Curso: TURBINAS HIDRÁULICAS I(ACH03)

Objetivo General: Reconocer el principio de funcionamiento y los elementos que constituyen una turbina hidráulica.

Gestores de Contenidos : Álvaro Neva Rodríguez y Horacio Charry López

UNIDAD VSISTEMAS ANEXOSObjetivo: Dar a conocer los sistemas anexos a las turbinas.

LOS COJINETES Y SUS SISTEMAS DE LUBRICACIÓN. REGULADOR DE VELOCIDAD DE LA TURBINA. SISTEMAS DE AIREACIÓN.

LOS COJINETES Y SUS SISTEMAS DE LUBRICACIÓN

Cojinete se define como una pieza de metal u otro material en la que se apoya y gira cualquier eje de maquinaria.

En una unidad de generación de una central hidráulica, los cojinetes también conocidos como descansos, son los apoyos que tienen dentro de sus funciones principales soportar y transmitir los esfuerzos o cargas que se originan en las unidades de generación, por efecto de su propio peso y la descomposición de las fuerzas que dan lugar a la conversión de la energía hidráulica en energía mecánica y finalmente en energía eléctrica.

Lección 12Sistemas anexos.

Los cojinetes son del tipo radial y axial o mixto, es decir una combinación de los dos. Los cojinetes radiales como su nombre lo indica soportan los esfuerzos en sentido del radio del eje, y los axiales soportan los esfuerzos en el sentido del eje perpendiculares a su radio. Como ya se dijo, en las turbinas, la componente de fuerza tangencial al eje es la que la impulsa y la hace girar entregando así la potencia requerida según su diseño.

Es necesario aclarar que los esfuerzos puros en uno u otro sentido no se dan de una manera absoluta en la práctica, se obtienen de la descomposición de las fuerzas que actúan en el elemento analizado.

Por lo general, una unidad de generación de una central hidráulica posee tres cojinetes, dos radiales y uno axial.

Normalmente a la turbina se asocia un cojinete radial, llamado cojinete guía; para el caso de las turbinas de eje vertical, es el que se encarga de mantener perfectamente en esta posición vertical el mencionado eje o árbol de la turbina. Para las turbinas de eje horizontal este cojinete además de guiar el eje en este sentido, soporta proporcionalmente el peso de la unidad de generación.

El cojinete axial, mas conocido como cojinete de empuje puede asociarse según el diseño bien sea a la turbina o al generador; su función principal para el caso de las unidades de eje vertical es soportar el peso de la máquina, además de los esfuerzos axiales debidas a los procesos de conversión de energías; en las turbinas de reacción también deben absorber los esfuerzos debidos al empuje hidráulico. En las unidades de eje horizontal, este cojinete de empuje queda liberado del peso de la unidad, teniendo que soportar solamente los esfuerzos axiales debidos al proceso de conversión de energía hidráulica en eléctrica, pasando por la energía mecánica.

Los cojinetes que se usan en las unidades de generación son del tipo hidrodinámico o de fricción, que requieren un suministro permanente de lubricante; el eje, en su giro, hace de bomba, dándole una presión al aceite de tal forma que se crea una película del mismo que impide que el eje toque al soporte. Este soporte que es una camisa cilíndrica o una pista en forma de corona circular según el cojinete sea radial o axial, puede estar dividido en sectores conocidos como zapatas o patines.

Cojinetes en una unidad de generación de una central hidráulica con turbinas Pelton de eje Horizontal

Cojinete de turbina Pelton de eje horizontal

Esquema del patín del cojinete de empuje de una unidad de generación con turbina Francis de eje vertical de la Central Betania en Colombia

Estas presiones a las que se ve sometido el lubricante hacen que éste se caliente, por lo que es necesario un flujo continuo del mismo para evacuar el calor generado.

Dependiendo de la carga del eje, se deberá utilizar en el cojinete una inyección de aceite a presión proveniente de una bomba o simplemente será suficiente asegurar, mediante unos aros de arrastre, la llegada del aceite a la parte superior del cojinete, en donde, por gravedad, entra en el espacio comprendido entre el eje y el cojinete.

Una clase de cojinete guía que se instala en la turbina, es del tipo de zapatas autocentrantes con muñón esférico en baño de aceite. El cojinete de empuje en la mayoría de los casos es del tipo con zapatas orientables sumergidas en aceite; este cojinete en las unidades de eje vertical posee para las zapatas un sistema de equilibrio de la carga, que puede ser de resortes o con cámaras hidráulicas comunicadas entre sí.

Disposición patines del cojinete de empuje de una unidad de generación

con turbina Francis de eje vertical de la Central Betania en Colombia

Los cojinetes inmersos en aceite por lo general no requieren aros de arrastre para la lubricación.

El soporte sobre el cual gira el eje como es el caso de las zapatas también conocidas como patines poseen una capa de material antifricción que se conoce como babbit; en la actualidad se ha iniciado el uso de otros materiales como es el teflón.

Para mantener el valor óptimo de la temperatura del aceite y por ende de las partes de los cojinetes, se instala un sistema de enfriamiento de ese aceite, que puede ser externo o interno; como medio de enfriamiento se utiliza el agua en un circuito que puede ser abierto o cerrado.

En un sistema de enfriamiento externo, el aceite es impulsado regularmente por una bomba hacia los intercambiadores de calor, regresado al cojinete después de enfriado. En este sistema de enfriamiento, se disponen filtros para el aceite tanto en el lado de aspiración como en la descarga.

En un sistema de enfriamiento interno, un serpentín en tubería que

Sistema de enfriamiento de aceite del cojinete guía generador de una unidad de la Central Betania en Colombia

puede ser de cobre, se instala sumergido dentro del aceite del cojinete; el agua de enfriamiento se hace circular por este serpentín.

Un aspecto muy importante de estos sistemas de enfriamiento es el cuidado a tener para evitar que daños de los intercambiadores o serpentines ocasionen contaminación con agua del aceite de los cojinetes; si esto ocurre es necesario dejar fuera de servicio la unidad de generación para regenerar o cambiar el aceite y evacuar toda el agua que haya ingresado al cojinete afectado.

La inyección de aceite a presión que se mencionó anteriormente es utilizada regularmente en los cojinetes de empuje, sobre todo en las máquinas de eje vertical. El objeto del sistema de inyección es el de formar una película de aceite entre las superficies del cojinete antes del arranque de la unidad; este sistema posee filtros antes y después de la bomba.

El aceite mas utilizado en la lubricación de cojinetes es del tipo 5,5 ° E - ISO VG 68.

Intercambiadores y tuberías del sistema de enfriamiento de aceite del cojinete guía de la turbina de la turbina Francis de la Central Betania en Colombia

REGULADOR DE VELOCIDAD DE LA TURBINA

El objeto del regulador es el de controlar de manera continua y precisa la velocidad (rpm) de la turbina al variar las cargas y las condiciones de trabajo. Este control se realiza en el caso de las Francis y las Kaplan mediante los alabes móviles y para las Pelton con los inyectores, que modulan el flujo del agua que alimenta la turbina. La razón para controlar la velocidad de la turbina es que se debe mantener una frecuencia constante de la energía eléctrica entregada por la unidad de generación en forma de corriente alterna; esta frecuencia es de 50 o 60 Hz dependiendo de lo establecido en cada país o región.

En las turbinas antiguas el regulador de velocidad es del tipo mecánico, constituido por un sistema de pesas, contrapesas y palancas; este tipo de regulador se encuentra en desuso.

El regulador mas utilizado en la actualidad corresponde al tipo electrohidráulico, en este la señal de velocidad de la turbina producida por el generador de señales de velocidad (S.S.G) es procesada y

Diagrama básico de bloques de un regulador de velocidad P.I.D. de turbina

comparada con las señales de retroalimentación o “feedback”; la señal resultante elaborada es enviada al transductor que controla y modula los servomecanismos hidráulicos que comandan los álabes giratorios o inyectores según sea el tipo de turbina. Este proceso se puede apreciar en lo que se conoce para los reguladores de velocidad como diagrama básico de bloques.

Además del S.S.G. generalmente se instalan dos dispositivos, uno hidráulico y otro eléctrico que impiden alcanzar la velocidad de embalamiento de la unidad de generación.

En las turbinas Pelton como parte del regulador se tiene el accionamiento de los deflectores en el proceso de detención de la turbina en casos de emergencia.

La parte hidráulica del regulador tiene el aceite en una cuba donde se controla la temperatura con un sistema de enfriamiento como el que se mencionó en los cojinetes, regularmente se usa el de serpentín.

Interior cuba regulador

Cilindro hidráulico o servomotor regulador

Serpentín enfriamiento regulador

Aguja inyector turbina Pelton

ARMARIO DE CONTROL DEL REGULADOR

ELECTROHIDRÁULICO

CENTRAL BETANIA

Este aceite es enviado por medio de bombas a un tanque acumulador que lo mantiene a presión, merced a un sistema de aire comprimido a la presión necesaria. Finalmente este aceite bajo presión alimenta los servomecanismos para el control de la apertura y el cierre de los alabes móviles y las agujas de los inyectores, completándose así el ciclo de regulación. Se debe tener en cuenta que para mantener el aceite a presión, también hay soluciones con acumuladores de nitrógeno.

En la figura de la lámina siguiente se presenta el esquema oleohidráulico del regulador de velocidad de las turbinas Francis de la central Betania en Colombia; se destaca el actuador que comanda la válvula de distribución D.C. que envía el aceite a presión a los servomotores bien sea para abrir o cerrar los alabes móviles según se indica.

En esta parte hidráulica del regulador, el aceite mas utilizado también es del tipo 5,5 ° E - ISO VG 68.

SISTEMAS DE AIREACIÓN

En las turbinas se disponen sistemas de aireación externos que inyectan aire al interior de la turbina durante su funcionamiento.

Esquema hidráulico del regulador de velocidad – Turbina Francis Betania

En las turbinas Pelton, se inyecta aire con el fin de evitar pérdidas de rendimiento y se hace a la presión atmosférica.

En la turbinas Francis durante regímenes de operación tanto a bajas como altas cargas, se pueden originar muy bajas presiones favoreciendo los fenómenos cavitatorios, de tal forma que cuando se producen las implosiones se presentan golpeteos y vibraciones en la turbina; por ende y según la necesidad, se inyecta aire a su interior para mitigar dichos fenómenos, evitando que las presiones desciendan de manera tan acentuada, mejorando la condición de funcionamiento de éstas turbinas en estos regímenes.

La inyección de aire se puede hacer a presión atmosférica o con aire comprimido y se realiza tanto en la tapa superior de la turbina como en el tubo de aspiración.

OTROS SISTEMAS ANEXOS

•Lubricación centralizada. Las articulaciones y apoyos de los elementos de transmisión de movimiento desde los servomecanismos a los alabes móviles y agujas de los inyectores, necesitan lubricarse; esto se realiza de modo manual o automático con una bomba que

• Sello del eje de la turbina. Este sello se proyecta de tal forma que las pérdidas de agua hacia el exterior de la turbina durante su funcionamiento, sean mínimas. Regularmente está constituido por anillos de sellado en oleolite o carbón, que sientan en una pista.

• En las turbinas Pelton de gran tamaño se dispone de un sistema independiente de frenado rápido o de emergencia de la turbina, aprovechando el agua de la tubería de carga o de presión. Caudales de agua a presión llamados contrachorros inciden en la rueda en sentido contrario a la dirección del agua de los inyectores; para esto se tiene un sistema provisto de válvula de alimentación tuberías de conducción y boquillas, el agua de alimentación es tomada antes de al válvula esférica.

alimenta el sistema de lubricación centralizada por grasa. En la actualidad por razones restrictivas ambientales, se están implementando materiales autolubricados en lugar del sistema tradicional mediante grasa.

Lubricación centralizada con grasa de articulaciones y apoyos

Articulaciones y apoyos con elementos autolubricados

TURBINA FRANCIS

Algunos apoyos que requieren lubricación. En los mismos se pueden usar materiales autolubricados.

Detalle C - Sello del eje de una turbina con rueda Francis

Parte 51: Anillo de asiento del sello, gira con el eje.

Partes 5 y 6: Sellos fijos o estáticos en Oleolite.

Detalle del sello del eje de una turbina con rueda Francis

Has Finalizado la UNIDAD 5

Sistemas anexos

1. Identifica la importancia de los sistemas anexos descritos en esta unidad 5 que hagan parte de la(s) turbina(s) instaladas en tu central.

2. Consigue ejemplos de los tipos de cojinetes y reguladores de velocidad que mas se utilizan.

Actividades