EQUIPOS ELECTROMECANICOS

Mg. Amancio Rojas Flores

I. CASA DE MAQUINAS

En un aprovechamiento hidroelctrico, la casa de mquinas tiene como misin proteger el equipo electro-hidrulico que convierte la energa potencial del agua en electricidad, de las adversidades climatolgicas. El nmero, tipo y potencia de las turbinas, su disposicin con respecto al canal de descarga, la altura de salto y la geomorfologa del sitio, condicionan la topologa del edificio

Como se observa en las figuras 1 y 2, la casa de mquinas puede albergar los equipos siguientes:

Compuerta o vlvula de entrada a las turbinas Turbinas Multiplicadores (si se necesitan) Generadores Sistemas de control Equipo elctrico Sistemas de proteccin Suministro de corriente continua (control y emergencias) Transformadores de potencia e intensidad Etc.

Figura 1: Vista esquemtica de una central de baja altura de salto.

Figura 2: Vista esquemtica de una central Saltos medios y altos

Foto 1: Perspectiva de una mini-central tpica

II. TURBINAS HIDRULICAS

Figura 3: Esquema de un aprovechamiento hidroelctrico y secciones de medida

2.1 Tipos y configuraciones

La energa potencial del agua, se convierte en energa motriz en la turbina, con arreglo a dos mecanismos bsicamente diferentes:

En el primero, la energa potencial se transforma en energa cintica, mediante un chorro de gran velocidad, que es proyectado contra unas cazoletas, fijas en la periferia de un disco. A este tipo de turbinas se las conoce como turbinas de accin. Como el agua, despus de chocar contra las cazoletas, cae al canal de descarga con muy poca energa remanente, la carcasa puede ser ligera y solo tiene por misin evitar accidentes e impedir las salpicaduras del agua.

En el segundo, la presin del agua acta directamente sobre los alabes del rodete, disminuyendo de valor a medida que avanza en su recorrido. A este tipo de turbinas se las conoce como turbinas de reaccin. Al estar el rodete completamente sumergido y sometido a la presin del agua, la carcasa que lo envuelve tiene que ser suficientemente robusta para poder resistirla.

La potencia hidrulica a disposicin de la turbina viene dada por

WHgQPh Q = flujo msico [kg/s] = densidad del agua [kg/m3] Q = caudal [m3/s] gH = energa hidrulica especfica de la maquina [J/kg] g = constante gravitacional [m/s2] H = salto neto [m]

La potencia mecnica de la turbina viene dada por:

WPP hm *

La energa hidrulica especfica de la turbina viene dada por la ecuacin:

mzzgvvppE )()(2

1)(

121

2

2

2

121

En la que gH = energa hidrulica especfica de la turbina [J/kg] px = presin en la seccin x [Pa] vx = velocidad del agua en la seccin x [m/s] zx = altura de la seccin x [m]

En la que

g

EH n

El salto neto viene definido como:

TURBINAS DE ACCIN

Son turbinas de accin en las que la tobera o toberas transforman la energa de presin del agua en energa cintica.

Como la energa cintica del agua al abandonar las cazoletas se pierde, estas se disean para que las velocidades de salida sean mnimas.

Turbina Pelton

Figure 4: Seccin transversal de una tobera con deflector

Figura5: Vista de una Pelton de dos toberas horizontal

Figura 6 Pelton vertical de seis toberas

El rotor suele estar directamente acoplado al generador y situado por encima del nivel aguas abajo de la turbina.

En la turbina Pelton el chorro incide, como puede verse en la figura 6, con un ngulo de 90 respecto al plano diametral del rodete.

Figura 7

El rendimiento de una Pelton se mantiene elevado, para caudales entre el 30% y el 100% del mximo, en turbinas de una sola tobera y, entre el 10% y el 100% para turbinas de dos o ms toberas

Turbina Turgo

La turbina Turgo puede trabajar en saltos con alturas comprendidas entre 50 y 300 metros. Como la Pelton, se trata de una turbina de accin, pero sus alabes tienen una distinta forma y disposicin.

El chorro incide con un ngulo de 20 respecto al plano diametral del rodete (Fig 7), entrando por un lado del disco y saliendo por el otro.

A diferencia de la Pelton, en la turbina Turgo el chorro incide simultneamente sobre varios alabes, de forma semejante a como lo hace el fluido en una turbina de vapor. Su menor dimetro conduce, para igual velocidad perifrica, a una mayor velocidad angular, lo que facilita su acoplamiento directo al generador.

Su rendimiento es inferior al de una Pelton o una Francis, y se mantiene entre lmites aceptables para caudales entre el 20% y el 100% del mximo de diseo.

Turbina de flujo cruzado

Esta turbina, conocida tambin como Michell-Banki en recuerdo de sus inventores, se utiliza en una gama muy amplia de alturas de salto (de 5m a 200 m).

Su rendimiento mximo es inferior al 87%, pero se mantiene entre lmites aceptables para caudales entre el 16% y el 100% del caudal mximo de diseo.

Turbina Francis

Son turbinas de reaccin de flujo radial y admisin total, muy utilizadas en saltos de altura media (entre 25m y 350m), equipadas con un distribuidor de alabes regulables y un rodete de alabes fijos. En las turbinas Francis rpidas la admisin es radial y la salida es axial. La foto muestra una turbina Francis de eje horizontal con el tubo de aspiracin en primer plano

Los alabes distribuidores giran sobre su eje, mediante bielas conectadas a un gran anillo exterior que sincroniza el movimiento de todos ellos.

Estos alabes pueden utilizarse para cerrar la entrada del agua en casos de emergencia, pese a lo cual sigue siendo necesaria la vlvula de mariposa que, en esos casos, cierra la entrada del agua a la espiral. El rodete transforma la energa hidrulica en energa mecnica y devuelve el agua al tubo difusor.

Figura 10 Esquema de funcionamiento de los alabes directores

Figura11 Accionamiento del distribuidor

Foto 4: Rodete de una turbina Francis

Foto5: Vista de una turbina Francis

Turbinas Kaplan y de hlice

Son turbinas de reaccin de flujo axial generalmente utilizadas en saltos de 2 a 40 m. Los alabes del rodete en las Kaplan son siempre regulables, mientras que los de los distribuidores, pueden ser fijos o regulables

Si ambos son regulables la turbina es una verdadera Kaplan; si solo son regulables los del rodete, la turbina es una Semi-Kaplan. Cuando los alabes del rodete son fijos, la turbina se denomina de hlice.

Se utilizan en aprovechamientos en los que tanto el caudal como el salto permanecen constantes, lo que las hace poco tiles en el caso de la pequea hidrulica.

Figura 12: Esquema de una Kaplan vertical de doble regulacin

La turbina bulbo es una derivacin de las anteriores, caracterizada porque el agua pasa axialmente a travs de alabes directrices fijos y porque el generador y el multiplicador (si existe) estn contenidos en una carcasa estanca, con forma de bulbo, sumergida en el agua.

Turbina bulbo

Figura13: Seccin transversal de una turbina bulbo

2.2 Velocidad especfica y semejanza

La velocidad especfica de una turbina se define como la velocidad de una turbina homologa, de un tamao tal que, con una unidad de salto produce una unidad de potencia.

De acuerdo con la anterior definicin y las citadas normas, la velocidad especfica de una turbina viene dada por la formula

4/1E

QnQE

Q = caudal (m3/s) E = energa hidrulica especfica de la maquina [J/kg] n = velocidad rotacional de la turbina [rps] QE no es un parmetro adimensional.

Cuando se calcula en unidades SI, la velocidad especifica s viene dada por la frmula:

4/5H

Qns En donde:

n; velocidad en rpm, P ;potencia en kW H ;altura de salto neta en metros.

QEs *995

Algunos autores empleaban como velocidad especfica la Q en funcin del caudal y de la altura neta de salto:

4/5/

gH

PQ

QEQ *333

Figura 15: Perfil de los rodetes en funcin de su velocidad especfica

En general, los fabricantes de turbinas dan la velocidad especfica de sus turbinas. Un gran nmero de estudios estadsticos, realizados sobre turbinas en funcionamiento, han permitido relacionar la velocidad especfica con la altura de salto neto, en cada tipo de turbina,. La Tabla 2 y la figura 16 nos muestran esa correlacin para cinco tipos distintos de turbinas.

Tabla 2 Correlacin entre velocidad especfica y altura de salto neto

Figura 16 Correlacin entre altura de salto neta Hn y velocidad especfica QE

La tabla 3, muestra las velocidades especficas tpicas de cuatro tipos de turbinas

Tabla.3: Rango de velocidades especficas para cada tipo de turbina

La velocidad especfica en las turbinas Pelton aumenta con la raz cuadrada del nmero de toberas. As la velocidad especfica de una Pelton de cuatro toberas (es raro encontrar en las PCH turbinas Pelton de ms de cuatro toberas) es el doble del de una turbina de una tobera.

Las leyes de semejanza incluyen la exigencia de que ambas turbinas tengan el mismo coeficiente volumtrico, para lo que la turbina industrial y el modelo debern cumplir con las siguientes ecuaciones:

2

2

m

t

m

t

m

t

D

D

H

H

Q

Q

t

m

m

t

m

t

D

D

H

H

en las que el sufijo t corresponde a la turbina industrial y el m al modelo de laboratorio

2.3 Diseo preliminar

Conviene recordar que el diseo de una turbina es el resultado de un proceso iterativo en el que se tienen en cuenta mltiples criterios: lmites de cavitacin, velocidad de rotacin, velocidad especfica, altura de salto etc

El primer paso del diseo, sea cual sea el tipo de turbina, es la eleccin de la velocidad de rotacin.

Turbinas Pelton

Conocida a priori la velocidad n de giro del rotor, su dimetro se deducir de las siguientes ecuaciones:

En donde: n es la velocidad de rotacin en rps y nch es el nmero de toberas.

mgH

QD

mH

QB

mn

HD

ch

e

nch

n

1**178,1

1**68,1

*68,0

2

1

D1 se define como el dimetro del circulo que describe la lnea del eje de las toberas. B2 es la anchura de la cazoleta, que es funcin del caudal y del nmero de toberas y De es el dimetro de la tobera.

En general la relacin D1/B2 es siempre superior a 2,7. Si no fuese as habra que recalcular las ecuaciones con menor velocidad de rotacin o con mayor nmero de toberas.

El caudal es funcin de la apertura de la tobera Cp si tiene una sola tobera ser el caudal total y se puede estimar por la siguiente formula

smgHDKQ cvch /2*4

* 32

En la figura se da el valor Kv para cada valor de la apertura relativa a = Cp/Dc

Turbinas Francis

Las turbinas Francis cubren un amplio espectro de velocidades especficas, desde 0,05 para las lentas de gran altura de salto hasta 0,33 para las de baja altura de salto.

*60*)*488,231,0(*5,843

n

QE

HD

31 *095,0

4,0 DDQE

El dimetro de entrada D2 viene dado, para QE > 0,164

QE

DD

*781,096,03

2

Para QE < 0,164 se puede admitir que D1 = D2

Turbinas Kaplan

En la fase preliminar del proyecto, el dimetro exterior De puede calcularse con

*60*)*602,179,0(*5,842

n

QE

HD

El dimetro Di del eje del rodete se calcula por la frmula

21 *0951,0

25,0 DDQE

2.4 Criterios para la seleccin de la turbina.

El tipo, geometra y dimensiones de la turbina estn condicionados, fundamentalmente, por los siguientes criterios:

Altura de salto neta Rgimen de caudales a turbinar Velocidad de rotacin Problemas de cavitacin Velocidad de embalamiento Costo

Tabla 4: valores de salto en metros

Tabla 5: Sensibilidad a variaciones de salto y caudal

Tabla 6: velocidad de sincronismo de los generadores

Velocidad de embalamiento.

Cuando, trabajando a plena potencia hidrulica, desaparece sbitamente la carga exterior, bien sea por corte del interruptor o por fallo en la excitacin del alternador, la turbina aumenta su velocidad hasta alcanzar lo que se conoce como velocidad de embalamiento. Esa velocidad vara con el tipo de turbina, el ngulo de apertura del distribuidor y la altura de salto. La tabla 8 muestra la relacin entre la velocidad de embalamiento y la normal de rotacin

Tabla 7 Relacin entre velocidad de rotacin y de embalamiento

Tabla 8: Rendimientos tpicos de pequeas turbinas

2.5 Rendimiento de las turbinas

h

mec

P

P