¡I¡

1

.t

11

J2. Estudio y proyecto de las turbinas dereacción de álabes orientables:

. turbinas Kaplan y turbinas Dériaz

12.1. Estudio y proyecto de las T K

12.1.1. Introducción

.,e La explotación económica de saltos cada vez menores con caudales cada vez

mayores ha sido la tendencia de los grandes constructores de TH desde 1920, en

cuya fecha las TH más rápidas existentes eran TF de n, = 400. Esta tendencia

se explica por el enorme potencial que poseen ríos en los últimos km más próxi­

mos a su desembocadura, donde tienen lugar los grandes caudales, generalmente en

terrenos de llanura. Estos saltos de gran caudal y de altura muy pequeña son hoy

día aprovechables incluso con alturas de 1 m, gracias a las TH modernas rápidas

o de elevado n,. La adaptación gradual de la TF a n, cada vez mayores condu­

ce insensiblemente a un nuevo tipo de TH de reacción, en la que los álabes tienen

forma de paletas o hélices de avión, de donde el nombre de T hélice con que se

conocen estas T. En efecto, como puede verse en la Fig. 12-1, al aumentar el n"

es decir al adaptar el rodete para una misma n a Q crecientes y a H decrecientes,

el flujo en el rodete, comó enseña la experiencia, ha de ser cada vez más axial,

para terminar siendo totalmente axial, al paso que los álabes se van haciendo cada

vez más cortos, al tener que transformar menos energía específica (menor Y = gH).

En las TF muy rápidas los triángulos de velocidad tienen velocidades absolutas

comparativamente pequeñas, y velocidades relativas ,comparativamente grandes.

Un diseño racional exige entonces suprimir la llanta exterior,a fin de que el agua

entre en contacto con la cámara fija del rodete, para que el rozamiento, que

depende entonces de la velocidad absoluta, sea menor. De esta manera gradual­

mente la forma de los álabes de la TF, fijos en voladizo en el cubo de la T, tienden

a la forma 'de una hélice pero el flujo aún es .ligeramente diagonal.

I I 12.1.2. Descripción de las T hélice y TK

1 I La T hélice consta esencialmente de una cámara fija, en cuyo interior gira el¡ I rodete, el cual a su vez consta del cubo, de los álabes y del cono inferior. Las

pequeñas T hélices se funden a veces de una sola pieza; en las grandes el cono

de fundición suele ser una pieza separada, que se sujeta con bulones al cubo.

685

1386

TURSGC,1¡\C:UINAS HIDRAUUC.f.\S 12 ESTUDIO Y PROYECTO DE LAS TK Y TD 637

I-'-~del0Salaoe~cJel rooete

0,90,80,70,6

o

0,50,4

10 12 14 16 18 20 22 24 26 CV

0,3

Fig. 12·3.-Curva de n'M de una TK.

0,20,1

90

70

80

20

30

10

60

50

80

70

60

50

TI 90tot

11tot 100

..e 40

Q1-QN

Fig. 12·2.-Rendimiento total de los diferentes tipos de TH en función del grado de la carga:a) T hélice, n, = 1050 curva "en gancho"; b) TH, ns = 650; e) TF, ns = 500; d) TF, ns = 250;e) TK, ns = 230; f) TK, ns = 500; g) TP, ns = 10-30 (curva "plana").

iIi

II

I,i

I¡II1

iiII1

tna caraderísti\'a negativa de

la,; T hdiee es el bajo rendi.

miento de las mismas a cargas

distintas' qe la nóminal, para

la elíal la T ha "ido diseiiada.

El profesor Kaplan ensayan.

do con un modelo de T hélice

llegó a la conclusión de que

el rendimiento bajo, que carac.

teriza a estas T a cargas parcia­

les, o sea su curva de rendimien­

to de tipo de "curva de gano

cho" (véase la Fig. 12.2). po­

dría mejorarse construyendouna T con álabes oricntables

en .conformidad con el caudal,

desarrollando así la TK quelleva su nombre. Las TK han

desplazado casi por completo a

las T hélice, porque aunque suprecio es mucho más elevado

a causa del mecanismo de

orientación de los álabes y de

la doble regulación que exige

como veremos .(Sec. 19.1 0.3)

dos servomotores, dos válvulas

de distribución de aceite y el

combinador; su curva de rendi.

miento es una curva plana y

su rendimiento a cargas inter­

medias es superior no sólo al de

las T hélice, sino al de todas las

TF, y su curva de rendimiento

es sólo comparable con las

"curvas planas" características

de las TP. [sta curva de ren­

dimiento plana, como muestra

la Fig. 1~·:3, es la envolvente

de las curvas que se obltndrian

con un infinito número de

Fi~. 12·1. - TH de reacción de n,crecientes (todas las TH de la figura

desarrollan la misma potencia yestan dibujadas a escala).

I/ecanis.mo de giro de los álabes.

~xisten fundamentalmente tres diseño:; d(; este mecanismo: proveniendo en to­

dos ellos la fuerza necesaria para el accionamiento del mismo de un :icrvomotor de

Fig. 12-4.-Corte longitudinal de una TK de la central de Pirttikosti, Finlandia, de 66.000 kW

con un diámetro del rodete de 5,80 m: 1. Eje.· 2. Cubo del rodete.- 3. Alabe .. 4. Mecanismode orientación de los álabes.· 5. Cilindro de este mecanismo.· 6. Embolo.· 7. Conductos de

entrada de aceite.- 8. Entrada de aceite.· la. Cámara inferior del rodete.· 11. Cámara superior.­12. Pieza de transición.· 13. Anillo inferior del distribuidor.· 14. Recubrimiento del tubo de

aspiración.- 15. Alabe dirécrriz.· 16. Empaquetadura del cojinete .. 17.C!lbiena de la turbina ..18. Empaquetadura del cojinete.· 19. Palanca de regulación.· 20. Predistribuidor.. 21. Alabe del

predimibuidor· 22. Gorrón del cojinete.· 23. Cojinete gUla.· 24. Empaquetadura .. 25. Bomba ..

rodetes de.T hélice de ns creciente. Esta curva se ha obtenido ensayando un

modelo y la potencia en e v no es la obtenida en el ensayo, sino la pot,'.ncia redu­

cida a un salto de I m y diámetro exterior I m [véase ~c. (8-33l J; sicndo d núme­

ro de revoluciones reducido [Ec. (8-26)1 n 11 = I~O rpm. Esta curva de rendimit:nto

sólo se obtiene utilizando la combinación óptima ángulo del rodete/apertura del

distribuirlor, la cual se logra automáticamente con un órgano denominado com­

binador del que se hablará en la Seco cuya pieza rundamental cs una ba

calculada hidráulicamente. Actualmente, después de cuarenta años de t:xperil:n­cia, el mecanismo de orientación de los álabcs del rodete ha alcanzado un alto

grado de perfección, no ofreciendo problema alguno ni de construcción ni df:entretenimiento.

El desarrollo dc la TK ha sido espectacular, dominando en la actualidad en los

saltos de pequeña altura, e instalándose en el otro extremo en saltos rdativarnl:nlt:

elevados hasta 50 m en toda clase de potencias, y hasta más de 70 m en potencias

más moderadas_ El récord mundial de TK de gran altura correspondía cn (:1 año

1969 a las TK de la central de Nembia, Jtalia, de potencia unitaria 13.~00 k\Y,Hmax = 88 m construídas por Franco Tosi. Mihín.

Las potencias unitarias de las TK han ido también aumt:ntando. ·\sí, por ejem­

plo, en la UR.SS la TK de la central de Lenin en el Volga tienen una po[¡:ncia

unitaria de 126.000 kW con una altura neta de 22.5 m y un diámetro dl'/ rodete

di = 9.3 m; y en la actualidad (1971) se construyen para la cI:nlrul de

[Hergap-Zeleznye en el Danubio TK con P, = 178.000 kW, H = 27,2 m y di == 9,5 m. -

La Fig. 12-4 se refiere a la TK de la central de Pirttikosti, Finlandia, dOll(k pue­den verse los elementos principales de estas T1'.

Siendo la T hélice, sobre todo en Europa, de construcción muy wa. y siendo

su única diferencia esencial con la TK el pivotamiento de los álabes móviles en esta

última, hablaremos corrientemente de turbina Kaplan (TK), y sólo cuando el tema

lo exija mencionaremos expresamente la T hélice, advirtiendo al lector que todo

lo que se diga de la TK y no diga relación con la orientabilid~d dr. lo~ álabes I;Saplicable también a las T hélice_

689

26. Anillo de regulación.- 27. Palanca.- 28. Servomotor.· 29. Tubuladura de apoyo.- 30. Pieza

del cubo.· 31. Anillo guia.- 32. Segmento.- 34. Caja del cojinete_- 35. Cojinete gUla superior.·36. Tubo vertical.· 37. Caja del cojinete guia.- 38. Brazo radial del apoyo.- 39. Cilindro de

freno con dispositivo regulador.· 40. Rotar del generador.- 41.· Estator del generador.- 42.·- So­

porte en estrella.- 43. Excitatriz.- 44. Generador pendular.- 45. Empaquetadura exterior de es·trella.- 43. Excitatriz.- 44. Generador pendular.- 45. Empaquetadura exterior de estrangulamien·

to.- 46. Tuberia de salida.- 47. Espacio hueco del eje para recepción de aceite de fugas.· 48.- Ta·

ladros radiales para conducción ulterior del aceite.- 49. Espacio para captación del aceite de fu­

gas.- 50. Engranaje con péndulo de seguridad.- 51. Bomba de circulación del aceite de los coji·netes.- 52. Bomba de aceite del regulador.

12. ESTUDlO y PROYECTO DE LAS TK Y TCJ,TURBOMAQUINAS HIDRAULlCAS, 688

)•

. ;

69 I12. ESTUDIO Y PROYECTO DE LAS TK Y TD

Fig. 12-6.- Instalación en sifón de una TK.

12.1.3. Los grupos bulbo

Los grupos bulbo constituyen la fase final de un desarrollo, que con el fin de

simplificarel flujo' del agua y mejorar el rendimiento en los saltos de pequeña a]tu­ra comenzó con la instalación de las TK de eje horizontal (Fig. 7-14,h) o también

TK de eje inclinado (Fig. 7-14,g) de manera que el eje atraviesa el muro de! canal

y el alternador se instala al otro lado del muro fuera del agua. En una nueva ver·

sión se mantiene la T de eje horizontal y se hace la transmisión por engranajes

cónicos al alternador de eje vertical (Fig. 7-14,k).

E] grupo bulbo constituye la etapa fina] de la anter.ior evolución. Dentro de esta

evolución hay que menci'Onar también ]a llamada T tubular, construida en Ale­

mania principalmente, en la cual la llanta misma del rodete arrastra el inductor

del alternador, que gira fuera del agua

.e Los grupos bulbos pueden también considerarse, si vale la frase, un subpro­

ducto muy importante de las investigaciones y trabajos experimentales desarro­

llados en Francia, principalmente por la firma Neyrpic, que culminaron en la pues­

ta en marcha en 1966 de la central mareo motriz de Saint-Malo en el estuario de

la Rance (13retaña), cuya superficie es de 20 km 2, con 24 grupos, con una potencia

unitaria de 10.000 kW.

Lo característico de los grupos bulbo es que el alternador síncrono, acoplJelo

directamente a la T, va instalado herméticamente en una cápsula de chapa de

acero de forma hidrodinámica, o bulbo, refrigerado por aire, de donde el nombre

con que se los designa; quedando de esta manera el grupo completo, T y J!terna­

dor, sumergido en el agua.

Los grupos bulbo se instalan de ordinario con eje horizontal; aunque también

pueden instalarse con eje inclinado y en sifón, como se muestra en la Fig. 12-6.

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Il'l --l1e .. ~,

:~J,[t~:I IIIII\\ --(\ - 1

\ '\ '\', ///, /'

Fig. 12·5.-Mecanismo de orien­tación de los álabes de una TK.

"ceik, malldado por ,,' "icl"n\;¡ d,' regulaciÓn,

que :'e describirá ,m la S,~e. 11).10.3. 1':11 el primer

esqucma el 6erlomotoresti aloj;ldo. cn el cubo

,mismo inllwdialamellte ellcima dI' los álabes.

En.eIsegulldo(Fig.12-:5)c1 cje.-e en';;llIchal'lIuna

caja donde se aloja el servomotor: I~n el tercero

se aloja ell cl';OIlO illferior. Como se ve en la Fig.

U-S, el servomotor Ir"lIsmile su movimiento, a

través de un vástago, a la cruceta. y e! movimiento de traslación de la cruceta se convierte en el

de rotJción de los álabes, gracias a la palanca

que cada álabe lleva enchavelada en su ejerespectivo, a su vez conectJdJs con sendas bielas

a cada extremo de la cruceta. El Jceite en que

está bañado todo el mecan ismo proporcIOnala lubricación necesaria a todos los cojineles y coneXil'lleS.

Cámara del rodete

La cámara del rodete es una pJrte fundJmenta] dc \J TK. de cU:'J esmerada

construcción depende en gran manera el rendimiento de la inisma. Se llama así

a la cámara fija que forma la carCJsa en la T donde se Jloja el rodete. La práctiCJ

moderna más frecuente consiste en dar a la cámara una forma esféricJ, b también

construir la parte superior a] plano de los ejes de giro de los .iljbes cilíndrica y la

parte inferior esférica. Con la cámara esférica se reducen al mínimo las pérdidas

intersticiales internas para cualquier ángulo de las paletas, porque el juego enlre

el rodete y la cámara se mantiene constantt.' La cámara del rodete debe ser des­

montable para tener Jcceso J los álabes, e illcluso desmontados sin tener que des­

montar el alternador. La cÚmara ciUndrica se sigue utilizando para pequeñas poten­cias o alturas muy pequeñas, por oer más fácilmente mecanizJblc.

Para alturas pequeñas. hasta unos 18m, se pueden eonslruir de fundición de

hierro: para alturas mayores, b zona contigua a los ;í]alws se recubre con chapa de

acero inoxidable. La eámara del rodele se UIW por la parte superior con el anillo

inferior del distribuidor y por la parte inferior con el cono dellubo de Jspiración.

Para el montaje y desmontaje del rodde ::ie preven apntura:' ':nradas eon cha­

pas: las cuales al desmontar d rodete se quitaJl giraJldo a J;lllltinuación los álabes

hasta que pueda ser elevada la unidJd completa (el cubo wn los álabes).

Las cámaras de bs TK de gran potencia :'e construyen I:n elementos separados,

fácilmente transportables, que luego se unen entre si con bulones, que han de ser

diseiiJdos y montados teniendo '~n t:lll~nla las vibraciones debidas a las ,)scilaciones

de IJ pre:,ión, cuya amplitud es tanto mayor wanto m:¡yor ,~s la allurJ de salto.

[stas vibraciones purden ser I;au"a del desprendimiento d<:l hormigón de la cáma-J l ..

rti Y pue( en ongInar una sena y costosa aver ía.

V;;a:,e 1:1 proLtema 113.

690

El montaje en sifón permite parar la T, abriendo una válvula de admisión de aire,

que desceba la T. Pueden también instalarse con el alternador (bulbo) aguas arriba

del rodete o aguas abajo: de ordinario se prefiere la primera instalación, porque

experimentalmente se ha demostrado que el rendimiento del grupo es mayor en

'1!ste caso en un 1,5-2,5%. Los grupos bulbo son apropiados para pequeñas

alturas solamente, hasta alrededor de 15 m, y grandes caudales hasta las potenciasque más adelante se indicarán.

Las ventajas de los grupos bulbo con relación a las TK convencionales de ejevertical son:

1) Disminución de las pérdidas hidráulicas gracias a la eliminación de codos y

a la reducción de la longitud del flujo, con dirección axial continua del agua de laentrada a la salida, aumentando el rendimiento en un 1,5-2,0%.

2) Aumento del caU<Úl1.Para un mismo diámetro del rodete y una misma altu­

ra neta que una TK de eje vertical el caudal puede aumentar en un 30%.

3) Disminución de las dimensiones transversales de la T para el mismo d y Hhasta en un 25% (aumento de la potencia específica).

4) Reducción de la obra civil a un mínimo.

5) Reducción del precio por la construcción en serie de los grupos.

Los inconvenientes de los grupos bulbo Son:

1) Al reducir las dimensiones de la cápsula del alternador (bulbo), con el fin de

disminuir las pérdidas hidráulicas: a) diseño difícil del sistema de refrigeración del

alternador al disminuir la dimensión transversal del mismo; b) montaje y revisión

macho más difícil por el difícil acceso de los mecanismos instalados en el bulbo,

que exige parar la máquina; c) encarecirñiento de la construcción, que deberáser de mejor calidad para evitar revisiones costosas.

2) Dificultad de alcanzar potencias unitarias elevadas, porque dada la pequeña

altura de los saltos esto exige la utilización de grandes caudales, lo cual requiere.secciones transversales elevadas, lo que conduce a su vez a vibraciones excesivas.

Las T de los grupos bulbo pueden construirse con distribuidor de álabes fijos

u oiientables y en ambos casos con las paletas del rodete fijas (T hélice) u orienta­

bles (TK) .. Las T de los grupos bulbos de pequeña potencia suelen ser T hélicecon distribuidor fijo también.

La instalación de los grupos bulbo es múltiple:

- en cámara de agua abierta (Fig. 7-14,0")

- en cámara de agua cerrada en túnel (Fig. 7-14.h)

- en cámara de agua cerrada en conducto (Fig. 7-14,i)

- en sifón (Fig. 7-14,j).

Los grupos bulbo de la central de Saint·Malo están diseñados para turbinar del

69312 ESTUDIO Y PROYECTO DE LAS TK Y TD

(1) J.B. GUTHR!E (director de edición), Hydro-electric Engilleerillg Prwice2, 1.2., London,Blackie and Son, 1970.

12.1.5. Comparación de las TK con las TF

Las TK entran en competencia con las TI' en saltos cada vez de mayor altura ..

Las causas de esta evolución tecnológica pueden reducirse a dos:

1) Las TF rápidas o de elevado número específico de revoluciones, tienen cur­

vas de rendi'rniento a cargas intermedias denominadas "curvas en gancho" (véa­

se la Fig. 12.2); mientras que las TK, gracias a la orientabilidad de los álabes tienen

"curvas planas". Por eso las TK se adaptan mejor que la, TF a la variabilidad de la

estuario lleno al mar o bien- del mar al estuario. cuando éste se está llenando. y

bombear también en un sentido o en el otro cuando la diferencia de nivel es dt'

3 m (grupos reversibles, véase Pág. 831) pudiendo Ile~ar el desnivel máximo a

alcanzar los 13,5 m. La orientación de las paletas varía de _100 a + 35°. Cerca

de los _5° el par hidráulico es nulo, para ángulos menores el par es negativo yel

grupo está bombeando, y parJ ángulos mayores el par es positivo, y ei grupo estáturbinando.

En Francia, en la central de Boquer Valabrek (1967) se instalaron 6 grupos

bulbos de 35.000 kW cada uno, con H = 10,4 m y di = 5,6 m, y en la U RSS en

la central de Saratovska (1969) se instalaron 2 grupos de -n.300 kW cada uno

construídos por los Talleres ~1etalúrgicos de Leningrado, con H = 10,6 fr.,

di = 7,5 m, n = 75 rpm, con una potencia específica de 0,043 ~~."

12.1.4. Selección del n, de las TK

Dado un salto determinado la selección del tipo de T, es decir del número espe­

cífico de revoluciones A" dependerá de la variabilidad de la altura neta, del peligro

de cavitación etc. Si se trata de una T hélice (álabes fijos), y se desea obtener mejor

rendimiento a cargas intermedias, se elegirá una T de menor número de revolucio·

nes específicas con la desventaja de ser de mayor tamar'ío; pero el factor más im­

portante de todos en la selección del n, es el control de la cavitación. Cada tipo

de T, para cada velocidad o potencia, tiene un límite máximo de la altura de sus­

pensión H, (véase Figs. 12-7 Y 11-3 B) que no puede excederse, si se quiere evitar

la cavitación (véase la Seco 23.3). La cavitación tiene lugar (véase Pág. 1193)

cuando en un lugar determinado de la T la presión dél agua llega a ser igual u

inferior a la presión de saturación del vapor de agua a la temperatura reinante.

Si H, aumenta, disminuye correspondientemente la presión por igual en todos los

puntos, y en particular en el punto o zona en que tiene lugar la presión mínima.

Por eso, si se excede el límite máximo de H, sobreviene la cavitación. e.T. Keast.

(1) ha preparado a base de un gran número de construcciones realizadas en dife­

rentes países la curva n, en función del H de la Fig. 12-7, que orientativamente

puede servir para una selección inicial de n,.

TURBOMAQUINAS HIDRAULICAS692

II

.~

carga. conservando un buen rendimiento. Así mismo las TK se adaptan mucho me·

jor que las TF a la variación de salto neto, que suele ser relativamente grande enestas centrales.

2) En las TF al reducirse la carga se originan dos fenómenos perjudiciales de

régimen transitorio: se crea un remolino de salida, que se propaga por todo el tu­

bo de aspiración, y peque/los torbellinos en las aristas de entrada de los álabes, que

originan choque a la entrada. Por eso las TF no deben funcionar mucho tiempo

con cargas inferiores al 60%, aÚn independientemente de la disminución del rendi­

miento; mientras que las TK pueden funcionar con normalidad con cargas muy ba-­

jas por debajo del 40-50% de la carga máxima.

He aquí un breve resumen histórico de la evolución de la TK en el campo de las

grandes alturas:

- 1916: se crea la TK y se instala en saltos de pequeña altura, 5-10 m;

- 1930: se utiliza en saltos hasta rle 20 m:

- 1940: la TK abnza alto grado de perfección y seguridad de servicio, com-

pite con las TF simples rápidas y reemplaza a las TF gemelas en saltos hasta

de 30 m;

- 1950: :ie instalan TK en :ialto~ hasta .50-(j0 m;

- 1970: existen instalaciones de TK hasta sal lo;; de alrededor de 80 m.

695

12.1.6. Diseño de lasTK

12.1.6.1. El caudal en función de los parámetros de diseño

Es Útil expresar el caudal de_la TK en función de los parámetros de una cierta

sección cilíndrica de diámetro d = a di, donde supondremos reina una velocidad

'axial (o meridional) Cl. = W2. igual a la velocidad media en la sección transversal

de la T de diámetro exterior di . Para más sencillez supondremos que la cámara

del rodete es cilíndrica, aunque las TK de gran potencia siempre se realizan con cá­

mara esférica o semiesférica. La experiencia confirma que los resultados obtenidos

pueden al menos cualitativamente aplicarse a todas las TK, incluso a las rle CÚmara

no cilíndrica. Partiendo de la Ec. (10-40):

1

(1) Para los inconvenieñtes de las TK en los saltos de gran altura y su conveniente sustitución

por las TD.

1 - ¡¡ .L 2 ¡¡ .W'u= --W¡u ' -- w, ctg ~o< 1 + ¡¡ 1 + ¡¡

se obtiene

Campo tic Ilplin!ciúlI JI' [as 1'/\

1) En el campo de las pCfllll·:ilas alturas y grandes caudalr.s las TK son las más

económicas.

'2) En alturas··H > '20 m la TK para la misma potencia tiene siempre un diáme­

tro exterior mayor que la TF; luego por encima de esta altura sólo si la variación

de la altura neta o de la carga lo justifica se debe recurrir a la TK_

;3) Como los álabes se pueden transportar por separado el límite impuesto por

el transporte lo fija el cubo, cuya dimensión máxima se eiitima hoy no debe pasar

por este capítulo de 3,5 m.

~ -!.) No ofrece dificultad la instalación de TK hasta aproximadamente H = 50 m,

incluso en potencias muy elevadas superiores a los 110.000 kW .

5) El límite máximo de altura para las TK se estima hoy alrededor de los 70 m

(excepcionalmente 80), pero no en el campo de las grandes potencias.

En las TK dc alta presión o sea en las TK destinadas a saltos grandes « 40 m)

se suele emplear el siguiente lipa de construcción: paletas de acero inoxidable

atornilladas a los pivotes, cámara del rodele y cubo soldados de acero inoxidable,

y finalmente coJo del tubo de aspiración revestido de chapa de acero, con lo que

las velocidades de agua en el codo pueden ser superiores a los 9 mis. (1).

ln el campo de las grande,; alturas hasla lo:; 80 rn la TK no desplaza sino 'lue

,:ompitt' con la TF, como St~dt~"rre'lll.: de las :iignientes consideraciones sobre el

12 EST~DIO y PROYECTO DE LAS TK Y TD

n,

aoo

300

600

200

400

1200

1000

40 50 60 H (m)30Altura en m.

TUREO¡'Lll,QUJNAS HJDRAUL[':';S

10 12 20

Fig. 12-7.-Valor de e (vease Pág. 701)y Hmax en función de ns en una TK

-I

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0,030

0,020

0,015

0,050

0,045

0,040

0,120

0,100

0,0900,010

0,070

0,060

0,150

e

694

.\

696 TURBOMAQUINAS HIDRAULICAS 12. ESTUDIO Y PROYECTO DE LAS TK Y TD697

12.1.6.2. La circulación a la salida del rodete en funeión de los

parámetros de diseño

Si la circulación a la salida del rodete es nula (C2u = 0, triángulo de salida rectán­

gulo), para una misma altura neta y un mismo tipo de T, el diámetro del rodeteserá menor. Además, en teoría al menos, la corriente axial a la salida del rodete y

entrada en el tubo de aspiraeión parece más ventajosa para el buen rendimiento

del mismo (en la práctica algunos constructores han hallado experimentalmente

que es mejor diseñar con un poco de circulación a la salida),

_ El estudio siguiente, que nosotros referiremos a la sección media de diámetrod definida al comienzo de la sección anterior, puede repetirse para cada sección

cilíndrica de! rodete,

Discusión de las Ecs. (12-6) y (12-7)

Las Ecs. (12-6) Y (12-7) concuerdan muy bien con los resultados experimentales

y son muy útiles para el diseño de la T. Estas ecuaciones expresan que el caudalde la TK aumenta:

1) con la apertura del distribuidor (con el aumento del ángulo 0:1)

2) con el aumento del ángulo de giro de los álabes móviles (con el aumento del

ángulo ~o)

3) con la disminución de la solidez del enrejado,Q/t (con la disminución de 8)

4) con el aumento del rendimiento hidráulico de la turbina 1Jh' Además:

5) en las T lentas, caracterizadas por una solidez del enrejado elevada (un valor

de 8 grande) a partir de un cierto número de revoluciones n11 (en la práctica para

todo el régimen de funcionamiento de la TK) la expresión entre corchetes de la

Ec. (12-7) es positiva, y consecuentemente, siendo la derivada positiva, el gasto

~ aumenta al aumentar e! número de revoluciones;

6) en las TK rápidas caracterizadas por un mwur número'de álabes (un valor

de 8 pequeño) puede suceder que el valor de la expresión contenida en el corchete

de la Ec. (12-7) sea negativo para todo el régimen de trabajo de la T, Y por tanto,

al ser la derivada negativa, el caudal disminuirá con el aumento del número de

revoluciones.

(12-5)

(12-3)

(12-4)

(12-2)

(12·1 )

u + 2-2-~ 9 7)h H28 U

etgO:I +etg~o

9 7)h H _ 9 7)h vH--- ---U rro: nl1

ea =

ea= O =4011VHrr ----

4(di-d6) rr(1-v2)

W2u - Wlu = e2u - elu = t.eu

W2a=Wla = e2a = ela = ea

1 + 8CI u + Ca ctg ~o = ea (ctg 0:1 + etg ~o) = U - - t. eu =

28

= U + .1..±.Q . ~28 U

Así mismo

y

Por otra parte

donde ClI es el ángulo de la velocidad absoluta en la sección característica que

estudiamos, correspondiente a una cierta apertura del distribuidor. DespejandoCa se tiene

Sustituyendo los valores de las Ecs. (12-3), (12-4) Y (12-5) en la Ec, (12-2), ydespejando después 0[1 , se tiene:

se tiene:

y

(12-8)1 + 8

Clu + Ca ctg~o = U - --t.cu20

Ahora bien

Según (12-1):

Sustituyendo este valor en la Ec. (12-8), y despejando C2u, se tiene:(12-7)

(12-6)

~ (1 +v2)

d011 4 [.. 1 +8Ó n 1I = ctg o:I + ctg ~2 rr· u - 28

1 + 8 9 1Jh"Trunll +-- ..--

rr 28 rr u nI!0l[ =-(1_v2) _

4 ctg 0:1 + ctg Cl2

Así mismo para hallar la forma de la curva 011 = f (nll) se deberá derivar la Ec.

(12-6) con relación a n11, resultando:

í,

l"·.·:, >i

- - __ o __ •• __ ._~.~~

•

!laciendo C2u = O en la Fe. (12-9). e inlrudllciendu "umo allltTiorlllí'nlc ,~I"alltlal

y número de revoluciones mllleidos Qll '! nll, '! de~pl'j;lnl¡n QII'" nhlii'lll' i'illal·

mente la ecuación del caudal para circulación nula a la :,alida del ro¡Jell':

TURSOMAQUINAS HIDR,ll.UUC,'\S699

(12-12)

donde C es una constan te.

De la f.c. (12-12) se deduce que ei caudal para circulación nula aumenta al

aumentar la apertura del distribuidor.

y expresando, como anteriormente, ca en función de QI¡ e :J.('u (por medio de laccuación de l':1I1er)en función de n¡l' ~e obtiene fácilmen!c:

1 - v2

(Ql¡ )c, = o = C T)h 9 ----.--u onll ctg(X¡

12. ESTUDIO Y PROYECTO DE LAS TK Y TD

(12-10)

(12·9)

_ "1_v2 ("Onll.:.. 1-5 60~~)(Q¡I )C2U=o - '4 ctg ~o EiO ' 25 -o nll

69S

(12-11 )

Siendo el ángulo de ataque (X= ~o - 000 (véase Fig. 10-13,a), y siendo además

(véase Fig. 12-8):

!¡.,

!

1

1

IIJ1

(12-15)

(12-14)

(12-13)

¡oeficiente de empuje ascensional

En virtud de las Ecs. (10-19) y (10-17) se tiene:

C = 1I- = 2 ~ C;;'

a Lwoo --L-w ­00 t

12. L6.3. Cálculo aerodinámico de los álabes: determinación del

coeficiente de empuje ascensional, del ángulo de ataque

y de la solidez del enrejado en las TK

Angula de ataque

Además, de la Fig. 12-8 se drduce

\, ( Clu + C2u )2 \1, (1 )2Woo= c;+u---2- =. c;+ u+2~Cu-C2U

(en las TH ~cu = C2u - clu ;;;; O)

Introduciendo la Ec. (12-9) en la Ec. (12-14) se obtiene:

que teniendo en cuenta que el segundo término del paréntesis de ordinario es

despreciable en comparaCiÓn(COn el primcro, para facilitar la di~cu~ión podrá cs·cribirse así: ..

\ 2

IQ) ::::!:. l-v rronlJI! . ----Clu = o 4 ctg 00 60

Discusión de In Ee. (12·11) (1)

1) Al aumentar el número de revoluciones reducido, permaneciendo constante

las restantes características, el caudal Qll > (QIl) Y la circulación es positi.C2u = o

va. Lo contrario sucede al disminuir el número de revoluciones reducido (nótese

. d rrd 1 . H' . ')que, sIen o nI! =-, a vanar vana nl¡ aunque n no var¡e .vH

Si QII > (Q¡¡ ) la circulación será positiva (sentido de cl" coincidente conC2u = o

el de u), y si QI¡ < (Ql!) la circulación será negativa (~entido de C2u con·C2u = o

trario al de u).

2) Al aumentar la inclinación de los álabes, permaneciendo constante~ las res·

tantes condiciones (al aumentar' 00) Ql! > (QI¡ ) Y la circulación esC2u::; o

positiva,

3) El caudal para circulación nula (Ql¡) es tanto mayor cuanto menorCZu= o ~

es la solidez del enrejado (menor O, y también menor nJ

Es fácil deducir otra fórmula análoga a la (12-' 0), que exprese el caudal para

circulación nula en fu~ción del ángulo (XI de apertura del distribuidor. En

efecto, teniendo en cuenta que si c2u = O

(1) La salida del rodete axial o circulación nula en realidad sólo puede tener lugar en una

sección cilíndrica, siendo en las demás secciones la circulación positiva o negativa. Adviértase,

pues, de nuevo el carácter unidimensional del método de estudio que aquí aplicamos.(Véase Seco 2.3.7).

se deduce fácilmen te:

2 OCa ,

ctg O! = - -- (ctg- 00 + 1) - ctg 00~ Cu

Las Ecs, (12-13) Y (12-16) son las expresib11es bU8::Jlias.

(12-16)

~

l·

701

Para H > 8 m Para H < 8 m

Fig. 12-10.-Dimensiones tipicas del tubo de aspiración de una TK.

Con los valores de 8 y ~o pueden calcularse e, yo:.

o~­o

12.1.6.4. Parámetros y dimensiones principales del rodete

El diámetro del rodete

De la misma Fig. 12-7 anteriormente citada puede obtenerse en función de la

altura de salto neto H el valor de e = _d_ (donde d - diámetro acotado en Fig.v'P:

12-10), basado en un gran número de realizaciones europeas y americanas. Con el

valor de e y la potencia de la T se obtiene inmediatamente el valor de d que fija

el tamaño de la TK,

Cámara espiral y tubo de aspiración

De estos elementos, comunes a todas las 1'1-1de reacción, ya se ha hablado en

las Secs, 11.9 y 11.12. En las 1'K en los saltos de H ~ 20 m la cámara espiral

"}gua en la cámara espiral no debe exceder los 3 mis. Para saltos de H > 20 m

suele construirse de chapa.

construirse de chapa,

Del estudio atento de la Tabla 11-2, Pág. 658 se deduce que el rendimiento de

una TK depende en gran manera de la eficiente recuperación de energía einética

en el tubo de aspiración, y tanto miÍs cuanto mayor sea el ns de la misma. En las

TK se recurre frecuentemente al tubo de aspiración acodado con un tramo largo

12. ESTUDIO Y PROYECTO DE LAS TK Y TD

1.6 Lit

TURBOMAQUINAS HIDRA ULIC.ú,S

De la Ec. (12·16l.se deduce que el iÍn­

gulu de ataque o: disminuye al aumentar

el caudal (al aumentar c,) y al aumentar

el número de revoluciones para una mis·

ma altUra neta (al aumentar n aumenta u

y para H, = 1)h H = cte disminuye t1 cu),

y finalmente al disminuir la solideL; del

enrejado.

I

~----.:.- I

I I --¡--I '. II II '

-<-+-1-' ~

t ' I I I

' ..__ -1 I i I•.• IIT-'~~--- --- -+ -- -~-----

J = SO I 1 I :

JI.·· ---+.----t- I

. I-~. I I

.- '--r --'--j0,2 0,4 0,6 0,8 1.0 1,2 1,4

Fig. 12-9.-Represemación griifica de la ecuación 12·17.

c:u

0,7

0.6

0,5

0,1

0.8

0,4'

0,2

0,3

Solidez del enrejado

Si el espesor de los álabes es pequeño

I (en la práctica en los perfiles de las 1'11~ es. casi siempre inferior al lO%) y la ClIr·vatura de la línea media no es muy pro-

Fig. 12-8.-Triángulos de velocidad de nuneiada (en la~ TH suele ser del 1 aI5%)

uña TH axia!. es inmediato el cálculo aproximado dl:1

coeficiente 8, asimilando el enrejado a un enrejado de placas planas. En I~Stc enre­

jado la solución teórica que por brevedad omitimos, da para 8 el valor :;iguitnli::

0.9

1,0

700

8=~J..-sen~ (12-17)2 Lit

siendo en un enrejado plano ~o = ~e' Esta ecuación se ha representado gráficamen­te en la Fig. 12·9.

O

¡t

TURBOMAQUINAS HIDRAULlCAS

horizontal o ligeramente inclinado. El tubo de aspiraciÓn forma parte de la T, y

.;onstituye una parte muy importante de la misma. Por tanto, incluso los tubos de

aspiración de hormigón, son proyectados por la casa constructora de la T, que

suministra los planos del encofrado. las cspecific;]ciones para su realización yen

oc;]siones ;]lgunas piczas del tubo más difíciles de realizar por ser de doble cur­vatura.

Experimentalmente se comprueba que el rendimiento del tubo de aspiración

·.;n los grandes caudales mejora con la partición del tubo más allá del codo del

mismo, por medio de una pantalla, en dos flujos, .;omo puede vcrse en la Fig.

7-8. Si el agua es 'arenosa o fangosa conviene proteger el interior del codo de

hormigón con un forro metálico.

Las dimensiones principales de la T y del tubo de aspiración acodado, recomen­

dada por Keast para un anteproyecto inicial pueden tomarse de la Fig. 1210.

703

(Jtra manera de Illt'jorar el rendimiento y el comportamiento de la T en cuanto

a la tavitación consiste en cOllstruir las paletas con el menor espesor que permita

la re::ii::itencia, lo cual exige un cálculo más exacto del reparto de presiones alrede­

dor de la paleta. También la relación de forma del álabe [véase Apéndice IX,

aumenta al aumentar el salto: mientras que en [as TK de saltos pequeños es tan

pequeña que los álabes en posición horizontal no llegan a obturar por completo

el flujo del rodete ..

Los valores de la Tabla 12-1, confirmados por la experiencia pueden servir

para la selección del número de álabes en función de H.

TABLA 12-1

Número de álabes y relación de cubo en las TK

en función de la altura de salto

Fig. )2·) l.-Relación de cubo en función de la altu.

ra neta de una TK.

!i"

¡.

,"

Salto neto H (m) 52040506070

Número de árabes, Z

345688-10

Relación de cubo, lJ

0,30,40,50,550,6O)

Los álabes del rodete suelen fabricarse casi siempre de fundición de acero

inoxidable, mecanizados con tolerancias muy reducidas para evitar la fricción,

por ser las velocidades relativas muy elevadas. Los álabes dañados por la cavita­

ción pueden ser desmontados y reparados con soldadura.

Problema 31.

Una empresa de compra V venea de maquinaria ofrece a la venea una TH, garaneizando un

rendimieneo toral m/nimo de 75% para roda la gama de porenclas comprendidas enere 150 V

270 kW, si la T rrabaja en un sa/ro de 3 m a 250 rpm. (El rendimienro mecánico se supondrá

constanee e igual a 96%) La sección transversal al flujo de salida del difusor es igual a la de

salida del rodere, cuya cara se encuenrra 1,5 m por encima del NI. Dicha sección transversal

mide 9200 cm2; el ángulo de salida del dismbuidor es 8(f'. En el tubo de aspiración de la T se,i cimproduce una pérdida de carga igual a 0,6 --. El diámerro medio del rodete es dm = 104 m.

2g

Relación de cubo

A medida que aumenta la altura neta aumentan los esfuerzos que tienen que

soportar los álabes. como hemos dicho, y el cubo ha de tener ma yor diámetro a)

para poder alojar los cojinetes de los pivotes de los álabes; b) para poder alojar

mayor número de álabes. Esta es la razón por la cual si la altura pasa de los 10m

la TK empieza a ser más voluminosa que la TF; perdiendo la TK esta ventaja,

aunque mantiene siempre la de tener álabes orientables.

605040302010

'Ilnbes del rodete

0.5

0,4 I

0.3

lJ 0,6

\I

El número de álabes está íntimamente relacionado con la relación ne cupo v.

con la altura neta H y con el número específico de revoluciones n" de los cuales

tres factores depcnde el peligro de cavitación. El número de álabes se ha de selec­

cionar con el fin de reducir este peligro . .-\1 aumentar H aumenta también el peligro

de cavitación. y por tanto el número de álabes habrá de ser tanto mayor cuanto

mayor sea H. Sin t:mbargo, el nÍlmero de álabes no put:de scr mucho mayor de 8,

porr¡ue al aumentar la "superficie mojada" el rendimiento empeora. Por otra par­

te. al aumentar la altura neta de la T, deberá aumentar el diámetro del cubo (o

aumeiltar la relación de cubo lJ, como se ve en la Fig. U-ll. :\demás al aumentar

con H el número de álabes,

así como los esfuerzos a que el

álabe está sometido y su ma­

men to de giro; las dimensiones

del cubo deberán ser mayoresCon ello se reduce la sección

de paso para el flujo, empeorael rendimiento hidráulico de la

T, Y aumenta ,,1 peligro de ca­

vitación_ Tal es la barrera que

anpide actualmente, como se

70 H (m) dijo en la Seco 1:2.5 la instala­

ción de las TK en "altos mayo­

res de 70-80 m. La investiga-

L'ión prosigue par;] consegUir

una rl:LJL'ión de cubo menOr en las TK de alta presión. Esta "e conseguirá si se

lugr'lra di::il:ñar los álalws de manera yw;se redujeran al m ín Imo las fuerzas y los

ll1um,;nth, Ilidr~íulicos t:n todo rc':girnen Je tr"bJJú-d~ la T.

704TURBOMAQUINAS HIDRAULICAS 12 ESTUmO y PROYECTO DE LAS TK Y TD 705

-

¡~..:

r

1

I

'0,1

Calcular:

a) ripo de T;

b) si un posible comprador de esta T que precisa de 400 kW podra obtener/os de esta T

en condiciones de igual rendimienro, si dispone de un salro nero de 4,5 m;

e) si dicho utilizador haciendo obra consigue aumentar el salto hasta 5 m, potencia minima

y máxima que podrá alcanzar;

d) número de revoluciones a que deberá girar la T en el caso e;

e) peligro de eavitación en el caso e;

f) triángulo de velocidades en el caso e y en el diámetro medio;

g) si el rendimien ro óptimo en el caso e tiene lugar para la media de los caudales correspon­

dientes a las potencias minima y máxima calculados, saliendo enronees el agua del rodete

sin circulación, V formando entonces el distribuidor un ángulo de 80°, calcular el rendi­mienro total máximo de la T en el caso e

a) Tipo de T

Calculemos el ns minimo y máximo en las condiciones de la garantía:

IP'mln = 150 . 1.359 = 203,9 CV

P,m",=270 1,359=367,OCV

250 . 20392/2ns min ,,. , -904,2

1/2

_250367,0 =1213ns max 3 -,-

Se trata pues de una T helice, como además el rendimiento se mantiene elevado en una

gama grande de variaci6n de carga, se trata de una T helice de álabe s m6viles orientables o TK.

b) Potencia máxima en salto de 4,5 m

En virtud de la Ec. (8-161 se tendrá:

(45)3/2P,4 5m= ~ . 270 = 496 O kW

'3 '

potencia muy súperior a la que se precisa de 400 kW.

c) Potencias minima y maxima en salto de 5 m

Aplicando la misma Ec. (8·16) se tendrá:

(5 )3/2P,m'n 5m= '3 . 150=322,7kW

(5)3/2P, m'n 5m = '3 . 270 = 580,9 kW

d) Numero de revoluciones en salto de 5 m

Según la Ec. 18-14) se tendrá:

\' 5nSm = /3' 250= 322) rpm

(Si la TK se emplea para producci6n de potencia electrica a 50 Hz convendrá utilizar unalternador de 9 pares de polos, cuya velocidad de sincronismo 333,3 rpm se acerca más a laideal calculada).

e) Peligro de cavitación

Escribamos la ecuación de Bernoulli entre la entrada del difusor (o salida del rodete, sec­

ci6n 2) y el NI (secci6n S), despreciando las perdidas entre la salida del tubo de aspiraci6n y elNI:

1 1P, C, Cl Ps

-+z, +--06-=-+0+0pg - 2g '2g pg

~ y haciendo ~ = ~ ::: 10m y despreciando la componente periferica a la salida del rodete,/J-g pg

que será pequeña en la gama de buen rendimiento considerada, se tendrá:

P1 el-=10-15-04­pg " 2g

El caudal mínimo (dentro de un rendimiento del 75%) de la T será

322,7 = 8,772 mJ Is

Qmln = 9,81 .5.0,75

y el caudal máximo (caso más desfavorable) será:

580,9 _ = 15,79 mJ IsOmax= 9,81 .5.0,75

y

d c; 01. 91_ :::~=~ max =~-=1501 m

2 ., •.2g 2g 2g 0,92 2·9,81·0,92'

P,_. = 10 -1 5 - O4·1501 = 2 496 mpg '." ,

P

la presi6n de saturaci6n de vapor para agua a 10° por ejemplo es~ =0,1251 m. Te6ricamentepg

hay margen de presi6n suficiente para que no se produzca la cavitaci6n; aunque debe tenerse

en cuenta que se ha despreciado la componente periferica de la velocidad a la entrada del tubode aspiraci6n_

f) Triángulos de velocidad

u = 1T dm n = _1T_' _1,_04_3_2_2_,7= 17,57 mIs61J

706TUR80MAQUINAS HIDRAULICAS

12 ESTUDIO:' ?ROYECTO DE LAS TK Y TD 707

,"t¡

I_~:LL~

Fig. 12·13.-Mecanización del prototipo de

la TD de Amagaze, Japón, utilizando como

plantilla el modelo de la misma.

Fig. 12-12c-Modelo de una TD para la

central de Amagaze, Japón, realizado por

la firma Nohab, Suecia.

a la l' h('¡ice, se abre un futuro muy prometedor cn la explotación de los saltos

de mediana y elevada altura, Las 1'D lo·mismo que ¡as 1'K pueden funcionar como

mác¡ui'nas reversibles, es decir CalDO T O como B, y pueden construirse como sim­

plcs T para una central hidroeléctrica convencional, o como B/Tpara una central

de acumulación por bombeo (véase la Sec, 15.-L~), En la primera década de vida

de esta nueva T (1957-1967) se instalan alrededor de 1.000.000 kW (con ns que

oscilan entre~06-25--J.) en los siguientes países: Canadá, España (Central de Valde­

carias, segunda 'instalación de este tipo en el mundo), Japón, Escocia, Argenbna y

Suecia, Con licencia de la English Electric constn,¡yen TD en el Japón .:1.firmas

distintas, y en Suecia la firma Nohab en donde se construyeron las TD de

90,000 kW por unidad, no reversibles, para la central de Ajaure (véase las Figs,12-12 y 12-13,

Las TD lienen dos venlilJus sobre las TF: a) mejor rendimiento a cargas parciales.

gracias a la orientabilidad de los iÍlabes (eompiÍrese con la ventaja de las TK sobn

las T hélice); b) revnsibilidad de funcionamiento corno 13y.como T. Sobre la:

modernas bombas-turbinas empleadas en los grupos binarios de las centrales di

acumulación por bombeo (Sec, 15.4.2) las 1'0 tienen la ventap de poder disminUÍ!

el par inicial de arranque, (jUC crea prOblemas en estas máquinas, eonformiÍndos,en forma de cono en el arranque como 13los ;ílabes de la TD.

La TD .ie encuentra t~n la ;¡dualidad aún en período de evolución; pero es pro

bable que el desarrollo dc la TI) t~n las próximas décadas sea análoga al de la nen las cuatro últimas décadas. ,\unQue las TK, corno se se vió en la Sec, 12,1.5

adaptan a oaltos cada Vt'Z más elevado's tpara aprovechar su mejor rendimie'nto 1:01

rt~sp(~do a las TF a I:arga' rar,.:lalt:~): sin embargo, el empleo de las TK par:1 altura

12.2.2. Comparación de las TO con las TF y las TK

- ~772 = 9,535 misCa m'fl - 0,92

- ~ = 17,16 misCa max - 0,92

L'i _ g HuCu - .'-u

9,81 ·3,906 = 2,18 mis::'Cu=-~

1)tot r. 0,75Hu = H 1)h = H - = J - = 3,906 m

1)m 0,96

habiendo supuesto 'T1v = 1. Por tanto

y las componentes axiaIes correspon.

dientes a 0m", Y 0o,ax seran:

;;u

7] =4,216=03432h '5

17,57·2,354 = 4,216 mHu = 9,81

T)tot.max= 0,8432·0,96 = 0,8095

(porque Clu = O)

CI a _13,35 = 2.354 miselu =~ - tg 800

17,16 + 9,5.2? = 13,35 miscl a = 2

12.2.1. Introducción

Con estos datos pueden ya construirse los triángulos de velocidades de la figura adjunta.

g) Rendimiento miÍximo

En este caso 6.cu = CI u

12.2. Estudio de las TO

Fn ,,1 al-lO 11)5;- "/1 la ""/llr;1I <ir \d:tlll Ik,·k dt, 1"., <;lIl":, ,1<-1\t;íg;tr:t I:a/ladic/I­

e'; e" 1)1)/1 ¡a/l '.'11 1/I;tr,·lla la:' pri/ltl'/';h T dia~'¡/I;II,,:, IJ .';t'/llta.\ialt" "')/1 ;ílaltt::' dl:1 ro.

dt:l" I¡rll'/llal¡I(',. ":.-11'/l11I'1'} lip'¡ de '1' Ikp t,llt"/ld,r,' ,11,1i/ll"ltllJl' J)1':rtaz. qUII'/I

la d,·.';lrroll,) "n I;t J:/I~li-11 J-:!""!ri,: .\ !;¡ /lUI'\a TI). tJlII' I>;¡ la TI-' 11) lIu"la TK t>

Fig. 12·14.-Corte de la TD de la Central de Bythtarminskoj con distnbuidor cónico.

7\:)912 ESTUDIO Y PROYECTO DE LAS TK Y TD

(1) Véase V.S. KVJATKOVSKIJ, Diagonal'ou'nye Gidroturbiny, Moscú, Ma~inostroenei,

Págs. 194 ss.

Investigaciones en el Japón

En el Japón la firma Mitsubizi ha llevado a cabo interesantes investigaciones

con modelos de las TD destinadas a la central de Amagaze, Japón (central conven­

cional, no de acumulación por bombeo) estableciendo comparación de las mismas

con TK de igual salto y potencia, las cuales investigaciones se resumen en la

siguiente tabla:

b) incluir en la standarización existente en la URSS las nuevas TD de álabes

orientables;

c) comparar las características de los diversos tipos de TD con las TK y TF

y valorar sus ven tajas (1).

Los resultados de esta comparación son que desde un punto de vista económi-

co parece conveniente:

1.0) sustituir la TK por la TD en los saltos de 35-70 m.

Razones:

a) Las TD a igualdad de potencia tienen menor diámetro que las TK, con lo

cual la masa de la T es un 10% menor. Este menor diámetro compensa el

mayor número específico de revoluciones de las TK, de manera que el núme­

ro real de revoluciones a igualdad de salto y de potencia es el mismo.

.e b) El rendimiento de las TD es aproximadamente 3% mayor que el de las TK, a

igualdad de condiciones de funcionamiento.

2.°) reemplazar la TF por la TD en los saltos de 75-170 m.

Razones:

a) El número de grupos puede reducirse en un 10-20% porque las TD admi-

ten mayor sobrecarga.

b) El volumen de excavación puede reducirse en un 10-15%.

c) El número de revoluciones es menor con lo cual se reduce el tamaño de la T.

d) El rendimiento disminuye menos al variar el salto y la carga.

De las 149 centrales hidroeléctricas que podrían ponerse en explotación en la

URSS, en los próximos 20-30 años, el libro citado al pie de esta página estima que

un 60% podrían tal vez ser equipadas con TD reversibles, un 23% con TF y un

17% con TK. Las investigaciones mencionadas parecen indicar que en la gama de

alturas de salto de 40-200 m la TD reversible podría tal vez constituir en ws pró­ximas décadas la TH básica.

TURBOMAQUINAS HIDRAULI.CA3

H > 40 m tropieza, como se dijo en su propio lugar con serias dificultades técnicas,

tanto más insuperables cuanto mayor es la altura de salto. En efecto, al aumentar

la altura de salto, como consecuencia del aumento del número de álabes, y de la

necesidad de alojar en el interior del cubo el sistema de regulación de los mismos,

aumenta la relación de cubo del rodete, llegando a ser v ~ 0,6. De aquí se deducen

los cinco inconvenientes siguientes: a) disminución del cuadal de la TK; b) dismi­

nución del os; c) empeoramiento del rendimiento; d) aumento de la masa y volu­

men de la TK (o disminución de su potencia específica); e) empeoramiento del

comportamiento de la TK frente al fenómeno de cavitación. Montando los álabes

por pares, o sea dos en cada pivote, se consigue;l obviar, pero sólo en parte, estosinconvenientes.

Las TD se construyen fácilmente como máquinas reversibles para alturas muy

superiores a los 90 m, límite que es muy difícil superar con las TK; en las cuales

funcionando como B no pueden excederse fácilmente alturas de 8-10 m .

[nvestigaciones en w URSS

En la URSS se trabaja illtensamente en el desarrollo de las TD con ensayo de

modelos desde el año 1954. Gracias a estas investigaciones se ha conseguido:

a) poner en marcha en 1965 la TD experimental dotada de distribuidor cónico

de la central de Byhtarminskoj, cuyo corte transversal puede verse en la Fig. 12·14

y cuyas características son: potencia al freno, P a = 77 kW; salto neto, H = 61 m;

número de revoluciones, ° = 150 rpm;

708

l'

TURBOMAQUINAS HIDRAULlCAS

TABLA 12-2

Comparación entre las TD de la central de Amagaze, Japón

con TK de igual salto y potencia

Salto neto, m

caudal máximo, mJ /s

potencia máxima, MW

rpm

rendimierito máximo, %

número especdico de revoluciones, ns

rpm de embalamiento

diámetro del rodete, m

longitud de los álabes, m

número de álabes

empuje axial, N

masa del rotor del al ternador, kg

masa total de la T, kg

masa total del alternador, kg

711

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100

8060403020

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8

0,1 0,20,30,40,60,81 2 3 4567810 20 3040 6080100 200300 (MW)

Fig. 12·15.--Campo de aplicación de las TH; PlIh -- TP, 1 rodete, 1 chorro, eje horizontal;

PI2h - TP 1 rodete, 2 chorros; eje horizontal; P24h -- TP 2 rodetes, 4 chorros, eje horizontal,

P 14v -- TP 1 rodete, 4 chorros, eje vertical; Fh -- TF eje horizontal; F -- TF eje vertical;

F g -- TF gemelas; D -- TD; K -- TK.

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99,1

50

180

94

305.

380

3,9

1,65

10

7770,103

282,103

387 10)

503,103

TK

57

99.4

50

200

92,5

339

482

3,8

2

8

10084 ' 103

326,103

393,103

553,103

Caracter I'stlcas¡--i

710

Fig. 12·16.-Tipo de TH recomendado en función de la altura neta (observese que en esta [igu·

ra el ns está referido al kW no al CV); 1 -- TP; 2 - TF; 3 -- TD; 4 -- TK.

200 300 500 800 H (mi1005020lO

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20

100

"s (kW)

800

500

300

200

50

Dos ventajas principales uc las TD óobrc las TK óe (bprr~nuen de eote cuadro:

1.'), Disminución grande del rpm ue embalamienlo, ':' como eon~I~ClII'nl:ia. a

pesar de que la velocidad específica,:, el número de revolucioncs :ion n1enUI'I'S en

la TD, la masa de la TD es aÚn 2% menor que la de la TK y la rna,a del altnnador

de la TD un 10% menor.

::::) Disminución de la fUfrza a\lal. \' como I;onsecuencia di"lllinuciÓnlmpor,

[ante de la masa del pi\oll'.

12.2.3. Campo de aplicación de las TD

~:n el uiagrama UC la Fig. 1:2-1;) 1Ji'i'parado por la firma \lilsuiJizi pucde VCN:

Id I:ampo de 'aplicación UI' la.; TI) inlrgrado I'n 1,1camlll) general dl~ :lplie~lI;iÓn dI' las

diferr'nll':S tipos ue TIL /cgl'¡n la pOlcllcla útil y la allma neta. I':n I~I figllr~lse VI'

'luI' [a altura máxinia dI' ap[il:aiJilidad dI: la TI) es dI' lino, :20{) m y ,-11 polnll:iam,imna :300.UOO k \V.

[n el uiagrama de la I~ig. I ~·16 de la misma firma Pllde vnse ,,1 tipo dI' TII

que .;1' recomienda en fUllción dI: [a :i1lma de salto_ COIl¡¡) ,'e VI: I'n 1;1 figllra [a~ TI)

se recomiendan para allll[a,; de ~(J--II)O 111. V 111'n¡'Jl 1111;1 gama ,k n, ,k 1)1)--1-00.

12.24. Ejemp[os d~ construcción

1) r:I'nlr:r1 ,~ir Idf1m /:",1,. ('l/l/lililí fprinli'r;l 'Tlllr:,[ ,[I'IIJlIIJl,[I>I"lllipad:ll:oll TD)

Las características unitarias de las 6 TD reversibles de esta central, ya mencil)­

nada en la Seco 12.2.1, que llevan más de 14 años eJl funcionamiento lotalrnentc

normal, son: ujámetro del rodele, 6.4 m: jÚnelOlwnJo cumu T; P a = 40.40U k \V:

funcionanJo como B:1 Q= 142-l11 m3fseg, según óea [a altura suminiolrada IIr:

]3.3-25,9 m. El diámetro del rouete es 6.4 m: n = 02,3 rpm: masa d"¡ ,'uoo de I:t

T 44· 103 k~, uel eje ~7· I ()3 kg Y de un álabe -1-. I UJ kg

713

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12. ESTUDIO Y PROYECTO DE LAS TK Y 'D

,TURBOMAQUINAS HlDRAULICAS712

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Fig. I2-17.-Corte longitudinaJ de un grupo reversible con TD de la éenual de Valdecañas,España.

Fig. 12-18.-Rodete de TD reversible de 75.000 kW de la central de

Valdecañas, España.

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715

2) Central de Valdecañas, España (segunda central del mundo equipada con TD),

En la Fig. 12-17 puede verse un corte meridional de esta central a través de un

OTUPO Dériaz reversible, Al pie de la figura puede verse la descripción de los dife­

~enles elemenlo~, La central corista de 3 grupos verticales de 75.000 kIV cada uno,

que giran a 150 rpm, La producción media anual de esta central con recursos pro·

pios asciende a 500 GWh, que el bombeo (con aportación de energía de la red)

puede elevar a 750 GWh, La Fig. 12·18 muestra el rodete de una TD en posiciónde cierre en el momento de ser montado en el grupo, El volumen total del embalse

es de 1.446 millon~sde m3, El salto máximo es de 75 m, La central está proyec­

tada como central de acumulación por bombeo, de manera que un río de un caudal

de casi 200 m3 /s puede ser tutbinado por el día y remontar el embalse en sentido

contrario por la noche, El perfil del aprovechamiento del Tajo en el cual está

integrada la central de Valdecañas puede verse en la Fig, 12-19,

~ 3) Central de Amagaze, Japón

La central de Amagaze, como ya dijimos, es una central convencional (no de

bombeo), que entró en funcionamiento el año 1963, En la Fig, 12-20 puede verse

el corte meridional de una TD de esta central, cuyas características son: altura,

57 m comoT y 47 mcomo B: potencia útil: 51.500 k\V: número de revoluciones:

180 rpm: n, = 308, En la Fig. 12·12 en los laboratorios de la casa Nohab, Suecia,

se estudia un modelo de las TD para esta central y en la Fig, li13 se mecanican

los álabes del prototipo de la mIsma '[lutilizando como plantilla el álabe de la Tmodelo .

Fig. 12-20,- Corte meridional de una TD de la Central de Amagaze,

12, ESTUDIO Y PROYECTO DE LAS TK Y TD

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TURBOMAQUINAS HIDRAULICAS

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