BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles

Transcripción

1 La traparenia on el material de apoyo del profeor para impartir la lae. No on apunte de la aignatura. Al alumno le pueden ervir omo guía para reopilar informaión (libro, ) y elaborar u propio apunte En eta preentaión e inluye un litado de problema en el orden en el que e pueden reolver iguiendo el dearrollo de la teoría. E trabajo del alumno reolverlo y omprobar la oluión Departamento: Area: Ingeniería Elétria y Energétia Máquina y Motore Térmio CARLOS J RENEDO renedo@unian.e INMACULADA FERNANDEZ DIEGO fernandei@unian.e JUAN CARCEDO AYA juan.aredo@unian.e FELIX ORTIZ FERNANDEZ felix.ortiz@unian.e..- Introduión a la Máquina idráulia..- Bomba idráulia.3..- Turbina Pelton Turbina Frani Turbina Kaplan Etudio de Turbina idráulia

2 Máquina de Fluido Máquina idráulia Máquina Térmia Turbomáquina Volumétria Generador Motor 3 Introduión Elemento Contrutivo Claifiaión E. De Euler Coefiiente de Veloidad 4

3 Introduión Una Turbina e un dipoitivo meánio apaz de onvertir en trabajo (en forma de movimiento de rotaión) la energía preente en una maa de fluido Una Turbina idráulia e una turbomáquina motora, que aborbe energía de una orriente fluida (agua) y retituye energía meánia Por lo tanto, realiza la funión invera a la bomba; de heho, exiten turbomáquina hidráulia dieñada para llevar a abo la do funione (en alguna entrale hidroelétria de bombeo) Pueto que e trata de una turbomáquina, u prinipio de funionamiento e baa en la Euaión de Euler La apliaión má extendida de la turbina hidráulia e la generaión de energía elétria En idráulia Indutrial también e emplean motore hidráulio u oleohidráulio 5 Elemento Contrutivo (I) El pao de una orriente fluida a travé de una turbina provoa ambio en la magnitud y direión de la veloidad del fluido, lo ual da lugar a la apariión de un par en el eje (Teorema del momento inétio) Lo elemento neeario para que eto ueda on análogo a lo de una bomba, pero dipueto en orden invero: Canal de llegada o tubería forzada Caja epiral Ditribuidor Rodete Tubo de apiraión No en todo lo ao exiten todo lo elemento itado, depende del tipo de turbina 6

4 Elemento Contrutivo (I) El pao de una orriente fluida a travé de una turbina provoa ambio en la magnitud y direión de la veloidad del fluido, lo ual da lugar a la apariión de un par en el eje (Teorema del momento inétio) Lo elemento neeario para que eto ueda on análogo a lo de una bomba, pero dipueto en orden invero: Canal de llegada o tubería forzada Caja epiral Ditribuidor Rodete Tubo de apiraión No en todo lo ao exiten todo lo elemento itado, depende del tipo de turbina 7 Elemento Contrutivo (II) Analogía entre lo elemento de una turbina y lo de una bomba: Canal de llegada o tubería forzada debe tener una válvula de ierre lento para evitar el golpe de ariete La aja epiral de una turbina e omo la voluta de una bomba entrífuga; tranforma preión en veloidad (al ontrario que la voluta) El ditribuidor de una turbina e imilar a la orona diretriz de una bomba. Atúa tranformando preión en veloidad (* también e un órgano de regulaión) El rodete de una turbina e análogo al rodete de una bomba. Aborbe energía del fluido y la onvierte en energía meánia El tubo de apiraión de una turbina e omo el tubo de apiraión de una bomba. E el órgano de deagüe y u funión e rear una uión a la alida de la turbina (depreión) 8

5 Elemento Contrutivo (II) Analogía entre lo elemento de una turbina y lo de una bomba: En la turbina Pelton (de aión) hay Canal de llegada o tubería forzada algún ambio debe tener lo una elemento: válvula de ierre lento para evitar el golpe de ariete No tiene ámara epiral La aja epiral de una turbina e omo la voluta de una bomba entrífuga; tranforma preión en El veloidad ditribuidor (al ontrario e un inyetor que laque voluta) onta de una tobera y una válvula de aguja El ditribuidor de una turbina e imilar a la orona diretriz de una bomba. Atúa tranformando preión Lo álabe en veloidad del rodete (* on también uhara e un órgano de regulaión) El rodete de una turbina e análogo al rodete de una bomba. Aborbe energía del fluido y la onvierte en energía meánia El tubo de apiraión de una turbina e omo el tubo de apiraión de una bomba. E el órgano de deagüe y u funión e rear una uión a la alida de la turbina (depreión) 9 Claifiaión (I) Según el grado de reaión (σ): Turbina de aión Turbina de reaión 0 0 preión t Según el número epeífio de revoluione (n ): Turbina lenta Turbina normal Turbina rápida Turbina extrarápida Según la poiión del eje: Turbina horizontal Turbina vertial 0

6 Claifiaión (II) Según el modo de admiión del líquido: Turbina de admiión parial Turbina de admiión total Según la direión del líquido a la entrada: Turbina tangenial Turbina axial Turbina radial Turbina diagonal El líquido ataa a una parte del rodete El líquido ataa a todo el rodete Según el modo de operaión: Turbina reverible Turbina no reverible Claifiaión (III) Según el grado de reaión (σ) (I): Eta laifiaión depende de la variaión de la preión al pao de la orriente fluida a travé del rodete Altura de preión aborbida por el rodete Altura total aborbida por el rodete p t Análogamente al ao de la bomba, e define el grado de reaión de la turbina omo la relaión entre la altura de preión aborbida por el rodete y la altura total aborbida Turbina de aión (σ =0) El movimiento del agua y el de rodete tienen el mimo entido Turbina de reaión (σ 0) El movimiento del agua y el de rodete tienen ditinto entido

7 p Claifiaión (III) Según el grado de reaión (σ) (II): t Turbina de aión (σ =0):el agua ale del órgano de regulaión y entra al rodete on preión manométria nula (el rodete no etá inundado) y en él no e modifia la preión. Toda la energía e tranmite al rodete en forma de energía inétia. Son turbina de admiión parial A lo largo de la tubería forzada, la altura de preión aumenta a ota de la altura geodéia. La altura de veloidad permaneerá te i la eión e te En el itema de regulaión, la altura de preión relativa baja a ero y e onvierte (alvo pérdida) en energía inétia El rodete trabaja a preión ontante (p =p ) y pueto que la turbina no tiene tubo de apiraión, e umple que p =p =p =p atm. La altura de veloidad diminuye ya que una gran parte e onvierte en energía útil en el eje 3 p Claifiaión (III) Según el grado de reaión (σ) (II): t Turbina de aión (σ =0):el agua ale del órgano de regulaión y entra al rodete on preión manométria nula (el rodete no etá inundado) y en él no e modifiatubería la preión. forzada Toda la energía e tranmite al rodete en forma de energía inétia. Son turbina de admiión p ab parial = 0 p atm A lo largo de la tubería forzada, la altura de preión baraumenta a ota de la altura geodéia. Regulaión La altura de veloidad permaneerá te i la eión e te 0 E En el itema de regulaión, la altura de preión relativa baja a ero y e onvierte (alvo Rodete pérdida) en energía inétia El rodete trabaja a preión ontante (p =p ) y pueto que la turbina Paa noa Etiene inétia tubo de apiraión, e umple que p =p =p =p atm. La altura de veloidad diminuyee inétia ya que una E eje gran parte e onvierte en energía útil en el eje p = p = p = p atm (te en el rodete) S 4

8 p Claifiaión (III) Según el grado de reaión (σ) (II): t Turbina de aión (σ =0):el agua ale del órgano de regulaión y entra al rodete on preión manométria nula (el rodete no etá inundado) y en él no e modifiatubería la preión. forzada Toda la energía e tranmite al rodete en forma de energía inétia. Son turbina de admiión p ab parial = 0 p atm A lo largo de la tubería forzada, la altura de preión baraumenta a ota de la altura geodéia. Regulaión La altura de veloidad permaneerá te i la eión e te 0 E En el itema de regulaión, la altura de preión relativa baja a ero y e onvierte (alvo Rodete pérdida) en energía inétia El rodete trabaja a preión ontante (p =p ) y pueto que la turbina Paa noa Etiene inétia tubo de apiraión, e umple que p =p =p =p atm. La altura de veloidad diminuyee inétia ya que una E eje gran parte e onvierte en energía útil en el eje p = p = p = p atm (te en el rodete) S 5 p Claifiaión (III) Según el grado de reaión (σ) (III): t Turbina de reaión (σ 0): el agua ale del ditribuidor y entra al rodete on ierta preión manométria poitiva. A u pao pierde diha preión llegando a er nula e inluo negativa. Son turbina de admiión total A lo largo de la tubería forzada, la altura de preión aumenta a ota de la altura geodéia (i el fluido llega por anal en lámina libre e mantiene te). La altura de veloidad permaneerá te i la eión e te En el ditribuidor, la altura de preión diminuye (aunque no hata la preión atmoféria). La altura inétia aumenta, alvo pérdida, a ota de la preión En el rodete la preión igue diminuyendo (p >p ) pudiendo llegar a er inferior a la atmoféria (en el ao de que exita tubo de apiraión). La altura inétia diminuye también. El rodete tranforma energía de preión y inétia en energía útil en el eje En el tubo de apiraión la energía de preión aumenta dede un valor negativo (relativo) hata la preión atmoféria a ota de diminuir la energía inétia 6

9 Claifiaión (III) Según el grado de reaión (σ) (III): Turbina de reaión (σ 0): el agua ale del ditribuidor y entra al rodete on ierta preión manométria poitiva. A u pao pierde diha preión llegando atubería er nulaforzada e inluo negativa. Son turbina de admiión total p ab = 0 p atm A lo largo de la tubería forzada, la altura de preión aumenta a ota de la altura geodéia (i el fluido llega por anal en lámina bar libre e mantiene te). La altura de veloidad Ditribuidor Paa a E permaneerá te i la eión e te inétia 0 E En el ditribuidor, la altura de preión diminuye (aunque no hata la preión atmoféria). Rodete La altura inétia aumenta, alvo pérdida, a ota de la preión En el rodete la preión igue diminuyendo (p >p ) pudiendo llegar a er inferior a la atmoféria (en el ao de que exita tubo de apiraión). p > pla atm altura inétia diminuye E inétia y Etambién. preión EEl eje rodete tranforma energía de preión y inétia en energía útil en el eje Tubo de Con T. ap. En el tubo de apiraión la energía de preión aumenta dede p un valor apiraión < p atm negativo (relativo) hata la preión atmoféria a ota de diminuir la energía inétia S En el nivel libre p t 7 Claifiaión (III) Según el grado de reaión (σ) (III): Turbina de reaión (σ 0): el agua ale del ditribuidor y entra al rodete on ierta preión manométria poitiva. A u pao pierde diha preión llegando atubería er nulaforzada e inluo negativa. Son turbina de admiión total p ab = 0 p atm A lo largo de la tubería forzada, la altura de preión aumenta a ota de la altura geodéia (i el fluido llega por anal en lámina bar libre e mantiene te). La altura de veloidad Ditribuidor Paa a E permaneerá te i la eión e te inétia 0 E En el ditribuidor, la altura de preión diminuye (aunque no hata la preión atmoféria). Rodete La altura inétia aumenta, alvo pérdida, a ota de la preión En el rodete la preión igue diminuyendo (p >p ) pudiendo llegar a er inferior a la atmoféria (en el ao de que exita tubo de apiraión). p > pla atm altura inétia diminuye E inétia y Etambién. preión EEl eje rodete tranforma energía de preión y inétia en energía útil en el eje Sin T. ap. Sin tubo de En el tubo de apiraión la energía de preión aumenta dede p = un patmvalor apiraión negativo (relativo) hata la preión atmoféria a ota de diminuir la energía inétia S En el nivel libre p t 8

10 Claifiaión (IV) Según el grado de reaión (σ) (IV): La turbina que e ontruyen atualmente, egún : p t Aión: ólo e ontruyen de flujo tangenial tipo Pelton Reaión: de flujo diagonal (exepionalmente radial) de flujo axial de álabe fijo, tipo Frani de álabe orientable, tipo Deriaz de álabe fijo, tipo hélie de álabe orientable, tipo Kaplan Kaplan Frani Pelton Salto Neto (m) a 50 5 a 400 hata 800 Diámetro del rodete (m) a 0 0,3 a 8 0,3 a 6 Potenia en el eje (MW) ata 50 ata 750 ata Claifiaión (V) Según el número epeífio de revoluione (n ) (I): La veloidad epeífia e la veloidad de giro del rodete de la turbina modelo de una erie de turbina emejante que on un alto de m e apaz de produir una potenia en el eje de C.V Para el agua n Pot n / 5 / 4 / Q 3,65 n. 3 / n 4 Al igual que uede on la bomba, exite una relaión direta entre el valor de n y la forma del rodete La turbina Pelton tienen bajo n (< 75) La turbina Frani y Kaplan tienen n mayore (60 < n <.000) Una turbina de un determinado n ualquiera funionará on rendimiento óptimo uando la potenia dearrollada, la altura neta y el número de revoluione ean tale que utituyendo u valore en la euaión anterior e obtenga n 0

11 Claifiaión (V) Según el número epeífio de revoluione (n ) (II): En un alto y on un determinado audal, la turbina lenta giran a veloidade menore que la rápida Para el agua n Pot n / 5 / 4 / Q 3,65 n. 3 / n 4 En la prátia: La turbina lenta e intalan en alto elevado pueden girar má rápido que la rápida Si giran a la veloidad de inronimo, la turbina lenta aborben meno audal que la rápida n te Q / n grande Q grande n pequeño Q pequeño Pot n n / 5 / 4 Claifiaión (V) Según el número epeífio de revoluione (n ) (II): En un alto y on un determinado audal, la turbina lenta giran a veloidade menore que la rápida Para el agua n Pot n / 5 / 4 / Q 3,65 n. 3 / n 4 En la prátia: La turbina lenta e intalan en alto elevado pueden girar má rápido que la rápida Pot n n Si giran a la veloidad de inronimo, la turbina lenta aborben meno audal que la rápida / 5 / 4 n te Q / n grande Q grande n pequeño Q pequeño n

12 Claifiaión (V) Según el número epeífio de revoluione (n ) (III): Turbina radial n Pot n / 5 / 4 Turbina axial 3 Claifiaión (V) Según el número epeífio de revoluione (n ) (IV): n n Pot n / 5 / 4 4

13 Claifiaión (V) Según el número epeífio de revoluione (n ) (V): De auerdo al valor de n la turbina e pueden laifiar omo: Veloidad epeífia en r.p.m. Tipo de turbina Altura del alto en m. ata 8 Pelton de un inyetor 800 De 8 a 5 Pelton de un inyetor 800 a 400 De 6 a 35 Pelton de un inyetor 400 a 00 De 6 a 35 Pelton de do inyetore 800 a 400 De 36 a 50 Pelton de do inyetore 400 a 00 De 5 a 7 Pelton de uatro inyetore 400 a 00 De 55 a 70 Frani muy lenta 400 a 00 De 70 a 0 Frani lenta 00 a 00 De 0 a 00 Frani normal 00 a 50 De 00 a 300 Frani rápida 50 a 5 De 300 a 450 Frani extrarrápida 5 a 5 De 400 a 500 élie extrarrápida 5 De 70 a 500 Kaplan lenta 50 a 5 De 500 a 800 Kaplan rápida 5 a 5 De 800 a 00 Kaplan extrarrápida Meno de 5 5 Claifiaión (V) Según el número epeífio de revoluione (n ) (VI): Apliaión prátia: eleionar el tipo de turbina y la veloidad de giro Lo dato de partida on la araterítia del alto: altura () y audal (Q) Se etima la potenia (Pot) uponiendo un rendimiento normal n Q Pot 735 [C.V.] A partir de la gráfia e determina el tipo de turbina y el valor de n Conoido, Q, Pot y n e determina el régimen de giro de la turbina n n i,i Pot 5 / 4 n / El valor final de n habrá de er una veloidad de inronimo Con diho valor de n e realula el valor de n 60 f n p Con eto dato e puede dimenionar la turbina modelo A partir de éta e alula la turbina prototipo apliando la leye de emejanza 6

14 Claifiaión (V) Según el número epeífio de revoluione (n ) (VII): Ejemplo: Seleionar el tipo de turbina aí omo la veloidad de giro. n 35 m Q 0 m 3 / 7 Euaión de Euler E la euaión fundamental de la turbomáquina, y por lo tanto la que rige el omportamiento de la turbina hidráulia Fluido (C) Rotor (U) Relativa Entrada C U Salida C U W W C U C U C U C U W β W Alabe diretor U Forma del álabe CU W U r C ª E. EULER Generadore id. Motore id. G.. M.. u u u u u g u g u u C r W β U 8

15 Coefiiente de Veloidad (I) La veloidade no e pueden elegir al azar, deben er aquella que produzan el rendimiento óptimo C W β U La veloidad aboluta máxima diponible en la turbina erá la obtenida al onvertir en altura dinámia toda la altura geométria y la altura de preión. Según la e. de Bernoulli, eta veloidad erá: vel v g g max n Cualquier otra veloidad e puede exprear omo una fraión de la anterior. Se denomina oefiiente de veloidad a la relaión entre una veloidad ualquiera y la veloidad aboluta máxima diponible ku u g n k u u g n 9 Coefiiente de Veloidad (II) Cuando la turbina funiona en ondiione de rendimiento óptimo, eto oefiiente de veloidad on lo oefiiente óptimo de veloidad : Xi : Fi u u gn gn gn gn w w gn gn C C u C m u gn u gn m km gn m km gn 30

16 Coefiiente de Veloidad (III) Para determinar el valor de eto oefiiente óptimo, e enaya la turbina bajo un alto de valor: n g De manera que : u w u w u u m km m km Sometida a enayo una turbina bajo un alto definido, la veloidade a la uale e onigue el rendimiento máximo oiniden on lo oefiiente óptimo de veloidad 3 Una turbina trabaja en un alto de 90 m, un audal de 4 l/ y una veloidad de giro de.450 rpm. Suponer que lo η me = η vol =yη man = 0,85. Determinar el tipo de turbina má onveniente 3