Clasificación y conceptos de turbinas hidráulicas

Turbinas hidráulicas

José Agüera Soriano 2011

1

CLASIFICACIÓN
1. Centrales de agua fluyente
1. Centrales de agua fluyente
2. Centrales de agua embalsada
2. Centrales de agua embalsada
a) de regulación
a) de regulación
b) de bombeo
b) de bombeo
3. Centrales según la altura del salto
3. Centrales según la altura del salto
a) de alta presión
(H > 200 m)
a) de alta presión
(H > 200 m)
b) de media presión
(H entre 20 y 200 m)
b) de media presión
(H entre 20 y 200 m)
c) de baja presión
(H < 20 m)
c) de baja presión
(H < 20 m)

2

nivel superior

turbina

nivel inferior

3

central


4

aliviaderos


5

aliviadero

canal de acceso

tubería forzada

central


7

Central de Bombeo

depósito superior
chimenea de equilibrio

embalse inferior

turbina/bomba


8

Tajo de la Encantada

embalse inferior


9


depósito superior


10


central
embalse

tubería forzada
conducción casi horizontal

depósito
superior

11

cuenca del río Duero
metros sobre el nivel del mar

Tormes

Du
ero

Duero

salto Villarino
salto Saucelle

12

T
URB
INAS H
IDRÁUL
ICAS
Conceptos previos
Turbinas Pelton
Turbinas Francis
Turbinas Kaplan
Turbinas bulbo

13

Flujo en tuberías con salida libre
pérdida de carga
SLL

1

2

línea piezométrica (LP)

14

LP

i

2g H
2
VS
2g =
pi
γ

pB
γ

Salida por tobera

V
LE

LP

LP

V2
i
2g

pB
γ

SLL

V
plano de carga inicial
S

A'

pi
γ

SLL

A'
A

línea piezo
m

étrica con

plano de carga inicial

línea piezom
étrica con
to

bera

línlíeea L L
n
apiepoimé
V
z
etzcosin
ri a
moéera
t b
tr(ic )
Q
as
máx

pérdida de carga

2
VS
H
2g =

VS

B

A

VS

B

LE

V2
2g

S

tobera
B'

B'

Hr

Hr

H1

2
pB
VS
γ = H = 2g

in t S
oBbe
ra

V
2
VS

(Q

pB
γ = H = 2g

H1

VS

línea piezométrica (LP)

má )
x

B

S
VS


15

Conducción de hidroeléctrica Villarino
L = 15000 m
H = 402 m
D = 7,5 m; H r = 40 m
D = 7,0 m; H r = 60 m
D = 8,0 m; H r = 30 m

16

Potencia de un flujo
Turbina de reacción
Qm s 
ρ ⋅ Q kg/s
3
Densidad : ρ kg m 
Altura : H m 
2
2
g ⋅ H m s (J/kg)
2
Gravedad : g m s 
Caudal :

3

P = ρ ⋅ g ⋅ Q ⋅ H J/s (W)

17

Turbina de acción

SLL
SLL

HrAE

LP

A

rodete
H = Hn

tobera fija


E

18

1

Turbina de reacción
tobera fija

tobera móvil


19

cámara espiral


20

Triángulos de velocidades
perfil álabe
rodete

perfil álabe
corona fija

c velocidad absoluta
u velocidad tangencial
w velocidad relativa
α ángulo c u
β ángulo w u


21

Ecuación de Euler
g ⋅ H t = u1 ⋅ c1 ⋅ cosα1 − u2 ⋅ c2 ⋅ cosα 2
perfil álabe
rodete

perfil álabe
corona fija


22

Semejanza de
turbomáquinas


23

Velocidad específica
n ⋅ Pe∗1/ 2
ns =
(dimensional)
∗5 / 4
H

ω⋅P
nso = 1/ 2
ρ ⋅(g ⋅ H

∗1 / 2
e
∗ 5/ 4

)

(adimensional)

24

Elección turbina en función de la velocidad específica

altura de salto H m

∗1 / 2
e
∗5 / 4

n⋅P
ns =
H

turbina Pelton
turbina Francis

turbina Kaplan

800

velocidad específica

25

Golpe de ariete
LP después del cierre
golpe de
ariete

LP antes del cierre

válvula

26

Turbina Pelton

SLL
SLL

HrAE

LP

A

rodete
H = Hn

inyector


E

27

1

H = 100 ÷ 1800 m
ns = 10 ÷ 75
ns (óptimo) ≈ 20 (1 inyector)
Pe hasta 200 MW

Lester Allan Pelton
(1829-1908)

28

tamaño y número de cucharas


29

rodete Pelton


30

Pelton con 1 inyector
Figura 1 inyector
inyector

deflector


31

inyector Pelton
aguja de regulación

deflector


32

Cucharas Pelton

d = diámetro de chorro

L = 2,1 d

mella

T = 0,85 d
B = 2,5 d
t=2 d

distancia entre cucharas

33

Triángulos de velocidades
∗
∗
u1 ( teórico) = 0,50 ⋅ c1; u1 (real) ≈ 0,46 ⋅ c1

c1 ( teórico) = 2 ⋅ g ⋅ H n ; c1 (real) ≈ 0,98 ⋅ 2 ⋅ g ⋅ H n


34

c2
c1


35

Diámetro del rodete (D)


36

Cálculo Pelton
π ⋅d2
Q=
⋅ c1 ;
4
60 ⋅ u ∗
D=
π ⋅n
t ≈ 2⋅d
∗
∗
u1 ( teórico) = 0,50 ⋅ c1; u1 (real) ≈ 0,46 ⋅ c1

c1 ( teórico) = 2 ⋅ g ⋅ H n ; c1 (real) ≈ 0,98 ⋅ 2 ⋅ g ⋅ H n

37

actuación
del
deflector


38

Pelton con 2 inyectores


39

Pelton 4 inyectores y válvulas individuales


40


41


42


43

Turbinas Pelton (admisión parcial)
siguiente clase

Turbinas Francis (admisión total)


44

Turbinas Francis

H = 30 ÷ 550 m
ns = 50 ÷ 450
ns (óptimo) ≈ 225
Pe hasta 375 MW
James B. Francis
(1815-1892)

45

Primer rodete Francis
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.

distribuidor
rodete


46

Turbina
Francis


47

Rodetes Francis
1,100

2,290
0,408

0,152

ns = 165

ns = 55

1,0

1,0

g ⋅ H t = u1 ⋅ c1 ⋅ cosα1 − u2 ⋅ c2 ⋅ cosα 2
0,910

1,440
0,512

0,288

ns = 220

ns = 110

1,0

1,0

48

Rodetes Francis
0,782

0,624
0,728

0,600

ns = 395

ns = 275

1,0

1,0

0,695

0,574

0,672

ns = 330

0,768

1,0

ns = 440


1,0

49

velocidad específica: 120

álabe guía
álabe estructural

álabe rodete


cámara espiral

51

Turbina-bomba reversible.
Tajo de la Encantada (Málaga)
Potencia máxima: 90 MW
Revoluciones: 500 rpm
Altura máxima: 398,5 m
Caudal máximo (turbina): 27,2 m3/s
Caudal máximo (bomba): 24,5 m3/s

Velocidad específica: 100

Cuatro grupos
Potencia total: 360 MW

52

rodete Francis
modelo


53

Sistema de regulación turbinas de reacción

álabes guía

anillo regulador

54

cerrado


55

abierto


56

bielas y anillo de distribución movido por dos brazos


57

cámara espiral

rodete
álabes guía


58

bielas y anillo de distribución movido por dos brazos

59

Tubo de aspiración, o de descarga

rodete

Francis hasta un 10% de H
Kaplan entre 20% y 38%


60

Cavitación

burbuja de vapor
cavidad vacía

implosión


61

corrosión por cavitación

62

tubos de descarga


63

tubos de descarga


64

Turbinas Kaplan
H = 4 ÷ 90 m
ns = 400 ÷ 900
ns (óptimo) ≈ ns bajo
Pe grandes potencias
Viktor Kaplan
(1876-1934)

65

cámara espiral

álabes estructurales

álabes guía
álabes rodete

66

Turbina Kaplan
álabes guía

álabes rodete

c2

67

rendimientos

Kaplan

hélice

% potencia nominal

69

álabes
estructurales

álabes guía

álabes rodete

cubo rodete


70

Turbina Kaplan
H = 3,8 m

tubo de aspiración,
o de descarga


71

Francis: de acero
Kaplan: de hormigón armado

cámara espiral


72


73


74

∗1 / 2
elección de la turbina en función
n ⋅ Pe
ns =
de la velocidad específica, ns
∗5 / 4
H

altura de salto H m

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

800

velocidad específica

75

Mareomotriz de La Rance (Francia)

76

maqueta central mareomotriz de La Rance


77

álabes guía
álabes rodete

Turbina bulbo

78

La Rance (Francia)
24 turbinas 240 MW; reversibles y doble efecto

H = 1 ÷ 15 m
ns = 600 ÷ 1150
Pe = 1 ÷ 25 MW


79

Rendimientos en función del caudal
Potencias normales, o
de diseño, respecto
de las nominales

Pelton

rendimientos

bulbo

re

Francis
Kaplan

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

% caudal Q
caudal Q (%)

80

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