Turbinas_Hidraulicas
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TURBINAS HIDRÁULICAS 20/06/2013 1 Compilado por: Ing. Fernando Tello 2013
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TURBINAS HIDRÁULICAS
20/06/2013 1
Compilado por:
Ing. Fernando Tello
2013
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CENTRALES HIDROELÉCTRICAS Son instalaciones que trasforman la energía hidráulica del agua en energía
eléctrica. Una instalación hidroeléctrica es un complejo de obras hidráulicas,
civiles, mecánicas y eléctricas que contribuyen en el proceso de transformación
de la energía hidráulica a la energía eléctrica. La función de una central
hidroeléctrica es utilizar la energía potencial del agua almacenada y convertirla,
primero en energía mecánica y luego en eléctrica.
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CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
SEGÚN LA POTENCIA
- GRANDES CENTRALES - PEQUEÑAS CENTRALES
- MINICENTRALES - MICROCENTRALES - PICOCENTRALES
SEGÚN LA ALTURA DEL SALTO DE AGUA
- DE ALTA PRESIÓN - DE MEDIA PRESIÓN - DE BAJA PRESIÓN
SEGÚN EL TIPO DE APROVECHAMIENTO
HIDRÁULICO
- DE AGUA CORRIENTE - CON PRESA DE DERIVACIÓN
- DE AGUA EMBALSADA - CON PRESA DE EMBALSE
- A PIE DE PRESA
- DE ACUMULACIÓN Y BOMBEO
SEGÚN EL EMPLAZAMIENTO Y FORMA CONSTRUCTIVA
- CENTRALES AL EXTERIOR - CENTRALES EN CAVERNA
SEGÚN EL GRADO DE AUTOMATIZACIÓN
- AUTOMATIZADAS - MANUALES
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20/06/2013 5
MINICENTRAL HIDROELÉCTRICA
20/06/2013 6
RECURSOS HIDROELÉCTRICOS MUNDIALES
20/06/2013 7
POTENCIAL HIDROELÉCTRICO DE LOS PAÍSES MIEMBROS DE LA OLADE
20/06/2013 8
20/06/2013 9
PRINCIPALES CENTRALES HIDROELÉCTRICAS DEL ECUADOR
20/06/2013 10
PRINCIPALES PROYECTOS DE CENTRALES HIDROELÉCTRICAS DEL ECUADOR
MEGACENTRAL HIDROELÉCTRICA DE LAS TRES GARGANTAS-CHINA
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MEGACENTRAL HIDROELÉCTRICA GRAND COULEE- US
MEGACENTRAL HIDROELÉCTRICA DE INAMBARÍ - PERÚ
MEGACENTRAL HIDROELÉCTRICA DE ITAIPÚ
BRAZIL- PARAGUAY
CENTRAL HIDROELÉCTRICA PAUTE
CENTRAL HIDROELÉCTRICA AGOYÁN
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TURBINAS HIDRÁULICAS DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN DE LAS TURBINAS:
Turbina Hidráulica, es una máquina hidráulica motora cuyo principio de
funcionamiento se basa en la ecuación de Euler (variación del momento de la
cantidad de movimiento), su campo de aplicación son las centrales hidroeléctricas.
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Toda turbina hidráulica tiene un órgano principal, denominado rodete o rueda,
que gira sobre su eje, por donde pasa el agua de manera continua y se transforma
su energía hidráulica en mecánica.
Existen en la actualidad dos grandes tipos de turbinas hidráulicas, las de acción y
las de reacción; al primer grupo pertenece la turbina Pelton y al segundo la
Francis y sus derivadas: hélice, Kaplan, Bulbo, Deriaz y Straflo.
Las turbinas constan de una serie de elementos, situados aguas arriba del rodete
que tienen la misión de introducir el agua con la dirección y condiciones precisas.
A su salida las turbinas de reacción disponen de otro órgano que tiene el objeto de
evacuar convenientemente el agua hacia el canal de desagüe.
El agua, antes de efectuar el salto, tiene toda su energía en forma de energía de
posición (potencial); el salto se efectúa de manera canalizada en la tubería
forzada; a su término, en el punto anterior de entrar el agua en la turbina, la
energía de posición ha desaparecido habiéndose convertido una pequeña parte en
energía cinética y, el resto, en energía de presión.
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CLASIFICACIÓN DE LAS TURBINAS HIDRÁULICAS
A.- Por el número de revoluciones específicas:
Turbinas LENTAS.
Turbinas NORMALES.
Turbinas RÁPIDAS.
Turbinas EXTRARRÁPIDAS.
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B.- Según la posición del eje:
Turbinas HORIZONTALES.
Turbinas VERTICALES.
C.- Por el modo de admisión del agua:
Turbinas de ADMISIÓN PARCIAL,
turbinas Pelton Michell Banky, Turgo.
Turbinas de ADMISIÓN TOTAL,
turbinas Francis y Kaplan (axiales).
D.- Por el grado de reacción:
Turbinas de ACCIÓN.
Turbinas de REACCIÓN.
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E.- Por la dirección del agua dentro de la turbina respecto al eje de rotación, o
dirección de entrada del agua:
Turbinas RADIALES. - Francis
Turbinas AXIALES. - Kaplan, hélice, Bulbo
Turbinas RADIALES-AXIALES.
Turbinas TANGENCIALES. - Pelton
F.- Por las características de la cámara:
Turbinas de CÁMARA CERRADA.
Turbinas de CÁMARA ABIERTA.
G.- Por la función desarrollada:
Turbinas REVERSIBLES.
Turbinas NO REVERSIBLES. Destinadas sólo a producir trabajo mecánico
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Antecedentes: RUEDAS HIDRÁULICAS
Las ruedas hidráulicas son máquinas capaces de transformar la energía del agua,
cinética o potencial, en energía mecánica de rotación. En ellas, la energía
potencial del agua se transforma en energía mecánica, como se muestra en figura
C, o bien, su energía cinética se transforma en energía mecánica, como se indica
en las figuras A y B.
A B C
Se clasifican en:
a) Ruedas movidas por el costado
b) Ruedas movidas por debajo
c) Ruedas movidas por arriba
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Características de las ruedas hidráulicas
Su diámetro decrece con la altura H del salto de agua.
Los cangilones crecen con el caudal.
Los rendimientos son del orden del 50% debido a la gran cantidad de
engranajes intermedios.
El número de rpm es de 4 a 8.
Las potencias son bajas, y suelen variar entre 5 y 15 kW, siendo pequeñas si se
las compara con las potencias de varios cientos de MW conseguidas en las
turbinas hidráulicas.
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PARTES CONTITUTIVAS DE LAS TURBINAS HIDRÁULICAS
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CARACTERÍSTICAS DE LAS TURBINAS HIDRÁULICAS
GRADO DE REACCIÓN:
Hu
Hp
eroelporabsorbidatotalAltura
eroelporabsorbidapresióndeAlturaGr
det
det
NÚMERO ESPECÍFICO DE REVOLUCIONES:
4 5
*
H
PNNs
u
Donde:
Pu = Potencia en el eje o potencia útil, (C.V).
H = Salto neto de la central, (m).
N = Velocidad de giro de la turbina, (rpm).
Q = Caudal total que fluye por la turbina,(m3/seg).
η= Rendimiento total de la turbina
4 3
*
H
QNNq
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TURBINAS DE ACCIÓN
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En las turbinas de acción la presión del agua no varía en los álabes. El rodete trabaja a
presión constante p1=p2=ps=patm.
El rodete no está inundado y se encuentra a presión atmosférica.
Las turbinas de acción son de admisión parcial.
No tienen tubo de aspiración.
TURBINAS DE REACCIÓN
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El rodete está inundado.
Las turbinas de reacción son de admisión total.
La presión a la entrada del rodete es superior a presión atmosférica y a la salida es
inferior.
En una turbina de reacción p1>p2.
El tubo de aspiración realiza una succión para que a la salida ps=patm.
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Turbinas Hidráulicas
Turbinas de acción
Pelton
Turgo
Michell Banki
Turbinas de reacción
Francis
Kaplan y de hélice
Deriaz
Axiales
Tubular
Bulbo
Generador periférico
TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS
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TURBINA PELTON
LESTER A. PELTON
(1829-1908)
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Lester Allan Pelton
Inventor estadounidense que ideó las modernas turbinas usadas en la generación de
energía hidroeléctrica.
Durante su etapa como minero aprendió las técnicas empleadas en la época para generar la
energía necesaria en el proceso de trituración del mineral y en el bombeo de aire al interior
de la mina.
El primer mecanismo utilizado fueron las ruedas de agua, similares al molino de cereal
convencional, y después las máquinas de vapor, pero los inconvenientes que presentaban
ambos métodos llevó a la introducción de turbinas, consistentes en unas ruedas hidráulicas
con álabes o paletas sobre las que incidía un chorro de agua lanzado a gran velocidad.
Observando el funcionamiento de una de estas turbinas, Pelton dio por casualidad con un
método que hacía mucho más eficaz el mecanismo de la turbina: si el chorro, en vez de
golpear en el centro de las paletas, lo hacía en su borde, el flujo de agua salía de nuevo en
dirección inversa y hacía que la turbina adquiriese mayor velocidad.
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Diseños de la patente Pelton
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Las turbinas Pelton son turbinas de chorro libre que se acomodan a la utilización de saltos
de agua con mucho desnivel y caudales relativamente pequeños, con márgenes de empleo
entre 60 y 1500 metros, consiguiéndose rendimientos máximos del orden del 90%. Pueden
ser instaladas con el eje en posición vertical u horizontal, siendo esta última disposición la
más adecuada. Las turbinas Pelton no tienen caja espiral como las turbinas de reacción.
COMPONENTES DE UNA TURBINA PELTON
DISTRIBUIDOR:
• Está constituido por uno o varios equipos de inyección de agua.
• Cada uno de dichos equipos tiene como misión dirigir convenientemente un chorro de
agua cilíndrico y de sección uniforme sobre el rotor.
• También regula el caudal preciso que ha de fluir hacia el rotor, llegando incluso a
cortarlo totalmente cuando sea necesario.
• El número de equipos de inyección, colocados circunferencialmente alrededor del
rotor, depende de la potencia y características del generador y según las condiciones del
salto de agua.
Partes constitutivas del distribuidor:
El distribuidor consta de las siguientes partes:
Cámara de distribución.- También es conocida como cámara de inyectores. Es la
prolongación de la tubería forzada, acoplada a ésta por una brida de unión. Entre la
tubería forzada y la cámara de distribución se localiza la válvula de entrada a turbina.
Tiene como misión fundamental conducir el agua hasta el inyector. Igualmente sirve de
soporte a los demás mecanismos que integran el distribuidor.
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Inyector.- Es el elemento mecánico destinado a dirigir y regular el chorro de agua. Está
compuesto por:
Tobera : constituye una boquilla, con orificio de sección circular de un diámetro entre 5 y
30cm., instalada al final de la cámara de distribución. Dirige el chorro de agua,
tangencialmente hacia la periferia del rotor, de tal modo que la prolongación de la tobera
forma un ángulo de 90º con los radios de rotor.
Aguja: Constituye un vástago situado concéntricamente en el interior del cuerpo de la
tobera con movimiento de desplazamiento longitudinal en dos sentidos.
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, presentando la parte cóncava hacia el orificio de tobera.
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Equipo regulador de velocidad.- Está constituido por un conjunto de dispositivos a base
de servomecanismos, cuya función es mantener constante la velocidad rotación.
RODETE:
Rueda motriz.- Está unida rígidamente al eje por medio de
chavetas y anclajes adecuados. Su periferia está mecanizada
apropiadamente para ser soporte de los cangilones. Actualmente
para rotores de cualquier tamaño, los cangilones están forjados con
la misma rueda, formando pieza única, lo cual permite una
economía en la construcción y mayor seguridad de
funcionamiento, dado el impacto inicial del agua que han de
soportar en el momento del arranque, la fuerza centrífuga
alcanzada en caso de embalamiento.
Cangilones.- También denominados álabes, cucharas o palas. 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 lo más afilada posible, de modo que divide al cangilón en dos partes
simétricas. Sobre esta arista es donde incide el chorro de agua.
CARCASA:
Es la envoltura metálica que cubre los inyectores, el rotor y los otros elementos mecánicos
de la turbina. Su principal objetivo es evitar que el agua salpique al exterior, luego de
abandonar los cangilones.
CÁMARA DE DESCARGA:
La cámara de descarga, también conocida como tubería de descarga, es la zona por donde
cae el agua libremente hacia el desagüe, después de haber movido el rotor. Para evitar
deterioros por la acción de los chorros de agua, y especialmente de los originados por la
intervención del deflector, la cámara de descarga suele disponer de un colchón de agua de 2
a 3 m de espesor y blindajes o placas situadas adecuadamente.
SISTEMA DE FRENADO:
Consiste en un circuito de agua derivado de la cámara de distribución. El agua, proyectada a
gran velocidad sobre la zona convexa de los cangilones, favorece el rápido frenado del
rodete, cuando las circunstancias lo exigen.
EJE:
Está rígidamente unido al rotor y situado adecuadamente sobre cojinetes debidamente
lubricados, transmite el movimiento de rotación al eje del generador.
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En la Central Hidroeléctrica Paute Molino están instaladas turbinas Pelton de las siguientes
características:
Tipo Pelton, eje vertical
Elevación rodete de turbinas 1.323 m.s.n.m.
Número de Inyectores 6
Rendimiento 91.83 %
Rotación Sentido horario visto desde el
nivel superior
Peso 14.6 Ton
Material 13 % Cr, 4 % Ni
Fabricantes Tosi Ansaldo
Número de alabes del rodete 22
Las turbinas Pelton están constituidas por los siguientes elementos:
•Rodete
•Inyectores
•Cojinete Guía
•Eje
•Tubería en Espiral o Caracol
•Carcaza y Ductos de Ventilación
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TURBINA TURGO
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Esta turbina fue inventada por Eric Crewdson ( Gran Bretaña) y fue patentada en 1920.
Posteriormente fue perfeccionada por E. Jackson (Gran Bretaña) en 1936 y luego entre
1961 y 1968.
Puede definirse como una turbina de acción, de flujo semi axial y admisión parcial.
COMPONENTES DE UNA TURBINA PELTON
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DISTRIBUIDOR.- Consiste básicamente de un inyector de tipo Pelton que proyecta un
chorro de agua inclinado respecto al plano del rodete en un ángulo de 20° a 22.5°.
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RODETE.- Se asemeja a un medio rodete de la turbina Pelton, como si éste fuera dividido
por un plano perpendicular al eje que pase por las aristas de las cucharas. Es de admisión
parcial y puede instalarse de forma horizontal y vertical.
Por lo general se usan en pequeñas centrales.
Comparación con la turbina Pelton
La turbina Turgo respecto a la Pelton presenta la ventaja que a igual diámetro del rodete,
puede operar con un mayor caudal ya que el chorro de agua ingresa por un lado y sale por el
otro. En la turbina Pelton existe una limitación en el caudal debido a que el chorro de agua
al abandonar la cuchara puede interferir con las cucharas adyacentes. Para un mismo
diámetro de chorro y potencia, el rodete es más pequeño que el de la Pelton, por lo que rota
con mayor velocidad, con la posibilidad de acoplar la turbina directamente al generador.
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La turbina Turgo puede funcionar con agua con limo durante un largo período con un
mínimo de desgaste.
Las turbinas de impulsión Turgo son muy populares en las centrales eléctricas mineras.
Pueden ofrecer una vida útil prolongada cuando funcionan con desechos de la minería.
Todas las piezas de trabajo, incluido el deflector, tienen un acceso fácil a través de la
cubierta superior desmontable.
El deflector de chorro realiza el control de carga de velocidad.
No existe peligro de daños de cavitación para el rodete o la carcasa.
La curva de rendimiento es plana, lo que brinda una alta eficiencia sobre variaciones
amplias de caudal y carga.
La característica de velocidad específica alta en general significa que se puede utilizar un
generador más compacto y económico en comparación con las turbinas Pelton de inyectores
múltiples.
Se aplica para caídas medias, con alta eficiencia, fiabilidad y mantenimiento sencillo.
CARACTERÍSTICAS Y VENTAJAS
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EFICIENCIA
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TURBINA MICHELL BANKI (OSSBERGER)
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También conocida como turbina de Flujo Cruzado, (Cross-Flow), de Flujo Transversal,
Michell y Michell-Ossberger.
Es una turbina de acción, de entrada radial, de admisión parcial y de flujo transversal.
Pueden operar en amplios intervalos de caudal fuera del punto óptimo, teniendo una
variación suave de su eficiencia.
Su construcción es simple y puede ser construida en pequeños talleres.
Debido a su simplicidad de construcción y funcionamiento, para bajas caídas, es la
turbina que presenta los menores costos iniciales, de operación y de mantenimiento.
Son turbinas que se adaptan muy bien para ser usadas en el medio rural y en centrales
hidroeléctricas pequeñas.
CARACTERÍSTICAS
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COMPONENTES DE UNA TURBINA MICHELL BANKI
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El chorro de agua de sección transversal rectangular pasa dos veces a través de los álabes
del rotor, ubicados en la periferia del rotor cilíndrico, perpendicular al eje de éste.
El agua fluye a través de los álabes, primero desde la periferia hacia el centro y entonces,
después de cruzar el espacio abierto del rotor, desde dentro hacia fuera.
La energía del agua es transferida al rotor en dos etapas, lo que también da a esta máquina
el nombre de turbina de doble efecto, y de las cuales la primera etapa entrega un promedio
del 70% de la energía total al rotor y la segunda alrededor del 30% restante.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
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La turbina Michell Banki es una turbina de libre desviación, de admisión radial y parcial.
Debido a su número específico de revoluciones es una turbina de régimen lento.
Esta turbina se clasifica normalmente como una turbina de acción porque el diseño original se
diseñó con un espacio suficientemente grande entre el inyector y el rotor, de modo que el
chorro entra al rodete sin presión estática.
Los diseños modernos se construyen con un inyector que cubre un mayor arco de la periferia
del rodete. Con esta medida se incrementa el flujo unitario, permitiendo mantener pequeño el
tamaño de la turbina. Estos diseños trabajan como turbinas de acción solo con pequeñas
aberturas de compuerta cuando el flujo reducido no llena completamente el pasaje entre
álabes y la presión dentro del rodete es, entonces, la atmosférica.
Con caudales crecientes, que llenan completamente los pasajes entre álabes, hay una pequeña
presión positiva; la turbina trabaja ahora como una máquina de reacción.
La turbina de flujo cruzado puede aplicarse sobre un rango de alturas de caída desde menos de
2 m a más de 100 m. Una gran variedad de caudales pueden acomodarse con un diámetro
constante del rotor.
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TURBINA FRANCIS
JAMES. B. FRANCIS
1815 - 1892
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Las turbinas Francis son turbinas de reacción conocidas como turbinas de sobrepresión
por ser variable la presión en las zonas del rodete, o de admisión total ya que éste se
encuentra sometido a la influencia directa del agua en toda su periferia. También se
conocen como turbinas radiales-axiales.
El campo de aplicación es muy extenso, dado el avance tecnológico conseguido en la
construcción de este tipo de turbinas. Pueden emplearse en saltos de distintas alturas
dentro de una amplia gama de caudales (entre 2 y 200 m3/s aproximadamente).
Actualmente su rendimiento máximo llega a superar 95%.
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CLASIFICACIÓN
Turbina Francis lenta. Para saltos de gran altura (alrededor de 200m o más).
Turbina Francis normal. Indicada en saltos de altura media (entre 200 y 20m)
Turbinas Francis rápidas y extra rápidas. Apropiadas a saltos de pequeña altura
(inferiores a 20m).
20/06/2013 74 Velocidad específica
Sal
to (
m)
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COMPONENTES DE UNA
TURBINA FRANCIS
1.- CAJA ESPIRAL.
2.- DISTRIBUIDOR.
3.- RODETE.
4.- CODO DE ENTRADA AL TUBO DE
ASPIRACIÓN
S.- SECCIÓN DE SALIDA DE LA
TURBINA.
5.- NIVEL INFERIOR DEL SALTO.
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1.- CAJA ESPIRAL. Según las dimensiones de la turbina se construyen de acero colado,
fundición, chapa roblonada y soldada. Debido a su diseño, se consigue que el agua circule
con velocidad casi constante y sin formar torbellinos, evitándose pérdidas de carga.
Voluta
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2.- DISTRIBUIDOR. La caja espiral y el distribuidor dirigen el agua al rodete con un
mínimo de pérdidas y transforman parte de la energía de presión en energía cinética. El
distribuidor es de álabes orientables y sirve también para regular el caudal cuando la
carga de la turbina disminuye conservando el mejor rendimiento posible, es decir
reduciendo a un mínimo las pérdidas hidráulicas por fricción o choque.
El distribuidor Fink consta de dos bielas o brazos robustos, movidos por uno o varios
servomotores de aceite que hacen girar el anillo donde pivota un extremo de las pequeñas
bielas, las cuales a su vez hacen girar a los álabes del perfil aerodinámico que pivotan en
torno a un eje fijo.
El distribuidor Fink sustituye al inyector de las turbinas Pelton. Cuando no interesa
regular el caudal se instalan sin distribuidor y otras con distribuidor de álabes fijos.
Distribuidor
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3.- RODETE.- Consta de un núcleo central, alrededor del cual se encuentra dispuesto un
número determinado de palas de superficie alabeada, aproximadamente entre 12 y 21,
equidistantemente repartidas y solidarias al mismo, formando pieza única en bloque por
fundición o soldadura, es decir, sin uniones ni fijaciones.
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TIPOS DE ROTORES DE TURBINA FRANCIS
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Rotor
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4.- CODO DE ENTREDA AL TUBO DE ASPIRACIÓN.- El tubo de aspiración crea una
depresión a la salida del rodete. En efecto, despreciando las pérdidas del tubo de
aspiración, la presión va aumentando desde la salida del rodete hasta la salida de la turbina
( sección S) donde la presión es atmosférica por dos razones:
a.- La energía geodésica disminuye en el sentido de flujo.
b.- La energía cinética disminuye por la sección tronco-cónica del tubo de aspiración.
5.- DIFUSOR.- También denominado punta de rueda, y cono deflector o de dispersión.
Consta de un cuerpo metálico, de forma tronco-cónica, colocado en posición invertida, con
la base mayor hacia la parte inferior del eje, a modo de prolongación de éste.
Tubo de succión
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TURBINAS KAPLAN
VICTOR KAPLAN
1876 - 1934
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TURBINA KAPLAN
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Turbina Kaplan
Inventada por Víctor Kaplan en 1912.
Son turbinas de reacción, de álabes orientables.
Utilizadas para pequeñas alturas y grandes caudales.
Son las turbinas más económicas para medianas y grandes potencias.
Actualmente su rendimiento máximo llega a superar 95%.
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CARACTERÍSTICAS
Las turbinas de tipo Kaplan, son turbinas de admisión total, incluidas así mismo en la
clasificación de turbinas de reacción. Las características constructivas y de funcionamiento,
son muy similares con las turbinas Francis.
Se emplean en saltos de pequeña altura (alrededor de 50m. y menores), con caudales
medios y grandes (aproximadamente de 15 m3/s en adelante).
Debido a su singular diseño, permiten desarrollar elevadas velocidades específicas,
obteniéndose buenos rendimientos, incluso dentro de extensos límites de variación de
caudal. A igualdad de potencia, las turbinas Kaplan son menos voluminosas que las turbinas
Francis.
La turbina Kaplan es una turbina de hélice en que los álabes del rodete giran ajustándose
automáticamente según la carga a las condiciones de óptimo rendimiento.
Existen diseños de turbinas Kaplan que funcionan como máquinas reversibles, es decir que
puedan funcionar como turbina y como bomba con un buen rendimiento.
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CLASIFICACIÓN DE TURBINAS KAPLAN
ELEMENTOS DE UNA TURBINA KAPLAN
Rotor
Tubo de
succión
Voluta
Eje
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1.- Compuerta de admisión
2.-Distribuidor
3.- Rodete
4.- Tubo de aspiración
5.- Nervio central
S.- Sección de salida
COMPONENTES DE UNA CENTRAL CON TURBINAS KAPLAN
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1.- Compuerta de admisión a la turbina.- Sirve para cerrar el paso de agua a la turbina
en las revisiones porque la estanqueidad completa no se logra solamente con el
distribuidor Fink cerrado.
Para saltos grandes es frecuente la utilización de compuertas modulares o en tableros que
forman las compuertas de rodillos.
Las válvulas de mariposa son utilizadas para saltos de pequeña y mediana altura.
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2.-Distribuidor.- Conocido como distribuidor Fink. Dirige el agua al rodete con un
mínimo de pérdidas y transforman parte de la energía de presión en energía cinética. El
distribuidor es de álabes orientables y sirve también para regular el caudal cuando la carga
de la turbina disminuye conservando el mejor rendimiento posible, es decir reduciendo a
un mínimo las pérdidas hidráulicas por fricción o choque.
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DISTRIBUIDOR FINK
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3.- Rodete.- Es el elemento esencial de la turbina, estando provisto de álabes en los que
tiene lugar el intercambio de energía entre el agua y la máquina. Como una turbina Kaplan
(álabes orientables), es mucho más cara que la de hélice (álabes fijos), a veces se equipa
una central de pequeña altura con turbinas hélice y Kaplan. Estas van cambiando
insensiblemente de forma para adaptarse a las diferentes condiciones de servicio.
El rodete se asemeja a la hélice de un barco, al estar formado por un numero determinado
de palas, de 2 a 4 para saltos de pequeña altura y de 5 e 9 cuando los saltos son mayores,
dentro del campo de aplicación de las turbinas Kaplan.
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Los álabes del rotor tienen un perfil de ala de avión y desarrollo helicoidal. El perfil de ala
permite obtener una acción útil del agua sobre el álabe en el movimiento que aquella tiene
respecto a éste.
La forma helicoidal o alabeo se justifica, en virtud de que la velocidad relativa del flujo
varía en dirección y magnitud con el radio, suponiendo ω (velocidad angular) constante, y
considerando la velocidad absoluta constante en magnitud y dirección.
ROTOR
ROTOR Y DISTRIBUIDOR DE TURBINA KAPLAN
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DISPOSICIÓN DEL CUBO Y LA PALA DE UNA TURBINA KAPLAN
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En las turbinas Kaplan el cubo de la hélice, o cabeza del rodete, llega a tener un diámetro
de hasta 0,4 del diámetro del tubo de aspiración d0, con lo que se mejora mucho la
circulación del agua, alcanzándose valores de ns por encima de 850 y terminando en su
parte inferior en una caperuza cónica que mejora la conducción del agua hacia el tubo
de aspiración.
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CARCASA O CARACOL.- Es parte de la estructura fija de la máquina y tiene forma en
espiral. En ella se convierte parte de la energía de presión del agua en energía cinética,
dirigiendo el agua alrededor del distribuidor.
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4.- Tubo de aspiración.- Es un conducto por el que desagua el agua, generalmente con
ensanchamiento progresivo, recto o acodado, que sale del rodete y la conduce hasta el canal
de fuga, permitiendo recuperar parte de la energía cinética a la salida del rodete para lo cual
debe ensancharse; si por razones de explotación el rodete está instalado a una cierta altura
por encima del canal de fuga, un simple difusor cilíndrico permite su recuperación, que de
otra forma se perdería. Si la turbina no posee tubo de aspiración ,se la llama de escape libre.
Los tubos de aspiración acodados suelen ser de hormigón, con frecuencia blindados con
chapa y de forma cuidadosamente estudiada para un óptimo rendimiento, pasando
gradualmente de sección circular a sección rectangular.
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5.- Nervio central.- Es cuidadosamente estudiado con ensayos de laboratorio, evita las
pérdidas por desprendimiento de la corriente. El rendimiento de la turbina en estas centrales
de poca altura de pende tanto del tubo de aspiración como del rodete.
La función del tubo de aspiración en estas centrales es recobrar la altura de velocidad que
sale del rodete, que en los saltos de poca altura llega a valer hasta la mitad de la altura neta.
Si no hubiera tubo de aspiración, el rendimiento hidráulico sería inferior al 50%. Con tubo
de aspiración puede ser superior al 90%.
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Se distinguen tres sistemas de gobierno de las palas del rodete, dependiendo de la
situación del servomotor de accionamiento de las mismas sobre distintas zonas del eje
del grupo.
Servomotor en cabeza. El servomotor está instalado en el extremo superior del eje, en la
zona del alternador.
Servomotor intermedio. En este caso está situado en la zona de acoplamiento de los ejes
de la turbina y del alternador.
Servomotor en núcleo. Está alojado en el propio núcleo del rodete. Modernamente se
tiende al empleo de este sistema, con el cual se reducen las dimensiones y el número de
determinados elementos mecánicos que, en otros sistemas, realizan la interconexión
entre el servomotor y los ejes de las palas del rodete.
En el segundo y tercer sistema, los enlaces de aceite, entre regulador y servomotor, se
realizan mediante conductos concéntricos dispuestos en el interior del eje del grupo.
MECANISMOS DE REGULACIÓN DE
UNA TURBINA KAPLAN
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SERVOMOTOR ORIENTADOR DE
ÁLABES
Ajusta automáticamente a los álabes del
rodete, de acuerdo con las necesidades de
la potencia. Dicho servomotor está ligado
al gobernador que controla la velocidad del
eje del grupo turbina-generador.
El servomotor está alojado en el cubo
mismo inmediatamente encima de los
álabes. El servomotor transmite su
movimiento a través de un vástago a la
cruceta y el movimiento de traslación de la
cruceta en el de rotación de los álabes,
gracias a la palanca que cada álabe lleva
enchavetada en su eje respectivo.
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DISPOSICIONES EN LA INSTALACIÓN
DE UNA TURBINA KAPLAN
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CORTE TRANSVERSAL LATERAL DE LA
INSTALACIÓN DE UNA TURBINA
KAPLAN
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TURBINAS AXIALES Estas turbina utilizan un rodete Kaplan con un distribuidor Fink adaptado al flujo axial. En
lugar de la cámara espiral poseen una carcasa tronco cónica de sección convergente en la
dirección del flujo. Estas turbinas son:
Turbina Tubular
Turbina tipo Bulbo
Turbina de generador periférico
TURBINA TUBULAR
Esta turbina fue desarrollada por Kuhne, quien la patentó en 1930. Se caracteriza porque el
accionamiento del generador se hace mediante una extensión del eje hasta la sala de
máquinas, lo cual constituye una dificultad por el alto costo de la obra civil. Sin embargo,
este diseño se utiliza con éxito en turbinas de baja potencia donde la extensión del eje es
más corta.
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TURBINA TIPO BULBO
Esta turbina fue patentada por Hugenin en 1933, y también utiliza un rodete Kaplan. Su
característica principal es que el generador está ubicado dentro del cubo, con lo cual se
ahorra una gran extensión de eje de la turbina tubular. El resultado es un grupo más
compacto y más barato para grandes potencias, así como un menor riesgo de vibración en el
eje.
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TURBINA DE GENERADOR PERIFÉRICO
Esta turbina fue patentada por Leroy Harza (USA) en 1919, aunque fue desarrollada
posteriormente. Reduce notablemente la distancia axial del grupo, ya que el rotor del
generador va instalado en la periferia del rodete, eliminándose el eje de transmisión, con
ello se logra una notable reducción de los costos en la obra civil, entre otras ventajas, por lo
que es usado en medianas y grandes centrales.
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SELECCIÓN DE TURBINAS HIDRÁULICAS
La selección de una turbina para un caso particular se hace en base a los siguientes
criterios:
Características del lugar donde se instalará la central hidroeléctrica.
Altura bruta (diferencia de niveles entre la cámara de carga y la casa de fuerza).
Flujo o caudal disponible para ser utilizado en la central.
Velocidad deseada a la cual debe funcionar el generador. En este caso hay que tener
en mente la posible conveniencia de utilizar transmisiones mecánicas (poleas y fajas o
engranajes).
Probabilidad de que la turbina trabaje a caudales parciales.
Cada tipo de turbina tiene condiciones adecuadas de altura y caudal para obtener el mejor
comportamiento.
Se han desarrollado algunas técnicas que permiten hacer una selección rápida de acuerdo a
las condiciones físicas del lugar de instalación (altura y caudal), incluyendo diagramas o
tablas donde se consigna el tipo de turbina y su campo de aplicación.
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Salto o altura bruta (HB) .- es la distancia vertical, medida entre los niveles de la lámina
de agua en la toma y en el canal de descarga, en las turbinas de reacción, o el eje de
toberas en las de turbinas de acción. Conocido el salto bruto, para calcular el neto, basta
deducir las pérdidas de carga.
Altura o salto neto (H o HN).-La altura neta que es el resultado de restar la altura bruta
menos las pérdidas de carga totales a lo largo del sistema.
HN = HB – HRT
Donde:
HB = Altura bruta [m].
HRT = Pérdidas totales en la tubería de presión, [m].
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Potencia hidráulica neta.
La potencia hidráulica neta viene dada por:
Donde:
γ w = Peso específico del agua, [N/m3].
Qd = Caudal de diseño, [m3/s].
HN = Altura neta, [m].
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Potencia al freno de la turbina.- Corresponde al producto de la potencia hidráulica neta
por la eficiencia mecánica de la turbina determinada por la presencia de pérdidas
mecánicas.
La eficiencia mecánica de las turbinas depende de las características propias del fabricante
y también se puede estimar utilizando la siguiente figura que está en función del
porcentaje de carga al que trabaja la turbina.
Donde:
Pt = Potencia al freno de la turbina, [Watts].
Ph= Potencia hidráulica neta,[Watts].
ηm= Eficiencia mecánica de la turbina a plena carga.
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Potencia eléctrica en los bornes del generador.- Es la potencia eléctrica generada por la
central hidroeléctrica. Está definida por:
PE=Pt. ηTR. ηG
Donde:
PE= Potencia eléctrica en los bornes del generador (W)
Pt = Potencia al freno de la turbina (W)
ηTR= Rendimiento de la transmisión
ηG= Rendimiento del generador
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SELECCIÓN DE TURBINAS POR VELOCIDADES ESPECÍFICAS:
4 5
*
H
PNNs
t
Donde:
Pt = Potencia al freno de la turbina, (C.V). Dependiendo del sistema de
unidades se puede trabajar en Hp o Kw.
H = Salto neto de la central, (m).
N = Velocidad de giro de la turbina, (rpm).
Q = Caudal total que fluye por la turbina,(m3/seg).
η= Rendimiento total de la turbina
4 3
*
H
QNNq
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SELECCIÓN MEDIANTE GRÁFICOS DE ALTURA Y CAUDAL
Los siguientes diagramas se utilizan para la selección de turbinas, especialmente cuando
se trata de mini, micro y pico centrales hidroeléctricas.
En estos diagramas se ha graficado la correspondencia de caudal y altura para los
diferentes tipos de turbinas utilizando relaciones logarítmicas de altura y caudal.
En el eje de las abscisas se encuentra el caudal en metros cúbicos por segundo y en el de
las ordenadas la altura (o salto) en metros. Conocidos estos dos parámetros para una
situación cualquiera, se puede seleccionar el tipo de turbina que le corresponde. Cada tipo
de turbina tiene un área de trabajo donde se comportará adecuadamente desde el punto de
vista de eficiencia, pero también considerando la versatilidad e ingeniería de costos.
En los diagramas se observa que existen zonas que se superponen entre diferentes tipos
de turbina. En las zonas de superposición, se estima que ambos tipos funcionan
adecuadamente, aunque no estén en la mejor de sus zonas de trabajo.
Técnicamente, se podría decidir por cualquiera de los dos o tres tipos de máquinas que
correspondan. La decisión final, sin embargo, se tomará más bien en base a aspectos más
prácticos, de disponibilidad en el mercado, costos, etc.
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