Post on 19-Jul-2015
Sistemas Energéticos (Master I.I.)
S.E. T30.- Turbinas Hidráulicas
Ingeniería Eléctrica y Energética
Máquinas y Motores Térmicos
Departamento:
Area:
CARLOS J RENEDO renedoc@unican.es
Despachos: ETSN 236 / ETSIIT S-3 28
http://personales.unican.es/renedoc/index.htm
Tlfn: ETSN 942 20 13 44 / ETSIIT 942 20 13 82
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
Sistemas Energéticos (Master I.I.)
S.E. T30.- Turbinas Hidráulicas
Objetivos:
El objetivo de este tema es desarrollar las máquina hidráulicas motoras de mayor aplicación industrial: las turbinas hidráulicas
Sistemas Energéticos (Master I.I.)
S.E. T30.- Turbinas Hidráulicas
10.- Introducción a las Máquinas Hidráulicas
20.- Bombas
30.- Turbinas hidráulicas
40.- Ventiladores
50.- Hélices
31.- Generalidades de las Turbinas Hidráulicas
32.- Turbinas Pelton
33.- Turbinas Francis
34.- Turbinas Kaplan y Deriaz
35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas
31.- Generalidades de las Tur. Hid.
4
Turbomáquinas Volumétricas
Máquinas de Fluidos
MotorGenerador
Máquinas TérmicasMáquinas Hidráulicas
31.- Generalidades de las Tur. Hid.
5
Una Turbina es un dispositivo mecánico capaz de convertir en trabajo (en
forma de movimiento de rotación) la energía presente en una masa de fluido
Una Turbina Hidráulica es una turbomáquina motora, que absorbe energía de
una corriente fluida (agua) y restituye energía mecánica
Por lo tanto, realiza la función inversa a las bombas; de hecho, existen
turbomáquinas hidráulicas diseñadas para llevar a cabo las dos funciones (en
algunas centrales hidroeléctricas de bombeo)
Puesto que se trata de una turbomáquina, su principio de funcionamiento se
basa en la ecuación de Euler
La aplicación más extendida de las turbinas hidráulicas es la generación de
energía eléctrica
En Hidráulica Industrial también se emplean
motores hidráulicos o oleohidráulicos
31.- Generalidades de las Tur. Hid.
6
Elementos Constitutivos (I):
El paso de una corriente fluida a través de una turbina provoca cambios
en la magnitud y dirección de la velocidad del fluido, lo cual da lugar a la
aparición de un par en el eje (Teorema del momento cinético)
Los elementos necesarios para que esto suceda son análogos a los de
una bomba, pero dispuestos en orden inverso:
• Canal de llegada o tubería forzada
• Caja espiral
• Distribuidor
• Rodete
• Tubo de aspiración
No en todos los casos existen todos los
elementos citados, depende del tipo de turbina
31.- Generalidades de las Tur. Hid.
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Elementos Constitutivos (I):
El paso de una corriente fluida a través de una turbina provoca cambios
en la magnitud y dirección de la velocidad del fluido, lo cual da lugar a la
aparición de un par en el eje (Teorema del momento cinético)
Los elementos necesarios para que esto suceda son análogos a los de
una bomba, pero dispuestos en orden inverso:
• Canal de llegada o tubería forzada
• Caja espiral
• Distribuidor
• Rodete
• Tubo de aspiración
No en todos los casos existen todos los
elementos citados, depende del tipo de turbina
31.- Generalidades de las Tur. Hid.
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Elementos Constitutivos (II):
Analogía entre los elementos de una turbina y los de una bomba:
• Canal de llegada o tubería forzada debe tener una válvula de cierre
lento para evitar el golpe de ariete
• La caja espiral de una turbina es análoga a la voluta de una bomba
centrífuga; transforma presión en velocidad (al contrario que la voluta)
• El distribuidor de una turbina es análogo a la corona directriz de una
bomba. Actúa transformando presión en velocidad (* también es un
órgano de regulación)
• El rodete de una turbina es análogo al rodete de una bomba. Absorbe
energía del fluido y la convierte en energía mecánica
• El tubo de aspiración de una turbina es análogo al tubo de
aspiración de una bomba. Es el órgano de desagüe y su función es
crear una succión a la salida de la turbina (depresión)
31.- Generalidades de las Tur. Hid.
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Elementos Constitutivos (II):
Analogía entre los elementos de una turbina y los de una bomba:
• Canal de llegada o tubería forzada debe tener una válvula de cierre
lento para evitar el golpe de ariete
• La caja espiral de una turbina es análoga a la voluta de una bomba
centrífuga; transforma presión en velocidad (al contrario que la voluta)
• El distribuidor de una turbina es análogo a la corona directriz de una
bomba. Actúa transformando presión en velocidad (* también es un
órgano de regulación)
• El rodete de una turbina es análogo al rodete de una bomba. Absorbe
energía del fluido y la convierte en energía mecánica
• El tubo de aspiración de una turbina es análogo al tubo de
aspiración de una bomba. Es el órgano de desagüe y su función es
crear una succión a la salida de la turbina (depresión)
En las turbinas Pelton (de acción) hay algún “cambio” en los elementos:
• No tiene cámara espiral
• El distribuidor es un inyector que consta de una tobera y una válvula de aguja
• Los álabes del rodete son “cucharas”
31.- Generalidades de las Tur. Hid.
10
Clasificación (I):
• Según el grado de reacción (ssss ):
0=σ
0≠σ
Turbina de acción
Turbina de reacción
• Según el número específico de revoluciones (ns ):
Turbina lenta
Turbina normal
Turbina rápida
Turbina extrarrápida
• Según la posición del eje:
Turbina horizontal
Turbina vertical
t
presión
H
H=σ
31.- Generalidades de las Tur. Hid.
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Clasificación (II):
• Según el modo de admisión del líquido:
Turbina de admisión parcial
Turbina de admisión total
• Según la dirección del líquido a la entrada:
Turbina tangencial
Turbina axial
Turbina radial
Turbina diagonal
• Según el modo de operación:
Turbina reversible
Turbina no reversible
El líquido ataca a todo el rodete
El líquido ataca a una parte del rodete
31.- Generalidades de las Tur. Hid.
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Clasificación según el grado de reacción (ssss) (I):
Esta clasificación depende de la variación de la presión al paso de la corriente fluida a través del rodete
Análogamente al caso de las bombas, se define el grado de reacción de las turbinas como la relación entre la altura de presión absorbida por el rodete y la altura total absorbida
• Turbinas de acción (s = 0)
El movimiento del agua y el de rodete tienen el mismo sentido
• Turbinas de reacción (s ≠ 0)
El movimiento del agua y el de rodete tienen distinto sentido
t
p
H
H
rodete el por absorbida total Altura
rodete el por absorbida presión de Altura==σ
31.- Generalidades de las Tur. Hid.
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Clasificación según el grado de reacción (ssss) (II):
• Turbinas de acción (s = 0): el agua sale del distribuidor y entra al rodete
con presión manométrica nula (el rodete no está inundado) y en él no se modifica la presión. Toda la energía se transmite al rodete en forma de energía cinética. Son turbinas de admisión parcial
t
p
H
H=σ
A lo largo de la tubería forzada, la altura de presión aumenta a costa de la altura geodésica. La altura de velocidad permanecerá cte si la sección es cte
En el distribuidor, la altura de presión relativa baja a cero y se convierte (salvo pérdidas) en energía cinética
El rodete trabaja a presión constante (p1 = p2) y puesto que la turbina no tiene tubo de aspiración, se cumple que p1 = p2 = ps = patm. La altura de velocidad disminuye ya que una gran parte se convierte en energía útil en el eje
31.- Generalidades de las Tur. Hid.
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Clasificación según el grado de reacción (ssss) (II):
• Turbinas de acción (s = 0): el agua sale del distribuidor y entra al rodete
con presión manométrica nula (el rodete no está inundado) y en él no se modifica la presión. Toda la energía se transmite al rodete en forma de energía cinética. Son turbinas de admisión parcial
t
p
H
H=σ
A lo largo de la tubería forzada, la altura de presión aumenta a costa de la altura geodésica. La altura de velocidad permanecerá cte si la sección es cte
En el distribuidor, la altura de presión relativa baja a cero y se convierte (salvo pérdidas) en energía cinética
El rodete trabaja a presión constante (p1 = p2) y puesto que la turbina no tiene tubo de aspiración, se cumple que p1 = p2 = ps = patm. La altura de velocidad disminuye ya que una gran parte se convierte en energía útil en el eje
Distribuidor
Tubería forzada
Rodete
0
1
2
E
S
pabs = 0 patm
1 bar
p1 = p2 = ps = patm
(cte en el rodete)
Pasa a Ecinética
Ecinética ⇒⇒⇒⇒ Eeje
31.- Generalidades de las Tur. Hid.
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Clasificación según el grado de reacción (ssss) (III):t
p
H
H=σ
A lo largo de la tubería forzada, la altura de presión aumenta a costa de la altura geodésica (si el fluido llega por canal en lámina libre se mantiene cte). La altura de velocidad permanecerá cte si la sección es cte
En el distribuidor, la altura de presión disminuye (aunque no hasta la presión atmosférica). La altura cinética aumenta, salvo pérdidas, a costa de la presión
En el rodete la presión sigue disminuyendo (p1 > p2) pudiendo llegar a ser inferior a la atmosférica (en el caso de que exista tubo de aspiración). La altura cinética disminuye también. El rodete transforma energía de presión y cinética en energía útil en el eje
En el tubo de aspiración la energía de presión aumenta desde un valor negativo (relativo) hasta la presión atmosférica a costa de disminuir la energía cinética
• Turbinas de reacción (s K 0): el agua sale del distribuidor y entra al rodete
con cierta presión manométrica positiva. A su paso pierde dicha presión llegando a ser nula e incluso negativa. Son turbinas de admisión total
31.- Generalidades de las Tur. Hid.
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Clasificación según el grado de reacción (ssss) (III):t
p
H
H=σ
A lo largo de la tubería forzada, la altura de presión aumenta a costa de la altura geodésica (si el fluido llega por canal en lámina libre se mantiene cte). La altura de velocidad permanecerá cte si la sección es cte
En el distribuidor, la altura de presión disminuye (aunque no hasta la presión atmosférica). La altura cinética aumenta, salvo pérdidas, a costa de la presión
En el rodete la presión sigue disminuyendo (p1 > p2) pudiendo llegar a ser inferior a la atmosférica (en el caso de que exista tubo de aspiración). La altura cinética disminuye también. El rodete transforma energía de presión y cinética en energía útil en el eje
En el tubo de aspiración la energía de presión aumenta desde un valor negativo (relativo) hasta la presión atmosférica a costa de disminuir la energía cinética
• Turbinas de reacción (s K 0): el agua sale del distribuidor y entra al rodete
con cierta presión manométrica positiva. A su paso pierde dicha presión llegando a ser nula e incluso negativa. Son turbinas de admisión total
Distribuidor
Tubería forzada
Rodete
0
1
2
E
pabs = 0 patm
1 bar
Tubo deaspiración
p1 > patm
Con T. asp.p2 < patm
S
Pasa a Ecinética
Ecinética y Epresión ⇒⇒⇒⇒ Eeje
En el nivel libre
31.- Generalidades de las Tur. Hid.
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Clasificación según el grado de reacción (ssss) (IV):
Las turbinas que se construyen actualmente, según σ:
Acción: sólo se construyen de flujo tangencial tipo Pelton
Reacción:
de flujo diagonal
(excepcionalmente radial)
de álabes fijos, tipo Francis
de álabes orientables, tipo Deriaz
de flujo axialde álabes fijos, tipo hélice
de álabes orientables, tipo Kaplan
t
p
H
H=σ
Hasta 400Hasta 750Hasta 250Potencia en el eje (MW)
0,3 a 60,3 a 81 a 10Diámetro del rodete (m)
hasta 80015 a 4002 a 50Salto Neto (m)
PeltonFrancisKaplan
31.- Generalidades de las Tur. Hid.
18
La velocidad específica es la velocidad de giro del rodete de la turbina modelo de una serie de turbinas semejantes que con un salto de 1 m es capaz de producir una potencia en el eje de 1 C.V
4/5
2/1
sH
Potnn ⋅=
Al igual que sucede con las bombas, existe una relación directa entre el valor de ns y la forma del rodete
• Las turbinas Pelton tienen bajos ns (< 75)
• Las turbinas Francis y Kaplan tienen ns mayores (60 < ns < 1.000)
Una turbina de un determinado ns cualquiera funcionará con rendimiento óptimo cuando la potencia desarrollada, la altura neta y el número de revoluciones sean tales que sustituyendo sus valores en la ecuación anterior se obtenga ns
Clasificación según el número específico de revoluciones (ns) (I):
η⋅⋅= .H
Qn65,3n
4/3
2/1
s
Para el agua
31.- Generalidades de las Tur. Hid.
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En un salto y con un determinado caudal, las turbinas lentas giran a velocidades menores que las rápidas
En la práctica:
• Las turbinas lentas se instalan en saltos elevados
⇒ pueden girar más rápido que las rápidas
• Si giran a la velocidad de sincronismo, las turbinas lentas absorben menos caudal que las rápidas
Clasificación según el número específico de revoluciones (ns) (II):
4/5
2/1
sH
Potnn ⋅= η⋅⋅= .
H
Qn65,3n
4/3
2/1
s
Para el agua
pequeñoQpequeñon
grandeQgrandenQcten
s
s2/1s
⇒
⇒⇒⋅=
4/5
2/1
sH
Potnn ⋅=
31.- Generalidades de las Tur. Hid.
20
En un salto y con un determinado caudal, las turbinas lentas giran a velocidades menores que las rápidas
En la práctica:
• Las turbinas lentas se instalan en saltos elevados
⇒ pueden girar más rápido que las rápidas
• Si giran a la velocidad de sincronismo, las turbinas lentas absorben menos caudal que las rápidas
Clasificación según el número específico de revoluciones (ns) (II):
4/5
2/1
sH
Potnn ⋅= η⋅⋅= .
H
Qn65,3n
4/3
2/1
s
Para el agua
pequeñoQpequeñon
grandeQgrandenQcten
s
s2/1s
⇒
⇒⇒⋅=
4/5
2/1
sH
Potnn ⋅=
31.- Generalidades de las Tur. Hid.
21
…
b) ns = 45
c) ns = 110
d) ns = 200
e) ns = 400
f) ns = 800
4/5
2/1
sH
Potnn ⋅=
Turbina axial
Turbina radial
Clasificación según el número específico de revoluciones (ns) (III):
31.- Generalidades de las Tur. Hid.
22
4/5
2/1
sH
Potnn ⋅=
Clasificación según el número específico de revoluciones (ns) (IV):
31.- Generalidades de las Tur. Hid.
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De acuerdo al valor de ns las turbinas se pueden clasificar como:
Menos de 5Kaplan extrarrápidaDe 800 a 1100
15 a 5Kaplan rápidaDe 500 a 800
50 a 15Kaplan lentaDe 270 a 500
15Hélice extrarrápidaDe 400 a 500
25 a 15Francis extrarrápidaDe 300 a 450
50 a 25Francis rápidaDe 200 a 300
100 a 50Francis normalDe 120 a 200
200 a 100Francis lentaDe 70 a 120
400 a 200Francis muy lentaDe 55 a 70
400 a 100Pelton de cuatro inyectoresDe 51 a 72
400 a 100Pelton de dos inyectoresDe 36 a 50
800 a 400Pelton de dos inyectoresDe 26 a 35
400 a 100Pelton de un inyectorDe 26 a 35
800 a 400Pelton de un inyectorDe 18 a 25
800Pelton de un inyectorHasta 18
Altura del salto en m .Tipo de turbinaVelocidad específica en r.p.m.
Clasificación según el número especifico de revoluciones (ns) (V):
31.- Generalidades de las Tur. Hid.
24
Aplicación práctica: seleccionar el tipo de turbina y la velocidad de giro
• Los datos de partida son las características del salto: altura (H) y caudal (Q)
• Se estima la potencia (Pot) suponiendo un rendimiento “normal”
• A partir de la gráfica se determina el tipo de turbina y el valor de ns
• Conocidos H, Q, Pot y ns se determina el régimen de giro de la turbina
• El valor final de n habrá de ser una velocidad de sincronismo
• Con dicho valor de n se recalcula el valor de ns
• Con estos datos se puede dimensionar la turbina modelo
• A partir de ésta se calcula la turbina prototipo aplicando las leyes de semejanza
Clasificación según el número especifico de revoluciones (ns) (VI):
.]V.C[75
QHPot n η⋅⋅⋅ρ
=
2/1
4/5n
i,siPot
Hnn ⋅=
p
f60n
⋅=
31.- Generalidades de las Tur. Hid.
25
Ejemplo: Seleccionar el tipo de turbina así como la velocidad de giro.
Clasificación según el número especifico de revoluciones (ns) (VI):
m35Hn =
s/m20Q 3=
31.- Generalidades de las Tur. Hid.
26
Es la ecuación fundamental de las turbomáquinas, y por lo tanto la que rige el comportamiento de las turbinas hidráulicas
Ecuación de EULER:
U2
C1
U1
W1
β1
αααα1
C2
W2
αααα2
β2U2C2Salida
U1C1Entrada
RelativaRotor (U)Fluido (C)
Forma del álabe
[ ]UC −
[ ]111 UCW −=
[ ]222 UCW −=
βα
[ ]UCΛ
WUC +=
r1
r2
g
cucuH u11u22
.H.G
−=Generadores Hid. ⇒
g
cucuH u22u11
.H.M
−=Motores Hid. ⇒
1ª Ec. EULER
[ ]UW −Λ
31.- Generalidades de las Tur. Hid.
27
Coeficientes de Velocidad (I):
Las velocidades no se pueden elegir al azar, deben ser aquellas que produzcan el rendimiento óptimo
nmax Hg2c ⋅⋅=
Cualquier otra velocidad se puede expresar como una fracción de la anterior. Se denomina coeficiente de velocidad a la relación entre una velocidad cualquiera y la velocidad absoluta máxima disponible
n
1u
Hg2
uk
1 ⋅⋅=
n
u1c
Hg2
ck
u1 ⋅⋅=
αααα1
β1
C1 W1
U1
La velocidad absoluta máxima disponible en la turbina será la obtenida al convertir en altura dinámica toda la altura geométrica y la altura de presión. Según la ec. de Bernoulli, esta velocidad será:
g2
vH
2
vel⋅
=
31.- Generalidades de las Tur. Hid.
28
Coeficientes de Velocidad (II):
Cuando la turbina funciona en condiciones de rendimiento óptimo, estos coeficientes de velocidad son los coeficientes óptimos de velocidad
n11 Hg2u ⋅⋅ξ=
n22 Hg2u ⋅⋅ξ=
n11 Hg2c ⋅⋅ϕ=
n22 Hg2c ⋅⋅ϕ=
n11 Hg2w ⋅⋅λ=
n22 Hg2w ⋅⋅λ=
n1u1 Hg2c ⋅⋅µ=
n2u2 Hg2c ⋅⋅µ=
nm1m1 Hg2kc ⋅⋅=
nm2m2 Hg2kc ⋅⋅=
C1
C1u
C1m
αααα1
x:x:x:x: Xi f:f:f:f: Fi
31.- Generalidades de las Tur. Hid.
29
Coeficientes de Velocidad (III):
Para determinar el valor de estos coeficiente óptimos, se ensaya la turbina bajo un salto de valor:
g2
1Hn
⋅=
De manera que :
Sometida a ensayo una turbina bajo un salto definido, las velocidades a las cuales se consigue el rendimiento máximo coinciden con los coeficientes óptimos de velocidad
11u ξ=
22u ξ=
11c ϕ=
22c ϕ=
11w λ=
22w λ=
1u1c µ=
2u2c µ=
m1m1 kc =
m2m2 kc =
32.- Turbinas Pelton
30
Las Turbinas Pelton son:
• de presión, por ser ésta cte en el rodete (= a la atmosférica)
• de chorro libre, este está a la presión atmosférica
• de admisión parcial, el líquido ataca sólo una parte del rodete
• tangenciales, el líquido ataca tangencialmente al rodete
• de acción, el agua y el rodete tienen el mismo sentido
Su utilización es idónea en saltos de gran altura (alrededor de 200 m y mayores), y caudales relativamente pequeños (hasta 10 m3/s)
Lo más característico son sus álabes en forma de cazoleta
32.- Turbinas Pelton
31
Componentes:
Son esencialmente los siguientes:
• Distribuidor
• Rodete
• Eje
• Sistema de Frenado
• Carcasa
• Cámara de Descarga
• Blindaje
• Destructor de Energía
Rueda
Alabes
Cámara de distribución
− Tobera
− Aguja
− Deflector
Sistema de regulación
Inyector
32.- Turbinas Pelton
32
Componentes:
Son esencialmente los siguientes:
• Distribuidor
• Rodete
• Eje
• Sistema de Frenado
• Carcasa
• Cámara de Descarga
• Blindaje
• Destructor de Energía
Rueda
Alabes
Cámara de distribución
− Tobera
− Aguja
− Deflector
Sistema de regulación
Inyector
Rueda
Alabes
Cámara de distribución
− Tobera
− Aguja
− Deflector
Sistema de regulación
Inyector
Distribuidor
Rodete
Alabes
Descarga
Aguja
Cámara dedistribución
Carcasa
Regulación
Eje
32.- Turbinas Pelton
33
Está constituido por uno o varios equipos de inyección de agua, cada uno
formado por varios elementos mecánicos
Componentes: Distribuidor (I)
Tiene como misiones:
• Dirigir un chorro de agua (cilíndrico y
de sección uniforme) hacia el rodete
• Regular el caudal que ha de fluir hacia
dicho rodete, llegando a cortarlo
totalmente cuando proceda
• Para paradas rápidas debe contar con
una pantalla deflectora que desvíe el
chorro a la salida
Sistemas de inyección
32.- Turbinas Pelton
34
Componentes: Distribuidor (II)
El número de equipos de inyección, colocados circunferencialmente alrededor de un rodete, depende de la potencia y características del grupo, según las condiciones del salto de agua
En turbinas Pelton con eje vertical pueden ser hasta seis los equipos que proyectan chorros de agua sobre un mismo rodete, derivando todos y cada uno de ellos de la tubería forzada
En turbinas Pelton con eje horizontal los inyectores instalados son normalmente uno o dos
32.- Turbinas Pelton
35
Componentes: Distribuidor (II)
El número de equipos de inyección, colocados circunferencialmente alrededor de un rodete, depende de la potencia y características del grupo, según las condiciones del salto de agua
En turbinas Pelton con eje vertical pueden ser hasta seis los equipos que proyectan chorros de agua sobre un mismo rodete, derivando todos y cada uno de ellos de la tubería forzada
En turbinas Pelton con eje horizontal los inyectores instalados son normalmente uno o dos
32.- Turbinas Pelton
36
Componentes: Distribuidor (III)
Se puede disponer de más de un rodete en el
mismo eje, cada uno de ellos dotado de el/los
distribuidor/es apropiado/s
32.- Turbinas Pelton
37
Componentes: Distribuidor (IV)
Cada equipo de inyección está formado por los siguientes elementos (I):
• Cámara de distribución
Consiste en la prolongación de la tubería forzada, acoplada a ésta mediante
brida de unión, posteriormente a la situación de la válvula de entrada a
turbina, según la trayectoria normal del agua
Tiene como misión fundamental conducir el caudal de agua. Igualmente,
sirve de soporte a los demás mecanismos que integran el distribuidor
• Inyector:
Es el elemento mecánico destinado a dirigir y regular el chorro de agua.
Transforma la energía de presión en cinética (la velocidad del agua puede
ser superior a 150 m/s). Está compuesto por:
una tobera
una aguja
un deflector
un regulador de velocidad
32.- Turbinas Pelton
38
Componentes: Distribuidor (IV)
Cada equipo de inyección está formado por los siguientes elementos (I):
• Cámara de distribución
Consiste en la prolongación de la tubería forzada, acoplada a ésta mediante
brida de unión, posteriormente a la situación de la válvula de entrada a
turbina, según la trayectoria normal del agua
Tiene como misión fundamental conducir el caudal de agua. Igualmente,
sirve de soporte a los demás mecanismos que integran el distribuidor
• Inyector:
Es el elemento mecánico destinado a dirigir y regular el chorro de agua.
Transforma la energía de presión en cinética (la velocidad del agua puede
ser superior a 150 m/s). Está compuesto por:
una tobera
una aguja
un deflector
un regulador de velocidad
Aguja
Deflector
Chorro
Tobera
32.- Turbinas Pelton
39
Componentes: Distribuidor (V)
Cada equipo de inyección está formado por los siguientes elementos (II):
Aguja
Es un vástago de acero muy duro situado concéntricamente en el interior del cuerpo de la tobera, guiado mediante cojinetes sobre los cuales tiene movimiento de desplazamiento longitudinal en dos sentidos
• Inyector:
Tobera
Se trata de una boquilla, normalmente con orificio de sección circular (puede tratarse de otra sección), de un diámetro aproximado entre 5 y 30 cm, instalada en la terminación de la cámara de distribución
32.- Turbinas Pelton
40
Componentes: Distribuidor (V)
Cada equipo de inyección está formado por los siguientes elementos (II):
Aguja
Tobera
Deflector
Es un dispositivo mecánico que, a modo de pala o pantalla, puede ser intercalado con mayor o menor incidencia en la trayectoria del chorro de agua, entre la tobera y el rodete
Sirve para evitar el embalamiento y el golpe de ariete (cierres bruscos)
Regulador de velocidad
Conjunto de dispositivos electro-mecánicos, (servomecanismos, palancas, bielas, …) diseñados para mantener constante la velocidad del grupo, a fin de que la frecuencia de la corriente generada tenga, en todas las circunstancias de carga, 50 Hz
• Inyector:
32.- Turbinas Pelton
41
Componentes: Distribuidor (V)
Cada equipo de inyección está formado por los siguientes elementos (II):
Aguja
Tobera
Deflector
Es un dispositivo mecánico que, a modo de pala o pantalla, puede ser intercalado con mayor o menor incidencia en la trayectoria del chorro de agua, entre la tobera y el rodete
Sirve para evitar el embalamiento y el golpe de ariete (cierres bruscos)
Regulador de velocidad
Conjunto de dispositivos electro-mecánicos, (servomecanismos, palancas, bielas, …) diseñados para mantener constante la velocidad del grupo, a fin de que la frecuencia de la corriente generada tenga, en todas las circunstancias de carga, 50 Hz
• Inyector:
Deflector
32.- Turbinas Pelton
42
Componentes: Rodete (I)
Es la pieza clave donde se transforma la componente cinética de la energía del líquido en energía mecánica o, dicho de otra manera, en trabajo según la forma de movimiento de rotación
Está compuesto por:
• Rueda motriz
• Alabes, cucharas o cazoletas
32.- Turbinas Pelton
43
Componentes: Rodete (II)
• La rueda motriz está unida rígidamente al eje, montada en el mismo por
medio de chavetas y anclajes adecuados
• Los álabes, pueden ser piezas independientes o constituir una pieza
única, están diseñados para recibir el empuje directo del chorro de agua.
Su forma es similar a la de una doble cuchara, con una arista interior
afilada y situada centralmente en dirección perpendicular hacia el eje
(divide al álabe en dos partes simétricas de gran concavidad). Esto
permite compensar los empujes axiales
Cada álabe lleva en su extremo periférico una escotadura centrada en
forma de W. Con ello se consigue que las cazoletas no reciban el chorro
de agua hasta que su arista se encuentre en la posición perpendicular
respecto al eje del chorro, aprovechando al máximo el caudal y el impulso
que éste le proporciona al acompañarle durante un corto trayecto
32.- Turbinas Pelton
44
• La rueda motriz está unida rígidamente al eje, montada en el mismo por
medio de chavetas y anclajes adecuados
• Los álabes, pueden ser piezas independientes o constituir una pieza
única, están diseñados para recibir el empuje directo del chorro de agua.
Su forma es similar a la de una doble cuchara, con una arista interior
afilada y situada centralmente en dirección perpendicular hacia el eje
(divide al álabe en dos partes simétricas de gran concavidad). Esto
permite compensar los empujes axiales
Cada álabe lleva en su extremo periférico una escotadura centrada en
forma de W. Con ello se consigue que las cazoletas no reciban el chorro
de agua hasta que su arista se encuentre en la posición perpendicular
respecto al eje del chorro, aprovechando al máximo el caudal y el impulso
que éste le proporciona al acompañarle durante un corto trayecto
Componentes: Rodete (II)
Arista interior
Escotadura
32.- Turbinas Pelton
45
Componentes: Rodete (III)
f
dh
b
2/5 h
Diámetro del chorro: d
Anchura de la cazoleta: b = 3,75 d
Altura de la cazoleta: h = 3,50 d
Profundidad de la cazoleta: f = 1,5 d
Diámetro del rodete: D
15172022262830343740Nº caz.
32262218141210864ns
5,6D
d5:sid2
D15 cazoletasºn
<<⋅+=
32.- Turbinas Pelton
46
Componentes: Rodete (IV)
• Rodete lento, ns ≈ 3,5
(pequeños caudales)
4/5
2/1
sH
Potnn ⋅= η⋅⋅= .
H
Qn65,3n
4/3
2/1
s
• Rodete rápido, ns ≈ 35
(grandes caudales relativos)
pequeño es D
d
grande es D
d
32.- Turbinas Pelton
47
Rígidamente unido al rodete y situado adecuadamente sobre cojinetes
debidamente lubricados, transmite el movimiento de rotación al eje del
alternador
En el mismo eje pueden estar unidas varias turbinas y un generador
Componentes: Eje
32.- Turbinas Pelton
48
Componentes: Sistema de Frenado
Además de intercalar totalmente el deflector, se puede disponer de un circuito derivado de la cámara de distribución que permite proyectar agua uno o varios contrachorros incidente sobre la zona convexa de los álabes, favoreciendo el rápido frenado del rodete
Deflector
Contrachorro
32.- Turbinas Pelton
49
Es la envoltura metálica que cubre los inyectores, rodete y otros
elementos mecánicos de la turbina
Su misión consiste en evitar que el agua salpique al exterior cuando,
después de incidir sobre los álabes los abandona
Componentes: Carcasa
32.- Turbinas Pelton
50
Es la zona por donde cae el agua libremente hacia el desagüe, después
de haber movido al rodete. También se conoce como tubería de
descarga
Para evitar deterioros debidos a la acción de los chorros de agua,
especialmente de los originados por la intervención del deflector, se suele
disponer en el fondo de la cámara de descarga de un colchón de agua de
2 a 3 m de espesor. Con el mismo fin, se instalan blindajes, bloques de
granito o placas, situadas adecuadamente, que protegen la obra de
hormigón
Componentes: Cámara de Descarga
Componentes: Blindaje y Destructor de Energía
Protegen la infraestructura contra el efecto destructor del chorro desviado
32.- Turbinas Pelton
51
E Entrada
S Salida
1 Codo de entrada
2 Inyector
3 Tobera
4 Válvula de aguja
5 Servomotor
6 Regulador
7 Mando del deflector
8 Deflector
9 Chorro
10 Rodete
11 Alabes o cucharas
12 Contrachorro
13 Blindaje
14 Destructor de energía
E
S 23
4
6
8
10
11
12
14
13
9
1 5
7
32.- Turbinas Pelton
52
Funcionamiento de una Turbina Pelton:
La sucesiva transformación de la energía se efectúa del modo siguiente:
• La energía potencial gravitatoria del agua embalsada (energía de
presión hasta los orificios de las toberas) se convierte, salvo pérdidas,
en energía cinética al salir el agua a través de dichos orificios en
forma de chorros libres (Ecuación de Bernoulli)
• Se dispone de la máxima energía cinética en el momento en que el
agua incide tangencialmente sobre el rodete, empujando a los álabes
y obteniéndose el trabajo mecánico deseado
• Las formas cóncavas de las cucharas hacen cambiar la dirección del
chorro de agua, saliendo éste, ya sin energía apreciable, por los
bordes laterales sin ninguna incidencia posterior sobre los álabes
sucesivos. De este modo, el chorro de agua transmite su energía
cinética al rodete, donde queda transformada en energía mecánica
32.- Turbinas Pelton
53
Funcionamiento de una Turbina Pelton:
La sucesiva transformación de la energía se efectúa del modo siguiente:
• La energía potencial gravitatoria del agua embalsada (energía de
presión hasta los orificios de las toberas) se convierte, salvo pérdidas,
en energía cinética al salir el agua a través de dichos orificios en
forma de chorros libres (Ecuación de Bernoulli)
• Se dispone de la máxima energía cinética en el momento en que el
agua incide tangencialmente sobre el rodete, empujando a los álabes
y obteniéndose el trabajo mecánico deseado
• Las formas cóncavas de las cucharas hacen cambiar la dirección del
chorro de agua, saliendo éste, ya sin energía apreciable, por los
bordes laterales sin ninguna incidencia posterior sobre los álabes
sucesivos. De este modo, el chorro de agua transmite su energía
cinética al rodete, donde queda transformada en energía mecánica
Inyector
Tubería forzada
Rodete
0
1
2
E
S
pabs = 0 patm
1 bar
p1 = p2 = ps = patm
(cte en el rodete)
Pasa a Ecinética
Ecinética ⇒⇒⇒⇒ Eeje
32.- Turbinas Pelton
54
Triángulos de velocidades (I):
Genérico para Máquinas Hidráulicas:
Triángulo en la entrada y otro Triángulo en la salida
ααααβ
C W
U
Velocidad periférica del rodete
Velocidad del fluido Velocidad relativa
wuc +=
C
Cu
Cm
W
Wu
Wm
mu ccc += mu www +=
αααα β
βα
[ ]UCΛ [ ]UW −Λ
Para Turbinas Pelton:
Triángulo en la salidaTriángulo en la entrada
αααα1=0
C1
W1Uβ1= 180º
αααα2 = ?β2= ?
C2 W2
U
2Ur
1Ur
2Ur
2Cr
2Cr
1Cr U1 = U2
32.- Turbinas Pelton
55
Triángulos de velocidades (II):
• Al ser la trayectoria del líquido tangencial a los álabes, el diámetro
a la entrada y a la salida de la rueda es el mismo, y por tanto ⇒
• Si no hubiese pérdidas en el inyector, el chorro de agua saldría
con una velocidad teórica c1 dada por la ecuación de Torricelli:
• Sin embargo, debido a las pérdidas la velocidad real es:
• Idealmente una T. Pelton alcanza su ηmáx cuando:
n1 Hg2c ⋅⋅=
97,0n11
1
Hg2c≈ϕ
⋅⋅⋅ϕ=
Para Turbinas Pelton:
Triángulo en la salidaTriángulo en la entrada
αααα1=0
C1
W1U1
β1= 180º
2Ur
1Ur
2Ur
2Cr
2Cr
1Cr
21 UU =
n11 Hg245,0c2
1u ⋅⋅⋅=⋅≈
αααα2 = ?β2= ?
C2 W2
U2
32.- Turbinas Pelton
56
Triángulos de velocidades (III):
• Interesa que c2 = 0 (que toda la energía cinética se aproveche), ya
que la energía cinética no aprovechada en la turbina es:
• Debido al rozamiento con el álabe, se cumple que:
• Idealmente a1 = 0º y β1 = 180º; en la práctica a1 ≈ 17º y β1 = 163º
1012 ww
<ψ<⋅ψ=
Para Turbinas Pelton:
Triángulo en la salidaTriángulo en la entrada
αααα1=0
C1
W1U1
β1= 180º
2Ur
1Ur
2Ur
2Cr
2Cr
1Cr
g2
c2
⋅
º163;º17 11 ≈β≈α
αααα2 = ?β2= ?
C2 W2
U2
C1
W1U1 β1≈≈≈≈ 163º
αααα1 ≈≈≈≈ 17
32.- Turbinas Pelton
57
Fuerza sobre los álabes:
Puesto que en una T. Pelton u1 = u2 la expresión anterior queda como:
La componente que da lugar a un par en el eje es la tangencial:
( ) [ ] [ ]( )221121 wuwuQccQF +−+⋅⋅ρ=−⋅⋅ρ=
( )21 wwQF −⋅⋅ρ=
( ) ( )( )2211x coswcoswQF β−π⋅−β−π⋅⋅⋅ρ=
¡¡Cuidado con la definición de los ángulos!!
( )( )221x coswwQF β−π⋅−⋅⋅ρ=
=F
ρ=
==
s
mv
s
mQ
m
kg
s
mv
]s[t
]kg[m
]s[t
]s/m[v]kg[m]s/m[a]kg[m
3
3
2 vQρ=
Fuerza de una corriente:
C es la velocidad del fluido
αααα β
C W
U
32.- Turbinas Pelton
58
Una turbina Pelton trabaja en un salto de 240 m. Los diámetros del chorro y rodete
son 150 mm y 1.800 mm. Si: ;a1=0º;β2= 15º; w2=0,7.w1; y u1=0,45.c1
Calcular:
• La fuerza tangencial ejercida por el chorro en las cucharas
• La potencia transmitida por el agua al rodete
• El rendimiento hidráulico de la turbina
• El rendimiento total si el mecánico es del 0,97
Hg298,0c1 ⋅⋅⋅=
Hg2salidaVelocidadTorricelli ⋅⋅=⇒
2Ur
1Ur
2Cr
1Cr
β2=15
33.- Turbinas Francis
59
Las Turbinas Francis se conocen como turbinas de sobrepresión por ser
ésta variable en el rodete, o también como turbinas de admisión
centrípeta ó total por encontrarse el rodete sometido a la influencia directa
del agua en toda su periferia
Entran en la clasificación de turbinas radiales-axiales y de reacción
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 2 y 200 m3/s aproximadamente)
Las turbinas Dériaz son, esencialmente, turbinas Francis de álabes
orientables
33.- Turbinas Francis
60
Componentes:
Son esencialmente los siguientes:
• Cámara espiral
• Distribuidor
• Rodete
• Tubo de aspiración
• Eje
Palas directrices
Sistema de accionamiento
33.- Turbinas Francis
61
Componentes:
Son esencialmente los siguientes:
• Cámara espiral
• Distribuidor
• Rodete
• Tubo de aspiración
• Eje
Palas directrices
Sistema de accionamiento 1 Caja espiral
2 Distribuidor
3 Rodete
4 Codo de salida
5 Tubo de Aspiración
6 Nivel Inferior
7 Mando del deflectorS Salida
4
1
3
2
5
S
6
33.- Turbinas Francis
62
Componentes: Cámara Espiral
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
33.- Turbinas Francis
63
Componentes: Cámara Espiral
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
Qec
r
3/8 Q
ecr
1/8 Q
ecr
2/8 QRodete
ce cte en toda la espiral
5/8 Q
Cámara Espiral
7/8 Q
6/8 Q
ecr
ecr
4/8 Q
Distribuidor
33.- Turbinas Francis
64
Componentes: Distribuidor
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
33.- Turbinas Francis
65
Componentes: Distribuidor
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
Anillo
Bielas
RodeteAlabes
Brazo
Cerrado Abierto
33.- Turbinas Francis
66
Componentes: Distribuidor
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
Anillo
Bielas
RodeteAlabes
Brazo
Cerrado Abierto
Bielas de mandoBieletas
Anillo de maniobra
Cerrado Abierto
33.- Turbinas Francis
67
Componentes: Distribuidor
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
Anillo
Bielas
RodeteAlabes
Brazo
Cerrado Abierto
Bielas de mandoBieletas
Anillo de maniobra
Cerrado Abierto
33.- Turbinas Francis
68
Componentes: 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 12 y 21,
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
33.- Turbinas Francis
69
El Triángulo de Velocidades es como el genérico para M. H.:
Triángulo en la entrada y otro Triángulo en la salida
ααααβ
C W
U
Velocidad periférica del rodete
Velocidad del fluido Velocidad relativa
wuc +=
C
Cu
Cm
W
Wu
Wm
mu ccc += mu www +=
αααα β
βα
[ ]UCΛ [ ]UW −Λ
⇒<⇒<β 1u11 ucº90 Rodetes rápidos
⇒=⇒=β 1u11 ucº90 Rodetes normales
⇒>⇒>β 1u11 ucº90 Rodetes lentos
Componentes: Rodete (II)
33.- Turbinas Francis
70
ααααβ1 < 90
C W
U
βα
[ ]UCΛ [ ]UW −Λ
ααααβ1 = 90
C W
Uαααα β1 > 90
C W
U
[ ]1u1 UC < [ ]1u1 UC = [ ]1u1 UC >
Rodete Normal Rodete LentoRodete Rápido
D1
D2[ ]21 DD >
ns 50 a 100
D1
D2
[ ]21 DD <
ns 300 a 500
D2
[ ]21 DD ≈
ns 125 a 200
D1
Componentes: Rodete (III)
33.- Turbinas Francis
71
El Triángulo de Velocidades para una turbina Francis es:
βα
[ ]UCΛ [ ]UW −ΛComponentes: Rodete (IV)
C1
U1
W1
β1
αααα1
C2αααα2
β2
wuc +=
Distribuidor
U2W2
aaaa1 viene determinado por el distribuidor
β1 y β2 vienen determinados por el álabe
U1U1
αααα1αααα1 C1C1
U1
33.- Turbinas Francis
72
Componentes: 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 ns altos
Turbina Eje VerticalTurbina Eje Horizontal
Codo
Tubo de Aspiración
33.- Turbinas Francis
73
Sus funciones son:
• 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 (c2)
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%
Componentes: Tubo de Aspiración (II)
33.- Turbinas Francis
74
Sus funciones son:
• 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 (c2)
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%
Componentes: Tubo de Aspiración (II)
Caso A(sin tubo)
Caso B(con tubo)
p2 = patm
p2
Hs
22
1 1
3
p3 = patm
vacio p2
patm
33.- Turbinas Francis
75
Aplicando Bernoulli entre la entrada y la salida de ambas turbinas se obtiene la energía aprovechada en cada caso (HT. A y HT.B):
Componentes: Tubo de Aspiración (III)
A B
22
1 1
patmHs
3
patm
LossA21A.T hHHH −−=
.a.t.LT.L3atm
11
21
.a.t.LT.L33
23
11
21
hhzg
pz
g
p
g2
c
hhzg
p
g2
cz
g
p
g2
c
−−
+
⋅ρ−+
⋅ρ+
⋅=
=−−
+
⋅ρ+
⋅−+
⋅ρ+
⋅=
.T.L2atm
22
11
21 hz
g
p
g2
cz
g
p
g2
c−
+
⋅ρ+
⋅−+
⋅ρ+
⋅=
LossB31B.T hHHH −−=
energía perdidaen la Turbina
energía perdida en el tubo de aspiración
+
⋅ρ+
⋅=−−
+
⋅ρ+
⋅sal
sal2sal
LossTurbinaentent
2ent z
g
p
g2
chHz
g
p
g2
c
energía perdidaen la TurbinaA
B
31.- Generalidades de las Tur. Hid.
76
La ganancia de energía al instalar el tubo de aspiración es:
Componentes: Tubo de Aspiración (IV)
A B
22
1 1
patmHs
3
patm
A.TB.T HHH −=∆
.a.t.LT.L3atm
11
21
B.T hhzg
pz
g
p
g2
cH −−
+
⋅ρ−+
⋅ρ+
⋅=
T.L2atm
22
11
21
A.T hzg
p
g2
cz
g
p
g2
cH −
+
⋅ρ+
⋅−+
⋅ρ+
⋅=
=∆H =
++
⋅ρ−
+
⋅ρ+
⋅= .a.t.L3
atm2
atm22 hz
g
pz
g
p
g2
c [ ] =+−
+
⋅.a.t.L32
22 hzzg2
c
.a.t.Ls
22 hHg2
c−+
⋅=
Recupera energía dela velocidad de salida
Recupera energíade la cota
33.- Turbinas Francis
77
En el tubo de aspiración se producen dos tipos de pérdidas:
• Por fricción en tuboEl tubo se diseña de modo que sean lo más reducidas posibles
• Por descarga del tubo en el canalEl tubo troncocónico tiene menor velocidad de salida
De este modo la energía recuperada en el tubo de aspiración es:
Componentes: Tubo de Aspiración (V)
A B
22
1 1
patmHs
3
patm
[ ].t.s.L.a.t.F.Ls
22 hhHg2
cH +−+
⋅=∆
g2
ch
2.t.s
.t.s.L⋅
=
.a.t.F.Ls
2.t.s
22 hH
g2
ccH −+
⋅
−=∆
.a.t.F.Lh
.a.t.Lh
33.- Turbinas Francis
78
Componentes: Tubo de Aspiración (VI)
A B
22
1 1
patmHs
3
patm
Aplicando Bernoulli entre la entrada y la salida de la T.B se puede calcular la nueva presión en pto 2:
+
⋅ρ+
⋅=−−
+
⋅ρ+
⋅3
323
.t.s.L.a.t.F.L22
22 z
g
p
g2
chhz
g
p
g2
c
[ ] ( )3.t.s.L.a.t.F.L22
22 zhhz
g
p
g2
c=+−
+
⋅ρ+
⋅
[ ].t.s.L.a.t.F.L2
22
32 hhz
g2
cz
g
p++
+
⋅−=
⋅ρ
( ) [ ].t.s.L.a.t.F.L
22
232 hh
g2
czz
g
p++
⋅−−=
⋅ρ
[ ].t.s.L.a.t.F.L
22
s2 hh
g2
cH
p++
⋅+−=
γp2 es negativa
vacio
Expresado en presión relativa
g2
ch
2.t.s
.t.s.L⋅
=
.a.t.L
2.t.s
22
s2 h
g2
ccH
p+
⋅
−+−=
γ
33.- Turbinas Francis
79
Se define el rendimiento del difusor como:
g2
cc
hg2
cc
2.t.s
22
a.t.L
2.t.s
22
d
⋅
−
−⋅
−
=η
sd
2.a.t.s
22 H
g2
ccH +η⋅
⋅
−=∆
Entonces, la ganancia de salto neto generada por el tubo se expresa como:
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 (Hs)
• Recuperar al máximo posible la energía cinética residual a la salida del rodete (c2)
.a.t.F.Ls
2.t.s
22 hH
g2
ccH −+
⋅
−=∆
Componentes: Tubo de Aspiración (VII)
33.- Turbinas Francis
80
El tubo de aspiración se diseña para que cs.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:
( ) aHg
pnf
n
2s1 =
⋅⋅ρ= ( ) 2
2
n
22
s2Hg2
cnf ϕ=
⋅⋅=
Componentes: Tubo de Aspiración: Consideraciones Prácticas (I)
33.- Turbinas Francis
81
La función f1(ns) viene representada en las siguientes curvas:g⋅ρ=γ
Componentes: Tubo de Aspiración: Consideraciones Prácticas (II)
33.- Turbinas Francis
82
La función f2(ns) viene representada en la siguiente curva:g⋅ρ=γ
Componentes: Tubo de Aspiración: Consideraciones Prácticas (III)
33.- Turbinas Francis
83
La presión a la salida del rodete puede llegar a descender de manera
peligrosa, favoreciendo el fenómeno de la cavitación
sd
22atm2 Hg2
c
g
p
g
p−η⋅
⋅−
⋅ρ=
⋅ρ
Puede suceder debido a:
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
• Velocidad excesiva a la salida del rodete
• Altura de aspiración excesiva
Componentes: Tubo de Aspiración: Cavitación
Expresado en presión absoluta
33.- Turbinas Francis
84
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
Funcionamiento de una Turbina Francis:
33.- Turbinas Francis
85
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
Funcionamiento de una Turbina Francis:
Distribuidor
Tubería forzada
Rodete
0
1
2
E
pabs = 0 patm
1 bar
Tubo deaspiración
p1 > patm
Con T. asp.p2 < patm
S
Pasa a Ecinética
Ecinética y Epresión ⇒⇒⇒⇒ Eeje
En el nivel libre
33.- Turbinas Francis
86
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
11nm111m1 bDHg2kbDcQ ⋅⋅π⋅⋅⋅⋅=⋅⋅π⋅= 11nm1 bDHk91,13Q ⋅⋅⋅⋅=
η⋅⋅⋅⋅⋅ρ⋅=η⋅⋅⋅ρ
= 113nm1
n bDHk1855,075
HQPot η⋅⋅⋅⋅⋅= 11
3nm1 bDHk5,185Pot
60
nDHg2u 1
n11
⋅⋅π=⋅⋅⋅ξ= n
1
1 HD
55,84n ⋅ξ
⋅=
η⋅⋅⋅ξ⋅=1
1m11s
D
bk150.1n
45
n
113nm1n
1
1
H
bDHk5,185HD
55,84 η⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ξ
⋅
=4/5
2/1
sPot
Potnn ⋅=
33.- Turbinas Francis
87
Parámetros de diseño (II):
33.- Turbinas Francis
88
Una turbina Francis de eje vertical tiene: diámetros de entrada y salida del rodete
45 y 30 cm; ancho del rodete a la entrada y salida de 5 y 7 cm; los álabes ocupan
un 8% del área a la entrada del rodete, en la salida están afilados; ángulo de salida
del distribuidor 24º; ángulo de entrada y salida a los álabes del rodete 85º y 30º; las
pérdidas hidráulicas en la turbina son de 6 m.c.a.; velocidad de entrada en la
turbina 2 m/s; altura geométrica 54 m; rendimientos mecánico y volumétrico 94% y
100%; no hay tubo de aspiración
Calcular:
• r.p.m
• Alturas neta y útil
• Rendimientos hidráulico y total
• Caudal
• Potencias interna y al freno
34.- Turbinas Kaplan
89
Generalidades (I):
La turbina KAPLAN es, en esencia, una turbina de hélice de álabes
orientables
La turbina DERIAZ es, en esencia, una turbina Francis de álabes
orientables
La principal ventaja que presentan estas turbinas es la posibilidad de
ajustar su geometría, según la carga demandada, a las condiciones de
óptimo rendimiento. Un rodete puede trabajar como infinitos rodetes
Esto produce un cambio importante en el comportamiento de la
turbomáquina a cargas parciales
Dato cronológico: La turbina Kaplan fue presentada en el año 1.925, la
turbina Deriaz en 1.956
La regulación de las turbinas hidráulicas se realiza mediante la variación
del caudal suministrado, a igualdad de salto
34.- Turbinas Kaplan
90
Generalidades (I):
La turbina KAPLAN es, en esencia, una turbina de hélice de álabes
orientables
La turbina DERIAZ es, en esencia, una turbina Francis de álabes
orientables
La principal ventaja que presentan estas turbinas es la posibilidad de
ajustar su geometría, según la carga demandada, a las condiciones de
óptimo rendimiento. Un rodete puede trabajar como infinitos rodetes
Esto produce un cambio importante en el comportamiento de la
turbomáquina a cargas parciales
Dato cronológico: La turbina Kaplan fue presentada en el año 1.925, la
turbina Deriaz en 1.956
La regulación de las turbinas hidráulicas se realiza mediante la variación
del caudal suministrado, a igualdad de salto
34.- Turbinas Kaplan
91
Generalidades (I):
La turbina KAPLAN es, en esencia, una turbina de hélice de álabes
orientables
La turbina DERIAZ es, en esencia, una turbina Francis de álabes
orientables
La principal ventaja que presentan estas turbinas es la posibilidad de
ajustar su geometría, según la carga demandada, a las condiciones de
óptimo rendimiento. Un rodete puede trabajar como infinitos rodetes
Esto produce un cambio importante en el comportamiento de la
turbomáquina a cargas parciales
Dato cronológico: La turbina Kaplan fue presentada en el año 1.925, la
turbina Deriaz en 1.956
La regulación de las turbinas hidráulicas se realiza mediante la variación
del caudal suministrado, a igualdad de salto
34.- Turbinas Kaplan
92
Generalidades (II):
Comportamiento del rendimiento a carga parcial
T. Hélicens = 1050
T. Hélicens = 650
T. Francisns = 250
T. Francisns = 500
T. Kaplanns = 200
T. Peltonns = 20
T. Kaplanns = 500
Rendimientoηηηηt
Q/Qdiseño
10,50
50
100
34.- Turbinas Kaplan
93
Descripción (I):
Las turbinas Kaplan son turbinas de reacción y de admisión total, cuyo funcionamiento es adecuado a pequeños saltos (hasta 50 m) y caudales medios y grandes (15 m3/s). Se conocen también como turbinas de doble regulación
Las turbinas Deriaz son turbinas de reacción y de admisión total, cuyo funcionamiento es adecuado a pequeños y medianos saltos (hasta 200 m) y caudales medios y grandes
Ambas turbinas se adaptan bien al funcionamiento reversible (como bombas), por lo que son adecuadas para las centrales de bombeo
34.- Turbinas Kaplan
94
Un montaje característico de este tipo de turbinas, conjuntamente con el
alternador, constituye los llamados grupos bulbo, propios de las centrales
maremotrices
Descripción (II):
34.- Turbinas Kaplan
95
Descripción (III):
Respecto a las turbinas Francis, las turbinas Kaplan se diferencian de
aquéllas, principalmente, en las características del rodete
34.- Turbinas Kaplan
96
En las turbinas Kaplan las palas del rodete están situadas a un nivel más
bajo que el distribuidor, de modo que la corriente de agua que fluye por
éste incide sobre dichas palas en su parte posterior, en dirección paralela
al eje de la turbina
Descripción (IV):
Palas delrodete
Compuertas deldistribuidor
34.- Turbinas Kaplan
97
En las turbinas Kaplan
Descripción (V):
efnb HHH >>
E S
Rejilla
Compuerta de admisión
A
Z
Dis
trib
uidor
Rodet
eTubo d
e
aspiració
n
34.- Turbinas Kaplan
98
El genérico para M. H.:
Triángulo en la entrada y otro Triángulo en la salida
ααααβ
C W
U
Velocidad periférica del rodete
Velocidad del fluido Velocidad relativa
wuc +=
C
Cu
Cm
W
Wu
Wm
mu ccc += mu www +=
αααα β
El Triángulo de Velocidades en una T. Kaplanβα
[ ]UCΛ [ ]UW −Λ
αααα1
β1
C1 W1 β2
C2W2
U1
U2
Pala Guía
Alabe
35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas
99
Análogamente al estudio de las bombas hidráulicas, se definen las
siguientes alturas (o saltos, denominación más apropiada en el caso de
turbinas):
• Salto bruto: Hb, es la diferencia de cotas geométricas entre el embalse
superior y el canal de descarga
• Salto neto: Hn, es la parte del Hb que se pone a disposición de la turbina,
entre la entrada y la salida de la turbina
Pérdidas externas a la turbina, HL-ext
• Salto efectivo: Hef, es la parte del Hn que se aprovecha en el rodete
Pérdidas internas en la turbina, HL-int
efnb HHH >>
Altura Neta o Salto Neto (I):
extLbn HHH −−=
intLnef HHH −−=
35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas
100
Análogamente al estudio de las bombas hidráulicas, se definen las
siguientes alturas (o saltos, denominación más apropiada en el caso de
turbinas):
• Salto bruto: Hb, es la diferencia de cotas geométricas entre el embalse superior
y el canal de descarga
• Salto neto: Hn, es la parte del Hb que se pone a disposición de la turbina
• Salto efectivo: Hef, es la parte del Hn que se aprovecha en el rodete
Altura Neta o Salto Neto (I):
efnb HHH >>
ZANINSb zzzzH −=−=
extLbn HHH −−=
intLnef HHH −−=
E S
A
Outv
NivelSuperior
Z
Nivel Inferior
35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas
101
Aplicando Bernoulli entre los niveles superior e inferior (secciones A y Z):
( )
⋅++
⋅ρ++=
⋅++
⋅ρ−
g2
vz
g
phH
g2
vz
g
p 2Z
ZZ
extLn
2A
AA
( ) extLbextLZAn hHhzzH −− −=−−= [ ] [ ]ZSLEALextL hhh −−− +=
Altura Neta o Salto Neto (III):
⋅++
⋅ρ+=
⋅++
⋅ρ g2
vz
g
pH
g2
vz
g
p 2Z
ZZ
b
2A
AA
Aplicando Bernoulli entre la entrada y la salida de la turbina (E y S):
( )
⋅
−+−+
⋅ρ
−=
g2
vvzz
g
ppH
2S
2E
SESE
n
⋅++
⋅ρ+=
⋅++
⋅ρ g2
vz
g
pH
g2
vz
g
p 2S
SS
n
2E
EE
0vv BA ≈=
0pp BA ≈=
35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas
102
Según normas internacionales, las secciones de entrada y salida son:
• ENTRADA:
Se encuentra inmediatamente después de la válvula de admisión
• SALIDA:
En las T. de reacción coincide con la sección de salida del tubo
de aspiración
En las T. de acción se encuentra en el punto de tangencia del eje
del chorro con un círculo cuyo centro es el centro del rodete
Antiguamente las normas europeas consideraban la sección de salida en
el nivel inferior (canal de salida). Esto daba mayores valores de salto neto
y por lo tanto menor rendimiento hidráulico (datos de fabricante)
Altura Neta o Salto Neto (IV):
35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas
103
Las pérdidas internas en las turbinas aparecen por la imposibilidad
de realizar una conversión completa de energía hidráulica en mecánica
Se distinguen los siguientes tipos de pérdidas:
• Pérdidas hidráulicas: debidas a rozamientos y choques
• Pérdidas volumétricas: debidas a pequeñas fugas
• Pérdidas mecánicas: debidas a rozamientos mecánicos
Pérdidas, Potencias y Rendimientos (I):
manη
mecη
volηhidη
Totalη
35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas
104
Las pérdidas internas en las turbinas aparecen por la imposibilidad
de realizar una conversión completa de energía hidráulica en mecánica
Se distinguen los siguientes tipos de pérdidas:
• Pérdidas hidráulicas: debidas a rozamientos y choques
• Pérdidas volumétricas: debidas a pequeñas fugas
• Pérdidas mecánicas: debidas a rozamientos mecánicos
Pérdidas, Potencias y Rendimientos (I):
Disminuyen la energía que el fluido puede entregar a la turbina
Se define el rendimiento manométrico como la relación entre la energía
hidráulica utilizada por el rodete y la que se pone a disposición de la turbina (neta)
n
n22n11
n
EULERman
Hg
cucu
H
H
⋅
⋅−⋅==η
35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas
105
Las pérdidas internas en las turbinas aparecen por la imposibilidad
de realizar una conversión completa de energía hidráulica en mecánica
Se distinguen los siguientes tipos de pérdidas:
• Pérdidas hidráulicas: debidas a rozamientos y choques
• Pérdidas volumétricas: debidas a pequeñas fugas
• Pérdidas mecánicas: debidas a rozamientos mecánicos
Pérdidas, Potencias y Rendimientos (I):
Dan lugar a una merma en las prestaciones de la turbina
El rodete recibe un caudal de líquido algo menor que el teórico
Se define el rendimiento volumétrico como:
Q
QQ perd
vol
−=η
volmanhid η⋅η=η
Al igual que en el caso de las bombas hidráulicas, se verifica que:
manhidvol 1 η=η⇒≈η
35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas
106
Las pérdidas internas en las turbinas aparecen por la imposibilidad
de realizar una conversión completa de energía hidráulica en mecánica
Se distinguen los siguientes tipos de pérdidas:
• Pérdidas hidráulicas: debidas a rozamientos y choques
• Pérdidas volumétricas: debidas a pequeñas fugas
• Pérdidas mecánicas: debidas a rozamientos mecánicos
Pérdidas, Potencias y Rendimientos (I):
Disminuyen la energía comunicada al eje. Es decir, la energía hidráulica que el
rodete convierte en energía mecánica no es aprovechable completamente en el
eje de la máquina (potencia al freno)
Se define entonces el rendimiento mecánico como la relación entre la energía
entregada en el eje de la turbina y la hidráulica absorbida por el rodete
EULER
Eje
mecH
H=η
35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas
107
Pérdidas, Potencias y Rendimientos (II):
Potencia entregada a la turbina: Potn
Potencia absorbida por el rodete: Potefec, PotEULER
Potencia útil (al freno, ó en el eje): PotEje, PotUtil
mecefu PotPot η⋅=
n
u
Pot
Pot=η
nn HQgPot ⋅⋅⋅ρ=
efef HQgPot ⋅⋅⋅ρ= [ ]nhid HQg ⋅η⋅⋅⋅ρ=
[ ] mechidnPot η⋅η⋅=
[ ] mecmanvolnPot η⋅η⋅η⋅=
35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas
108
LTub
Embalse
AlternadorEjeTurbina
LHid=Lman+Lvol
Lmec
Potef Potu
Pérdidas, Potencias y Rendimientos (III):
Potn
nn HQgPot ⋅⋅⋅ρ=
efef HQgPot ⋅⋅⋅ρ= mecefu PotPot η⋅=
n
EULERman
H
H=η
Q
QQ perd
vol
−=η
volmanhid η⋅η=η
EULER
Eje
mecH
H=η
mecvolmanTot η⋅η⋅η=η
n
u
Pot
Pot=ηnhidefe PotPot ⋅η=
mecefu PotPot η⋅=
nn HQgPot ⋅⋅⋅ρ=
PotElec
1vol ≈η
elecuelec PotPot η⋅=
35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas
109
Consideraciones sobre el rendimiento manométrico (I):
El rendimiento manométrico se puede expresar en función de los
coeficientes óptimos de velocidad
n
u22u11man
Hg
cucu
⋅
⋅−⋅=η
[ ] [ ] [ ] [ ]n
n2n2n1n1man
Hg
Hg2Hg2Hg2Hg2
⋅
⋅⋅⋅µ⋅⋅⋅⋅ξ−⋅⋅⋅µ⋅⋅⋅⋅ξ=η
( )2211man 2 µ⋅ξ−µ⋅ξ⋅=η
Pérdidas, Potencias y Rendimientos (IV):
n11 Hg2u ⋅⋅ξ= n22 Hg2u ⋅⋅ξ= n1u1 Hg2c ⋅⋅µ= n2u2 Hg2c ⋅⋅µ=
x:x:x:x: Xi
35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas
110
( )222111man coscos2 α⋅ϕ⋅ξ−α⋅ϕ⋅ξ⋅=η
De manera análoga a lo que sucede con las bombas hidráulicas, el
rendimiento máximo de las turbinas hidráulicas tiene lugar cuando en el
triángulo de velocidades a la salida se verifica que aaaa2 = 90º.
11111máxman cos22 α⋅ϕ⋅ξ⋅=µ⋅ξ⋅=η
Pérdidas, Potencias y Rendimientos (V):
Consideraciones sobre el rendimiento manométrico (II):
n11 Hg2c ⋅⋅ϕ= n22 Hg2c ⋅⋅ϕ=
n
u22u11man
Hg
cucu
⋅
⋅−⋅=η
n11 Hg2u ⋅⋅ξ= n22 Hg2u ⋅⋅ξ=
[ ] [ ]n
222111
Hg
coscucoscu
⋅
α⋅⋅−α⋅⋅=
( )2211man 2 µ⋅ξ−µ⋅ξ⋅=η
f:f:f:f: Fi
35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas
111
El grado de reacción se puede expresar en función de los coeficientes
óptimos de velocidad
Consideraciones sobre el grado de reacción:
( )22
211 ϕ−ϕ−=σ
n
d
n
p
H
H1
H
H−==σ
n
22
21
Hg2
cc1
⋅⋅
−−=σ
( ) ( )n
2
n2
2
n1
Hg2
Hg2Hg21
⋅⋅
⋅⋅⋅ϕ−⋅⋅⋅ϕ−=σ
Pérdidas, Potencias y Rendimientos (VI):
n11 Hg2c ⋅⋅ϕ= n22 Hg2c ⋅⋅ϕ=
35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas
112
Permiten aplicar a los prototipos los resultados obtenidos mediante la
experimentación en laboratorio con modelos a escala
También permiten predecir el funcionamiento de una turbina en diferentes
circunstancias de funcionamiento
Se consideran dos turbinas del mismo tipo, geométrica y dinámicamente
semejantes, siendo sus características:
• PROTOTIPO: Potencia N, velocidad n, caudal Q, salto neto Hn y par
motor C
• MODELO: Potencia N’, velocidad n’, caudal Q’, salto neto H’n y par
motor C’
Leyes de Semejanza (I):
1Modelo
Prototipo Geométrica Semejanza de Relación =
35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas
113
Las relaciones de semejanza entre el modelo y el prototipo son (I):
• Número de revoluciones:
- Prototipo:
- Modelo:
60
nDHg2u 1
n11
⋅⋅π=⋅⋅⋅ζ=
60
'n'D'Hg2'u 1n11
⋅⋅π=⋅⋅⋅ζ=
n
n
1
1
'H
H
D
'D
'n
n⋅=
n
n1
'H
H
'n
n⋅λ= −
Leyes de Semejanza (II):
n11 Hg2cQ ⋅⋅⋅ϕ⋅Ω=⋅Ω=
n11 'Hg2''c''Q ⋅⋅⋅ϕ⋅Ω=⋅Ω=n
n
'H
H
''Q
Q⋅
Ω
Ω=
n
n2
'H
H
'Q
Q⋅λ=
• Caudal:
- Prototipo:
- Modelo:
00 b
b
D
D==λ
00 ω
ω
n
n==α
35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas
114
Las relaciones de semejanza entre el modelo y el prototipo son (II):
• Potencia:
- Prototipo:
- Modelo:
Leyes de Semejanza (III):
• Par Motor:
- Prototipo:
- Modelo:
η⋅⋅⋅⋅ρ= nHQgPot
η⋅⋅⋅⋅ρ= n'H'Qg'Potn
n
'H'Q
HQ
'Pot
Pot
⋅
⋅=
3
n
n2
'H
H
'Pot
Pot
⋅λ=
n2
Pot60PotPar
⋅π⋅
⋅=
ω=
'n2
'Pot60
'
'Pot'Par
⋅π⋅
⋅=
ω=
n
n
3
n
n2
H
'H
'H
H
n'Pot
'nPot
'C
C⋅λ⋅
⋅λ=
⋅
⋅=
n
n3
'H
H
'C
C⋅λ=
00 b
b
D
D==λ
00 ω
ω
n
n==α
35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas
115
La principal aplicación de las turbinas hidráulicas es la producción de
energía eléctrica en las centrales hidroeléctricas, la regulación de la
velocidad de giro resulta fundamental
Los grupos turbina – alternador han de funcionar siempre a velocidad
constante, que será la velocidad de sincronismo
p
000.3
p
f60n =
⋅=
Regulación (I):
Para regular la velocidad de la turbina, lo que se hace es abrir o cerrar el
distribuidor en función de la carga demandada en cada instante
Esta regulación es siempre automática
El sistema de control, de lazo cerrado
35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas
116
Esquema básico de un regulador de bolas
Regulación (II):
35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas
117
Una T.F. tiene los Øent = 630 mm y Øsal = 390 mm, con los anchos de entrada y
salida de 95 y 100 mm, si α1 = 8º y β1 = 70º. Los álabes ocupan el 15% de la
entrada al rodete, siendo afilados a la salida. Los rendimientos son ηman = 0,89,
ηvol = 1, y ηmec = 0,92. HL-Dis-Rod = 2,5.c2u2/g. La entrada a la turbina y la salida del
rodete están 4 m por encima del canal de desagüe. Si cuando fluye el agua un
manómetro a la entrada marca 25 m.c.a. (y se puede despreciar la energía
cinética en la tubería de alimentación), calcular:
• Hn, rpm, Q, PotUtil, ns, LTubo-Asp
• % de la energía recuperada en el tubo de aspiración (suponiendo que la energía del agua a la entrada, la energía cinética del agua a la salida del rodete y la fricción en el mismo son ctes)