VALORES UNITARIOS DE UNA TURBINA

Transcripción

1 SEMANA 5 3. Maquinas hidráulicas motrices (Cont.) Valores unitarios de una turbina. Turbina unidad. Magnitudes especificas. Determinación. Turbina padrón. Magnitudes características. Determinación Elección del tipo de turbinas. Turbinas Francis. Generalidades. Elección del tipo de turbina Francis. Componentes: Rotor. Distribuidor. Tubo de succión. Diámetro. Caja espiral. Turbinas Kaplan. Generalidades. Elección del tipo de turbina Kaplan. Componentes: Rotor. Distribuidor. Tubo de succión. Diámetro. Caja espiral. Comando de los alabes.

2 VALORES UNITARIOS DE UNA TURBINA

3 VALORES UNITARIOS La variación de las distintas magnitudes características de una maquina hidráulica motriz en función a valores distintos de altura de salto son obtenidos por medios de ensayos A fin de tabular o graficar los resultados de los ensayos realizados en maquinas hidráulicas, los valores obtenidos son expresados en los denominados valores unitarios Los valores unitarios son referenciados a un altura de salto H = 1m

4 De las relaciones fundamentales de semejanza de las turbinas, tomando H =1m, se tiene n' H ' ni 1 n H n H Q' H ' QI 1 Q H Q H 3 3 P' H' PI 1 P H P H M ' H' M I 1 M H M H

5 Por tanto, conocidos los valores unitarios o magnitudes unitarias, es simple determinar los valores reales para distintos valores de salto hidráulico n n H Q Q H I I 3 P PI H M M I H

6 Variación del caudal en función de la variación de la velocidad de rotación para distintas aperturas del distribuidor

7 TURBINA UNIDAD

8 TURBINA UNIDAD De todas las turbinas geométricamente semejantes, que en condiciones análogas de operación y trabajando a rendimiento máximo, con una altura de salto hidráulico de H = 1m proporciona una potencia P = 1CV, es definida como Turbina Unidad La Turbina Unidad, caracteriza la denominada serie de turbinas semejantes

9 Así una serie de turbinas se caracterizan por sus formas geométricas semejantes y por las magnitudes características de funcionamiento de la turbina unidad semejante Las magnitudes de la turbina unidad son denominadas magnitudes especificas de la serie de turbinas

10 MAGNITUDES ESPECIFICAS Las magnitudes especificas mas importantes son: la velocidad especifica n s : representa el numero de rotaciones por minuto de la turbina unidad y de todas las turbinas de la serie el diámetro especifico D s : es diámetro medio del borde de entrada del rotor de la turbina unidad de la serie

11 DETERMINACION DE LAS MAGNITUDES ESPECIFICAS Considerando las relaciones fundamentales de semejanza de turbinas semejantes que operan bajo condiciones análogas de funcionamiento, siguientes: n' D H ' n D ' H 2 3 P ' D ' H ' P D H

12 Tendremos P ' D ' H ' D P H ' 4 P D H D ' P ' H n' D H ' n' P H ' 4 n D ' H n P ' H 5

13 Por tanto considerando H =1m y P = 1CV, se obtiene de la relación lo siguiente 5 5 n' P H ' n 1 4 s P 4 n P ' H n 1 H n s n P H 4 5

14 Dimensionalmente la velocidad especifica n s es medida en rpm (revoluciones por minuto) siendo las dimensiones de la potencia P en CV (caballo de vapor) y la altura de salto H en m (metros) Así n n s[ rpm] [ rpm] 4 P H [ cv] [ m] 5

15 TURBINA PATRON

16 TURBINA PATRON De todas las turbinas geométricamente semejantes, en condiciones análogas de operación y trabajando a máximo rendimiento, la turbina que recibe una descarga Q = 1m 3 /s, con altura de salto hidráulico de H = 1m y se denomina Turbina Patrón Las magnitudes de la Turbina Patrón son denominadas magnitudes características de la serie de turbinas semejantes

17 MAGNITUDES CARACTERISTICAS Las magnitudes características de la turbina patrón son numero característico de rotación: n p potencia patrón: P p par motor patrón: M p dimensión característica: D p

18 DETERMINACION DE LAS MAGNITUDES CARACTERISTICAS Considerando las relaciones fundamentales de semejanza de turbinas semejantes que operan bajo condiciones análogas de funcionamiento, siguientes: n ' D H ' n D ' H Q ' D ' H ' Q D H 2

19 Tendremos 2 Q ' D ' H ' D Q H ' 4 Q D H D ' Q ' H n' D H ' n' Q H ' 4 n D ' H n Q ' H 3

20 Por tanto considerando H =1m y Q = 1m 3 /s, se obtiene de la relación lo siguiente n' Q H ' n Q 1 n Q ' H n 1 H 3 3 p 4 4 n p n Q H 4 3

21 Dimensionalmente el numero especifico de rpm n p es medido en rpm (revoluciones por minuto) siendo las dimensiones del caudal o descarga Q en m 3 /s (metros cúbicos por segundo) y la altura de salto H en m (metros) Así n n p[ rpm] [ rpm] 4 Q H m 3 s [ ] [ m] 3

22 RELACION ENTRE n s Y n p Considerando las expresiones de n s con n p P n n n n [ cv] [ ] s [ rpm] ; [ ] 5 p rpm 3 4 H 4 [ m] H[ m] Q m 3 s P n n 4 5 P s [ cv] H np Q Q 3 H [ m n s ] 4 3 H [ m]

23 P [ cv] kgf m 3 Q m 3 s [ ] [ ] 75 H [ m] Siendo que Q P m 3 s [ ] [ cv] H [ m] kgf m 3 [ ] 75 Resulta n P s [ cv] n Q H p m 3 s [ ] [ m] kgf m 3 [ ] 75

24 Considerando para el agua que, en media 1000 kgf m 3 La relación entre n s y n p para turbinas hidráulicas será n n s p ,65

25 Es común para turbinas hidráulicas expresar la velocidad especifica n s en función de la descarga o caudal y la altura de salto n 3,65 n s[ rpm] [ rpm] 4 Q H m 3 s [ ] [ m] 3

26 ELECCION DEL TIPO DE TURBINA

27 UTILIZACION DE DIVERSOS TIPOS DE TURBINAS HIDRAULICAS El análisis de turbinas instaladas demuestra que cada tipo de turbina presenta buen rendimiento para valores de n s comprendidos entre ciertos limites. Lo que significa que dicha magnitud especifica determina de alguna manera el tipo de turbina a ser utilizada para ciertos valores de Q, H y n

28 También la practica demostró que para valores determinados de altura de salto y potencia, los costos de la instalación de la turbina, como un todo, son menores para valores de n s mayores Si bien valores elevados de n s reducen sustancialmente las dimensiones de las turbinas, la velocidad de entrada a la tubería de succión es tan elevada que resulta imposible recuperar toda su energía cinética produciéndose una baja presión que propicia la aparición del fenómeno de cavitación

29 Cuando la altura de salto es grande y el valor de n s es elevado se incrementa el costo de la construcción de las turbinas y de las instalaciones debido a la gran velocidad real de rotación del eje, generándose esfuerzos intensos que deben ser equilibrados También cuando de la altura de salto es pequeña y el valor de n s es reducido, debido a la baja velocidad real de rotación del eje se encarece el costo del generador

30 TIPO DE TURBINA EN FUNCION DE LA VELOCIDAD ESPECIFICA Veloc. específica r.p.m. Tipo de turbina Altura del salto en m. Hasta 18 Pelton de un inyector 800 De 18 a 25 Pelton de un inyector 800 a 400 De 26 a 35 Pelton de un inyector 400 a 100 De 26 a 35 Pelton de dos inyectores 800 a 400 De 36 a 50 Pelton de dos inyectores 400 a 100 De 51 a 72 Pelton de cuatro inyectores 400 a 100 De 55 a 70 Francis muy lenta 400 a 200 De 70 a 120 Francis lenta 200 a 100 De 120 a 200 Francis normal 100 a 50 De 200 a 300 Francis rápida 50 a 25 De 300 a 450 Francis extrarrápida 25 a 15 De 400 a 500 Hélice extrarrápida 15 De 270 a 500 Kaplan lenta 50 a 15 De 500 a 800 Kaplan rápida 15 a 5 De 800 a 1100 Kaplan extra rápida Menos de 5

31 CAMPO DE APLICACIÓN EN FUNCION DE LA VELOCIDAD ESPECIFICA

32 CAMPO DE APLICACIÓN EN FUNCION DE LA VELOCIDAD ESPECIFICA

33 CAMPO DE APLICACIÓN EN FUNCION DE LA VELOCIDAD ESPECIFICA

34 FORMA DE LOS ROTORES DE TURBINAS EN FUNCION DE LA VELOCIDAD ESPECIFICA

35 DIMENSIONES PRINCIPALES DE TURBINAS UNIDAD EN FUNCION DE LA VELOCIDAD ESPECIFICA

36 VELOCIDADES DE SINCRONISMO DE GENERADORES ACCIONADOS POR TURBINAS HIDRÁULICAS Nº de pares de polos Velocidad en rpm Nº de pares de polos Velocidad en rpm Nº de pares de polos Velocidad en rpm Nº de pares de polos Velocidad en rpm

37 TURBINAS FRANCIS

38 GENERALIDADES También conocidas como turbinas de sobrepresión, turbinas de admisión total, turbinas radial-axial o como turbinas de reacción. El campo de aplicación es muy extenso, pueden emplearse en saltos de distintas alturas y dentro de una amplia gama de caudales (entre 2 y 2000 m 3 /s aproximadamente). Las turbinas Francis son de muy buen rendimiento, pero solamente entre determinados márgenes de descarga o caudal (entre 60 % y 100 % del caudal máximo).

39 Esta es una de las razones por la que en una Central Hidroeléctrica se disponen varias unidades a fin de que ninguna de ellas trabaje en forma individual con descargas inferiores al 60 % del caudal total Las turbinas Francis pueden ser instaladas con el eje en posición horizontal o en posición vertical Siendo la posición vertical del eje la más generalizada por estar ampliamente experimentada, especialmente en el caso de unidades de gran potencia

40 Eje Horizontal Eje Vertical

41 CLASIFICACION Se clasifican, en función de la velocidad de rotación y de las características del salto Pudiendo ser Turbina Francis Lenta: para saltos de gran altura, alrededor de 250 m o más Turbina Francis Normal: indicada en saltos de altura comprendida entre 250 y 80 m Turbinas Francis Rápidas: apropiadas para saltos de altura media, entre 80 m y 25 m Turbinas Francis Extra Rápidas: apropiadas para saltos de pequeña altura, inferiores a 25 m

42 COMPONENTES Se consideran partes componentes de la instalación de una turbina Francis a: La Cámara o Caja Espiral El Distribuidor EL Rotor La Tubería de Aspiración El Eje El Cojinete de Empuje El Cojinete Guía

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44 CAMARA O CAJA ESPIRAL Está constituida por la unión sucesiva de una serie de secciones tronco-cónicas (virolas), cuyos ejes respectivos forman una espiral Desde el acoplamiento con la tubería forzada, la sección interior de la caja espiral (diámetro interior de las virolas), de forma circular en la mayoría de los casos, decrece paulatinamente hasta cerrarse sobre sí misma También se la conoce como el caracol de la turbina y debido a su diseño se consigue que el agua circule con velocidad constante y sin formar torbellinos, evitándose así pérdidas de carga

45 En la zona lateral interna, concéntrica con el eje de la turbina, existe una abertura circular en forma de anillo, cuyos extremos están conectados por una sucesión de palas fijas, equidistantes una de otra, dispuestas paralelamente al eje de la turbina, a través del cual fluirá el agua hacia el rotor, denominada el predistribuidor de la turbina

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49 DISTRIBUIDOR El distribuidor está formado por un determinado número de palas móviles, cuyo conjunto constituye un anillo que está situado concéntricamente entre el predistribuidor y la turbina La operación de los alabes del distribuidor se realiza por medio de servomotores hidráulicos conectados a sistema de regulación de velocidad de la turbina Su función es la de distribuir y regular, eventualmente cortar totalmente, el caudal de agua que fluye hacia el rotor

50 COMPONENTES DEL DISTRIBUIDOR Los elementos componentes del distribuidor son: Palas directrices Servomotor Anillo de distribución Bielas Bieletas

51 Palas directrices o álabes directrices : son palas móviles, con sus ejes paralelos al eje del rotor, pueden girar todas ellas al unísono un mismo ángulo accionadas por servomotores dentro de ciertos límites, pasando de la posición de cierre total a la de máxima apertura, que corresponde al desplazamiento extremo, tendiendo a quedar en dirección radial

52 Servomotores hidráulicos: normalmente son dos, desplaza una gran biela en sentido inverso una respecto de la otra, proporcionando un movimiento de giro alternativo a un aro móvil, llamado anillo o volante de distribución, concéntrico con el eje de a turbina

53 Anillo de distribución: con sus movimientos, hace girar a todas y cada una de las palas directrices; el giro conjunto y uniforme de las palas directrices, permite variar la sección de paso de agua a través del distribuidor

54 Bielas : el eje de la pala directriz va ligada al anillo mediante una biela, la misma no va unida directamente al anillo, sino que lo hace mediante una bieleta, que ejerce la función de fusible mecánico

55 ROTOR Forma una pieza única hecha por fundición o soldadura sin uniones ni fijaciones accesorias Está unido rígidamente al eje de la turbina y ubicada perfectamente concéntrica con el distribuidor

56 Consta de un núcleo central alrededor del cual se encuentra dispuesto determinado número de palas de superficie alabeada equidistantemente repartidas y fijadas al núcleo La longitud y mayor o menor inclinación respecto al eje de la turbina de las palas o álabes del rotor dependen del caudal, de la altura del salto y de la velocidad específica

57 Las palas o alabes están unidas por su parte externa inferior a un anillo que hace cuerpo con las mismas En su extremo superior van unidas a otro anillo el cual va sujeto al eje de la turbina Experimentalmente, se ha establecido que el número de álabes del rotor debe de ser diferente al de álabes del distribuidor, en caso contrario se producirían vibraciones al coincidir los espacios de ambos conjuntos Generalmente el número de álabes del distribuidor es primo, respecto al número de álabes del rotor

58 Un componente importante del rotor es el difusor también denominado cono deflector o cono de dispersión Constituye un cuerpo en forma tronco-cónica con la base mayor hacia del eje Su función consiste en dirigir el agua que sale a través de los álabes del rotor a fin de evitar choques, torbellinos y otros efectos hidráulicos

59 TUBO DE ASPIRACION Consiste en un conducto, normalmente acodado, que une la turbina con el canal de desagüe Tiene como misión recuperar al máximo la energía cinética del agua a la salida del rotor

60 En su unión con la turbina se trata de un conducto metálico de sección circular que va aumentando gradualmente de diámetro tomando forma tronco-cónica, tramo conocido como cono de aspiración Sigue a continuación la zona acodada, metálica o de hormigón, la cual continúa con sección circular o puede hacer una transición a sección rectangular, en este caso la conducción es generalmente de hormigón hasta el final En algunas turbinas, para conseguir un equilibrio de presiones entre la parte inferior y superior del rotor, se establece una comunicación entre ambas zonas por medio de un conducto, que partiendo del cono de aspiración permite el paso de agua, colocándose en el conducto una válvula conocida como válvula de compensación

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62 EJE Es por medio del eje de turbina, que al estar rígidamente unido mediante un acoplamiento al eje del generador, transmite al rotor del generador el movimiento de rotación El eje de la turbina tiene ciertas peculiaridades cuando se encuentra instalado en posición vertical

63 En instalaciones de eje vertical, sobre el eje del generador donde se dispone del sistema para soportar todo el peso del conjunto formado por: los ejes, el rotor del generador, la turbina y el empuje del agua sobre los álabes de la turbina denominado cojinete de empuje A más del cojinete de empuje, el eje completo del conjunto, dispone de hasta tres cojinetes guías, dos de ellos normalmente ubicados sobre el eje del generador y un tercero sobre el eje de la turbina En determinados casos, por características constructivas y referidas a condiciones de peso y sustentación o de aireación del rotor, el eje es hueco en su totalidad

64 COJINETE DE EMPUJE Este elemento, conocido también como soporte de suspensión, es un componente característico y necesario en todos los grupos (conjunto turbina-generador) de eje vertical Su ubicación, respecto al eje del grupo varia según los tipos de turbinas, en el caso de turbinas Francis se ubica generalmente por encima del rotor del generador, al igual que en el caso de las turbinas Pelton; en el caso de turbinas Kaplan puede estar localizado por debajo del rotor del generador

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66 La parte giratoria del cojinete esta solidaria con el eje del grupo y descansa sobre la parte fija que se encuentra enclavada en las estructuras rígidas inmóviles próximas al eje La parte giratoria consta de una pieza de material especial en forma anular, cuya superficie de contacto con la parte fija está perfectamente pulida, denominada espejo La parte fija está constituida, esencialmente por un numero determinado de zapatas o segmentos conocidos como patines

67 Los cojinetes de empuje, especialmente los de grupos grandes, disponen de un sistema lubricación de aceite a presión, a fin de proporcionar lubricación desde el instante que el grupo comienza a girar, con lo que se logra la formación de una película de aceite que soporta la carga total Dicha película, de milésimas de milímetro, ha de mantenerse desde el momento de arranque del grupo hasta la parada total del mismo

68 TURBINAS KAPLAN

69 GENERALIDADES Las turbinas tipo Kaplan son turbinas axiales de admisión total y clasificadas como turbinas de reacción Se emplean en saltos de pequeña altura (alrededor de 50 m y menores alturas), con caudales medios y grandes (aproximadamente de 15 m 3 /s en adelante) Debido a su singular diseño, permiten desarrollar elevadas velocidades específicas, obteniéndose buenos rendimientos, incluso dentro de extensos límites de variación de caudal

70 A igualdad de potencia, las turbinas Kaplan son menos voluminosas que las turbinas Francis Normalmente se instalan con el eje en posición vertical, si bien se prestan para ser colocadas de forma horizontal o inclinada

71 Una de las características fundamentales de las turbinas Kaplan constituye el hecho que las palas del rotor están situadas a una cota más baja que la cota del distribuidor, de modo que el flujo del agua incide sobre las palas en su parte posterior en dirección paralela al eje de la turbina

72 El único componente de las turbinas Kaplan, que podría considerarse como distinto al de las turbinas Francis, es el rotor

73 COMPONENTES Son partes constitutivas de una turbina Kaplan: LaCámara espiral El Distribuidor El Rotor El Tubo de aspiración El Eje El Cojinete de empuje El Cojinete guía

74 EL ROTOR Semejantes a las hélices de barcos, está formado por un numero determinado de palas o álabes, de 2 a 4 para saltos de pequeña altura y de 5 e 9 cuando los saltos son mayores, por supuesto dentro del campo de aplicación de las turbinas Kaplan

75 En las turbinas Kaplan, todas y cada una de las palas del rotor están dotadas de libertad de movimiento, pudiendo orientarse dentro de ciertos límites sobre sus asientos respectivos situados en el núcleo, llamado también cubo del rotor, adoptando posiciones de mayor o menor inclinación respecto al eje de la turbina según órdenes recibidas del regulador de velocidad

76 Las turbinas Kaplan, son turbinas de doble regulación, en el proceso de regulación intervienen tanto las palas del distribuidor, como las palas del rotor, dependiendo de las condiciones de carga y del salto existente Con este procedimiento se consiguen elevados rendimientos, incluso para cargas bajas y variables, así como en el caso de fluctuaciones importantes del caudal Las palas directrices del distribuidor, se gobiernan de forma análoga a como se realiza en las turbinas Francis

77 Para lograr el control adecuado de las palas del rotor, tanto el núcleo del rotor, como el eje de turbina, permiten alojar en su interior los distintos dispositivos mecánicos, tales como servomotores, palancas, bielas, destinados a dicho fin Se distinguen tres sistemas de gobierno de las palas del rotor, dependiendo de la ubicación del servomotor de accionamiento en las distintas zonas del eje del grupo turbina-generador

78 Así se tiene: Servomotor en cabeza: el servomotor está instalado en el extremo superior del eje, en la zona del generador Servomotor intermedio: en este caso está situado en la zona de acoplamiento de los ejes de la turbina y del generador Servomotor en núcleo: está alojado en el propio núcleo del rotor

79 Servomotor en núcleo

80 Actualmente el empleo de servomotor en el núcleo es el mas utilizado, con el se reducen las dimensiones y el número de elementos mecánicos que en los otros sistemas realizan la interconexión entre el servomotor y los ejes de las palas del rotor En los sistemas de servomotor intermedio y en núcleo, los conductos de aceite entre regulador de velocidad y el servomotor se realizan mediante conductos concéntricos dispuestos en el interior del eje del grupo turbina-generador

81 En algunas turbinas Kaplan las palas del rotor se pueden orientar con mecanismos accionados por motores eléctricos y reductores de velocidad ubicados en el interior del eje En los rotores Kaplan, el interior del núcleo está lleno de aceite a fin de producir la estanqueidad para evitar el paso de agua a través de los ejes de las palas