UNIDAD 4 SISTEMAS COMPLEJOS DE TUBERÍAS

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1 UNIDD SISTEMS COMPLEJOS DE TUERÍS Capítulo CONCEPTO ELEMENTL DE OM Y TURIN TURINS Noción básica de turbina El agua puede emplearse para producir energía mediante su conducción a un nivel situado a una cota inferior, aprovechando así la energía hidráulica correspondiente al salto (fig..) La turbina transforma la energía hidráulica de una corriente fluida en energía mecánica de rotación. El generador acoplado a una turbina transforma esa energía de rotación en energía eléctrica. En las centrales hidroeléctricas, la energía potencial del agua en el embalse se transforma en energía cinética en la conducción. La turbina transforma ésta en energía mecánica que es transformada en energía eléctrica mediante un generador. Fig.. Nomenclatura básica de un salto hidráulico Salto bruto, H b Es el desnivel geométrico entre la SLL en la cámara de carga o embalse y la SLL a la salida de la turbina (nivel de restitución). Salto neto, H Resulta de restar al salto bruto las pérdidas por fricción en la conducción. De este modo: H b = H + pérdidas en la conducción

2 También puede obtenerse restando la altura de energía a la entrada de la turbina menos la altura de energía a la salida de la misma. plicando el teorema de ernouilli (fig..) entre la entrada (1) y salida de la turbina(): Fig.. H P1 V1 P V h1 h H γ g γ g P1 h γ V1 P V g γ g 1 h ltura útil, h u Es la altura resultante de sustraer al salto neto las pérdidas hidráulicas y mecánicas en la turbina. Se muestra a continuación el esquema de un salto hidráulico con turbina Pelton y turbina Francis (fig..): Fig.. Rendimiento global de una turbina: Se define el rendimiento global de una turbina, mediante la expresión: ltura útil h u η Salto neto h

3 Potencia neta de una turbina La potencia neta (potencia aprovechable) de una turbina se define mediante la expresión: γ[kp/m ] Q[m /s] H[m] W[CV] η 7 donde es el rendimiento de la turbina, es el peso específico, Q es el caudal y H es el salto neto. Si a la expresión anterior se le añade el rendimiento del generador, tendremos la energía producida en bornas del mismo: W [CV] ηη a a γ[kp/m ] Q[m /s] H[m] 7 Donde el producto a es el rendimiento conjunto del grupo turbina-generador. Tipos de turbinas y utilización Las turbinas se pueden clasificar en: a) Turbinas de acción o flujo tangencial (turbina Pelton). b) Turbinas de reacción: - De flujo semiaxial (Turbina Francis). - De flujo axial (Turbina Kaplan). En las turbinas Pelton, (figura.), la energía que mueve la turbina es la energía cinética de un chorro producido por una boquilla situada al final de la conducción. La turbina funciona a presión atmosférica de modo que toda la energía del chorro se transforma en energía cinética al incidir aquel sobre las cucharas del rodete. Se emplean en saltos de grandes alturas y pequeños caudales. Fig.. Turbina tipo Pelton

4 Las turbinas Francis presentan un flujo en presión y mixto, lo que significa que el agua entra por la periferia del rodete moviéndose hacia el interior y girando para salir por el eje de giro. Son las más instaladas adaptándose a saltos con altura menores y caudales mayores que los existentes en las turbinas Pelton. La turbina tipo Kaplan pueden orientar los álabes del rodete (hélice) buscando que el agua entre tangencialmente a los mismos para cualquier carga demandada. Se adaptan a grandes caudales y pequeñas alturas. VELOCIDD ESPECÍFIC EN TURINS Igual que en las bombas, las turbinas se dividen se dividen en varios tipos según su número específico de revoluciones, que viene dado por las expresiones dadas antgeriormente: donde: n n q Q H 1 / / n q, velocidad específica; n, régimen de giro en rpm.; H, altura en m.: Q, caudal en m /s. Si referimos la velocidad específica a la potencia de, se tiene: 1/ W n s n / H la potencia puede obtenerse como mediante la expresión, Q H W 7 Para los distintos valores de n, las velocidades específicas n S y las turbinas que corresponden, son las siguientes: n (rpm) n S (rpm) Tipo de turbina 100 Pelton con varios inyectores Francis lenta (0 < n S <100) Francis normal (100 < n S < 00) Francis rápida (00 < n S < 00).

5 Ejemplos:.1. En el esquema de la turbina de la figura circulan 0 l/s, las presiones en los puntos y son Kp/cm y 0, Kp/cm respectivamente. Calcular la potencia comunicada por el flujo de agua a la turbina. D = 700 mm TURIN 1 m D = 00 mm Solución: Tomamos un plano de referencia que pasa por. Ecuación de la energía entre y : Velocidad en : V Velocidad en : V 0,0 0, 0,0 0,7 1,99 m / s 0, m / s z p V z g p V H g r(turbina) 10 1,99 0, 10 0, 0 1 H 10 9, ,81 rt 0,0,98 HrT HrT, m Potencia: W Q H rt 10 0,0, 800 Kp m / s,9 kw.1. Un salto de agua constituido por un embalse regulador, tiene una conducción principal a presión de 100 m y m de diámetro, una chimenea de equilibrio, dos tuberías forzadas iguales de 00 m de longitud, diámetro, m, la central hidroeléctrica con dos grupos iguales, como se observa en la figura. La cota del embalse es máxima normal. En estas condiciones con un caudal de m /s. Determinar: a). Pérdidas de carga en las conducciones por Prandtl Colebrook (k = 0,1 mm). b). Potencia de la central, si el rendimiento del grupo turbina-alternador es = 0,8. c). Potencia de un grupo.

6 0 m Tubería forzada L = 100 m D = m Chimenea de equilibrio Tuberías forzadas L = 00 m D =, m C m Solución: a). Pérdidas de carga En la tubería principal, con k = 0,1 mm, D = 10 mm y Q = m /s. La rugosidad relativa k/d = 0,1/ 10 =, 10 - Velocidad en : V, m /s, Re 8,0 10 1,1 10 Utilizando el diagrama de Moody o la expresión: 0,9 1 7 k / D lg Re, ,9 7, 10 lg ; 0,010 8,0 10,71 h r, 8 g Q L 8 D g 0,010 En tuberías forzadas, tramos C: D =, m; Q = / = 1, m /s La rugosidad relativa k/d = 0,1/, 10 = , m Velocidad V C 1,,, m / s,, Re 1,1 10, 10 Utilizando nuevamente el diagrama de Moody o la expresión reducida de Prandtl Colebrook, obtenemos: 1 7 lg, 10 0,9 10,71 ; 0,011 h r,c 8 g 1, 00 0,011 0,7 m,

7 b). Potencia de la central: Salto neto h = 0 1, 0,7 = 1,9 m W Q h 0,8 10 1, Kpm / s kw 11,1 MW c). Potencia de un grupo. Cuando turbina un solo grupo con un Q = 1, m /s, por la tubería principal circulará el mismo caudal, evidentemente h r, habrá disminuido a h r,. h 8 Q L 8 Q' L r, h' r, g D g D Q' Q h' r, 8 g Q L D h' r, h r, 1, 0, m Lo anterior es para el supuesto de que el coeficiente de fricción sea el mismo. La rugosidad relativa k/d =, 10 - Para este caso V 1, 1,1 ' 1,1 m / s Re 10 1,1 10 0,011; el cálculo de la pérdida de carga continua nos da: h' r, 0, m, prácticamente coincidente con la simplificación anterior. Salto neto, h = 0 0, 0,7 = 1,88 m W 9,81 Q h 9,81 0,8 1, 1, kw 7, MW