fluidos 13. turbinas hidraulicas

José Agüera Soriano 2011 1

Turbinas hidráulicas

José Agüera Soriano 2011 2

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

José Agüera Soriano 2011 3

nivel superior

nivel inferiorturbina

José Agüera Soriano 2011 4

central

José Agüera Soriano 2011 5

aliviaderos

José Agüera Soriano 2011 6

José Agüera Soriano 2011 7

canal de acceso

tubería forzada

aliviadero

central

José Agüera Soriano 2011 8

depósito superior

embalse inferior

chimenea de equilibrio

Central de Bombeo

turbina/bomba

José Agüera Soriano 2011 9

Tajo de la Encantada

embalse inferior

José Agüera Soriano 2011 10

Tajo de la Encantada

depósito superior

José Agüera Soriano 2011 11

tubería forzada chimenea de

equilibrio conducción casi

horizontal

central

depósito superior

embalse

Tajo de la Encantada

José Agüera Soriano 2011 12

Duero

cuenca del río Duero

metro

s sob

re e

l niv

el d

el m

ar

Tormes

salto Villarino

salto Saucelle

Duero

José Agüera Soriano 2011 13

TURBINAS HIDRÁULICAS

Conceptos previos

Turbinas Pelton

Turbinas Francis

Turbinas Kaplan

Turbinas bulbo

José Agüera Soriano 2011 14

Flujo en tuberías con salida libre

SLL

pérdida de carga

línea piezométrica (LP)11 22

José Agüera Soriano 2011 15

V

p

B

SV

H

S

==HB SVg2

21

línea piezométrica con tobera

plano de carga inicialSLL

A

A'

L

rHB'

LEV 2

LP

V

2g

BS

Bp

i

VS

2g

=2gp

SV2

H

iV2

LE

V

p

B

SV

H

S

==HB SVg2

21

plano de carga inicialSLL

A

A'

L

rHB'

LEV 2

V

2g

BS

Bp

i

VS

2g

=2gp

SV2H

iV2

Salida por tobera

línea piezométrica (LP)

pérdida de carga

José Agüera Soriano 2011 16

Conducción de hidroeléctrica Villarino

m 30 m; 0,8

m 60 m; ,07

m 40 m; 5,7

m 402

m 15000

r

r

r

HD

HD

HD

H

L

José Agüera Soriano 2011 17

Turbina de reacciónPotencia de un flujo

(W) J/s HQgP

(J/kg) sm sm :Gravedad

m :Altura

kg/s mkg :Densidad

sm :Caudal

22

2

3

3

Hgg

H

QQ

José Agüera Soriano 2011 18

A

E 1

chimenea de equilibrio

HnH=

AEHr

SLL

Turbina de acción

SLL

tobera fija

rodete

José Agüera Soriano 2011 19

Turbina de reaccióntobera fija

tobera móvil

José Agüera Soriano 2011 20

cámara espiral

José Agüera Soriano 2011 21

Triángulos de velocidades

c velocidad absolutau velocidad tangencialw velocidad relativaángulo c uángulo w u

perfil álabe

corona fija

perfil álabe rodete

José Agüera Soriano 2011 22

Ecuación de Euler

222111 coscos cucuHg t

perfil álabe rodete

perfil álabe

corona fija

José Agüera Soriano 2011 23

Semejanza deturbomáquinas

José Agüera Soriano 2011 24

4/5

2/1

HPn

n es

4/52/1

2/1

o

Hg

Pn es

Velocidad específica

(dimensional)

(adimensional)

José Agüera Soriano 2011 25

Elección turbina en función de la velocidad específica

4/5

2/1

HPn

n esa

ltura

de sa

lto

H m

velocidad específica

turbina Pelton

turbina Francis

turbina Kaplan

800

José Agüera Soriano 2011 26

chimenea de equilibrio

válvula

golpe de arieteLP antes del cierre

LP después del cierre

Golpe de ariete

José Agüera Soriano 2011 27

A

E 1

chimenea de equilibrio

HnH=

AEHr

SLLSLL

inyector

rodete

Turbina Pelton

José Agüera Soriano 2011 28

Lester Allan Pelton(1829-1908)

MW 200 hasta

inyector) 1( 20)óptimo(

7510

m 1800100

e

s

s

P

n

n

H

José Agüera Soriano 2011 29

tamaño y número de cucharas

José Agüera Soriano 2011 30

rodete Pelton

José Agüera Soriano 2011 31

Figura 1 inyector

Pelton con 1 inyector

inyector

deflector

José Agüera Soriano 2011 32

inyector Pelton

aguja de regulación

deflector

José Agüera Soriano 2011 33

Cucharas Pelton d = diámetro de chorro

L = 2,1 d

T = 0,85 d

B = 2,5 d t = 2 d

distancia entre cucharas

mella

José Agüera Soriano 2011 34

Triángulos de velocidades

nn HgcHgc

cucu

298,0)real( ;2)teórico(

46,0)real( ;50,0)teórico(

11

1111

José Agüera Soriano 2011 35

c2

c1

José Agüera Soriano 2011 36

Diámetro del rodete (D)

José Agüera Soriano 2011 37

Cálculo Pelton

nn HgcHgc

cucu

298,0)real( ;2)teórico(

46,0)real( ;50,0)teórico(

11

1111

dt 2

60

;4 1

2

n

uD

cd

Q

José Agüera Soriano 2011 38

actuación del

deflector

José Agüera Soriano 2011 39

Pelton con 2 inyectores

José Agüera Soriano 2011 40

Pelton 4 inyectores y válvulas individuales

José Agüera Soriano 2011 41

José Agüera Soriano 2011 42

José Agüera Soriano 2011 43

José Agüera Soriano 2011 44

Turbinas Pelton (admisión parcial)

siguiente clase

Turbinas Francis (admisión total)

José Agüera Soriano 2011 45

Turbinas Francis

James B. Francis(1815-1892)

MW 375 hasta

225)óptimo(

45050

m 55030

e

s

s

P

n

n

H

José Agüera Soriano 2011 46

Primer rodete Francis

distribuidor

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.

José Agüera Soriano 2011 47

TurbinaFrancis

José Agüera Soriano 2011 48

Rodetes Francis

0,152

2,290

1,0

55sn

0,408

1,100

1,0

165sn

1,0

1,440

0,288

110sn 1,0

0,910

0,512

220sn

222111 coscos cucuHg t

José Agüera Soriano 2011 49

Rodetes Francis

1,0

0,624

0,728

395sn

1,0

0,782

0,600

275sn

0,672

0,695

1,0

330sn

0,768

0,574

1,0

440sn

J.Agüera, 2/2010 50

José Agüera Soriano 2011 51

velocidad específica: 120

álabe guía

álabe estructuralálabe rodete cámara espiral

José Agüera Soriano 2011 52

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 gruposPotencia total: 360 MW

José Agüera Soriano 2011 53

rodete Francis

modelo

José Agüera Soriano 2011 54

Sistema de regulación turbinas de reacción

álabes guía

anillo regulador

José Agüera Soriano 2011 55

cerrado

José Agüera Soriano 2011 56

abierto

José Agüera Soriano 2011 57

bielas y anillo de distribución movido por dos brazos

José Agüera Soriano 2011 58

álabes guía

rodetecámara espiral

José Agüera Soriano 2011 59

bielas y anillo de distribución movido por dos brazos

José Agüera Soriano 2011 60

Tubo de aspiración, o de descarga

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

José Agüera Soriano 2011 61

Cavitación

burbuja de vapor

cavidad vacía

implosión

José Agüera Soriano 2011 62

corrosión por cavitación

José Agüera Soriano 2011 63

tubos de descarga

José Agüera Soriano 2011 64

tubos de descarga

José Agüera Soriano 2011 65

Turbinas Kaplan

Viktor Kaplan(1876-1934)

potencias grandes

bajo )óptimo(

900400

m 904

e

ss

s

P

nn

n

H

José Agüera Soriano 2011 66

cámara espiral

álabes guía

álabes estructurales

álabes rodete

José Agüera Soriano 2011 67

Turbina Kaplan

álabes rodete

álabes guía

c2

J.Agüera, 2/2010 68

José Agüera Soriano 2011 69

ren

dim

ien

tos

% potencia nominal

héliceKaplan

José Agüera Soriano 2011 70

álabes estructurales

cubo rodete

álabes guía

álabes rodete

José Agüera Soriano 2011 71

Turbina Kaplan

tubo de aspiración, o de descarga

H = 3,8 m

José Agüera Soriano 2011 72

Francis: de acero

Kaplan: de hormigón armado

álabes estructurales

cámara espiral

José Agüera Soriano 2011 73

José Agüera Soriano 2011 74

José Agüera Soriano 2011 75

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

2/1

HPn

n es

altura de salto H m

velocidad específica 800

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

José Agüera Soriano 2011 76

Mareomotriz de La Rance (Francia)

José Agüera Soriano 2011 77

maqueta central mareomotriz de La Rance

José Agüera Soriano 2011 78

Turbina bulbo

álabes estructurales

álabes guía

álabes rodete

José Agüera Soriano 2011 79

MW 251

1150600

m 151

e

s

P

n

H

La Rance (Francia)

24 turbinas 240 MW; reversibles y doble efecto

José Agüera Soriano 2011 80

Rendimientos en función del caudal

Potencias normales, o de diseño, respecto de las nominales

Pelton: 67% al 75%

Francis: 85% al 90%

hélice: 90%

Kaplan: 67% al 75%

bulbo: 67% al 75%

caudal Q (%)

re

% caudal Q

ren

dim

ien

tos

bulbo

Kaplan

Pelton

Francis