüera Soriano Turbina Pelton SLL chimenea de equilibrio LP H rae A rodete H=H n inyector E 1

28 José Agüera Soriano H = m n n s s P e = (óptimo) 20 (1inyector) hasta 200 MW Lester Allan Pelton ( )

29 tamaño y número de cucharas José Agüera Soriano

30 rodete Pelton José Agüera Soriano

31 José Agüera Soriano Pelton con 1 inyector Figura 1 inyector inyector deflector

32 José Agüera Soriano inyector Pelton aguja de regulación deflector

33 José Agüera Soriano Cucharas Pelton d = diámetro de chorro L = 2,1 d f d L L T = 0,85 d T F u 2= 4 _ 20º /2= 7 _ 15º e 1,1d B B = 2,5 d t = 2 d mella F a F distancia entre cucharas

34 José Agüera Soriano Triángulos de velocidades u c 1 1 (teórico) (teórico) = = 0,50 c 2 g 1 ; H u 1 ; (real) 0,46 c c (real) 0,98 2 n 1 H n 1 g w c = u u 2 u 1 = u w 1 u c 1

35 José Agüera Soriano c 2 c 1

36 Diámetro del rodete (D) José Agüera Soriano

37 José Agüera Soriano Cálculo Pelton 2 π d Q = c 4 60 u D = π n t 2 d 1 ; d L T F u L 2= 4 _ 20º /2= 7 _ 15º e f 1,1d B L 2,1 d B 2,5 d T 0,85 d F a F u c 1 1 (teórico) (teórico) = = 0,50 c 2 g 1 ; H u 1 ; (real) 0,46 c c (real) 0,98 2 n 1 H n 1 g

38 actuación del deflector José Agüera Soriano

39 Pelton con 2 inyectores José Agüera Soriano

40 Pelton 4 inyectores y válvulas individuales José Agüera Soriano

41 José Agüera Soriano

42 José Agüera Soriano

43 José Agüera Soriano

44 José Agüera Soriano Turbinas Pelton (admisión parcial) siguiente clase Turbinas Francis (admisión total)

45 José Agüera Soriano Turbinas Francis H n n s s P e = = m (óptimo) 225 hasta 375 MW James B. Francis ( )

46 Primer rodete Francis 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. rodete distribuidor 2 1 r 2 = D 2 / 2 r 1 = D 1 / 2 José Agüera Soriano

47 álabe fijo c w rodete corona fija c w álabe rodete 2 1 José Agüera Soriano SECCIÓN MERIDIONAL SECCIÓN TRANSVERSAL Turbina Francis

48 José Agüera Soriano Rodetes Francis 2,290 1,100 0,152 0,408 n s = 55 1,0 n s = 165 1,0 g H t = u 1 c1 cosα1 u2 c2 cos α 2 1,440 0,910 0,288 0,512 n s = 110 1,0 n s = 220 1,0

49 José Agüera Soriano Rodetes Francis 0,782 0,624 0,600 0,728 n s = 275 1,0 n s = 395 1,0 0,695 0,574 0,672 0,768 n s = 330 1,0 n s = 440 1,0

50 J.Agüera, 2/

51 José Agüera Soriano velocidad específica: 120 álabe guía álabe estructural álabe rodete cámara espiral

52 José Agüera Soriano 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 grupos Potencia total: 360 MW

53 José Agüera Soriano rodete Francis modelo

54 José Agüera Soriano Sistema de regulación turbinas de reacción entrada del agua álabes guía bielas bieletas palas directrices abrir anillo cerrar anillo regulador

55 cerrado José Agüera Soriano

56 abierto José Agüera Soriano

57 bielas y anillo de distribución movido por dos brazos José Agüera Soriano

58 José Agüera Soriano cámara espiral rodete álabes guía

59 bielas y anillo de distribución movido por dos brazos José Agüera Soriano

60 José Agüera Soriano Tubo de aspiración, o de descarga rodete rodete Francis hasta un 10% de H Kaplan entre 20% y 38% V d SLL H a S tubo de aspiración, o de descarga V S canal de desagüe

61 José Agüera Soriano Cavitación burbuja de vapor cavidad vacía implosión V d

62 corrosión por cavitación José Agüera Soriano

63 tubos de descarga José Agüera Soriano

64 tubos de descarga José Agüera Soriano

65 José Agüera Soriano Turbinas Kaplan H = 4 90 m n n s s P e = (óptimo) n bajo grandes potencias s Viktor Kaplan ( )

66 José Agüera Soriano cámara espiral álabes rodete álabes guía álabes estructurales

67 José Agüera Soriano Turbina Kaplan álabes guía álabes rodete c 2

68 J.Agüera, 2/

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

70 José Agüera Soriano álabes estructurales álabes guía álabes rodete cubo rodete

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

72 José Agüera Soriano Francis: de acero Kaplan: de hormigón armado álabes estructurales cámara espiral

73 José Agüera Soriano

74 José Agüera Soriano

75 1/ elección de la turbina en función n Pe de la velocidad específica, ns ns = H 5/ 4 2 altura del salto, H m altura de salto H m turbina Pelton 1 inyector 2 inyector 4 inyector turbina Francis lenta turbina Francis normal turbina Kaplan lenta turbina Francis rápida turbina Francis extrarrápida Para las mareomotrices se necesitaban turbinas con mayores n s.. Con las bulbo, se puede llegar hasta n s turbina Kaplan normal turbina Kaplan rápida turbina Kaplan extrarrápida velocidad n velocidad específica s José Agüera Soriano

76 Mareomotriz de La Rance (Francia) José Agüera Soriano

77 maqueta central mareomotriz de La Rance José Agüera Soriano

78 José Agüera Soriano álabes estructurales álabes guía álabes rodete Turbina bulbo

79 José Agüera Soriano La Rance (Francia) 24 turbinas 240 MW; reversibles y doble efecto H n s P e = 1 15 m = = 1 25 MW

80 Rendimientos en función del caudal José Agüera Soriano rendimientos (%) Pelton Pelton Francis Kaplan Kaplan Francis bulbo bulbo caudal Q caudal Q (%) % caudal Q 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%

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