Ficha Técnica Turbina Michell-Banki

Transcripción

1 Fich Técnic Turbin Michell-Bnki 2 1. Crcterístics generles L turbin de flujo trnsversl o Michell-Bnki es un máquin utilid principlmente pr pequeños provechmientos hidroeléctricos. Sus ventjs principles están en su sencillo diseño y su fácil construcción lo que l hce trctiv en el blnce económico de un provechmiento pequeñ escl. No obstnte esto no impide que l turbin se utilice en grndes instlciones. Aunque l turbin de flujo trnsversl se conoce como un máquin de pequeñ escl, existen ctulmente máquins de este tipo de hst 6 MW. Ls principles crcterístics de est máquin son ls siguientes: L velocidd de giro puede ser selecciond en un mplio rngo. El diámetro de l turbin no depende necesrimente del cudl. Se lcn un ceptble nivel de rendimiento con pequeñs turbins. Se puede regulr el cudl y l potenci por medio de un álbe justble. 2. Principio de funcionmiento L turbin const de dos elementos principles: un inyector y un rotor. El gu es restituid medinte un descrg presión tmosféric. El rotor est compuesto por dos discos prlelos los cules vn unidos los álbes curvdos en form de sector circulr.

2 Figur 1 El inyector posee un sección trnsversl rectngulr que v unid l tuberí por un trnsición rectngulr - circulr. Este inyector es el que dirige el gu hci el rotor trvés de un sección que tom un determind cntidd de álbes del mismo, y que guí el gu pr que entre l rotor con un ángulo determindo obteniendo el myor provechmiento de l energí. L energí del gu es trnsferid l rotor en dos etps, lo que tmbién d est máquin el nombre de turbin de doble efecto, y de ls cules l primer etp entreg un promedio del 70% de l energí totl trnsferid l rotor y l segund lrededor del 30% restnte. (Los ensyos relidos por distintos investigdores sitún el rendimiento hidráulico de est máquin entre un 65-70%, otros utores mencionn un 61% clrndo que l segund etp entreg un 17%, y en generl muchos utores indicn un 70% hst un 84%.) Un crcterístic trctiv de est máquin es l form plnd de su curv de rendimiento. Esto se logr con un diseño de l turbin con dmisión prcil. Por ejemplo: si se divide el rotor en 3 prtes igules y l dmisión del gu se puede relir por 1/3, 2/3 o l totlidd del rodete.

3 Figur 2: Turbin De Flujo Trnsversl De Admisión Prcil Est clse de dmisión permite obtener un curv de rendimiento como l de l Figur 2 en l cul se observ l comprción con l curv de rendimiento de un turbin tipo Frncis. Como se mencionó nteriormente, l turbin de flujo trnsversl es especilmente propid pr ríos con pequeños cudles. Estos generlmente llevn durnte vrios meses muy poc gu, por lo que en su diseño debe considerrse pr el mínimo cudl que será el prcil y pr épocs de bundnci de gu, se considerrá el cudl totl que será utilido pr usos productivos. De l curv crcterístic de rendimiento de cd turbin depende si durnte este tiempo se sigue produciendo energí eléctric. 3. Selección del diámetro y velocidd de giro de l turbin De cuerdo lo dicho con nterioridd el diámetro de est máquin no depende del cudl. Est premis fcilit el diseño pues otorg l diámetro el crácter de prámetro independiente.

4 Esto se firm por el hecho de que est turbin puede trbjr dentro de un mplio rngo de velociddes de rotción. De cuerdo con esto el diámetro podrá ser selecciondo en primer término. Muchos utores señln que pr pequeños provechmientos hidroenergéticos los diámetros comúnmente utilidos vn desde los 200 mm hst los 500 mm. Lo que se hce frecuentemente es seleccionr el diámetro de los digrms de estndrición que ofrece l bibliogrfí disponible y tomr éste como bse del diseño. Algunos fctores tener en cuent son los siguientes: Si se reduce el diámetro del rodete se reduce el rendimiento hidráulico. Los rodetes más grndes tienen un velocidd de emblmiento menor. Se debe mntener un ciert proporcionlidd entre el diámetro y el ncho de l turbin fin de evitr cmbios de sección demsido bruscos entre l tuberí y el inyector que provocn fuertes perturbciones en l ven fluid. Se debe tener en cuent l seleccionr dicho prámetro el grdo de simplicidd en l fbricción de l turbin. Un ve selecciondo el diámetro se procede obtener l velocidd de giro de l máquin: n = k c. H D n 4. Número de álbes del rotor L selección del número de álbes se relirá en bse l diámetro y ls condiciones de funcionmiento de l turbin, es decir, ltur y cudl. Se deberá tener en cuent que un reducido número de álbes provocrá pulsciones en l generción de l potenci, y un número elevdo producirá un celerción de l ven fluid con el consiguiente umento de ls pérdids y el efecto de rej. Según ls investigciones de A. Ulku y H. Olgun existe un número óptimo de álbes. En l tbl Nº 1 se trnscriben los resultdos de diferentes investigciones reflejds en l litertur.

5 REFERENCIA D/d D/B η h YOKOHAMA, 1985, JAPON VIGM, 1986, CCCP GANZ,1984, HUNGRIA ALABAMA,1983, USA RESITA, 1983, RUMANIA KTU, 1987, TRAZBON, TURKIA OREGON, 1949, USA VDI, 1981, ETIOPIA LOS ANDES, 1973, COLOMBIA ODTU, 1985, ANKARA, TURKIA Tbl 1: prámetros crcterísticos ensyds por diferentes investigciones. en turbins De est tbl se desprende que el número óptimo de álbes está entre 24 y 30. Clculo del Ancho del Rotor Un fctor importnte tener en cuent es el cálculo del ncho del rotor. Este se clcul teniendo en cuent el diámetro selecciondo y los prámetros de funcionmiento H y Q. Como se sbe el áre de dmisión está dd por: Q A = (1) c m1 Además A = B. p. Z (2) El pso P estrá ddo por: π.d p = (3) Si definimos Z x = (4) Como l relción entre el número de álbes de l dmisión y el número de álbes totles, se tendrá que un ve selecciondo el número de álbes del rotor se podrá determinr el número de álbes que ctún en l dmisión, y por lo tnto el vlor de x. Este número de álbes tiene estrech vinculción con el ángulo de dmisión de l máquin. El coeficiente x vrí entre 0,05 y 0,35. Como límite se dopt,

6 Z x = < 0.35 (5) Igulndo (2) y (3) y despejndo B tenemos: Q. B = (6) π. D. c sen. 1 α 1 Al finl l expresión pr clculr el ncho del rotor qued: Q B = (7) k. D. H. x c n 5. Diseño del inyector El inyector de un turbin de flujo trnsversl es el segundo componente de est máquin que en conjunto con el rotor determinn l eficienci de l turbin. Este es el encrgdo de guir el flujo hci el rotor. Est conducción deberá poseer un buen celerción y un distribución de velociddes uniforme en l sección de slid sí como un bjo nivel de pérdids de crg, de mner que se logrr l myor trnsformción posible de energí potencil en energí cinétic. El inyector puede tener distints geometrís diferencids fundmentlmente por el ángulo de dmisión y el órgno de regulción que pose, si es que existe. Se deberá tener en cuent en l ubicción de este órgno de regulción que culquier elemento en el interior del inyector puede provocr disturbios l slid del flujo. El inyector posee un sección trnsversl de form rectngulr compuesto por dos crs lterles rects que permiten descrgr el flujo sobre todo el ncho del rotor [Figur 3], un cr superior envolvente que guí el flujo. Est cr posee un ángulo α 1 óptimo constnte en cd punto de l curv. L velocidd bsolut será tngente est curv en todo punto. L cr inferior es rect y puede tener un ángulo de 5º como máximo.

7 Figur 3 El chorro entr l rotor con un ángulo α 1 que es constnte en tod l dmisión y tngente l periferi de l rued. El flujo que bndon ls predes sólids del inyector es definido como un chorro libre. L velocidd l slid del inyector tiene un vlor un poco más pequeño que el vlor de diseño lo que provoc un incremento en el rco de entrd. Como y se mencionó, l diversidd de diseño en l geometrí del inyector hce que se dopten distintos ángulos de dmisión. A trvés de ls diverss investigciones que se hn relido sobre est máquin los ángulos de dmisión del inyector vn desde los 30º hst los 120º. Grn prte de l bibliogrfí existente prece coincidir en que el ángulo de dmisión θ óptimo pr este tipo de turbin es de lrededor de los 90º. Tnto el ángulo como el rco de dmisión estrán definidos de cuerdo con el vlor de x doptdo con nterioridd, es decir, por el número de álbes en l dmisión. Además se deberá tener en cuent el "efecto de rej" que cus el espesor de los álbes en l entrd. Así, el rco de dmisión estrá ddo por [Figur 4]:

8 Figur 4 Arco de dmisión: L. D = π. Z + Z e Donde e es el espesor de los álbes.. Luego el ángulo de dmisión θ será: 360º θ = π.d. L Por último nos qued hllr l función que representrá l curv envolvente del inyector (cr superior). El modelo mtemático de l entrd y slid del cudl en el inyector puede definirse como un flujo potencil. En generl pr culquier ángulo entre 0º y θ l curv envolvente del inyector está dd por: τ θ = R. e Donde: θ 1 θ. Q B. C C = η h. D. K H c1 n

9 Luego l ltur del inyector en cd punto de l envolvente será: h t = τ θ R Nomencltur utilid: c = VELOCIDAD ABSOLUTA [m/s], Q = CAUDAL [m 3 /s], H n = ALTURA NETA [m], η h = RENDIMIENTO HIDRÁULICO, k c = COEFICIENTE DE VELOCIDAD DEL INYECTOR, α = ANGULO ENTRE LA VELOCIDAD ABSOLUTA Y LA VELOCIDAD, TANGENCIAL [º], β = ANGULO ENTRE LA VELOCIDAD RELATIVA Y LA VELOCIDAD TANGENCIAL [º], c m = COMPONENTE DE LA VELOCIDAD ABSOLUTA EN LA DIRECCIÓN MERIDIANA [m/s], N = VELOCIDAD DE ROTACIÓN DE LA MAQUINA [R.P.M.], D = DIÁMETRO DEL ROTOR [m], d = DIÁMETRO INTERNO DEL ROTOR [m], A = ÁREA DE ADMISIÓN [m], B = ANCHO DEL ROTOR [m], Z = NÚMERO DE ÁLABES DEL ROTOR, Z = NÚMERO DE ÁLABES EN LA ADMISIÓN, X = RELACIÓN DE NÚMERO DE ÁLABES, p = PASO ENTRE ÁLABES [m], = ÁNGULO ENTRE ÁLABES [º], R = RADIO DEL ROTOR (R = D/2) [m], L e = ARCO DE ADMISIÓN [m], = ESPESOR DEL ÁLABE [m], θ = ÁNGULO DE ADMISIÓN [º], θ = ÁNGULO DE LA ENVOLVENTE EN UN PUNTO CUALQUIERA [º], τ θ = RADIO DE LA CURVA ENVOLVENTE DEL INYECTOR [m], C = CONSTANTE DE LA LEY DEL TORBELLINO POTENCIAL, = ALTURA DEL INYECTOR EN CADA PUNTO [m], h t Subíndices Utilidos: 1.- ENTRADA AL ROTOR (PRIMERA ETAPA) Fuente: Centro de documentción- Soluciones Práctics- ITDG Myor informción: Servicio de consults técnics E-mil: info@solucionesprctics.org.pe Web: