Gabriel Ibarra MH 2009/10 1 Máquinas hidraúlicas Gabriel Ibarra [email protected] Curso...

Gabriel Ibarra MH 2009/10 1

Máquinas hidraúlicas

Gabriel Ibarra [email protected]

Curso 2009-2010. Escuela Superior de Ingeniería de Bilbao


MAQUINAS HIDRAULICASIntercambian energía con un fluido incompresible

Energía (mcl J/N)= C2/2g + P/γ +zTérmino cinético= C2/2g

Término de presión= P/γ

Cota= z

Ecuación de la energía en una línea de corriente

C12/2g + P1/γ +z1 = C2

2/2g + P2/γ +z2 + Σ pérdidas 1->2

Entre 1 y 2 se pueden reordenar Ec, presión, cota


MAQUINAS HIDRAULICAS

1º Clasificación

Extraen (Turbinas)-Agua /aereogeneradores (Aire)

Aportan (Bombas)-Líquido /ventiladores (Gases)


MAQUINAS HIDRAULICAS

2º Clasificación Rotodinámicas (Intercambio par-eje) Turbinas-Bombas Desplazamiento positivo (Pístón-émbolo) Sólo bombas


MAQUINAS HIDRAULICAS 3º Clasificación. Intercambio. Acción (Sólo término cinético) Sólo turbinas (Pelton, Turgo, Banki-Mitchell)

Reacción (Término cinético + Presión) Turbinas (Francis-Helice-Kaplan) y Bombas (rotodinámicas)


MAQUINAS HIDRAULICAS 4º Clasificación. Dirección flujo Radiales

TURBINAS (Francis) BOMBAS (Centrífugas)


MAQUINAS HIDRAULICAS 4º Clasificación. Dirección flujo Axiales

TURBINAS (Hélice-Kaplan) BOMBAS (Hélice)


MAQUINAS HIDRAULICAS 4º Clasificación.Dirección flujo Flujo mixto

TURBINAS (Deriaz) BOMBAS (Hélicocentrífugas)


TURBINASPELTON


TURBINASTURGO


TURBINASBANKI-MITCHELL (OSSBERGER-FLUJO CRUZADO)


TURBINASFRANCIS


TURBINASHELICE-KAPLAN


TURBINASKAPLAN DERIAZ


CENTRIFUGAS HELICOCENTRIFUGAS AXIALES

BOMBAS


TURBINASTurbina

hidráulica

Regulación:

alternadores síncronos

1. Ngiro x p = 60 x f

2. p =Factor constructivo del alternador. Número de pares de polos

3. f = 50 Hz (Europa). 60 Hz (América)

4. f depende de la Ngiro . Para f=50 Hz, Ngiro = N sincronismo = Constante

5. Cm - Cr = I x dw/dt. Si Ngiro = constante, dw/dt=0, Cm – Cr = 0, Cm = Cr

6. El Cr varía con las oscilaciones de la demanda eléctrica

7. Si Cm-Cr debe ser 0 para dw/dt =0, Ngiro=cte, f=cte (50 Hz), el Cm debe seguir la evolución del Cr

8. Para ello, debe existir un elemento del control del par motor Cm

9. Regulación: a cambios en Cr se actúa sobre dicho elemento para variar Cm

10.Regulación mecánica (antes) o electrónica (actualmente).Tacómetro.

Alternador

síncrono

Par motor Cm

Par resistente Cr

Red eléctricaAgua


TURBINASSISTEMA

TURBINA

INPUTPotencia hidráulica

OUTPUTPotencia mecánica

Energía y potencia

1. Salto neto: Hn. Energía puesta a disposición de la turbina (J/N)=mca

2. Salto bruto: Hb. Desnivel geométrico aprovechable

3. Energía hidráulica específica neta E es Hn expresado en (J/kg)

4. E=gHn

5. Potencia hidráulica contenida en el agua (Ph)

6. Ph=γQHn =ρQE

7. Potencia mecánica (Pm) transmitida al alternador

8. Rendimiento turbina=OUTPUT/INPUT

9. ηturbina= Pm/Ph

10.Hn= Hb- Σpérdidas hasta entrada turbina

11.Hn=Energía agua antes de la turbina-Energía después de la turbina=Energía puesta a disposición de la turbina


BOMBASSISTEMA

BOMBA

OUTPUTPotencia hidráulica

INPUTPotencia mecánica

Energía y potencia

1. Altura manométrica: Hm. Energía transmitida al líquido bombeado (J/N)=mcl

2. Energía hidráulica específica E es Hm expresado en (J/kg)

3. E=gHm

4. Potencia hidráulica transmitida al líquido (Ph)

5. Ph=γQHm =ρQE

6. Potencia mecánica (Pm) puesta en el eje por el motor de accionamiento=Potencia en el eje

7. Rendimiento bomba=OUTPUT/INPUT

8. ηbomba= Ph/Pm


CENTRALES HIDROELECTRICAS1. Central de embalsamiento. Represamiento. Amortigua las oscilaciones

del ciclo hidrológico.

2. Central reversible. Funciona turbina/bomba: generador/motor


CENTRALES HIDROELECTRICAS3. Central agua fluyente. Sin represamiento.


CENTRALES HIDROELECTRICAS4. Central mareomotriz (I) . Aprovecha los ciclos de marea.


CENTRALES HIDROELECTRICAS4. Central mareomotriz (II) . Turbina tipo Bulbo.


TURBINASDefinir Hb (Hn) y Q del emplazamiento. Es necesario un

estudio previo de las características hidrológicas.

1. Salto bruto. Cambia con el ciclo hidrológico estacional-anual...

2. Caudal. Cambia con el ciclo hidrológico estacional-anual...

Hb


TURBINAS-QEstudio del Q del emplazamiento (años). Mediciones en la

corriente.

Caudal. Cambia con el ciclo hidrológico estacional-anual...

Ríos pequeños. Montaña. Cajón tarado.

Regla


TURBINAS-Q

S1 S2 Sn

Sm


TURBINAS-QHIDROGRAMA


TURBINAS-QCURVA DE CAUDALES CLASIFICADOS (Log)


TURBINAS-Q-HnFracción para turbinar

Concesión administrativa

Caudal ecológico

Otros usos

Con la información se define caudal de equipamiento

Se define Hn de diseño y Q de diseño (criterios)

Puede haber uno o mas grupos para segmentar la variación de caudales anuales

Se elige la turbina. Puede o no coincidir con ηóptimo

La máquina debe funcionar en la zona de buen rendimiento

La máquina varía a lo largo del año el punto Hn-Q

Diseño: Baricentro: Maximizar producción eléctrica


TURBINAS-ωVelocidad de rotación. Caso Pelton (I)

Caso Pelton

Aplicable a otras máquinas (turbinas y bombas)

F depende de Q y velocidad del chorro (1º T. Euler TM)

El par motor obtenido Cm = F x r

Pm = Cm x ω: Pm = F x r x ω


TURBINAS-ωVelocidad de rotación. Caso Pelton (II)

Para el mismo chorro (misma F, mismos Q-vel) la misma Pm se puede obtener para distintas combinaciones r- ω.

Límites:

Límite económico. Si r máquina grande. Más cara.

Límite funcional. Si ω cavitación. La máquina se destruye.

Compromiso entre ambos límites

Mismos límites para otras turbinas y bombas


TURBINAS-BOMBASCavitación

Las líneas de corriente en el interior de la máquina pueden llegar a un punto donde el término de presión P/γ <Pv/ γ (presión de vapor)

Sólo depende del líquido y temperatura

Entra en ebullición

Aparecen burbujas

El líquido avanza hacia zonas de altas presiones locales

Burbujas implosionan

Onda de presión=> ataca la matriz metálica (aspecto esponjoso)

Evitar cavitación ≡ Evitar zonas de bajas presiones

Puntos críticos

Turbinas: salida rodete

Bombas: entrada rodete


TURBINAS-BOMBASCavitación


Velocidad(es) específica(s)

Deriva de la teoría de semejanza

Identifica a la familia de máquinas (mismo diseño-distintas escalas)

Se define en el punto de rendimiento óptimo

N(rpm) Q(m3/s) H=Hm(B)

H=Hn(T)

Potencia

(Kw)

Ph o Pm

Ns=NP0.5H-1.25 Nq=NQ0.5H-0.75

Maq.1 N1 Q1 Hm1/Hn1 P1 Ns1 Nq1

…….. ……. …….. …….. …….. …….. ……..

Maq.n Nn Qn Hmn/Hnn Pn Nsn Nqn

TURBINAS-BOMBAS


Velocidad(es) específica(s)

Ns1=Ns2=…..=Nsn=Ns

Nq1=Nq2=…..=Nqn=Nq

Velocidad específica de Cammerer: Ns=NP0.5H-1.25

Velocidad específica de Brauer: Nq=NQ0.5H-0.75

Ns:Tradicionalmente empleado en turbinas

Nq:Tradicionalmente empleado en bombas

Existen otras velocidades específicas nqe,ν (científica PP.36-37-38, otras)…

Cada Ns-Nq asociado a un diseño no a una máquina concreta

TURBINAS-BOMBAS




Se puede segmentar por rangos

TURBINAS (en terminos relativos para la misma potencia)

PELTON: Hn altos Q bajos=> Ns/Nq bajos

FRANCIS: Hn ~ Q ~ => Ns/Nq ~

FRANCIS LENTAS Boca estrecha Dent >Dsal

FRANCIS NORMALES Boca ~ Dent ~ Dsal

FRANCIS RAPIDAS Boca ancha Dent <Dsal

HELICE-KAPLAN: Hn bajos Q altos=> Ns/Nq altos

Ns/Nq crecientes

TURBINAS


TURBINASPELTON


TURBINASFRANCIS


TURBINASKAPLAN


TURBINAS

Q crecientes

Ns/Nq crecientes


TURBINAS-PELTONEJE VERTICAL-EJE HORIZONTAL


TURBINAS-PELTON

Pelton simple equivalente: 1 inyector + rueda: Nsj = Ns.j-0.5 Nqj = Nq.j-0.5

EJE VERTICAL-SIMPLE/MULTIPLE (Max. j~6)

EJE HORIZONTAL-SIMPLE/MULTIPLE (Max. j~2)


TURBINAS-PELTONCr caida total => Cm»»0

INYECTOR (Cierre lento por límite de golpe de ariete)

DEFLECTOR (Respuesta rápida)


TURBINAS-FRANCISEsquema general

Antedistribuidor


TURBINAS-FRANCISRodetes Francis Lentas (Figura inferior: Low specific speed: Dent > Dsalida: Boca estrecha: Rev.)

Rápidas (Figura superior: High specific speed: Dent < Dsalida: Boca ancha)


TURBINAS-FRANCISCámara espiral Distribuidor Rodete

Tubo de aspiración

1. Conduce el agua del rodete al canal de fuga

2. Recupera la Ec que lleva el agua a la salida del rodete + cota de la rueda sobre canal de fuga

Acodado Recto

Antedistribuidor

Moyú


TURBINAS-FRANCISORIENTACIÓN-TOMAS DE AGUA


TURBINAS-FRANCIS

Rodete

+

+

-

-

Efecto sustentación (ala portante). Kutta-Jukowsky

Perfil aerodinámico. Familia NACA x1x2x3x4(x5).

Reconstruye el perfil. η=F(Angulo incidencia).

F


TURBINAS-FRANCIS

+

+

Efecto sobre el caudal, par y rendimiento: Grado de cierre asociado a rendimiento


TURBINAS-FRANCISTUBO ASPIRACION. SECCION CRECIENTE.

Recupera Ec en 2 + cota sobre canal de fuga (setting). C3 debe ser <1 m/s

2 2

2

3 3

3


TURBINAS-HELICE-KAPLANCAMARA ESPIRAL, DISTRIBUIDOR, TUBO DE ASPIRACION:

IGUAL QUE FRANCIS: HELICE-ALETAS FIJAS. KAPLAN-ORIENTABLES.

EFECTO ALA. PERFILES AERODINAMICOS. NACA.


TURBINAS-HELICE-KAPLANKAPLAN. DOBLE REGULACION.(DISTRIBUIDOR+RODETE)

DISTINTAS COMBINACIONES EFECTO ALA (Q,REND.)->ZONA AMPLIA DE RENDIMIENTOS ALTOS


TURBINAS-HELICE-KAPLANRODETE POR DEBAJO DEL NIVEL DE DISTRIBUIDOR Y CAMARA ESPIRAL


TURBINAS-HELICE-KAPLANCAMARA ESPIRAL EN Hn BAJOS SE CONVIERTE EN CAMARA DE HORMIGON.


TURBINAS-HELICE-KAPLANCANAL ABIERTO. SIN CAMARA ESPIRAL. CON Hn MUY BAJOS.


TURBINAS-HELICE-KAPLANSEMIKAPLAN. DISTRIBUIDOR ALABES FIJOS. REGULACION SOLO BASADA EN LAS ALETAS DEL RODETE.


TURBINAS-HELICE-KAPLANTURBINA BULBO. SIN CAMARA ESPIRAL. CENTRALES MAREOMOTRICES.




Se puede segmentar por rangos

BOMBAS (en términos relativos para la misma potencia)

CENTRIFUGAS: Hm altas Q bajos=> Ns/Nq bajos

HELICOCENTRIFUGAS: Hm ~ Q ~ => Ns/Nq ~

HELICE: Hm bajos Q altos=>Ns/Nq altos

Ns/Nq crecientes

BOMBAS


CENTRIFUGAS HELICOCENTRIFUGAS AXIALES

Ns/Nq crecientes

BOMBAS

Gabriel Ibarra MH 2009/10 61 abierto

BOMBAS-Rodetes

cerrado

cerrado

semicerrado

abierto

AXIALES

HELICOCENTRÍFUGASCENTRIFUGAS


RODETE: Accionado por un motor

BOMBAS-CENTRIFUGAS

A la salida del rodete el líquido ha aumentado su Ec

Se transforma en presión

Dos elementos realizan la conversión (excepto pérdidas)

1. Anillo difusor

2. Voluta


ANILLO DIFUSOR

EN TORNO AL RODETE

PASOS CRECIENTES Ec cae y Presión sube

BOMBAS-CENTRIFUGAS


VOLUTA-CAMARA ESPIRAL-CARACOL

EN TORNO AL RODETE

SECCIONES CRECIENTES Ec cae y Presión sube

BOMBAS-CENTRIFUGAS


SIMPLES

BOMBAS-CENTRIFUGAS

MULTIPLESDOBLE SUCCION

Caudal doble: Nq simple = Nq (2) -0.5

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