Sistemas y Máquinas Fluido Mecánicas

Transcripción

1 Sistemas y Máquinas Fluido Mecánicas Bloque I. Tema 3.3. Turbinas Francis Carlos J. Renedo Inmaculada Fernández Diego Juan Carcedo Haya Félix OrEz Fernández Departamento de Ingeniería Eléctrica y Energé5ca Este tema se publica bajo Licencia: Crea5ve Commons BY- NC- SA 4.0

2 Las trasparencias son el material de apoyo del profesor para impartir la clase. No son apuntes de la asignatura. Al alumno le pueden servir como guía para recopilar información (libros, ) y elaborar sus propios apuntes En esta presentación se incluye un listado de problemas en el orden en el que se pueden resolver siguiendo el desarrollo de la teoría. Es trabajo del alumno resolverlos y comprobar la solución

3 ..- Introducción a las Máquinas Hidráulicas..- Bombas Hidráulicas.3..- Generalidades de las Turbinas Hidráulicas.3..- Turbinas Pelton Turbinas Kaplan Estudio de Turbinas Hidráulicas

4 Generalidades Componentes Constructivos Funcionamiento Parámetros de Diseño

5 Generalidades Las Turbinas Francis se conocen como turbinas de sobrepresión por ser ésta variable en el rodete, o también como turbinas de admisión centrípeta o total por encontrarse el rodete sometido a la influencia directa del agua en toda su periferia Entran en la clasificación de turbinas radiales-axiales ydereacción El campo de aplicación es muy extenso, dado el avance tecnológico conseguido en la construcción de este tipo de turbinas. Se pueden emplear en saltos de distintas alturas dentro de una amplia gama de caudales (entre y 00 m 3 /s aproximadamente) Las turbinas Dériaz son, esencialmente, turbinas Francis de álabes orientables

6 Componentes (I): Son esencialmente los siguientes: Cámara espiral Palas directrices Distribuidor Sistema de accionamiento Rodete Tubo de aspiración Eje

7 Componentes (I): Son esencialmente los siguientes: 3 Cámara espiral 4 Palas directrices Distribuidor Sistema de accionamiento Caja espiral Distribuidor Rodete 3 Rodete Tubo de aspiración 4 Codo de salida 5 Tubo de Aspiración Eje 6 Nivel Inferior 5 S Salida 6 «Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas» C. Mataix S

8 Componentes (II): Cámara Espiral (I) La cámara espiral más habitual está formada por la unión sucesiva de una serie de virolas tronco-cónicas, cuyos ejes respectivos forman una espiral Esta disposición constructiva permite que el agua atraviese la cámara a velocidad sensiblemente constante, evitándose la formación de torbellinos que darían lugar a pérdidas de carga En la zona periférica interna se encuentra el antedistribuidor, formado por una serie de palas fijas equidistantes unas de otras cuya curvatura y orientación consiguen que la proyección del agua salga dirigida casi radialmente componentes-y-camara-espiral-de-unaturbina-francis.html

9 Componentes (II): Cámara Espiral (I) La cámara espiral más habitual está formada por la unión sucesiva de una serie de virolas tronco-cónicas, cuyos ejes respectivos forman una espiral Esta disposición constructiva permite c e que el agua atraviese la cámara a Q velocidad sensiblemente constante, evitándose la formación de torbellinos que darían lugar a pérdidas de carga /8 Q En la zona periférica interna c se encuentra e el antedistribuidor, formado /8 Qpor una serie Rodete de palas fijas equidistantes unas de otras cuya curvatura y orientación consiguen que la proyección del agua salga 3/8 dirigida Q casi radialmente c e Distribuidor 4/8 Q 7/8 Q 5/8 Q Cámara Espiral c e 6/8 Q c e c e cte en toda la espiral «Turbinas Hidráulicas» P. Fernández Díez

10 Componentes (II): Q c e Cámara Espiral (II) Se debe limitar la velocidad de entrada del agua en la cámara para reducir las pérdidas por fricción c e /8 Q /8 Q 7/8 Q c e Metálicas: Hormigón: c c 0,8 0,8 0,3 g e H n g e H n c e cte en la espiral 3/8 Q c e Rodete Distribuidor 4/8 Q 5/8 Q Cámara Espiral «Turbinas Hidráulicas» P. Fernández Díez 6/8 Q c e Q A d ce ce 4 Si se consideran 8 secciones: 7 Q / 8 Q8 / Q / Q Q d Q / 8 4 Q c 8 e Q Q 4 Q 4 7 / 8 Q d 7 / 8 7 / 8 A7 / 8 ce c d e d 4 ce ce 8 7 d / 8 8 d

11 Componentes (III): Distribuidor (I) El distribuidor está formado por un determinado número de palas móviles cuya función es la de distribuir, regular o cortar totalmente el caudal de agua que fluye hacia el rodete El distribuidor lo componen principalmente los siguientes elementos: Palas o álabes directrices orientables Dirigen el líquido al rodete con un mínimo de pérdidas y transforman parte de la energía de presión en energía cinética El hecho de que los álabes se puedan orientar permite la regulación de la turbina, al poder variar el caudal que llega al rodete «Turbinas Hidráulicas» P. Fernández Díez

12 Componentes (III): El distribuidor está formado por un determinado número de palas móviles cuya función es la de distribuir, regular o cortar totalmente el caudal de agua que fluye hacia el rodete El distribuidor lo componen principalmente los siguientes elementos: Palas o álabes directrices orientables El sistema de accionamiento de los álabes Son los elementos mecánicos a base de servomecanismos, palancas y bielas que constituyen el equipo de regulación de la turbina y está gobernado por el regulador de velocidad Distribuidor Fink Distribuidor (II) Anillo Bielas Alabes Brazo Rodete «Turbinas Hidráulicas» P. Fernández Díez Cerrado Abierto

13 Bieletas Componentes (III): El distribuidor está formado por un determinado número de palas Bielas de mando móviles cuya función es la de distribuir, regular o cortar totalmente el caudal de agua que fluye hacia el rodete El distribuidor lo componen principalmente los siguientes elementos: Palas o álabes directrices orientables El sistema de accionamiento de los álabes Son los elementos mecánicos a base de servomecanismos, palancas y bielas Cerrado Abierto que constituyen el equipo de regulación de la turbina y está gobernado por el regulador de velocidad Distribuidor Fink Distribuidor (II) Anillo Bielas Alabes Brazo Rodete Anillo de maniobra «Turbinas Hidráulicas» P. Fernández Díez Cerrado Abierto

14 Bieletas Componentes (III): El distribuidor está formado por un determinado número de palas Bielas de mando móviles cuya función es la de distribuir, regular o cortar totalmente el caudal de agua que fluye hacia el rodete El distribuidor lo componen principalmente los siguientes elementos: Palas o álabes directrices orientables El sistema de accionamiento de los álabes Son los elementos mecánicos a base de servomecanismos, palancas y bielas Cerrado Abierto que constituyen el equipo de regulación de la turbina y está gobernado por el regulador de velocidad Distribuidor Fink Distribuidor (II) Anillo Bielas Alabes Brazo Rodete Anillo de maniobra Cerrado Abierto

15 Componentes (IV): Rodete (I) Se trata de la pieza fundamental de la turbina, donde se obtiene la energía mecánica deseada Consta de un núcleo central, alrededor del cual se encuentra dispuesto un número determinado de álabes, aproximadamente entre y, equidistantemente repartidos y solidarios al mismo, formando pieza única en bloque por fundición o soldadura, es decir, sin uniones ni fijaciones accesorias La longitud de los álabes y su mayor o menor inclinación respecto al eje de la turbina, depende del caudal, de la altura del salto y, en consecuencia, de la velocidad específica

16 Componentes (IV): BLOQUE : Máquinas de Fluidos Incompresibles Rodete (II) El Triángulo de Velocidades es como el genérico para M. H.: Triángulo en la entrada y otro Triángulo en la salida CU W U Velocidad del fluido Velocidad relativa C W c u w β U Velocidad periférica del rodete C C m C u c c u c m W m W u W β w w u w m u 90º cu Rodetes rápidos u 90º cu Rodetes normales u 90º cu Rodetes lentos Cuidado con la definición de los ángulos!!

17 Componentes (IV): BLOQUE : Máquinas de Fluidos Incompresibles Rodete (III) CU W U Rodete Rápido Rodete Normal Rodete Lento C U W β < 90 C W β = 90 U C W U β > 90 C C u U C u U u U n s 300 a 500 n s 5 a 00 n s 50 a 00 D D D D D D D D D D D D «Turbinas Hidráulicas» P. Fernández Díez

18 Componentes (IV): BLOQUE : Máquinas de Fluidos Incompresibles Rodete (IV) El Triángulo de Velocidades para una turbina Francis es: CU W U c u w Distribuidor C β U U U W C β U C W C U viene determinado por el distribuidor β y β vienen determinados por el álabe

19 Componentes (V): Tubo de Aspiración (I) Consiste en una conducción, recta ó acodada, troncocónica que une la turbina propiamente dicha con el canal de desagüe Adquiere más importancia con n s altos Turbina Eje Horizontal Turbina Eje Vertical Codo Tubo de Aspiración

20 Componentes (V): Sus funciones son: Tubo de Aspiración (II) Aprovechar la altura de salto disponible entre la salida del rodete y el nivel de aguas abajo Recuperar al máximo posible la energía cinética residual a la salida del rodete (c ) La energía cinética residual a la salida del rodete es despreciable en turbinas lentas. Sin embargo, en turbinas Francis rápidas representa del orden del 30% del salto neto mientras que en las turbinas Kaplan extrarrápidas supera el 60%

21 Componentes (V): Sus funciones son: Tubo de Aspiración (II) Aprovechar la altura de salto disponible entre la salida del rodete y el nivel de aguas abajo Recuperar al máximo posible la energía cinética residual a la salida c, pdel, z rodete (c ) c, p, z La energía Turbina cinética residual a la salida del rodete esturbina despreciable en turbinas lentas. Sin embargo, en turbinas Francis rápidas representa del orden del p 30% del salto neto mientras que en las turbinas Kaplan extrarrápidas supera c, p, z p el 60% = p c, p atm, z atm p atm vacio p Caso A (sin tubo) p 3 = p atm Caso B (con tubo) c H s Nivel en el canal de desagüe 3 c

22 Componentes (V): BLOQUE : Máquinas de Fluidos Incompresibles c, p atm, z A Tubo de Aspiración (III) c, p, z c, p, z p p = p atm c H s p 3 = p atm B 3 Nivel en el canal de desagüe c Aplicando Bernoulli entre la entrada y la salida de ambas turbinas se obtiene la energía aprovechada en cada caso (H T. A yh T.B ): c, p, z c ent pent z g g ent H Turbina h Loss c sal psal z g g sal A H T.A H H h LossA c g g p c patm z z hl.t. g g energía perdida en la Turbina B H T. B H H 3 h LossB c p z g g c p z g g c3 p3 z g g patm z3 h g 3 L.T h h L.T L.t.a. h L.t.a. energía perdida en el tubo de aspiración

23 Componentes (V): BLOQUE : Máquinas de Fluidos Incompresibles c, p atm, z A Tubo de Aspiración (IV) c, p, z c, p, z La ganancia de energía al instalar el tubo de aspiración es: p = p atm p H s p 3 = p atm 3 Nivel en el canal de desagüe B c, p, z c c H H T H.B T.A H H T. B T.A c p patm z z3 h g g g L.T h c p c p atm z z h g g g g L.t.a. L.T H c patm patm z z3 hl.t.a. g g g c g Hs hl.t.a. c z z 3 g h L.t.a. Recupera energía de la velocidad de salida Recupera energía de la cota

24 Componentes (V): BLOQUE : Máquinas de Fluidos Incompresibles c, p atm, z A Tubo de Aspiración (V) c, p, z c, p, z p = p atm p H s p 3 = p atm 3 Nivel en el canal de desagüe B c, p, z c c En el tubo de aspiración se producen dos tipos de pérdidas: Por fricción en tubo El tubo se diseña de modo que sean lo más reducidas posibles h L.t.a. h L.F.t.a. Por descarga del tubo en el canal El tubo troncocónico tiene menor velocidad de salida h L.s.t. c s.t. g De este modo la energía recuperada en el tubo de aspiración es: c H g H s h h L.F.t.a. L.s.t. c H g c s.t. Hs hl.f.t.a.

25 Componentes (V): BLOQUE : Máquinas de Fluidos Incompresibles c, p atm, z A Aplicando Bernoulli entre la entrada y la salida de la T.B se puede calcular la nueva presión en pto : c p z g g h c 3 p3 g g L.F.t.a. hl.s.t. z3 c g p z L.F.t.a. L.s.t. z 3 g g h h c z3 z h h L.F.t.a. L.s.t. p g g c 3 L.F.t.a. h L.s.t. p g Tubo de Aspiración (VI) z z h c, p, z c, p, z p = p atm p H s p 3 = p atm 3 Nivel en el canal de desagüe B h Expresado en presión relativa c L.s.t. c, p, z c c s.t. g p c g Hs h L.F.t.a. h L.s.t. p c c g s.t. Hs hl.f.t.a. p es negativa vacio

26 Componentes (V): Tubo de Aspiración (VII) c H g c s.t. Hs hl.f.t.a. Se define el rendimiento del difusor como: d c cs.t. h g c cs.t. g L.F.t.a Entonces, la ganancia de salto neto generada por el tubo se expresa como: H c c s.t.a. d Hs g Lo que pone de manifiesto la doble función del tubo de aspiración: Aprovechar la altura entre la salida del rodete y el nivel de aguas abajo (H s ) Recuperar al máximo posible la energía cinética residual a la salida del rodete (c )

27 Componentes (V): Tubo de Aspiración (VIII) Consideraciones Prácticas (I) El tubo de aspiración se diseña para que c s.t.a. sea pequeña Las experiencias de Rogers y Moody demuestran que para conseguir un buen funcionamiento y evitar problemas de cavitación la presión a la salida del rodete no debe ser inferior a un mínimo. Rogers y Moody proponen las siguientes funciones que relacionan dichos valores: f p gh n a f n s n s c gh n

28 Componentes (V): Consideraciones Prácticas (II) La función f (n s ) viene representada en las siguientes curvas: 0,08 p (ns ) Hn f Tubo de Aspiración (VIII) Considerando coeficiente de seguridad de m g,4 0,06 0,04 Francis Hélice p (ns ) Hn f,0 0,6 0,0 0,0 0, n s

29 Componentes (V): Tubo de Aspiración (VIII) Consideraciones Prácticas (III) La función f (n s ) viene representada en la siguiente curva: g 40% 30% c f(ns ) g Hn Considerando coeficiente de seguridad de m 0% Francis Hélice 0% n s

30 Componentes (V): La presión a la salida del rodete puede llegar a descender de manera peligrosa, favoreciendo el fenómeno de la CAVITACIÓN Expresado en presión absoluta Tubo de Aspiración (IX) p g p g c g atm d Hs Puede suceder debido a: Velocidad excesiva a la salida del rodete Altura de aspiración excesiva La solución más económica no consiste en construir una turbina en la cual se excluya totalmente la cavitación En la práctica se construyen turbinas en las cuales se llega a producir una cavitación controlada. Esto producirá un cierto desgaste en los álabes, pero sin que llegue a afectar de manera inaceptable al rendimiento de la máquina Esto se ha de tener presente a la hora de planificar el mantenimiento de las centrales hidroeléctricas

31 Funcionamiento de una T. Francis La sucesiva transformación de la energía se efectúa del modo siguiente: La energía potencial gravitatoria del agua embalsada se convierte, salvo pérdidas, una parte en energía de presión y otra parte en cinética a su llegada a la turbina En el distribuidor la altura de presión disminuye a costa de aumentar la altura cinética, aunque esta conversión no es tan completa como en el caso de las turbinas de acción La entrada de agua en el rodete se realiza de forma prácticamente radial, incidiendo sobre los álabes y cediendo a éstos la mayor parte posible de su energía En consecuencia, la presión disminuye notablemente y también la velocidad del agua a la salida del rodete. El tubo de aspiración permite aprovechar la energía disponible en el flujo de salida

32 Funcionamiento de una T. Francis La sucesiva transformación de la energía se efectúa del modo siguiente: La energía Tubería potencial forzadagravitatoria del agua embalsada se convierte, salvo pérdidas, una parte en energía p abs = 0de presión p atm y otra parte en cinética a su llegada a la turbina bar Distribuidor Pasa a E En el distribuidor la altura de presión disminuye a costa de aumentar cinética 0 E la altura cinética, aunque esta conversión no es tan completa como en el casorodete las turbinas de acción La entrada de agua en el rodete se realiza de forma prácticamente p radial, incidiendo sobre los álabes y cediendo a éstos la mayor > p atm E cinética y E presión E eje parte posible de su energía Tubo de Con T. asp. En consecuencia, la presión disminuye notablementep y también la aspiración < p atm velocidad del agua a la salida del rodete. El tubo de aspiración permite aprovechar la energía disponible en el flujo S de salida En el nivel libre

33 Parámetros de Diseño (I) Teniendo en cuenta los coeficiente óptimos de velocidad, se obtiene una expresión del número específico de revoluciones en función de las características de la turbina Q c m D b km ghn D b Q 3,9k m Hn D b Q Hn 3 Pot 0,855 km Hn D b 75 Pot 85,5 km Hn D b 3 D n u ghn 60 n 84,55 D H n n s Pot n Pot / 5 / ,55 Hn 85,5 km Hn D b D 5 4 Hn n s.50 k m b D

34 Parámetros de Diseño (II) BLOQUE : Máquinas de Fluidos Incompresibles,0 Dimensionamiento de rodetes Francis y Hélice Pelton ( iny.) Pelton (varios iny.),5 Francis Hélice,0 0,5 b /D 0, k n s

35 Parámetros de Diseño (III) BLOQUE : Máquinas de Fluidos Incompresibles Dimensionamiento de distribuidor para turbinas Francis 6º 0º 4º 7º 30º 3º 3º 33º 30º α 0º, n s,0 D /D φ 0,6 0, φ 0, n s