Turbo Maquina Ria

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UNIVERISDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE HONDURAS Mecánica de Fluidos Turbomaquinaria Ing. Amparo Guadalupe Salgado Integrantes Sección 1101 9 de Mayo del 2012 Tegucigalpa M., D., C. Angela Gabriela Morales 20101001126 Allan Roberto García Junior Reyes Miguel Rafael Milla 20091001413 Wilmam Josue Mauricio Carbajal

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UNIVERISDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE

HONDURAS

Mecánica de Fluidos

Turbomaquinaria

Ing. Amparo Guadalupe Salgado

Integrantes

Sección 1101

9 de Mayo del 2012

Tegucigalpa M., D., C.

Angela Gabriela Morales 20101001126

Allan Roberto García

Junior Reyes

Miguel Rafael Milla 20091001413

Wilmam

Josue Mauricio Carbajal

Morales
Resaltado
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INTRODUCCIÓN

Las turbinas son máquinas que nos permiten obtener energía por medio de un fluido

que generalmente es agua, obtenida de una fuente natural sin pre tratamientos

fisicoquímicos o de tipo microscópicos. El fluido es movido por medio de rodetes que

pueden ser de diferentes tipo, entre los más comunes están; los de hélice, aspas, de

T, en u, y espiral. Usualmente se utilizan las turbinas para generar energía eléctrica

siendo una fuente de desarrollo y mejoramiento de la calidad de vida, con las

comodidades que estos dispositivos nos brindan. Para motivo de la clase, también

nos referiremos al origen de la energía por medio de manera hidráulica, sabiendo

que existen otras maneras más amigables para el medio ambiente como la eólica y

la solar.

Para tener eficiencia máxima del sistema se debe conocer los tipos de turbinas para

saber cual escoger y aprovechar el potencial de la máquina.

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TURBOMAQUINARIA

MÉTODOS DE ESTUDIO

Métodos de estudio para el comportamiento general de las turbomáquinas: el método

analítico, el método experimental y el análisis dimensional.

Se deben considerar aquellos procedimientos que tienen la misma base común de estudio

para todas las turbomáquinas cualquiera que sea el tipo estableciendo principios universales

que puedan ser fáciles de comprender.

El método analítico está basado en el estudio del movimiento de los fluidos en los labeles:

análisis de diagramas vectoriales de velocidades a la entrada y salida de labeles. Estudio

dinámico por la influencia de fuerzas exteriores y de cantidades de movimiento, propiedades

de la dinámica del fluido a su paso por la maquina como son: el gasto o caudal, la carga, la

presión, la potencia, la velocidad de rotación, el tamaño o dimensión, la masa especifica, la

viscosidad, la elasticidad, etc.

El método experimental se utiliza en la construcción de las maquinas hidráulicas hasta el

presente siglo, las formulas empíricas de la hidráulica eran de utilidad en aquellos procesos

mejor conocidos y fácilmente medibles como el movimiento del agua en ductos y canales,

pero en una turbomáquina los experimentos eran más difíciles, los diseños de elementos no

podía hacerse con precisión y se obtenían rendimientos bajos. Fue con la ayuda de la

mecánica de fluidos cuando el proyecto progreso y construcción de las bombas y turbinas

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hidráulicas. Los principios teóricos de la hidrodinámica con el auxilio de la hidráulica

completaron el conocimiento de la dinámica de fluidos.

Aunque el progreso de la tecnología hidráulica debido a la mecánica de fluidos, la

experimentación sigue haciéndose necesaria en la maquina concebida como un todo.

Análisis dimensional con el conocimiento de las variables que intervienen en el movimiento

de un fluido en una turbomáquina, manejas en forma matemática, el análisis dimensional

ofrece grupos de relaciones entre dichas variables, el método aparece abstracto pero es una

herramienta en una aproximación, pues, con un mínimo de conocimientos procura una guía

eficaz en la investigación, limitada así, a buscar solo los coeficientes de proporcionalidad que

convierten los referidos grupos en identidades. Se confirma con el análisis dimensional, los

coeficientes de funcionamiento de las turbomáquinas, lo mismo que los números de Euler,

Reynolds, Froude, Mach etc. Que califican la influencia de los diferentes propiedades del

fluido (inercia, viscosidad, acción gravitacional, elasticidad etc.).

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GRADO DE REACCIÓN

La proporción relativa de energía transferida por cambio en la carga dinámica o en la carga

estática es un factor importante en la clasificación de las turbomáquinas y en las

características de diseño de estas según las aplicaciones. Se llama grado de reacción o más

simplemente reacción, a la relación de la carga estática a la carga total transferida. Se ha

visto que una turbomáquina de reacción se caracteriza, pues, por producir una gradiente de

presión entre la entrada y la salida del rotor; debe trabajar en ducto cerrado. La reacción

generalmente tiene valores entre cero y uno, pero puede tener valores superiores a la unidad

en algún caso como en los compresores axiales de varios pasos. En turbinas axiales de

vapor el grado de reacción llega a tener valores positivos, negativos y nulos en la misma

máquina, según los diferentes rodetes de la misma.

LA SIMILITUD EN LAS TURBOMÁQUINAS

El establecimiento de grupos y expresiones adimensionales - obtenidas por análisis

dimensional o por las aplicaciones de principios mecánicos -, como:

Relación de cantidades geométricas de dimensiones lineadles o relaciones de cantidades

cinemáticas como velocidad, relaciones de cantidades dinámicas como fuerza, debidas a la

inercia la presión y otras propiedades de un fluido lleva el concepto de similitud y la

formulación de coeficientes que rigen el funcionamiento de maquinas similares.

Similitud física completa entre dos maquinas implica:

1. Similitud geométrica: las relaciones entre las dimensiones lineales son las mismas en

puntos homólogos de los dos sistemas o maquinas, esto es, las formas son las

mismas.

2. Similitud cinemática: velocidades u otras cantidades cinemáticas guardan la misma

relación; triángulos representativos de las velocidades serán semejantes, redes de flujo

que materializan el movimiento del fluido a través de la maquina.

3. Similitud dinámica: relaciones entre magnitudes de las diferentes fuerzas son las

mismas, en el mismo instante en puntos homólogos de las dos maquinas.

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Es dudoso que se pueda lograr completamente una similitud física, que requiere una debida

ponderación de todas las variables en cada momento. Una misma forma tiene respuesta

diferente ante las propiedades de un fluido al variar la velocidad relativa, por ejemplo. Sin

embargo, para fines prácticos se puede aproximar muchos casos determinados, resultando

de gran utilidad. La aplicación mas inmediata se obtiene en la operación de modelos a

escala lineal más reducida de manera que se pueden realizar experimentos poco costosos.

Velocidad especifica

La velocidad específica representada normalmente por ns . denominada también velocidad

específica absoluta o velocidad angular específica, corresponde al número de

revoluciones por minuto que daría una turbina semejante a la que se desea proyectar (de

igual forma pero dimensiones reducidas), la cual, instalada en un salto de 1 m. de altura,

proporcionaría una potencia de 1 CV.

Formula:

O también

En la que: ns = velocidad específica en rpm.

n = velocidad de sincronismo en rpm.

p = potencia de la turbina en CV

H = altura del salto en m.

Se deduce que, para un mismo salto y potencia a desarrollar, se pueden proyectar tantos

rodetes como se desee, los cuales diferirán entre si en el diámetro, altura y numero de

álabes y por supuesto en el número real de revoluciones por minuto n y en la velocidad

específica ns. Este último dato determinará las características del rodete a adoptar, por estar

relacionado dicho valor con los rendimientos obtenidos en la turbina semejante, en función

de las distintas cargas solicitadas, siendo estos rendimientos idénticos a los que se

obtendrán en la turbina a construir.

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Variación de las características del rodete a medida que aumenta ns

Curvas de rendimientos de las turbinas hidráulicas en función de los caudales

aportados

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Dentro de un mismo tipo de turbina, a mayor número de vueltas específicas, corresponden

rodetes de menor diámetro y, lógicamente, menor número de álabes o palas. A la vez que

aumenta la velocidad específica, el diámetro de salida Ds crece respecto al diámetro de

entrada De. En turbinas de velocidad específica normal Ds»De.

Evolución de los diámetros de entrada y salida en relación con ns

Velocidades específicas en rodetes de un mismo tipo de turbina.

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RENDIMIENTOS

Se definen varios rendimientos:

a) Rendimiento hidráulico o manométrico: que muestra la relación que existe entre la carga

teórica y la carga neta por un coeficiente Ψ.

Ψ=H/Hn

Este rendimiento caracteriza la capacidad de la máquina para intercambiar energía con el

fluido.

b) Rendimiento volumétrico: no todo el fluido puede intercambiar energía con la maquina, la

energía se fuga por alabes del rotor, partes del miso, estoperos o retenes. Antes de tener

esa oportunidad así se define un rendimiento volumétrico.

c) Rendimiento mecánico: tiene cuenta de las pérdidas por rozamiento mecánico en

chumaceras, cojinetes y órganos de regulación.

d) Rendimiento global: rendimiento enérgico total. Podría ser expresado como la relación

entre la potencia en la flecha de la maquina y la potencia cedida o tomada por el fluido.

Factores de pérdida de energía

a) Perdidas por fricción sobre las paredes de los contornos: estas van directamente con el

cuadrado de la velocidad relativa y la longitud del ducto o canal por donde se mueve el

fluido. También interviene la viscosidad del fluido y la rugosidad de las paredes.

b) Perdidas por separación del fluido de los contornos de los álabes o por choque

contra los mismos produciéndose turbulencias o vibraciones prejudiciales. Sirve para

modificar la potencia de acuerdo a la demanda, se regula el gasto, cambiando en magnitud o

dirección la velocidad absoluta de entrada del rotor, pero como la velocidad de arrastre

permanece constante, necesariamente la velocidad relativa se sale de la posición tangente

que debe tener respecto al alabe, produciéndose la separación o choque contra el mismo.

c) Perdidas por recirculación del fluido entre el rotor y la carcasa. El rotor gira dentro de

la carcasa llena de fluido y produce una verdadera centrifugación de las partículas que están

en contacto periférico, dando lugar a una corriente circulatoria que sigue al rotor en

movimiento.

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d) Pérdidas por fugas. Resulta difícil evitar las fugas del fluido éntrelas partes móviles y fijas

de una turbomáquina. Esta energía perdida se considera perdida por fuga.

Fenómeno de cavitación

La cavitación o aspiraciones en vacío es un efecto hidrodinámico que se produce cuando el

agua o cualquier otro fluido en estado líquido pasa a gran velocidad por una arista afilada,

produciendo una descompresión del fluido debido a la conservación de la constante de

Bernoulli. Puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del líquido de tal forma que las

moléculas que lo componen cambian inmediatamente a estado de vapor, formándose

burbujas o, más correctamente, cavidades. Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor

presión e implotan , el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, aplastándose

bruscamente las burbujas, produciendo una estela de gas y un arranque de metal de la

superficie en la que origina este fenómeno.

Daño por cavitación de una turbina Francis

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TURBINAS HIDRÁULICAS DE FLUJO RADIAL

Una turbina hidráulica es una turbomáquina motora hidráulica, que aprovecha la energía de

un fluido que pasa a través de ella para producir un movimiento de rotación que, transferido

mediante un eje, mueve directamente una máquina o bien un generador que transforma la

energía mecánica en eléctrica, así son el órgano fundamental de una central hidroeléctrica.

Coeficiente de utilización

El agua no puede ceder toda su energía al rotor a su paso entre los alabes, necesita

conservar energía para poder llegar al punto de descarga y se obtiene por medio de la

siguiente fórmula:

ε= energía utilizada/ energía utilizada

TURBINA DE FRANCIS

La turbina Francis fue desarrollada por James B. Francis. Se trata de una turbomáquina

motora a reacción y de flujo mixto.

Las turbinas Francis son turbinas hidráulicas que se pueden diseñar para un amplio rango de

saltos y caudales, siendo capaces de operar en rangos de desnivel que van de los dos

metros hasta varios cientos de metros. Esto, junto con su alta eficiencia, ha hecho que este

tipo de turbina sea el más ampliamente usado en el mundo, principalmente para la

producción de energía eléctrica mediante centrales hidroeléctricas. Las partes son:

Caja espiral: Tiene como función distribuir uniformemente el fluido en la entrada del rodete

de una turbina

Pre distribuidor: Tienen una función netamente estructural, para mantener la estructura de

la caja espiral, tienen una forma hidrodinámica para minimizar las pérdidas hidráulicas.

Distribuidor: Es el nombre con que se conocen los álabes directores de la turbomáquina, su

función es regular el caudal que entra en la turbina, a la vez de direccionar al fluido para

mejorar el rendimiento de la máquina. Este recibe el nombre de distribuidor Fink.

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Rotor: Es el corazón de la turbina, ya que aquí tiene lugar el intercambio de energía entre la

máquina y el fluido, pueden tener diversas formas dependiendo del número de giros

específico para el cual está diseñada la máquina.

Tubo de aspiración: Es la salida de la turbina. Su función es darle continuidad al flujo y

recuperar el salto perdido en las instalaciones que están por encima del nivel de agua a la

salida. En general se construye en forma de difusor, para generar un efecto de aspiración, el

cual recupera parte de la energía que no fuera entregada al rotor en su ausencia.

Variación de la presión y de la velocidad del agua en una

turbina de reacción

En la figura se incluye un tramo de la unidad, pero con ello se quiere hacer notar la forma en

que va aumentando la presión del agua hasta alcanzar el caracol, mientras la velocidad

permanece constante en la tubería, ya que el diámetro se considera constante y el flujo

estable.

En el caracol, se mantiene constante la energía del fluido por razones de equilibrio dinámico.

Al distribuidor se produce una aceleración que incrementa la energía cinética.

En seguida ataca el agua a los álabes del motor con una velocidad y una presión

En su paso por entre los álabes cede casi toda su energía al rotor, conversando sólo valores

residuales ( ) a la salida, para continuar su curso hacia el tubo de desfogue o difusor,

en el cual el agua disminuye aún más su energía cinética, incrementándose ligeramente la

presión.

El agua termina su recorrido por el ducto cerrado, descargando en el socaz o bajo cauce del

río a la presión atmosférica.

4.7

Page 13: Turbo Maquina Ria

Regulación de la potencia. El distribuidor

La turbina hidráulica se acopla rígidamente a un alternador al cual mueve para generar

energía eléctrica. Este debe girar a una velocidad fija, condicionada por la frecuencia y el

número de polos. Sin embargo, la potencia absorbida por el generador varía según las

exigencias de la curva de demanda de energía eléctrica del sistema al que está conectado.

La turbina que lo mueve, tiene que poner modificar su potencia, en cada momento, de

acuerdo con las necesidades del generador. La regulación de la potencia en la turbina se

realiza por medio del distribuidor, modificando convenientemente el gasto.

La potencia de la turbina viene definida por las variables fundamentales Q y H según la

ecuación:

Ahora bien, el caudal depende del área de paso y de la velocidad, según la ecuación de

continuidad. En las turbinas de reacción, el agua tiene acceso al rotor por su área

circunferencial lateral, correspondiente a la altura de los álabes del distribuidor, esto es, por

área normal a la dirección radial, cuyo valor es constante en una turbina determinada. Solo

cabe modificar la velocidad radial de paso por esa área ya que Q = A0 X VR1, siendo A0

el paso lateral de referencia. La variación en magnitud de VR1 se logra cambiando la

dirección de la velocidad absoluta de entrada V1, lo que se consigue con los álabes del

distribuidor.

El distribuidor de las turbinas de reacción está constituido por un sistema de álabes

pivotantes que circunda al rotor, dispuestos en forma de persiana que puede abrirse o

cerrarse según las necesidades de la turbina. El distribuidor tiene las funciones siguientes: a)

Regula el gasto según exigencias de la potencia. b) Convierte parcialmente la energía

estática en dinámica para que así el líquido pueda atacar a los álabes del rotor y tenga lugar

la transferencia energética. c) Dirige la velocidad absoluta del fluido V1 según una dirección

determinada α1 que da lugar a una componente radial VR1 de acuerdo con las exigencias

del gasto, y a una VR1 tangencial necesaria para la transferencia de energía del agua al

rotor.

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Alimentación de las turbinas de reacción. El caracol

El distribuidor de las turbinas de reacción, recibe el agua de una caja espiral o caracol,

generalmente metálica en las turbinas Francis, que circunda al primero, dirigiéndose hacia

los álabes del distribuidor a través de unos portillos constituidos por paletas directas fijas o a

la carcasa.

Por razones de equilibrio, es conveniente que la energía que el agua que alcanza al contorno

del distribuidor sea la misma en todos los puntos del contorno. Como el gasto va

disminuyendo a lo largo del caracol, la sección de éste debe ir reduciéndose

progresivamente. Con objeto de que las pérdidas de carga con influya demasiado, se

procura una velocidad de escurrimiento relativamente baja, del orden de 6 a 20 pies por

segundo, según la carga.

La experiencia ha demostrado, que para mantener los mismos valores de energía periférica,

es más ventajoso disminuir menos rápidamente las secciones de la voluta que lo exige la

ecuación de continuidad y considerar una pérdida de carga uniforme por unidad de longitud

del caracol.

La condición fijada se traduce por:

o

Siendo V y D los valores de la velocidad media y del diámetro en una sección cualquiera; Ve

y De los valores a la entada del caracol.

4.19

Page 15: Turbo Maquina Ria

Llamando X a la fracción del gasto total, que pasa por la sección de diámetro D, situada a un

ángulo Ө del origen, se tiene

Y de acuerdo con la ecuación de continuidad

Tubo de desfogue, función forma, altura de aspiración y rendimiento

El tubo de desfogue que sirve para la descarga del agua de una turbina de reacción hasta el

socaz, satisface además una función muy importante como órgano de recuperación de

energía, contribuyendo a mejorar el rendimiento global de la unidad. Puede también permitir,

que el nivel de aguas abajo, esté más bajo o más alto que el plano ecuatorial de la turbina,

según lo exijan las condiciones de la instalación.

También se le da de difusor, ya que debido a su forma divergente, produce una

desaceleración del agua que sale de la turbina, convirtiendo la energía cinética del líquido en

energía de presión.

En la figura pueden observarse las condiciones básicas de la descarga de una turbina de

reacción que trabaja en ducto cerrado. En el caso a) la turbina descarga directamente a la

atmósfera y se pierde la carga debida a la altura entre los niveles 2 y 3 al prolongar. En el

caso b) se aprovecha íntegramente la carga entre 2 y 3 al prolongar el ducto cerrado de

forma que descargue dentro del agua del socaz. Pero si se da el ducto de descarga la forma

divergente que presenta el caso c), se obtendrá una ganancia en presión a la salida del

ducto, a expensas de la velocidad del agua a la salida de la turbina.

4.21

Page 16: Turbo Maquina Ria

La energía recuperada en el difusor es proporcionalmente más elevada cuanta mayor es la

velocidad específica de la turbina.

La forma del tubo de desfogue lógicamente debe ser conforme con los principios que rigen a

un difusor de buen rendimiento.

La sección es circular en el origen, en la parte que se conecta con la turbina; cambia a la

forma elíptica en el codo y termina en la descarga con sección rectangular. En la sección

elíptica y en la rectangular, el eje mayo es horizontal. En la parte acodada lleva

generalmente paletas directoras que favorecen el escurrimiento.

Los tubos de desfogue son generalmente metálicos en las turbinas Francis. En algún caso

de grandes caudales, con máquinas de velocidad específica muy altas, pueden ser de

concreto, con protección de acero en las zonas de más alta velocidad del agua, como a la

salida del rotor, donde puede hacerse más sensible la erosión de la pared.

La altura geométrica que debe tener el tubo de desfogue o difusor, llamada altura de

aspiración (Hs), se calcula fácilmente aplicando el teorema de Bernoulli entre el origen (2) y

la salida (3), y entre la salida (3) y el nivel de aguas abajo (a), se tiene, pues

Z2

p

Z3 0

Za p’

4.23

Page 17: Turbo Maquina Ria

Siendo hp las pérdidas en el tubo de desfogue y hp’ las pérdidas debido al vaciado brusco a

la salida. Estas últimas pueden considerarse iguales a la pérdida de energía cinética a la

salida, donde la velocidad pasa del valor V3 al valor Va =0, seas

hp’ =

De las ecuaciones anteriores se obtiene

Z2

Za

Hs Z2 Za

El rendimiento del tubo de desfogue o difusor puede definirse por la relación

d =

Luego, Ha

d

En la siguiente ecuación, el valor de Hs puede ser positivo, cero o negativo, ello exige que

d

Page 18: Turbo Maquina Ria

DETERMINACIÓN DEL TIPO Y CARACTERÍSTICAS DE LAS TURBINAS DE

UN APROVECHAMIENTO HIDRÁULICO

En un aprovechamiento hidráulico, los datos que normalmente se conocen son las cargas y

el caudal, los cuales permiten calcular la potencia total disponible, Es evidente que el dato de

la carga es muy significativo; desde luego es el más ponderativo en la decisión sobre el tipo

de turbinas a instalar, pero no puede ser el único, ya que para una misma carga se puede

encontrar solución con turbinas Francis o Pelton o bien con Francis o Kaplan, según el

caudal que se tenga por unidad. También importan la velocidad de giro y el tamaño, pues

para una potencia disponible, función de la carga y del caudal, se puede hallar respuesta,

con maquinas de variado tamaño y velocidad. Se sebe, en efecto, que la potencia es

proporcional al cubo de la velocidad de giro (N3) y a la quinta potencia de las dimensiones

geométricas (D5).

El éxito y acierto, en todo proyecto, está en encajar debidamente todas las variables de que

el mismo depende. En esta labor, son ayuda del proyectista, Ios parámetros y coeficientes

que ya viene estableciendo la experiencia. Estos parámetros y coeficientes relacionan, por

grupos, las variables a que está subordinado el sistema. Entre todos estos parámetros,

seguramente el más significativo, es la velocidad específica, porque relaciona las variables

más ponderativas, como son, en una turbina, la carga, la potencia y la velocidad de giro. El

tamaño o diámetro ya se obtendrá después de otros coeficientes, come el de la velocidad

tangencial (φ)

, que proporciona D con N y con H.

Partiendo, pues, de la carga y del caudal, o mejor de la carga y de la potencia, conviene, en

primer lugar, señalar un valor a la velocidad especifica; se dice señalar y no calcular ya que

haría falta conocer la velocidad de giro para una determinación correcta, pero generalmente

esta se deduce de aquella, sin perjuicio de un ajuste definitivo obligado por la velocidad de

sincronismo con el generador que mueve la turbina.

Señalando una iniciativa, algunos investigadores procuran adelantar valores para la

velocidad específica en función de la carga solamente.

Estos resultados son fruto de la experiencia recogida en el funcionamiento de muchas

turbinas que vienen operando a través del tiempo. Por ejemplo para una carga determinada,

la velocidad específica se ve condicionada por la altura de aspiración. Si aumenta ns, se

reduce Hs, y esto puede influir notablemente en el proyecto; las unidades pueden ser más

grandes, pero también las excavaciones van a ser más profundas y más costosas. Si por el

contrario, se toma una ns mas chica, se incrementa Hs; lógicamente se disminuye la potencia

Page 19: Turbo Maquina Ria

por unidad, pero se alivia el costo de primera instalación. La tecnología moderna va

permitiendo el uso de unidades de mayor potencia pero debe haber un límite en cada caso.

Parece, pues que un procedimiento atinado para la determinación del tipo y características

de las turbinas de un aprovechamiento hidráulico podría ser el siguiente:

1. Partiendo de la carga y del caudal, se puede estimar un rendimiento global (que suele

ser del orden de 87%) y calcular la potencia total disponible.

2. De acuerdo con la potencia de la planta y su ponderación en el sistema al que va a

estar interconectada, se puede prejuzgar la magnitud de la potencia unitaria y el

número de unidades, teniendo presente las limitaciones aconsejables para la

velocidad especifica. Siempre será necesario un cálculo previo, para una evaluación

estimativa de las características que pueden ir resultando hasta llegar a un ajuste y a

una decisión final.

3. Definido el caudal y la potencia por unidad y conocida la carga, se estima la velocidad

específica, teniendo además presente el coeficiente de cavitación que puede resultar

de acuerdo con la altura de aspiración que se piensa admitir.

4. La velocidad de giro de la turbina se saca de la formula de velocidad especifica. El

ajuste con la velocidad del sincronismo se hacen necesario, procurando, en lo

posible, que resulte un número de polos en el generador que sea múltiplo de 4 para

facilitar la construcción de este. Esto obligara a un ligero recalculo de la velocidad

específica que no ha de modificar sensiblemente otros criterios.

5. Las dimensiones del rotor de la turbina (diámetros D1 y D2 y la altura del distribuidor

(B) se determinan por medio de los coeficientes φ1, φ2 y ψR).

Ejemplo

En un aprovechamiento hidroeléctrico se dispone de un caudal de 200 m3/s y de una carga

neta de 250 metros. Suponiendo que esta planta estará interconectada a un sistema de

regular capacidad en relación con la potencia de la misma, que la excavación es costosa,

que se empleara fundamentalmente para cubrir picos de la curva de demanda, defina:

a) Numero, tipo y velocidad especifica de las turbinas más convenientes

b) Velocidad de giro ajustada a generadores eléctricos de 60 c/s

c) Coeficiente de cavitación y altura de aspiración

Page 20: Turbo Maquina Ria

Solución:

a) Veamos primero la magnitud de la potencia disponible

Teniendo en cuenta esta potencia, el caudal y la carga, la decisión es por turbinas Francis,

cuyo número se puede definir de acuerdo con las características del sistema del servicio que

deben prestar. Siendo el sistema de regular capacidad, la excavación costosa y el servicio en

horas pico, se deben tener unidades más bien chicas que permitan buena regulación del

sistema y que no exijan excavaciones profundas. Seis turbinas Francis puede ser un número

aceptable. La potencia por unidad será

Como la carga de 250 metros es alta en relación con la potencia, la velocidad especifica

seria más bien chica, esto es, se trata de maquinas específicamente lentas. Para H = 250

metros, estimamos ns = 70.

b) La velocidad de giro se saca de la formula de la velocidad especifica, así

Ajustándolo al valor sincrónico de 225 rpm, el número de polos del generador será

Cuyo valor es múltiplo de 4, facilitando la construcción del generador. Se acepta pues

Reajustando la velocidad especifica

Page 21: Turbo Maquina Ria

c) Para ns = 70.4, se tiene que con lo que la altura de aspiración será

Suponiendo Hat = 10 metros de agua.

TURBINAS KAPLAN

Las turbinas Kaplan son uno de los tipos más eficientes de turbinas de agua de reacción de

flujo axial, con un rodete que funciona de manera semejante a la hélice de un barco, y deben

su nombre a su inventor, el austriaco Viktor Kaplan. Se emplean en saltos de pequeña altura.

Las amplias palas o álabes de la turbina son impulsadas por agua a alta presión liberada por

una compuerta.

Los álabes del rodete en las turbinas Kaplan son siempre regulables y tienen la forma de una

hélice, mientras que los álabes de los distribuidores pueden ser fijos o regulables. Si ambos

son regulables, se dice que la turbina es una turbina Kaplan verdadera; si solo son

regulables los álabes del rodete, se dice que la turbina es una turbina Semi-Kaplan. Las

turbinas Kaplan son de admisión radial, mientras que las semi-Kaplan pueden ser de

admisión radial o axial.

Para su regulación, los álabes del rodete giran alrededor de su eje, accionados por unas

manijas, que son solidarias a

unas bielas articuladas a una cruceta,

que se desplaza hacia arriba o hacia

abajo por el interior del eje hueco de la

turbina. Este desplazamiento es

accionado por un servomotor hidráulico,

con la turbina en movimiento.

Las turbinas de hélice se caracterizan

porque tanto los álabes del rodete como

los del distribuidor son fijos, por lo que

solo se utilizan cuando el caudal y el

salto son prácticamente constantes.

Page 22: Turbo Maquina Ria

Sección de una turbina Kaplan de 67,700 KW, bajo 34 m de carga y 225 m3/seg de caudal,

instalada en Ribaroja, sobre el rio Ebro, España. El diámetro del rotor es de 5.7m.

1. Cubo

2. Servomotor del rotor

3. Sello

4. Cojinete

5. Tubos de lubricación

6. Chumacera de carga

7. Bomba para lubricación de

la chumacera

8. Grúa

9. Alabe del distribuidor

10. Servomotor del distribuidor

11. Caracol metálico

12. Tubo de desfogue.

Page 23: Turbo Maquina Ria

Alimentación, regulación y desfogue en la turbina Kaplan

La alimentación, la regulación del gasto y el desfogue de las turbinas hidráulicas de

reacción Francis y Kaplan, es semejante, de forma que todo lo dicho para la turbina

Francis es prácticamente aplicable a la turbina Kaplan. Bien es verdad, que dadas las

condiciones de operación de cada una caracterizadas por la velocidad especifica, se

definen dimensiones y proporciones diferentes, que ya se han considerado en incisos

anteriores. También debe hacerse notar que en la regulación de la turbina Kaplan

además del distribuidor que controla el gasto, es preciso corregir debidamente la

orientación de los alabes del rotor.

Page 24: Turbo Maquina Ria

MAQUINAS REVERSIBLES

Sistemas de almacenamiento de energía en el agua

Consideraciones generales

La creciente demanda de energía eléctrica en el mundo, y particularmente en los

países industrializados, está acelerando la explotación del potencial hidroeléctrico

mundial, que en forma relativamente tenemos en nuestro planeta.

Una de las opciones es la energía hidroeléctrica por sus grandes beneficio, por otra

parte esta la energía termoeléctrica que está creciendo a un ritmo más acentuado a tal

manera que son las que satisfacen la demanda, pero estas dificultan la regulación de

los sistemas, que controladas por un Despacho Central, cubren las necesidades de

una curva de demanda. Ello se debe a que las calderas y sistemas de una planta

termoeléctrica requieren varias horas para ponerlas en servicio. Sin embargo los picos

y depresiones de la curva de demanda se presentan a intervalos cortos, exigiendo

rapidez y brevedad en operaciones de puesta o retirada de servicio, maniobras que si

permiten las generadoras hidroeléctricas. De aquí la convivencia de un sistema

eléctrico se encuentre integrada por plantas termoeléctricas e hidroeléctricas para

tener una buena regulación del mismo. Moderadamente se está generalizando el uso

de turbinas de gas para cubrir la demanda, pero todavía no se cuenta con maquinas

de gran potencia, la turbina de gas si permite una rápida puesta en servicio.

Es precisamente esa energía termoeléctrica que no encuentra mercado, la que trata

de aprovechar, convirtiéndola en hidráulica que tiene más flexibilidad, esto es así,

almacenándola en forma de energía potencial en agua elevada a un embalse situado a

una altura determinada, que oscila, generalmente, entre 200 y 500 metros,

recuperando esa energía en las horas pico de la demanda.

Maquinas reversibles

El empleo de maquinas individuales independientes

obliga a tener conducciones diferentes para una u otra

máquina, o al menos válvulas de desviación, lo cual

complica la instalación ademar requiere de maquinas

diferentes.

Page 25: Turbo Maquina Ria

En años recientes se ha sentido la preocupación de confiar en una sola maquina

bomba-turbina la doble operación, esto es una maquina reversible, con lo cual se

limitan las tuberías a una sola, sin arreglos, ya que la bomba que encuentra mejor

aplicación en estos sistemas de tipo centrifuga, la cual tiene admisión axial y descarga

periférica, la maquina reciproca.

Planta de Villarino

Se halla situada en la ribera del rio Duero en su límite entre España y Portugal, consta

de cuatro maquinas reversibles de tipo radial, bomba centrifuga-turbina Francis, de eje

vertical, de cada 144MW cada una. Dicha planta genera electricidad con agua

procedente del embalse. La maquina reversible trabajando como turbina desarrolla

una potencia nominal de 187,500 CV, con un caudal nominal d 38.75 m3/s y una

velocidad de giro nominal de 600 r.p.m. operando como bomba absorbe una potencia

de 200,000 CV e impulsa un caudal de 28 m3/s bajo la carga de 402 m. en el límite de

carga inferior de carga de 344 m el caudal impulsado es de 36.9 m3/s.

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Plantas mareomotrices. La Rance

Las modernas turbinas hidráulicas axiales, tipo BULBO, capaces de aprovechar muy

pequeñas largas y grandes caudales, están haciendo posible la utilización del salto

que puede producirse con la amplitud de la marea, esto es por la diferencia de niveles

entre la marea alta y la marea baja, en un lugar apropiado del litoral.

Para lograr un aprovechamiento más completo de la energía del agua, y dadas las

posibilidades que la instalación ofrece, las maquinas empleadas son reversibles,

pudiendo trabajar como turbinas en los sentidos opuestos del flujo del agua, o sea, al

vaciar y al llenar el embalse cerrado por un dique. Además pueden operar como

bombas para sobre-llenar el embalse en ciertos momentos del ciclo, en que las

condiciones sean favorables y se tenga energía disponible en el sistema eléctrico.