Turbomaquinas Kaplan

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Definición, características, funcionamiento y problemas resueltos a cerca de la turbinas Kaplan,

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  • Turbomquinas Ingeniera Elctrica UNSAAC

    Ing. Willy Morales Alarcn Pg. 1

    CARRERA PROFESIONAL DE

    INGENIERIA ELECTRICA

    ASIGNATURA DE TURBOMAQUINAS

    TURBINAS KAPLAN

    Ing. Willy Morales Alarcn

    2013

  • Turbomquinas Ingeniera Elctrica UNSAAC

    Ing. Willy Morales Alarcn Pg. 2

    CAPITULO VI

    TURBINAS DE HELICE Y KAPLAN

    6.1. Definicin y caractersticas generales de las turbinas hidrulicas:

    Las turbinas Kaplan son uno de los tipos ms eficientes de turbinas de

    agua de reaccin de flujo axial, con un rodete que funciona de manera

    semejante a la hlice de un del motor de un barco, y deben su nombre a

    su inventor, el austriaco Viktor Kaplan.

    Se emplean en saltos de pequea altura. Las amplias palas o labes de la

    turbina son impulsadas por agua a alta presin liberada por una

    compuerta.

    Los labes del rodete en las turbinas Kaplan son siempre regulables y

    tienen la forma de una hlice, mientras que los labes 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 labes

    del rodete, se dice que la turbina es una turbina Semi-Kaplan.

    Las turbinas Kaplan son de admisin axial, mientras que las semi-Kaplan

    pueden ser de admisin radial o axial.

    Para su regulacin, los labes 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 hidrulico, con la turbina en movimiento.

    Las turbinas de hlice se caracterizan porque tanto los labes del rodete

    como los del distribuidor son fijos, por lo que solo se utilizan cuando el

    caudal y el salto son prcticamente constantes

    6.2. Fundamentos de clculo de una turbina de Hlice y Kaplan:

    La ecuacin de la turbina es:

    1 1 1 2 2 2c cos c cos gH

    2

    w2 c2

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    1 1 1c cos gH

    1 1 1c cos c

    1 1c gH

    Recuperacin de la energa:

    3 2. .c g HC

    Donde:

    C: coeficiente de recuperacin=0,3=30%

    Dimetro de entrada del tubo de aspiracin:

    3

    3

    4QD

    c

    Seccin de la entrada del tubo de aspiracin:

    2

    3 34

    S D

    2

    4 44

    S D

    Altura de aspiracin: ,

    SH B H

    Donde:

    : coeficiente de cavitacin.

    ,

    1000

    altitudB B

    B=10 m de agua

    Si:

    88% 80% ( )Q maximo

    6.3. Calculo de la Turbina de Hlice y Kaplan:

    a) Potencia Hidrulica:

    1000

    75

    QHN CV

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    b) Tubo de aspiracin:

    Bo

    D3 D2

    D1

    Dn

    c2

    c3

    cm1

    cmo

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    Velocidad de entrada c3:

    3 2c gHC

    C: coeficiente de recuperacin=0,3 o 30%

    Seccin de entrada S3:

    3

    3

    QS

    c

    Dimetro de entrada del tubo de aspiracin D3:

    3

    3

    4QD

    c

    Seccin de salida S4:

    4 34S S

    Velocidad de salida c4:

    4

    4

    Qc

    S

    Dimetro de salida D4:

    4

    4

    4QD

    c

    Altura de aspiracin (Hs): ,

    SH B H

    Donde:

    : coeficiente de cavitacin.

    ,

    1000

    altitudB B

    B=10 m de agua

    c) El rodete:

    2 30,995D D

    El cabezal tiene una dimensin de:

    20,4nD D

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    Dimetro de entrada Dimetro medio

    21

    2

    nD DD

    d) Diagrama de velocidades C1

    Cm: Componente meridiano

    1 1c gH

    1 1 1c cos c

    11

    mccsen

    11

    mcctan

    Luego:

    1

    1

    gH

    c

    e) Superficie de los alabes: 2 2

    2

    4

    nD DS

    Q Sc

    2 2

    21.

    4

    nadm m

    D Da Q c

    2 2

    210,8.

    4

    nm

    D DQ c

    1 2 2

    2

    4.(0,8).

    ( )m

    n

    Qc

    D D

    C1 1

    Cm C1

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    Adems del triangulo de velocidades se tiene:

    11

    1 1

    mcarctanc

    f) Ancho de la corona directriz:

    Dimetro de corona:

    0 2D D

    Asumimos que la corona tiene las mismas dimensiones del rodete

    para evitar fugas.

    Componente meridiana:

    0 10,65m mc c

    0 0 00,8. 0,9. . . mQ D B c

    0

    0 0

    0,8.

    0,9. . . m

    QB

    D c

    g) Salida del rodete:

    1 2

    2 90

    c2 es perpendicular a 2

    h) Numero de revoluciones:

    1

    1

    60.

    .n

    D

    2

    c2 cm2

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    Ejemplo 1:

    Dimensionar una turbina Kaplan para su mximo rendimiento que es de

    87% el caudal de 6,5 m3/seg. Y la altura til de 5,5 m. La altitud de montaje

    es de 1000 msnm y su coeficiente de cavitacin es 0,82 adems el ngulo

    de ataque o ingreso de agua es de 50.

    a) Potencia hidrulica:

    1000

    75

    QHN CV

    1000 6,5 5,5 0,87414,7

    75

    x x xN CV

    b) Tubo de aspiracin:

    En la entrada:

    3 2. .0,3 2(9,81).(0,3)(5,5) 5,69 /c g H m seg

    2

    3

    3

    6,51,14

    5,69

    QS m

    c

    3

    3

    4 4 6,51,21 1210

    5,69

    Q xD m mm

    c x

    En la salida: 2

    4 34 4,56S S m

    4

    4

    6,51,43 /

    4,56

    Qc m seg

    S

    4

    3

    4 4 6,52,41 2410

    1,43

    Q xD m mm

    c x

    Altura de aspiracin (Hs): ,

    SH B H

    Donde:

    : coeficiente de cavitacin.

    ,

    1000

    altitudB B

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    B=10 m de agua

    , 100010 91000

    B m

    9 (0,82).(5,5) 4,49SH m

    c) El rodete:

    Dimetro:

    2 30,995D D

    2 0,995(1210 )D mm

    2 1203,95 1204D mm mm

    El cabezal:

    20,4nD D

    0,4(1204 )nD mm

    481,6 482nD mm mm

    Dimetro de entrada Dimetro medio

    21

    2

    nD DD

    1

    482 12104843

    2D mm

    d) Diagrama de velocidades C1 2 2

    2

    4

    nD DS

    2 221204 482 0,95

    4S m

    1 2 2

    2

    4.(0,8).

    ( )m

    n

    Qc

    D D

    1 2 2

    4.(0,8).(6,5)21,89 /

    (1204 482 )mc m seg

    11

    mcctan

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    1

    21,89

    50c

    tan

    1 18,37 /c m seg

    1

    1

    gH

    c

    1

    0,87(9,81).(5,5) 46,94

    18,37 18,37

    2

    1 2,55m

    11

    mccsen

    1

    21,89

    50c

    sen

    1 28,57 /c m seg

    i) Ancho de la corona directriz:

    Dimetro de corona:

    0 2D D

    0 1204D mm

    Asumimos que la corona tiene las mismas dimensiones del rodete

    para evitar fugas.

    Componente meridiana:

    0 10,65m mc c

    0 0,65(21,89 / )mc m seg

    0 14,22 /mc m seg

    0

    0 0

    0,8.

    0,9. . . m

    QB

    D c

    0

    0,8.(6,5)

    0,9.(1,204). .(14,22)B

    0 110B mm

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    j) Numero de revoluciones:

    1

    1

    60.

    .n

    D

    60.(2,55)

    .(0,843)n

    57,77n RPM

    Ejemplo 3:

    Determinar la velocidad de rotacin y, para el radio externo, la longitud de

    la cuerda del alabe de una turbina hidrulica de flujo axial tipo Kaplan que

    produce una potencia de 8613 HP bajo un salto neto de 4,81 m. Asuma lo

    siguiente: relacin de cubo de 0,35, eficiencia total de 0,88, numero de

    alabes de 5; del mismo modo, para el radio externo:

    /(2 )0,5 0,65mc gH , /(2 )0,5 2,1u gH , coeficiente de sustent