Máquinas Hidráulicas Prof. Jesús DE ANDRADE Prof. Miguel ASUAJE

Transcripción

1 INTRODCCIÓN A LAS MÁINAS IDRÁLICAS Máquinas idráulicas Prof. Jesús DE ANDRADE Prof. Miguel ASAJE

2 Motores idráulicos Ruedas y Turbinas Máquinas que transforman energía hidráulica en energía mecánica

3 Clasificación Ruedas (Motores gravimétricos.) Energía potencial. Z Z Turbinas P P V V g z z

4 Máquinas idráulicas Máquina que transforma energía hidráulica en energía mecánica Se clasifican en: Rueda idráulica (Motores gravimétricos) Motor cuyo intercambio de energía se realiza de potencial a mecánica. Z Z Turbinas El intercambio de energía se realiza de forma de presión y velocidad a energía mecánica Motores hidráulicos V g Máquinas Volumétricas. (CONVERSIÓN III) P P V Z Z

5 Ruedas idráulicas

6 Ruedas idráulicas Motor cuyo intercambio de energía se realiza de potencial a mecánica En las ruedas, la energía de velocidad y la de presión son despreciables frente a la energía potencial Alimentación superior Alimentación lateral Alimentación Inferior D/ ~ η 75% n = 5..8 r.p.m.

7 Ruedas idráulicas Rueda de Rio (4 A.C.) Rueda de impulso = = β + β = 80 = 90 D/ ~ η 75% n = 5..8 r.p.m.

8 Ruedas idráulicas Rueda de impulso V g. Z Z b.a g. Donde: a altura del canal que lleva el agua hasta la turbina b ancho del canal que lleva el agua hasta la turbina

9 Ruedas idráulicas Ruedas de Río Río orontes; amah - Siria

10 Ruedas idráulicas Ventajas de las Ruedas: Water wheels for electricity generation. In the previous section it was shown that modern water wheels have a surprisingly high efficiency for a wide range of flows. This has the great advantage that power can be generated even from low flow volumes without complex control elements as they are e.g. required for Kaplan turbines. The power/speed curves were also quite flat, indicating that speed control is not very critical as long as the wheel operates approximately at design speed. The slow speed of water wheels means that gear boxes with transmission ratios of approximately :00 have to be employed. Although such gear boxes are available and do not cause significant energy losses (- 3%), they constitute a significant part of the costs (5-30% for undershot, 40-45% for overshot wheels) of a water wheel installation. The development o fa slow speed multipolar generator which could be driven directly with a belt drive would constitute a major advance in this field.

11 Ruedas idráulicas Desventajas de las Ruedas: La baja velocidad de giro (6-0 rpm) conduce al empleo de elevada relación de transmisión para el accionamiento de generadores de electricidad (CA) a rpm. Producción de un golpeteo ruidoso, a baja frecuencia, que puede ser molesto a las personas. Escaso de conocimiento en la ingeniería para su diseño y construcción. Si la rueda es instalada fija a un lado del río, la potencia en el eje de la rueda fluctúa al cambiar el nivel del río. Cuando es instalada sobre una barcaza, el descenso del nivel del río puede ocasionar que la rueda golpee contra el fondo del río y se ocasione daño a los alabes.

12 Ruedas idráulicas Desempeño de las Ruedas:

13 Ruedas idráulicas Diagrama de Selección [m] Turbinas RAS RAS Rueda de Alimentación Superior RAI Rueda de Alimentación inferior Ruedas RAI [m 3 /s]

14 Turbinas idráulicas Turbomáquina motriz que convierte energía hidráulica en energía mecánica

15 Energía transferida t Creación del momento Cinético a la entrada: M C 0 r 0 V 0 r V cte V 0 r 0 r Vu Caja Espiral

16 Energía transferida t Nacen del aprovechamiento del agua en las ruedas hidráulicas. La energía es transferida al rotor en forma de presión o velocidad. β β Ecuación de Euler: t g V V Bajo la forma de componentes energéticas: Rodete t V g V g g g W g W g

17 Energía transferida t V V V α β α β V m W V W V m V Vm ctg ctg V Vm ctg ctg A A t g A ctg A ctg g

18 t Z h A c f ) ( k k g ctg A ctg A g C f h Z Z Z f f k Z Pérdidas idráulicas: Altura neta: Pérdidas por fricción y choque: Altura neta A c C ) ( k Z

19 Eficiencias Eficiencia idráulica: h t Z h Eficiencia Volumétrica: f 0 v R f R f 0 f f f f R

20 Eficiencias Eficiencia Mecánica: m P P m int P m Pm P fricción P int P m P fricción P fricción P fr sellos fr / cojinetes P disco Eficiencia Global: P P m h v m

21 Curvas Características vs., vs. y P n y constantes

22 Salida Ortogonal: Altura neta m ctg A ctg V V 0 tg A V d 0 t 0 ctg A ctg A 0 Caudal mínimo de operación como turbina:

23 Curva vs o a d n = cte. = cte. Z h ( ) Z f ( ) Z c ( ) t ( 40) ( 40) t Z h 0 g

24 Pérdidas idráulicas Z h n n a Z h n = cte. = cte. Z f ( ) 5 Z c ( ) 0 Z c Z h ( ) 5 Z f

25 Torque vs. T a n = cte. = cte. 000 Zona T( 40) de Motorización (T < 0)

26 Potencia vs. P a a n = cte. = cte. 60 P ( 40) 40 Zona de Motorización

27 Curva Característica General de Explotación X = 0% X = 40% X = 60% X = 80% X = 00% n = cte. ( 0 5) 50 ( 0) 00 ( 5 n 90% ) η = 80% η = 60% η = 40% ( 3 30) ( 4 45) 50 η = 60% η = 40% Máxima potencia n

28 Punto de Operación B T

29 Punto de Operación Ec. Bernoulli entre y : Turb h h h tuberia forzada h salida Turb z z h tuberia forzada h salida Turb (Altura neta)

30 Punto de Operación h tuberia B Turb Turb z forzada B z h k Sistema salida ~ Sistema B k

31 Punto de Operación n = cte. 300 X = 0% X = 40% X = 60% X = 80% X = 00% B ( 0 5) ( 0) ( 5) ( 3 30) ( 4 45) Sist. Pto. Operación para diferentes aperturas 00 Turb

32 Grado de Reacción t p R W W V V W W G 0 Turbina de acción (p = p ) (0-) Turbina de reacción (p > p ) ) W W ( g p ) V (V g d Altura dinámica: Grado de Reacción: Altura de presión: G R = p d t Altura total:

33 Factor de tilización útil : Energía útil disp : Energía disponible útil t disp u V g V g Energía necesaria para descargar el flujo de la turbina t disp V V V W W W W

34 Coeficientes Característicos Número específico de revoluciones: N n D Caudal especifico: D Potencia específica: P D Pm Velocidad específica de giro referida a la potencia: n s n P m 5 4

35 Coeficientes Característicos Para el cálculo de los coeficientes antes mencionados se emplean las siguientes unidades: Sistema Métrico Sistema Inglés [n] = RPM [n] = RPM [] = m3/s [] = GPM [] = m [] = pies [Pm] = CV [Pm] = P n S... Número especifico de revoluciones en sistema métrico. N S... Número especifico de revoluciones en sistema ingles. ns 4,44 N S

36 Clasificación de las turbinas Según el grado de reacción: Acción: G R = 0, P = P Reacción G R =, P > P Según la admisión: Admisión parcial Admisión total: Chorro tangencial Todo el rodete inmerso en el agua Según la dirección del flujo: Radiales Diagonales Axiales Tangenciales

37 Clasificación de las turbinas Según la posición del eje: Vertical orizontal Inclinado Según la velocidad específica de giro: Lentas Normales Rápidas. Expresas n s n P m 5/4 Tipo ns [m] Pelton Banki Francis Deriaz Kaplan Bulbo Straflow (axial concéntrica)

38 Clasificación de las Turbinas idráulicas (Gr) Turbinas Acción Banki- Michel bruta = a 00 m Pelton bruta= 00 a 000 m Francis bruta = 5 a 700 m Deriaz bruta= 40 a 00 m Reacción Kaplan bruta= 0 a 70 m Bulbo bruta= a 5 m Straflo bruta= a 0 m

39 Turbinas de Acción Turbina Pelton De Eje Vertical De Eje orizontal

40 Turbinas de Acción Turbina Banki

41 Turbinas de Reacción Turbina Francis Caja Espiral o Voluta Rotor: Es una turbina Radial Distribuidor Rodete Predistribuidor Tubería de Aspiración

42 Turbinas de Reacción Turbina Deriaz Rotor: Es una turbina diagonal Álabes regulables

43 Turbinas de Reacción Turbina Kaplan Rotor tiene entrada axial. La entrada a la turbina es Radial

44 Turbinas de Reacción Turbina Bulbo Rotor tiene entrada axial y salida axial. Modificación de la Kaplan

45 Curvas de Nivel Diagrama de Conchas o Curvas de Nivel P x= mm Caudal reducido P Potencia reducida N Número de revoluciones reducido =Ns N N

46 Selección de Turbinas [m] [lt/s]

47 Altura [m] Selección de Turbinas Potencia [kw]

48 Selección de Turbinas

49 Selección de Turbinas