TURBINAS HIDRÁULICAS. 11 Abril Máquinas Hidráulicas 6ºORG 2005/2006

Transcripción

1 TURBINAS HIDRÁULICAS 11 Abril 006 Máquinas Hidráulicas 6ºORG 005/006

2 TABLA DE CONTENIDOS /31 TEORÍA A UNIDIMENSIONAL PARA TURBINAS HIDRÁULICAS Tipología a básica b de las turbinas hidráulicas. Clasificación n según n la velocidad específica. Curva característica teórica a partir de la ec.. de Euler. Regulación n de turbinas. Embalamiento de turbinas. La rueda hidráulica. TURBINAS DE IMPULSO. TURBINAS PELTON Origen y Elementos constructivos. Triángulos de velocidad. Curva Característica. Condición de potencia máxima. TURBINAS CENTRÍFUGAS. TURBINAS FRANCIS Origen y Elementos constructivos. Triángulos de velocidad. Curva Característica. Regulación por distribuidor. TURBINAS AXIALES. TURBINAS KAPLAN Origen y Elementos constructivos. Turbinas Hélice H vs. Kaplan. Curva Característica. Otros tipos de turbinas axiales y semiaxiales.

3 TEORÍA UNIDIMENSIONAL PARA TURBINAS HIDRÁULICAS 3/31 Tipología de turbinas hidráulicas (I)

4 TEORÍA UNIDIMENSIONAL PARA TURBINAS HIDRÁULICAS 4/31 Tipología de turbinas hidráulicas (II) Turbina AXIAL (KAPLAN) Turbina RADIAL (FRANCIS) Turbina TANGENCIAL (PELTON)

5 TEORÍA UNIDIMENSIONAL PARA TURBINAS HIDRÁULICAS 5/31 n s = VELOCIDAD ESPECÍFICA (I) [ ] W [ CV] H[ m] N rpm ( ) 54 n s Tipo de Turbina <= 3 3 < n s < 450 >= 450 PELTON FRANCIS KAPLAN n s ω Q 1 = OJO! La definición 34 adimensional correcta de la ( gh ) velocidad específica (utilizada en bombas) incluye el caudal y no la potencia.

6 TEORÍA UNIDIMENSIONAL PARA TURBINAS HIDRÁULICAS 6/31 VELOCIDAD ESPECÍFICA (II)

7 TEORÍA UNIDIMENSIONAL PARA TURBINAS HIDRÁULICAS 7/31 VELOCIDAD ESPECÍFICA (III) FACTOR DE VELOCIDAD PERIFÉRICA φ = e U1 gh OJO! h viene expresado en FT; n s =4.44 N s

8 TEORÍA UNIDIMENSIONAL PARA TURBINAS HIDRÁULICAS 8/31 V CURVA CARACTERÍSTICA A PARTIR DE LA EC. EULER Q Q = ; V = 1f f S1 S V V V = U = ωr 1u V f u tgβ Stg β Q 1 f = = tgα1 Stg 1 α1 Q W 1 V 1 U 1 V 1f a 1 V 1u EC.EULER: H th Ejemplo: TURBINA FRANCIS H th = Sustituyendo UV UV g 1 1u u Q R R R = + ω g Stg 1 α1 Stgβ g H (En el punto de diseño se busca que V u =0) 1 H N H th ω W U V f b V u ω V U g Q

9 TEORÍA UNIDIMENSIONAL PARA TURBINAS HIDRÁULICAS 9/31 TIPO DE APROVECHAMIENTO

10 TEORÍA UNIDIMENSIONAL PARA TURBINAS HIDRÁULICAS 10/31 REGULACIÓN DE TURBINAS (I) Velocidad de giro impuesta por nº n de pares de polos del alternador Ha de ser INVARIABLE Salto neto constante Altura a la que trabaja la turbina fija por el salto hidráulico: Hn FIJO Modificación n del CAUDAL de trabajo mediante el grado de apertura de la admisión n de la turbina DISTRIBUIDOR / AGUJA AGUJA (Pelton( Pelton) Chorro DISTRIBUIDOR (Francis y Kaplan) Ángulo del distribuidor Admisión n (sección n de paso) VELOCIDAD SÍNCRONAS La turbina hace girar un alternador que ha de generar la electricidad a una determinada frecuencia (en Europa, 50 Hz; en EEUU y Japón, 60 Hz). Por tanto, la velocidad de la turbina debe ser tal que conjugada con el número de pares de polos, gire a la frecuencia de red (velocidad síncrona) 60 f 3000 n= = f = Hz p p H U g DISTRIB. H N (Salto) Q - D Q D ( 50 ) Q D + H N (Turbina) Q H th

11 TEORÍA UNIDIMENSIONAL PARA TURBINAS HIDRÁULICAS 11/31 ( W ) REGULACIÓN DE TURBINAS (II) η = η η = η( Q)

12 TEORÍA UNIDIMENSIONAL PARA TURBINAS HIDRÁULICAS 1/31 EMBALAMIENTO DE TURBINAS (I) Ocurre cuando el ALTERNADOR se desacopla de la RED por avería El conjunto alternador-turbina turbina gira sin carga y se acelera embalándose. M = Par desarrollado por la potencia hidráulica al eje: dω M I dt W eje = = ω ρgqh ω Incremento de la velocidad con el tiempo, embalamiento: Momento Inercia conjunto turbina-alternador: th I = mr G dω dt No es posible que se acelere indefinidamente, puesto que si crece e U 1, al mantenerse constante el valor de V 1 (esto es, el caudal de entrada), llega un momento que W 1 introduce grandes pérdidas p por choque, oponiéndose ndose a la aceleración. Los límites l prácticos de embalamiento son: n max = 1.8 n nominal (PELTON). n max = n nominal (FRANCIS). n max =. ~.4 n nominal (KAPLAN).

13 TEORÍA UNIDIMENSIONAL PARA TURBINAS HIDRÁULICAS Embalamiento en turbinas PELTON: ωr Q Hth = ( 1 Kcosθ) ωr g Sch ρgqhth dω = I ω dt Embalamiento en turbinas FRANCIS: H th ρgqh ω Q R R R = + ω g Stgα S tgβ g th A dω = I dt ω t 0 ρqr I EMBALAMIENTO DE TURBINAS (II) ( 1 Kcosθ ) dt = Integrando ω = Q Q QR ω I 0 SchR SchR e ρ Embalamiento en turbinas KAPLAN Ejercicio propuesto t 0 ω ω 0 ω ω ρq dω dt = I AQ R ω 0 ch QR AQ ρ t I ω = 1 e ω 0 R 13/31 dω Q ωr S ( 1 Kcosθ ) t Integrando ρqr e I t

14 LA RUEDA HIDRÁULICA 14/31

15 TURBINAS PELTON 15/31 LESTER A. PELTON ( )

16 TURBINAS PELTON Configuraciones 16/31

17 TURBINAS PELTON PARTES CONSTRUCTIVAS 17/31

18 TURBINAS PELTON 18/31 W = K W 1 K = Triángulos de velocidad W 1 U 1 Aplicando Bernouilli en el Salto Hidráulico: V C gh 1 = V H = H h N B p N De la Ecuación de Euler: U Hth = V1 U g K W = ρqu V U K Q= VS (0.9 < C V < 0.98) ( )( 1 cosθ ) ( )( 1 cosθ ) 1 1 ch h p V 1 U U 1 H B W q U V Como q < 90º el coseno es siempre negativo. Idealmente, si K=1 y q = 180º, se obtendría la máxima energía: (1-Kcosq)=. Obviamente, por razones constructivas, q no puede ser igual a 180º. Normalmente, se toman valores de 165º. Si k=1, para q=180º, (1-Kcosq)=. Si k=1, para q=165º, (1-Kcosq)= Supone una diferencia despeciable: % (!!)

19 TURBINAS PELTON 19/31 cos β = cosθ K ωr Q H = K ωr g Sch 1 Salto Neto th ( 1 cosθ) Energía a en el Eje η H Rend.. Máximo M si V 1 =U (ver siguiente)

20 TURBINAS PELTON 0/31 η POTENCIA Y RENDIMIENTO MÁXIMO W th = = W N ( )( θ ) ρqu V1 U 1 k cos ρgqh Introduciendo el factor de velocidad periférica, Y como, Sustituyendo, N φ = U U V = C gh φ = C H = U gh 1 V N V N V1 φ Para rendimiento máximo, η max C V ( k ) ( C ) η = 1 cosθ φ V φ ( 1 k cosθ) = = ρ Wmax QU k ( 1 cosθ ) dη 0 dφ = φ = C V O lo que es igual: Si C v =1 f = g V Si C v =0.94 f~ = U

21 TURBINAS FRANCIS 1/31 BOYDEN TURBINE (1844). Outward Flow Turbine Improved by Francis (1849) as an Inward Flow Turbine JAMES B. FRANCIS ( )

22 TURBINAS FRANCIS Configuraciones /31 Eje Vertical Eje Horizontal

23 TURBINAS FRANCIS PARTES CONSTRUCTIVAS 3/31 DISTRIBUIDOR Pala directriz del distribuidor Mecanismo hidráulico para apertura/cierre del distribuidor

24 TURBINAS FRANCIS 4/31 Triángulos de velocidad α1 = α0 Angulo del distribuidor Vista frontal H th V V 1 f f Q = S1 Q = S S S Curva característica a partir de la ecuación de Euler Q R R R = + ω g Stg 1 α1 Stgβ g Vista lateral = π Db π D b 1 ω

25 TURBINAS FRANCIS 5/31 REGULACIÓN CON DISTRIBUIDOR

26 TURBINAS FRANCIS 6/31 CARACTERÍSTICAS GEOMÉTRICAS DEL RODETE Evolución de la geometría de un rodete Francis con la velocidad específica

27 TURBINAS KAPLAN 7/31 VIKTOR KAPLAN ( ) 1st KAPLAN TURBINE in the U.S. (199)

28 TURBINAS KAPLAN Configuraciones 8/31

29 TURBINAS KAPLAN PARTES CONSTRUCTIVAS 9/31 Alabes ajustables 1.- Los álabes de la Kaplan son perfilados. Las propiedades hidrodinámicas de los perfiles se relacionan con la solidez y con el número de álabes, a través de una función trigonométrica de la deflexión: C L s = f(db).- La solidez informa claramente del número de álabes que presenta el rodete. Existe una relación entre el número óptimo de álabes y la velocidad específica. Para valores de n s bajos, se tienen alturas (H) mayores, por lo que se extrae mayor energía por unidad de volumen de agua. Por tanto, hay que proporcionar mayor deflexión a los álabes para conseguir altos intercambios de energía. Se tienen que retorcer más los álabes, haciendo más costoso el guiado, necesitándose mayor número de álabes. n s > 900 Z El núcleo de la turbina suele ser un 40 50% del diámetro total de la máquina.

30 TURBINAS KAPLAN REGULACIÓN DE CAUDAL 30/31 Triángulos V 1 de velocidad W 1 V a a 1 =a 0 Como la pala es ajustable, es más sencillo buscar la orientación que cumple funcionamiento óptimo, para V u =0: H th U = V g 1u W V a =V U 1 V 1u π Q= V D D 4 1) Distribución de Vórtice Libre: V u =k/r (H cte para todo radio del rodete) ( ) a p c W + b W V a =V U =U 1 b + V + W 1 + W 1 U 1 = U 1 + V 1 V 1 + V a a + 1 a 1 V 1u Q + > Q (V a+ > V a ) b - W V a =V b W - U =U 1 U 1 = U 1 - V - W 1 V 1 W 1 - V a V 1 - a 1 - V 1u a1 Q - < Q (V a- < V a ) b U =U 1 ÁLABES RETORCIDOS DE BASE A PUNTA ) Regulación de caudal: Para ello, se cambia la configuración del rodete, ajustando los álabes según un giro sobre su propio eje. De esta manera: Cambia el ángulo a de entrada ACCIONAR DISTRIBUIDOR Rotan los álabes sobre su eje REAJUSTE DEL RODETE Esto NO se puede plantear en un rodete FRANCIS, pues son rodetes de fundición (RODETE NO AJUSTABLE). Por tanto, no es posible conseguir que V sea completamente axial, salvo en el punto de diseño.

31 TURBINAS KAPLAN 31/31 Otras configuraciones Turbina tipo bulbo Turbina tipo tubular Turbina tipo pozo Turbina tipo STRAFLO