Las pequeñas centrales hidroeléctricas. Capítulo 6: La Turbina Pelton

Transcripción

1 Las pequeñas centrales hidroeléctricas. Capítulo 6: La Turbina Pelton 1. Constitución Es una turbina de acción pura (notación Mataix; ε T = [altura de presión absorbida por el rodete/altura total absorbida por el rodete]=0). Las turbinas de acción son de admisión parcial, la presión de agua no varía en los álabes y el rodete no está inundado. Se encuentra a presión atmosférica. 1.1 Turbinas de acción (ver Fig 1) Tubería forzada: La altura de presión aumenta a costa de la altura geodésica, que disminuye. La altura de velocidad permanece constante si la sección de tubería es constante Distribuidor: la altura de presión baja a 0 (presión relativa). La altura de presión aumenta porque el distribuidor transforma la energía de presión en energía cinética. Las pérdidas hacen que el aumento de ésta sea un poco menor de lo esperado Rodete: altura de presión permanece constante. Rodete a p atm. Altura de velocidad disminuye porque la energía cinética del chorro se va transformando en energía útil en el eje. Fig 1.1 Esquema variación de presión en turbina de acción; presión relativa pe, en el distribuidor se reduce a 0, en el rodete la presión es igual a la entrada y a la salida y el grado de reacción se hace 0

2 = + + Fig. 1.2 Turbina Pelton doble. Casa Charmilles La instalación típica de turbinas Pelton consiste en: 1.- Codo de entrada 2.- Inyector. Es el distribuidor de las turbinas Pelton. Transforma energía de presión en energía cinética del fluido(vchorro 150m/s) 3.- Tobera 4.- Válvula de aguja. Desplazamiento longitudinal. Boquilla y aguja del inyector se construyen en acero muy duro (si el agua tiene arena, a 4000hrs de servicio, las piezas no producen cierre de estanco; deben reemplazarse) 5.- Servomotor. Por presión de aceite, desplaza aguja del inyector. 6.-Regulador.

3 7.- Mando del deflector 8.- Deflector o pantalla deflectora. Evita golpe de ariete y embalamiento de la turbina 9.- Chorro Rodete Álabes o cucharas Frenos de la turbina por chorro de agua. Un chorro pequeño de 25mm de diámetro que actúa sobre el dorso de los álabes y frena el rodete, evitando que el rodete siga girando por inercia cada vez más lentamente, perjudicando la lubricación y los cojinetes Blindaje. Protege la infraestructura contra el efecto destructor del chorro desviado. Pueden usarse bloques de granito Destructor de energía. Evita erosiones en la infraestructura 2. Triángulos de velocidad Fig. 1.3 Turbina Pelton Constitución de triángulos de velocidad En el triángulo ideal de entrada, α 1 =0 o ; β 1 =180 o. El triángulo real de salida, v 2 debe ser pequeño ya que c 2 2 /2g representa una pérdida de energía. Idealmente, c 2 =0; w 2 =w 1 =u; β 2 =0 o.

4 En turbinas Pelton se verifica: u 1 = u 2 = u ya que la trayectoria de una partícula de agua en la cuchara es tangencial. Si se verifica no rozamiento por flujo en la cuchara de lámina libre ideal: donde w 1 < w 2 en baja proporción. w 1 = w 2 La velocidad real a la salida del inyector será = 2 donde k=0,97; H es la altura de caída neta = altura bruta pérdidas de carga Condición de rendimiento óptimo: = 1 2 Caudal a través del inyector = 0,45 2 =. 2 = 4,4. ; s es la sección transversal en m 2 ; q en m 3 /s β α Fig 1.4 Inyector de Turbina Pelton Según la Fig1.4, α debe ser del orden de 25 o y β entre 35 o y 40 o. 3. El rotor El rotor se constituye de un disco de metal sobre el que son apernados los álabes. Diámetro primitivo: diámetro D del círculo que pasa por el centro de los álabes y es tangente al ángulo de inyección. 3.1 Dimensiones de los álabes(ver Fig 1.5) Para rendimiento óptimo: L/d = 2,8-3,2 ; h/d = 2,4-2,8 ; e/d = 1,10-1,20 ; p/d = 0,8-0,9

5 Fig 1.5 Álabes de turbina Pelton 3.2 Número de álabes n = 15 + D/2d 4. Deflector Es una placa curvada que permite desviar el chorro a la salida del inyector, de manera de impedir el maltrato o afectación de los álabes cuando se desea detener el rotor rápidamente Fig 1.6 Acción de los deflectores Estudio Teórico de la Turbina Pelton Suponga que el chorro de agua saliente del inyector, impacta un álabe del rotor detenido. Dada la forma de un álabe que posee una arista central, el chorro se partirá en dos chorros en sentido inverso y salientes del álabe de velocidad igual a la de entrada (c 2 =(2gh) 1/2 ), y de caudal Q/2

6 Fig 1.7 Fuerza ejercida por el álabe detenido sobre el chorro Fuerza exterior ejercida por el álabe sobre cada semi-chorro (Relación de Euler): = ( ) Siendo α el ángulo entre y el rotor, se puede obtener para cada semi-chorro en admisión que c 1 = c 2 = c; y proyectando sobre la dirección de, tal que: Y para los dos semi-chorros: = (1+ )/2 = (1+ ) Es la Fuerza que el chorro ejerce sobre un álabe al momento de arranque de la turbina. Par de arranque: = = (1+ ); R: distancia de separación de eje del chorro respecto al eje de rotación. Potencia desarrollada =. ; es la velocidad circunferencial de desplazamiento de los álabes El chorro sale a la velocidad c del inyector, pero como el álabe se desplaza a la velocidad u, la velocidad del chorro respecto al álabe será w=c-u. La fuerza ejercida sobre el álabe: á = ( )(1+ ) El rotor gira y el álabe se desplaza, comunicando una potencia al rotor en movimiento de: =. = ( )(1+ )

7 La velocidad del chorro se fija por la posición de la válvula de aguja del inyector, tal que la potencia desarrollada sólo será dependiente de u. Se determinaría su máximo como dp/du=0, que corresponde a u=c/2; tomando en cuenta la velocidad de rotación N = c/(2πd) Finalmente, la potencia máxima es: á =1/4 (1+ ) Rendimiento Una masa de agua ρq impacta los álabes del rotor por segundo, siendo su energía cinética Pc = ½ ρq c 2. El rendimiento se expresa como: Y para la condición máxima de u= c/2 =2( ) (1+ ) á =1 2(1+ ) Relación entre la velocidad específica Ns y los diámetros d del chorro y D del rotor = = ,4< <30; 100 < < 1 10

8 Fig 1.8 Características de una turbina Pelton de diámetro primitivo Dp=360mm, 1m de caída

9 Turbinas Turgo Es una turbina a impulsión desarrollada por la sociedad americana Gilkes como una variante de la turbina Pelton. La forma de los álabes es similar al de un casquete hemisférico aplastado de una altura ligeramente inferior al de un radio de otro de una abertura del orden de los 160 o. Los álabes son ligeramente inclinados al plano de rotación, de manera que el chorro que le impacta sea perpendicular a la abertura. El chorro proveniente del inyector impacta los álabes dentro de su parte superior, se refleja sobre la pared interna del álabe, devolviéndose por la parte trasera. Fig 1.9 Vista en perspectiva e inferior de una T. Turgo Algunas ventajas sobre Pelton y Francis son: Respecto a Pelton o Menos costosa de construir por su simplicidad o Puede absorber mayor cantidad de agua o El diámetro del rotor es casi la mitad del de una Turbina Pelton de igual potencia o Su velocidad de rotación es el doble del de una Pelton de igual potencia, esto resulta en reducción de precio de la turbina y el generador. Respecto a Francis o La carcasa-blindaje que contiene al rotor. Revisar traducción

10 1. Estudio teórico aproximado de la Turbina Turgo Turgo Pelton Fig 1.10 Comparación triángulos de velocidades Turgo-Pelton Siendo q el caudal de agua que impacta al álabe. El álabe ejerce una fuerzaasobre el chorro que es la resultante de dos vetores y. Se asume que los chorros que entran al álabe, así como los que salen, se concentran a la distancia R (distancia eje del chorro al ejee de rotación) Proyectando los vectores y sobre el plano de rotación, nos da el momento de esa fuerza respecto al eje de rotación: =. = ( + ).

11 El Momento resultante será: Tabla 1. Comparación de momentos entre Turgo y Pelton Turgo Pelton = ( + ). = = (1+ ) Siendo = la velocidad del chorro, la velocidad de impulso del álabe a la distancia R. Siendo =, y sus ángulos muy reducidos, podría escribirse: w = c u Suponiendo que w 1 = w 2 y reemplazando en la expresión de momento M se puede llegar a la expresión de Potencia, tal que: Tabla 2. Comparación de potencias entre Turgo y Pelton Turgo Pelton = ( )( + ) =. = ( )(1+ ) La condición de Potencia máxima se obtiene para u = c/2, que corresponde a una velocidad de rotación de N = c/4πr, tal que: Tabla 3. Comparación de potencias máximas entre Turgo y Pelton Turgo Pelton á =1/4 ( + ) á =1/4 (1+ ) En cuanto al rendimiento, sabiendo que Pc = ½ ρqc 2, el rendimiento se sigue: Tabla 4. Comparación de rendimientos entre Turgo y Pelton Turgo Pelton =1/2( + ) =2( ) (1+ ) Sus valores típicos están en 87% y 90% en laboratorio. Nota: las curvas características de la turbina Turgo son idénticas a la Pelton. Las Turgo responden bien a variaciones de caudal, mas no a variaciones de altura, siendo éstas reducidas. Nota2: las velocidades específicas de la turbina Turgo son intermedias entre las de Pelton y Francis

12 Nota3: industrialmente se consideran para demandas de potencia de los kw a 10000Kw para alturas de caída de 30m a 300m. Igualmente microturbinas de este tipo pueden fabricarse de potencia del orden de centenas de watts sobre alturas de caída de 2m. Fig 1.11 Dominio de utilización habitual de pequeñas turbinas Tabla 6. Dominio de Utilización de Modelos de Turbinas Modelo Caudales [m 3 /s] Límites de altuda [m] Kaplan Q<350 2<H<40 Francis Q<20 3<H<350 Pelton Q<8 20<H<1300 Turgo Q<6 5<H<300 Banki-Mitchell 0,04<Q<12 2<H<200