Universidad de Guadalajara
Daniel Padilla Guerrero
Mquinas hidrulicas
Mtra. Mara Magdalena Snchez Huerta
Trabajo final:
Turbinas hidrulicas
24 de noviembre de 2011
U. de G.
TURBINAS HIDRULICAS
Trabajo de turbinas hidrulicas Definicin: La turbina hidrulica
es una turbo mquina motora, y por tanto esencialmente es una bomba
roto dinmica que trabaja a la inversa. Absorbe energa de un fluido
en movimiento, y lo restituye en energa mecnica. Elementos
constitutivos: -Canal de llegada: o tubera forzada, corresponde a
la tubera de impulsin de una bomba. -Caja espiral: transforma
presin en velocidad. -Distribuidor: seria la corona directriz de
una bomba, pero en una turbina transforma presin en velocidad y
acta como tobera. -Rodete: A las bombas centrifugas con flujo en el
rodete hacia el exterior corresponde el tipo de turbomquinas
centrpetas, con el flujo del rodete hacia el interior. -Tubo de
aspiracin: Corresponde a la bomba de aspiracin de una bomba. En una
turbina es el rgano de desage, pero se le llama tubo de aspiracin
porque crea una aspiracin o depresin a la salida del rodete,
mientras que en las bombas es la tubera de aspiracin. Clasificacin
de las turbinas hidrulicas: 1.-Segn el grado de reaccin: Turbinas
de accin: Su grado de reaccin es 0. Son de admisin parcial. La
presin del agua no vari en los alabes. El rodete no est inundado.
Se encuentra a la presin atmosfrica. El rodete trabaja a presin
constante, adems, no tiene tubo de aspiracin: la salida del rodete
coincide con la salida de la turbina. Solo se construyen
prcticamente de flujo tangencial, y corresponde a la turbina Pelton
Turbinas de reaccin: Su grado de reaccin es distinto de 0. La
presin a la entrada del rodete es superior a la atmosfrica y a la
salida es inferior. El rodete est inundado. La presin a la entrada
es mayor que la de salida. La turbina se encuentra en el nivel del
agua o ms abajo. Se clasifican, a su vez en flujo diagonal ( o
radial); de alabes fijos , como la turbina Francis de alabes
orientables( turbina Deriaz). De flujo axial: de alabes fijos, como
las Kaplan. 2.- Segn el numero especifico de revoluciones En la
actualidad se construyen seis tipos de turbinas: Pelton, Francis,
Deriaz, Helice, Kaplan y bombas-turbinas reversibles.
La naturaleza ofrece los saltos hidrulicos con potencias muy
variadas y una misma potencia con combinaciones mltiples. Por
tanto, en turbinas como en bombas: El rodete de las turbinas
hidrulicas va cambiando insensiblemente de forma que pueda
adaptarse a las diferentes condiciones de servicio. La clasificacin
ms precisa de las turbinas es una clasificacin numrica, que se hace
asignando a toda la familia de turbinas hidrulicas geomtricamente
semejantes un nmero especfico de revoluciones:
TURBINA PELTON
Turbina Pelton de la central hidroelctrica de Walchensee en
Alemania. Una turbina Pelton es uno de los tipos ms eficientes de
turbina hidrulica. Es una turbomquina motora, de flujo transversal,
admisin parcial y de accin. Consiste en una rueda (rodete o rotor)
dotada de cucharas en su periferia, las cuales estn especialmente
realizadas para convertir la energa de un chorro de agua que incide
sobre las cucharas. Las turbinas Pelton estn diseadas para explotar
grandes saltos hidrulicos de bajo caudal. Las centrales
hidroelctricas dotadas de este tipo de turbina cuentan, la mayora
de las veces, con una larga tubera llamada galera de presin para
trasportar al fluido desde grandes alturas, a veces de hasta ms de
doscientos metros. Al final de la galera de presin se suministra el
agua a la turbina por medio de una o varias vlvulas de aguja,
tambin llamadas inyectores, los cuales tienen forma de tobera para
aumentar la velocidad del flujo que incide sobre las cucharas.
Funcionamiento
Proyeccin cilndrica en el dimetro Pelton de una cuchara. La
tobera o inyector lanza directamente el chorro de agua contra la
serie de paletas en forma de cuchara montadas alrededor del borde
de una rueda, el doble de la distancia entre el eje de la rueda y
el centro del chorro de agua se denomina dimetro Pelton. El agua
acciona sobre las cucharas intercambiando energa con la rueda en
virtud de su cambio de cantidad de movimiento, que es casi de 180.
Obsrvese en la figura anexa un corte de una pala en el dimetro
Pelton; el chorro de agua impacta sobre la pala en el medio, es
dividido en dos, los cuales salen de la pala en sentido casi
opuesto al que entraron, pero jams puede salir el chorro de agua en
direccin de 180 ya que si fuese as el chorro golpeara a la pala
sucesiva y habra un efecto frenante. La seccin de entrada del
fluido a la cuchara se denomina 1, as como 2 a la seccin de salida.
El estudio analtico de la interaccin agua-pala puede ser sumamente
complicado debido al desplazamiento relativo entre la pala y el
chorro de agua. Por otro lado se simplifica el estudio de las
turbinas Pelton a la seccin cilndrica del dimetro Faubert. As la
energa convertida por unidad de masa de agua est dada por la ley de
Euler de las turbomquinas: L = u1cu1 u2cu2 Donde:
L es la energa especfica convertida. u1 y u2 es la velocidad
tangencial de la cuchara en los puntos donde el agua llega y sale
de la misma respectivamente. cu1 y cu2 son, respectivamente, las
proyecciones de la velocidad absoluta del fluido sobre la velocidad
tangencial de la cuchara en los puntos de llegada y salida de la
misma.
Como la velocidad tangencial de rotacin de la rueda Pelton es la
misma en todos los puntos del dimetro Pelton (recurdese la frmula
de la velocidad angular u = r) las velocidades u1 y u2 son iguales.
Entonces la frmula de Euler se puede simplificar: L = u(cu1 cu2) La
turbina Pelton es un tipo de turbina de impulso, y es la ms
eficiente en aplicaciones donde se cuenta con un gran desnivel de
agua. Dado que el agua no es un fluido compresible, casi toda la
energa disponible se extrae en la primera etapa de la turbina. Por
lo tanto, la turbina Pelton tiene una sola rueda, al contrario que
las turbinas que operan con fluidos compresibles.
HistoriaLester Allan Pelton o llamado por sus amigos el
carpintero de VGR ya que invent una de las turbinas ms importantes
del mundo, carpintero y montador de ejes y poleas, invent la
turbina Pelton en 1879, mientras trabajaba en California. Obtuvo su
primera patente en 1880. Una historia muy poco creble dice que
Pelton invent su rueda cuando se fij en cmo el agua salpicaba fuera
de las fosas nasales de una vaca mientras esta beba de un chorro de
agua y directamente empez a imaginarse la turbina en su cabeza y lo
que eso supona, es decir, ese invento poda cambiar el mundo de la
energa.
Aplicaciones
Instalacin comn de una turbina Pelton con dos inyectores.
Existen turbinas Pelton de todos los tamaos. Hay turbinas de varias
toneladas montadas en vertical sobre cojinetes hidrulicos en las
centrales hidroelctricas. Las turbinas Pelton ms pequeas, solo de
unos pocos centmetros, se usan en equipamientos domsticos.
En general, a medida que la altura de la cada de agua aumenta,
se necesita menor caudal de agua para generar la misma potencia. La
energa es la fuerza por la distancia, y, por lo tanto, una presin
ms alta puede generar la misma fuerza con menor caudal. Cada
instalacin tiene, por lo tanto, su propia combinacin de presin,
velocidad y volumen de funcionamiento ms eficiente. Usualmente, las
pequeas instalaciones usan paletas estandarizadas y adaptan la
turbina a una de las familias de generadores y ruedas, adecuando
para ello las canalizaciones. Las pequeas turbinas se pueden
ajustar algo variando el nmero de toberas y paletas por rueda, y
escogiendo diferentes dimetros por rueda. Las grandes instalaciones
de encargo disean el par torsor y volumen de la turbina para hacer
girar un generador estndar.
TURBINA FRANCIS
Rodete de una turbina Francis
Primitiva turbina Francis
La turbina Francis fue desarrollada por James B. Francis. Se
trata de una turbomquina motora a reaccin y de flujo mixto. Las
turbinas Francis son turbinas hidrulicas que se pueden disear 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 ms ampliamente usado en el mundo,
principalmente para la produccin de energa elctrica mediante
centrales hidroelctricas.
DesarrolloLas norias y turbinas hidrulicas han sido usadas
histricamente para accionar molinos de diversos tipos, aunque eran
bastante ineficientes. En el siglo XIX las mejoras logradas en las
turbinas hidrulicas permitieron que, all donde se dispona de un
salto de agua, pudiesen competir con la mquina de vapor.
En 1826 Benoit Fourneyron desarroll una turbina de flujo externo
de alta eficiencia (80%). El agua era dirigida tangencialmente a
travs del rodete de la turbina provocando su giro. Alrededor de
1820 Jean V. Poncelet dise una turbina de flujo interno que usaba
los mismos principios, y S. B. Howd obtuvo en 1838 una patente en
los EE.UU. para un diseo similar. En 1848 James B. Francis mejor
estos diseos y desarroll una turbina con el 90% de eficiencia.
Aplic principios y mtodos de prueba cientficos para producir la
turbina ms eficiente elaborada hasta la fecha. Ms importante, sus
mtodos matemticos y grficos de clculo mejoraron el nivel de
desarrollo alcanzado (estado del arte) en lo referente al diseo e
ingeniera de turbinas. Sus mtodos analticos permitieron diseos
seguros de turbinas de alta eficiencia.
PartesCaja espiral
Tiene como funcin distribuir uniformemente el fluido en la
entrada del rodete de una turbinaPredistribuidor
Tienen una funcin netamente estructural, para mantener la
estructura de la caja espiral, tienen una forma hidrodinmica para
minimizar las prdidas hidrulicas.Distribuidor
Es el nombre con que se conocen los labes directores de la
turbomquina, su funcin es regular el caudal que entra en la
turbina, a la vez de direccionar al fluido para mejorar el
rendimiento de la mquina. Este recibe el nombre de distribuidor
Fink.Rotor
Es el corazn de la turbina, ya que aqu tiene lugar el
intercambio de energa entre la mquina y el fluido, pueden tener
diversas formas dependiendo del nmero de giros especfico para el
cual est diseada la mquina.Tubo de aspiracin
Es la salida de la turbina. Su funcin es darle continuidad al
flujo y recuperar el salto perdido en las instalaciones que estn
por encima del nivel de agua a la salida. En general se construye
en forma de difusor, para generar un efecto de aspiracin, el cual
recupera parte de la energa que no fuera entregada al rotor en su
ausencia.
labes directores (en color amarillo) configurados para mnimo
caudal (vista interior).
labes directores (en color amarillo) configurados para mximo
caudal (vista interior).
Rodete de una turbina Francis, Presa Grand Coulee.
Espiral de entrada de una turbina Francis, Presa Grand
Coulee.
AplicacionesLas grandes turbinas Francis se disean de forma
individual para cada emplazamiento, a efectos de lograr la mxima
eficiencia posible, habitualmente ms del 90%. Son muy costosas de
disear, fabricar e instalar, pero pueden funcionar durante dcadas.
Adems de para la produccin de electricidad, pueden usarse para el
bombeo y almacenamiento hidroelctrico, donde un embalse superior se
llena mediante la turbina (en este caso funcionando como bomba)
durante los perodos de baja demanda elctrica, y luego se usa como
turbina para generar energa durante los perodos de alta demanda
elctrica.
Se fabrican microturbinas Francis baratas para la produccin
individual de energa para saltos mnimos de 52 metros.
Ventajas y desventajasVentajas de la turbina Francis o tambin
llamada VGR
Su diseo hidrodinmico permite bajas perdidas hidrulicas, por lo
cual se garantiza un alto rendimiento. Su diseo es robusto, de tal
modo se obtienen dcadas de uso bajo un costo de mantenimiento menor
con respecto a otras turbinas. Junto a sus pequeas dimensiones, con
lo cual la turbina puede ser instalada en espacios con limitaciones
fsica tambin permiten altas velocidades de giro. Junto a la
tecnologa y a nuevos materiales, las nuevas turbinas requieren cada
vez menos mantenimiento.1
Desventajas
No es recomendado para alturas mayores de 800 m, por las
presiones existentes en los sellos de la turbina. Hay que controlar
el comportamiento de la cavitacin. No es la mejor opcin para
utilizar frente a grandes variaciones de caudal, por lo que se debe
tratar de mantener un flujo de caudal constante previsto, antes de
la instalacin.2
TURBINAS KAPLANLas turbinas tipo Kaplan fueron diseado por el
Dr. tcnico Vctor Kaplan (1876-1934) en el principio del siglo 20. A
diferencia de los otros tipos de turbinas se puede ajustar ambas
alabas (los del rotor y los alabas de gua) para adaptar la turbina
a diferentes niveles del caudal. Los ejes son de orientacin
horizontal vertical. Se usa este tipo de turbina en plantas de
presin baja y mediana. En la planta "Schwelld" se encuentra una
turbina de tipo Kaplan con rbol vertical y con caja de concreto.
Utilizacin para:
altura de cada 7-60 Metros caudal 0,7-1.000 m/s potencia
50-180.000 Kw.
El aumento de las necesidades de energa hidroelctricas durante
los albores del siglo XX puso de manifiesto la necesidad de
turbinas que pudieran aprovechar cadas de agua de 3 a 9 m, que
podran utilizarse en muchos ros construyendo pequeos embalses de
agua. En 1913, el ingeniero austriaco Vctor Kaplan plante por
primera vez la turbina de hlice, que acta al contrario que la hlice
de un barco. Kaplan mejor la turbina haciendo que las palas
pudieran pivotar sobre su eje. Los distintos ngulos de las palas
aumentaban el rendimiento ajustando el ngulo al volumen de la cada
de agua. Para mantener una salida fija del generador en una
instalacin hidroelctrica la velocidad de la turbina debe mantenerse
constante, independientemente de las variaciones de la presin del
agua que las mueve. Esto requiere gran nmero de controles que,
tanto en la turbina de Francis como en la de Kaplan, varan el ngulo
de las palas. En las instalaciones de turbinas Pelton, el flujo del
agua se controla abriendo y cerrando las boquillas eyectoras. La
tendencia en las turbinas hidrulicas modernas es utilizar cadas
mayores y mquinas ms grandes. Segn el tamao de la unidad, las
turbinas Kaplan se utilizan en cadas de unos 60 m, por ejemplo se
usan las turbinas Kaplan en la central hidroelctrica de Macagua II.
FIGURA 1: Turbina Kaplan
DESARROLLOTURBINAS Turbina, es un motor rotativo que convierte
en energa mecnica la energa de una corriente de agua, vapor de agua
o gas. El elemento bsico de la turbina es la rueda o rotor, que
cuenta con palas, hlices, cuchillas o cubos colocados alrededor de
su circunferencia, de tal forma que el fluido en movimiento produce
una fuerza tangencial que impulsa la rueda y la hace girar. Esta
energa mecnica se transfiere a travs de un eje para proporcionar el
movimiento de una mquina, un compresor, un generador elctrico o una
hlice. Qu es la Hidrulica? Es el proceso mediante el cual la energa
potencial del agua se convierte en energa elctrica a travs del
trabajo de rotacin de una turbina. Las turbinas se clasifican en
turbinas hidrulicas o de agua, turbinas de vapor y turbinas de
combustin. Hoy la mayor parte de la energa elctrica mundial se
produce utilizando generadores movidos por turbinas. Los molinos de
viento que producen energa elctrica se llaman turbinas de viento.
Cmo funcionan las Turbinas hidrulicas?
Para mantener una salida constante de voltaje en una instalacin
hidroelctrica la velocidad de la turbina debe mantenerse constante,
independientemente de las variaciones de la presin del agua que las
mueve. Esto requiere gran nmero de controles que, tanto en la
turbina de Francis como en la de Kaplan, varan el ngulo de las
palas. En las instalaciones de ruedas Pelton, el flujo del agua se
controla abriendo y cerrando las boquillas eyectoras. En este caso,
se utiliza una boquilla de derivacin de descarga, dado que los
cambios rpidos de corriente en canales de cada largos podran
producir aumentos repentinos en la presin, llamados martillos de
agua, que pueden ser muy dainos. Con estos ajustes, se mantiene
constante el flujo de agua a travs de las boquillas. Para ello se
cierran las boquillas de descarga, lo que se hace con mucha
lentitud para evitar martillos de agua. Avances en el diseo de las
turbinas
Las turbinas pueden ser de varios tipos, segn los tipos de
centrales: Pelton (saltos grandes y caudales pequeos), Francis
(salto ms reducido y mayor caudal), Kaplan (salto muy pequeo y
caudal muy grande) y de hlice. Las centrales dependen de un gran
embalse de agua contenido por una presa. El caudal de agua se
controla y se puede mantener casi constante. El agua se transporta
por unos conductos o tuberas forzadas, controlados con vlvulas para
adecuar el flujo de agua por las turbinas con respecto a la demanda
de electricidad. El agua sale por los canales de descarga. La
tendencia en las turbinas hidrulicas modernas es utilizar cadas
mayores y mquinas ms grandes. Segn el tamao de la unidad, las
turbinas Kaplan se utilizan en cadas de unos 60 m, y en el caso de
las turbinas Francis de hasta 610 m. Muchas de las pequeas
instalaciones en presas construidas antes de 1930 han sido
abandonadas debido a su alto coste de mantenimiento y la mano de
obra que requieren. Sin embargo, el aumento de los costos de los
combustibles fsiles ha hecho volver la mirada hacia este tipo de
sistemas de poca cada. Con el desarrollo de turbinas de hlice
normalizadas con ejes casi horizontales, las instalaciones pequeas
han recuperado su atractivo original. Se han diseado turbinas que
actan como bombas cuando funcionan a la inversa, invirtiendo el
generador elctrico para que funcione como un motor. Dado que no es
posible almacenar la energa elctrica de forma econmica, este tipo
de bombas turbina se utiliza para bombear agua hacia los embalses,
aprovechando la energa elctrica generada por las centrales
nucleares y trmicas durante las horas de poco consumo. El agua
embalsada se emplea de nuevo para generar energa elctrica durante
las horas de consumo elevado. En los ltimos aos se han desarrollado
turbinas para cadas de hasta 600 m y con capacidades de ms de 400
MWCRITERIOS DE SELECCION
Uno de los principales criterios que se deben manejar a la hora
de seleccionar el tipo de turbina a utilizar en una central, es la
velocidad especfica (Ns) cuyo valor exacto se obtiene a partir de
la siguiente ecuacin:
Ecuacin 1 Donde: ne son revoluciones por minuto, N es la
potencia del eje o potencia al freno y h es la altura neta. Estos
son los valores para el rendimiento mximo. La velocidad especfica
Ns es el nmero de revoluciones que dara una turbina semejante a la
que se trata de buscar y que entrega una potencia de un caballo, al
ser instalada en un
salto de altura unitaria. Esta velocidad especfica, rige el
estudio comparativo de la velocidad de las turbinas, y es la base
para su clasificacin. Se emplea en la eleccin de la turbina ms
adecuada, para un caudal y altura conocidos, en los anteproyectos
de instalaciones hidrulicas, consiguiendo una normalizacin en la
construccin de rodetes de turbinas. Los valores de esta velocidad
especfica para los actuales tipos de turbinas que hoy en da se
construyen con mayor frecuencia (Pelton, Francis, Hlices y Kaplan)
figuran en el siguiente cuadro: Velocidad especfica Ns De 5 a 30 De
30 a 50 De 50 a 100 De 100 a 200 De 200 a 300 De 300 a 500 Ms de
500 Tipo de Turbina Pelton con un inyector Pelton con varios
inyectores Francis lenta Francis normal Francis rpida Francis doble
gemela rpida o express Kaplan o hlice
Tal como se mencion anteriormente Ns sirve para clasificar las
turbinas segn su tipo. De hecho, Ns se podra denominar ms bien
caracterstica, tipo o algn nombre similar, puesto que indica el
tipo de turbina. Al analizar la ecuacin 1 se comprueba que a
grandes alturas, para una velocidad y una potencia de salida dadas,
se requiere una mquina de velocidad especfica baja como una rueda
de impulso. En cambio, una turbina de flujo axial con una alta Ns,
es la indicada para pequeas alturas. Sin embargo, una turbina de
impulso puede ser adecuada para una instalacin de poca altura si el
caudal (o la potencia requerida) es pequeo, pero, a menudo, en
estas condiciones el tamao necesario de la rueda de impulso llega a
ser exagerado. Adems, de esta ecuacin se observa que la velocidad
especfica de una turbina depende del nmero de revoluciones por
minuto; cantidad que tiene un lmite, y adems debe tenerse en cuenta
que para cada altura o salto existe un cierto nmero de revoluciones
con el que el rendimiento es mximo. Tambin depende de la potencia N
a desarrollar, funcin a su vez del caudal Q de que pueda disponer,
y de la altura h del salto. Fijada la potencia y el caudal
aprovechable, el valor de la velocidad especfica indica el tipo de
turbina ms adecuado. Al igual que las turbinas Francis, las de tipo
Kaplan, son turbinas de admisin total, incluidas as mismo en la
clasificacin de turbinas de reaccin. Las caractersticas
constructivas y de funcionamiento, son muy similares entre ambos
tipos. Se emplean en saltos de pequea altura (alrededor de 60 m. y
menores), con caudales medios y grandes (aproximadamente de 15 m3/s
en adelante). Debido a su singular diseo, permiten desarrollar
elevadas velocidades especficas, obtenindose buenos rendimientos,
incluso dentro de extensos lmites de variacin de caudal. A igualdad
de potencia, las turbinas Kaplan son menos voluminosas que las
turbinas Francis. Normalmente se instalan con el
eje en posicin vertical, si bien se prestan para ser colocadas
de forma horizontal o inclinada (Fig. 2).
Fig. 2 La Turbina Kaplan es una turbina de hlice con labes
ajustables, de forma que la incidencia del agua en el borde de
ataque del labe pueda producirse en las condiciones de mxima accin,
cualesquiera que sean los requisitos de caudal o de carga. Esta
turbina debe su nombre al ingeniero Vctor Kaplan (1876-1934) quien
concibi la idea corregir el paso de los labes automticamente con
las variaciones de la potencia. Componentes de una turbina Kaplan.
Los rganos principales de una turbina Kaplan son, como en la
Francis, la cmara de alimentacin o caracol, el distribuidor, el
rodete mvil y el tubo de desfogue, ya que es tambin turbina de
reaccin. La cmara de alimentacin suele ser de concreto en muchos
casos, debido a la gran capacidad de gasto que admite la turbina
Kaplan. La seccin toroidal puede ser circular o rectangular. El
rotor de la turbina de forma de hlice, est constituido por un
robusto cubo, cuyo dimetro es el orden del 40% al 50% del dimetro
total al extremo de los labes, en el cual van empotrados los labes
encargados de efectuar la transferencia de energa del agua al eje
de la unidad.
A. B. C. D. E. F. G.
Cmara espiral. Metlica o de hormign, de secciones apropiadas.
Distribuidor. Tubo de aspiracin. Eje. Equipo de sellado del eje de
turbina. Cojinete gua de turbina. Cojinete de empuje. Normalmente
formando conjunto con el anterior
Protecciones caractersticas de turbinas Kaplan. a. Posicin
incorrecta palas rodete. Bloqueo de disponibilidad. Disparo. a.
Bajo nivel aceite deposito actuador palas distribuidor. Bloqueo de
disponibilidad. a. Alarma o disparo (depende de instalaciones) b.
Bajo nivel aceite depsito actuador palas rodete. Bloqueo de
disponibilidad. Alarma o disparo (depende de instalaciones). a.
Falta conjugacin actuacin palas distribuidor y rodete. Bloqueo de
disponibilidad. Disparo.
II. III. IV.
V. VI. VII. VIII.
