EQUIPOS ELECTROMECANICOS. Mg. Amancio Rojas Flores

Transcripción

1 EQUIPOS ELECTROMECANICOS Mg. Amancio Rojas Flores

2 I. CASA DE MAQUINAS

3 En un aprovechamiento hidroeléctrico, la casa de máquinas tiene como misión proteger el equipo electro-hidráulico que convierte la energía potencial del agua en electricidad, de las adversidades climatológicas. El número, tipo y potencia de las turbinas, su disposición con respecto al canal de descarga, la altura de salto y la geomorfología del sitio, condicionan la topología del edificio Como se observa en las figuras 1 y 2, la casa de máquinas puede albergar los equipos siguientes: Compuerta o válvula de entrada a las turbinas Turbinas Multiplicadores (si se necesitan) Generadores Sistemas de control Equipo eléctrico Sistemas de protección Suministro de corriente continua (control y emergencias) Transformadores de potencia e intensidad Etc.

4 Figura 1: Vista esquemática de una central de baja altura de salto.

5 Figura 2: Vista esquemática de una central Saltos medios y altos

6 Foto 1: Perspectiva de una mini-central típica

7 II. TURBINAS HIDRÁULICAS

8 Figura 3: Esquema de un aprovechamiento hidroeléctrico y secciones de medida

9 2.1 Tipos y configuraciones La energía potencial del agua, se convierte en energía motriz en la turbina, con arreglo a dos mecanismos básicamente diferentes: En el primero, la energía potencial se transforma en energía cinética, mediante un chorro de gran velocidad, que es proyectado contra unas cazoletas, fijas en la periferia de un disco. A este tipo de turbinas se las conoce como turbinas de acción. Como el agua, después de chocar contra las cazoletas, cae al canal de descarga con muy poca energía remanente, la carcasa puede ser ligera y solo tiene por misión evitar accidentes e impedir las salpicaduras del agua. En el segundo, la presión del agua actúa directamente sobre los alabes del rodete, disminuyendo de valor a medida que avanza en su recorrido. A este tipo de turbinas se las conoce como turbinas de reacción. Al estar el rodete completamente sumergido y sometido a la presión del agua, la carcasa que lo envuelve tiene que ser suficientemente robusta para poder resistirla.

10 La potencia hidráulica a disposición de la turbina viene dada por En la que P h Q g H W ρq = flujo másico [kg/s] ρ = densidad del agua [kg/m3] Q = caudal [m3/s] gh = energía hidráulica específica de la maquina [J/kg] g = constante gravitacional [m/s 2 ] H = salto neto [m] La potencia mecánica de la turbina viene dada por: P m P h * La energía hidráulica específica de la turbina viene dada por la ecuación: W E ( p1 p2) ( v1 v2 ) g( z1 z2) 2 m En la que gh = energía hidráulica específica de la turbina [J/kg] px = presión en la sección x vx = velocidad del agua en la sección x zx = altura de la sección x [Pa] [m/s] [m] El salto neto viene definido como: H n E g

11 Turbina Pelton TURBINAS DE ACCIÓN Son turbinas de acción en las que la tobera o toberas transforman la energía de presión del agua en energía cinética. Como la energía cinética del agua al abandonar las cazoletas se pierde, estas se diseñan para que las velocidades de salida sean mínimas. Figure 4: Sección transversal de una tobera con deflector

12 Figura5: Vista de una Pelton de dos toberas horizontal

13 Figura 6 Pelton vertical de seis toberas

14 El rotor suele estar directamente acoplado al generador y situado por encima del nivel aguas abajo de la turbina. En la turbina Pelton el chorro incide, como puede verse en la figura 6, con un ángulo de 90º respecto al plano diametral del rodete. Figura 7 El rendimiento de una Pelton se mantiene elevado, para caudales entre el 30% y el 100% del máximo, en turbinas de una sola tobera y, entre el 10% y el 100% para turbinas de dos o más toberas

15 Turbina Turgo La turbina Turgo puede trabajar en saltos con alturas comprendidas entre 50 y 300 metros. Como la Pelton, se trata de una turbina de acción, pero sus alabes tienen una distinta forma y disposición. El chorro incide con un ángulo de 20º respecto al plano diametral del rodete (Fig 7), entrando por un lado del disco y saliendo por el otro. A diferencia de la Pelton, en la turbina Turgo el chorro incide simultáneamente sobre varios alabes, de forma semejante a como lo hace el fluido en una turbina de vapor. Su menor diámetro conduce, para igual velocidad periférica, a una mayor velocidad angular, lo que facilita su acoplamiento directo al generador. Su rendimiento es inferior al de una Pelton o una Francis, y se mantiene entre límites aceptables para caudales entre el 20% y el 100% del máximo de diseño.

16 Turbina de flujo cruzado Esta turbina, conocida también como Michell-Banki en recuerdo de sus inventores, se utiliza en una gama muy amplia de alturas de salto (de 5m a 200 m). Su rendimiento máximo es inferior al 87%, pero se mantiene entre límites aceptables para caudales entre el 16% y el 100% del caudal máximo de diseño.

17 Turbina Francis Son turbinas de reacción de flujo radial y admisión total, muy utilizadas en saltos de altura media (entre 25m y 350m), equipadas con un distribuidor de alabes regulables y un rodete de alabes fijos. En las turbinas Francis rápidas la admisión es radial y la salida es axial. La foto muestra una turbina Francis de eje horizontal con el tubo de aspiración en primer plano

18 Los alabes distribuidores giran sobre su eje, mediante bielas conectadas a un gran anillo exterior que sincroniza el movimiento de todos ellos. Figura 10 Esquema de funcionamiento de los alabes directores Estos alabes pueden utilizarse para cerrar la entrada del agua en casos de emergencia, pese a lo cual sigue siendo necesaria la válvula de mariposa que, en esos casos, cierra la entrada del agua a la espiral. El rodete transforma la energía hidráulica en energía mecánica y devuelve el agua al tubo difusor. Figura11 Accionamiento del distribuidor

19 Foto5: Vista de una turbina Francis Foto 4: Rodete de una turbina Francis

20 Turbinas Kaplan y de hélice Son turbinas de reacción de flujo axial generalmente utilizadas en saltos de 2 a 40 m. Los alabes del rodete en las Kaplan son siempre regulables, mientras que los de los distribuidores, pueden ser fijos o regulables Si ambos son regulables la turbina es una verdadera Kaplan; si solo son regulables los del rodete, la turbina es una Semi-Kaplan. Cuando los alabes del rodete son fijos, la turbina se denomina de hélice. Se utilizan en aprovechamientos en los que tanto el caudal como el salto permanecen constantes, lo que las hace poco útiles en el caso de la pequeña hidráulica. Figura 12: Esquema de una Kaplan vertical de doble regulación

21 Turbina bulbo La turbina bulbo es una derivación de las anteriores, caracterizada porque el agua pasa axialmente a través de alabes directrices fijos y porque el generador y el multiplicador (si existe) están contenidos en una carcasa estanca, con forma de bulbo, sumergida en el agua. Figura13: Sección transversal de una turbina bulbo

22 2.2 Velocidad específica y semejanza La velocidad específica de una turbina se define como la velocidad de una turbina homologa, de un tamaño tal que, con una unidad de salto produce una unidad de potencia. De acuerdo con la anterior definición y las citadas normas, la velocidad específica de una turbina viene dada por la formula QE n Q 1/ 4 E Q = caudal (m3/s) E = energía hidráulica específica de la maquina [J/kg] n = velocidad rotacional de la turbina [rps] η QE no es un parámetro adimensional. Cuando se calcula en unidades SI, la velocidad especifica η s viene dada por la fórmula: s n Q 5/ 4 H s 995* QE En donde: n; velocidad en rpm, P ;potencia en kw H ;altura de salto neta en metros. Algunos autores empleaban como velocidad específica la η Q en función del caudal y de la altura neta de salto: P Q // gh 5 4 Q 333* QE

23 Figura 15: Perfil de los rodetes en función de su velocidad específica

24 En general, los fabricantes de turbinas dan la velocidad específica de sus turbinas. Un gran número de estudios estadísticos, realizados sobre turbinas en funcionamiento, han permitido relacionar la velocidad específica con la altura de salto neto, en cada tipo de turbina,. La Tabla 2 y la figura 16 nos muestran esa correlación para cinco tipos distintos de turbinas. Tabla 2 Correlación entre velocidad específica y altura de salto neto

25 Figura 16 Correlación entre altura de salto neta Hn y velocidad específica ηqe

26 La tabla 3, muestra las velocidades específicas típicas de cuatro tipos de turbinas Tabla.3: Rango de velocidades específicas para cada tipo de turbina La velocidad específica en las turbinas Pelton aumenta con la raíz cuadrada del número de toberas. Así la velocidad específica de una Pelton de cuatro toberas (es raro encontrar en las PCH turbinas Pelton de más de cuatro toberas) es el doble del de una turbina de una tobera.

27 Las leyes de semejanza incluyen la exigencia de que ambas turbinas tengan el mismo coeficiente volumétrico, para lo que la turbina industrial y el modelo deberán cumplir con las siguientes ecuaciones: 2 2 m t m t m t D D H H Q Q t m m t m t D D H H en las que el sufijo t corresponde a la turbina industrial y el m al modelo de laboratorio

28 2.3 Diseño preliminar Conviene recordar que el diseño de una turbina es el resultado de un proceso iterativo en el que se tienen en cuenta múltiples criterios: límites de cavitación, velocidad de rotación, velocidad específica, altura de salto etc El primer paso del diseño, sea cual sea el tipo de turbina, es la elección de la velocidad de rotación. Turbinas Pelton Conocida a priori la velocidad n de giro del rotor, su diámetro se deducirá de las siguientes ecuaciones: H n D1 0,68* m n B D 2 e 1,68* 1,178* m En donde: n es la velocidad de rotación en rps y nch es el número de toberas. D1 se define como el diámetro del circulo que describe la línea del eje de las toberas. B2 es la anchura de la cazoleta, que es función del caudal y del número de toberas y De es el diámetro de la tobera. Q ch Q ch * * 1 H n 1 gh m

29 En general la relación D1/B2 es siempre superior a 2,7. Si no fuese así habría que recalcular las ecuaciones con menor velocidad de rotación o con mayor número de toberas. El caudal es función de la apertura de la tobera Cp si tiene una sola tobera será el caudal total y se puede estimar por la siguiente formula 2 D Q K gh c 3 ch v * * 2 m / 4 s En la figura se da el valor Kv para cada valor de la apertura relativa a = Cp/Dc

30 Turbinas Francis Las turbinas Francis cubren un amplio espectro de velocidades específicas, desde 0,05 para las lentas de gran altura de salto hasta 0,33 para las de baja altura de salto.

31 D 3 84,5*(0,31 2,488* QE )* H n 60* D 0,095 0 D QE 1,4 * El diámetro de entrada D2 viene dado, para η QE > 0,164 3 D 2 0,96 D3 0,781* QE Para η QE < 0,164 se puede admitir que D1 = D2

32 Turbinas Kaplan

33 En la fase preliminar del proyecto, el diámetro exterior De puede calcularse con D 2 84,5*(0,79 1,602* El diámetro Di del eje del rodete se calcula por la fórmula D 2.4 Criterios para la selección de la turbina. QE 1,25 * H n )* 60* 0, D QE El tipo, geometría y dimensiones de la turbina están condicionados, fundamentalmente, por los siguientes criterios: Altura de salto neta Régimen de caudales a turbinar Velocidad de rotación Problemas de cavitación Velocidad de embalamiento Costo 2

34 Tabla 4: valores de salto en metros

35

36 Tabla 5: Sensibilidad a variaciones de salto y caudal

37 Tabla 6: velocidad de sincronismo de los generadores

38 Velocidad de embalamiento. Cuando, trabajando a plena potencia hidráulica, desaparece súbitamente la carga exterior, bien sea por corte del interruptor o por fallo en la excitación del alternador, la turbina aumenta su velocidad hasta alcanzar lo que se conoce como velocidad de embalamiento. Esa velocidad varía con el tipo de turbina, el ángulo de apertura del distribuidor y la altura de salto. La tabla 8 muestra la relación entre la velocidad de embalamiento y la normal de rotación Tabla 7 Relación entre velocidad de rotación y de embalamiento

39 2.5 Rendimiento de las turbinas P P mec h Tabla 8: Rendimientos típicos de pequeñas turbinas