José Agüera Soriano 2011 1 - Universidad de Córdoba 13.pdf · turbina Kaplan 800. José Agüera...

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José Agüera Soriano 2011 1

Turbinas hidráulicas

1. Centrales de agua fluyente

2. Centrales de agua embalsada a) de regulación b) de bombeo

3. Centrales según la altura del salto a) de alta presión (H > 200 m) b) de media presión (H entre 20 y 200 m) c) de baja presión (H < 20 m)

1. Centrales de agua fluyente

2. Centrales de agua embalsada a) de regulación b) de bombeo

3. Centrales según la altura del salto a) de alta presión (H > 200 m) b) de media presión (H entre 20 y 200 m) c) de baja presión (H < 20 m)

CLASIFICACIÓN

nivel superior

nivel inferiorturbina

central

aliviaderos

canal de acceso

tubería forzada

aliviadero

central

depósito superior

embalse inferior

chimenea de equilibrio

Central de Bombeo

turbina/bomba

Tajo de la Encantada

embalse inferior

depósito superior

tubería forzada

conducción casi horizontal

central

depósitosuperior

embalse

CompuertoVillalba

Acera de la Vega

CernadillaValparaiso

VillalcampoRicobayo

Castro

VillagonzaloSanta Teresa

Ledesma

Villarino

BermellarSan Felices

Saucelle

Aldeadavila

Hinojosa

San Roman

Río Carrión

Río Pisuerga

Rio Tera

Río Hueba

Río DueroRío Tormes

cuenca del río Duerom

Tormes

salto Villarinosalto Saucelle

TURBINAS HIDRÁULICAS

Conceptos previos

Turbinas Pelton

Turbinas Francis

Turbinas Kaplan

Turbinas bulbo

línea piezométrica (LP)

línea de energía (LE)

V 2 2/ H= 2

Flujo en tuberías con salida libre

SLLpérdida de carga

línea piezométrica (LP)11 22

línea piezométrica sin tobera ( )

==HB SVg22

línea piezométrica con tobera

plano de carga inicialSLL

LEV 2LP

línea piezométrica sin tobera ( )

==HB SVg22

línea piezométrica con tobera

plano de carga inicialSLL

Salida por tobera

línea piezométrica (LP)

pérdida de carga

Conducción de hidroeléctrica Villarino

m 30 m; 0,8m 60 m; ,07m 40 m; 5,7

m 402m15000

======

HDHDHD

Turbina de reacciónPotencia de un flujo

(W)J/s HQgP ⋅⋅⋅= ρ

(J/kg) sm sm :Gravedad

m :Altura

kg/s mkg :Densidadsm :Caudal

Turbina de acción

tobera fija

rodete

Turbina de reacción

RODETE

CORONA

RODETE

tobera fija

tobera móvil

cámara espiral

22w u2

perfil álabecorona fijarodete

perfil álabe

Triángulos de velocidades

c velocidad absolutau velocidad tangencialw velocidad relativaα ángulo c uβ ángulo w u

perfil álabecorona fija

perfil álaberodete

22w u2

perfil álabecorona fijarodete

perfil álabe

Ecuación de Euler

222111 coscos αα ⋅⋅−⋅⋅=⋅ cucuHg t

perfil álaberodete

perfil álabecorona fija

Semejanza deturbomáquinas

m :diseño de altura

CV :diseño de efectiva potenciarpm :esrevolucion

∗⋅=HPnn e

( ) 4/52/1

⋅⋅

HgPn e

Velocidad específica

(dimensional)

(adimensional)

turbina Francisextrarrápida

turbina Francisrápida

normalturbina Francis

4 inyector2 inyector1 inyector

turbina Kaplan extrarrápida

turbina Kaplan rápida

turbina Kaplan normal

turbina Kaplan lenta

turbina Francis lenta

turbina Pelton

snvelocidad específica

100015002000

5700600500400300200100

Elección turbina en función de la velocidad específica

∗⋅=HPnn e

velocidad específica

turbina Pelton

turbina Francis

turbina Kaplan

válvula

golpe dearieteLP antes del cierre

LP después del cierre

Golpe de ariete

SLLSLL

inyector

rodete

Turbina Pelton

Lester Allan Pelton(1829-1908)

MW 200 hasta inyector) 1( 20)óptimo(

7510m1800100

≈÷=÷=

tamaño y número de cucharas

rodete Pelton

Figura 1 inyector

Pelton con 1 inyector

inyector

deflector

inyector Pelton

aguja de regulación

deflector

T2= 4 20º

··_15º= 7/2

Cucharas Pelton d = diámetro de chorro

L = 2,1 d

T = 0,85 d

B = 2,5 d t = 2 d

distancia entre cucharas

u 1 1w= u

u=2u 2

Triángulos de velocidades

nn HgcHgccucu

⋅⋅⋅≈⋅⋅=

⋅≈⋅= ∗∗

298,0)real( ;2)teórico(46,0)real( ;50,0)teórico(

Diámetro del rodete (D)

Cálculo Pelton

nn HgcHgccucu

⋅⋅⋅≈⋅⋅=

⋅≈⋅= ∗∗

298,0)real( ;2)teórico(46,0)real( ;50,0)teórico(

d·∼∼T 0,852,5B∼∼ ·dd·

/2= 7 15º_··∼∼L 2,1

20º= 42T

dt ⋅≈ 2

⋅∗⋅

⋅⋅

actuación del

deflector

Pelton con 2 inyectores

Pelton 4 inyectores y válvulas individuales

Turbinas Pelton (admisión parcial)

siguiente clase

Turbinas Francis (admisión total)

Turbinas Francis

James B. Francis(1815-1892)

MW 375 hasta 225)óptimo(

45050m55030

≈÷=÷=

Primer rodete Francis

D1 2=1

2 = 2/2D

rodete

distribuidordistribuidor

rodete

Resultaba el diámetro muy grande al tener que girar el agua 90º a la salida del rodete; convenía pues que saliera del mismo con una cierta componente axial.

fijacorona

rodete

álaberodete

fijoálabe

álabefijo

rodeteálabe

rodete

coronafija

TurbinaFrancis

Rodetes Francis

1,0165=sn

110=sn 1,0

220=sn

222111 coscos αα ⋅⋅−⋅⋅=⋅ cucuHg t

Rodetes Francis

395=sn

275=sn

1,0330=sn

1,0440=sn

J.Agüera, 2/2010 50

velocidad específica: 120

álabe guía

álabe estructuralálabe rodete cámara espiral

Turbina-bomba reversible.Tajo de la Encantada (Málaga)Potencia máxima: 90 MWRevoluciones: 500 rpmAltura máxima: 398,5 mCaudal máximo (turbina): 27,2 m3/sCaudal máximo (bomba): 24,5 m3/s

Velocidad específica: 100

Cuatro gruposPotencia total: 360 MW

rodete Francis

modelo

cerraranilloabrir

bielasbieletas

entrada del agua

palas directrices

Sistema de regulación turbinas de reacción

álabes guía

anillo regulador

cerrado

abierto

bielas y anillo de distribución movido por dos brazos

álabes guíarodete

cámara espiral

bielas y anillo de distribución movido por dos brazos

desagüecanal detubo de aspiración,

o de descarga

rodete

Tubo de aspiración, o de descarga

Francis hasta un 10% de HKaplan entre 20% y 38%rodete

Cavitación

burbuja de vapor

cavidad vacía

implosión

corrosión por cavitación

tubos de descarga

Turbinas Kaplan

Viktor Kaplan(1876-1934)

potencias grandes bajo )óptimo(

900400m904

≈÷=

cámara espiral

álabes guía

álabes estructurales

álabes rodete

Turbina Kaplan

álabes rodete

álabes guía

J.Agüera, 2/2010 68

hélic

Kaplan

Pelton

velocidad de giro constante

0,4100 11060 70 908040 5030

% potencia nominal20

% potencia nominal

héliceKaplan

cubo rodete

álabes guía

álabes rodete

Turbina Kaplan

tubo de aspiración, o de descarga

H = 3,8 m

Francis: de acero

Kaplan: de hormigón armado

cámara espiral

turbina Francisextrarrápida

turbina Francisrápida

normalturbina Francis

4 inyector2 inyector1 inyector

turbina Kaplan extrarrápida

turbina Kaplan rápida

turbina Kaplan normal

turbina Kaplan lenta

turbina Francis lenta

turbina Pelton

snvelocidad específica

100015002000

5700600500400300200100

elección de la turbina en funciónde la velocidad específica, ns 4/5

∗⋅=HPnn e

velocidad específica800

Para las mareomotrices se necesitaban turbinas con mayores ns..Con las bulbo, se puede llegar hasta ns 1150.

Mareomotriz de La Rance (Francia)

maqueta central mareomotriz de La Rance

Turbina bulbo

álabes guía

álabes rodete

MW 251 1150600m151

÷=÷=

La Rance (Francia)

24 turbinas 240 MW; reversibles y doble efecto

1 3 4 2

bulboKaplanFrancisPelton

caudal

7060 90 1008030 50400 10 20

Rendimientos en función del caudal

Potencias normales, ode diseño, respectode las nominales

Pelton: 67% al 75%Francis: 85% al 90%hélice: 90%Kaplan: 67% al 75%bulbo: 67% al 75%

caudal Q (%)

% caudal Q

Kaplan

Pelton

Francis

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