turbinas hidráulicas

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE MANABÍ

Facultad De Ciencias Matemáticas, Física y Químicas

Trabajo De Máquinas Hidráulicas

Alumna:Arroyo Pazmiño Zulayka

Curso:V “C” De Eléctrica

Profesor:Ing. Héctor Ortiz

MÁQUINAS HIDRÁULICASTURBINAS HIDRÁULICAS

TURBOMÁQUINAS HIDRÁULICASCENTRALES HIDROELÉCTRICAS

CENTRALES TÉRMICAS

Fecha:Lunes 24 de Enero, 2011

Máquina hidráulica o máquina de fluido incompresible

Es una variedad de máquina de fluido que emplea para su funcionamiento las propiedades de un fluido incompresible o que se comporta como tal, debido a que su densidad en el interior del sistema no sufre variaciones importantes.

CLASIFICACIÓN GENERAL

MÁQUINAS HIDRÁULICAS GENERATRICES

Reciben trabajo externo y transforman la energía mecánica en energía hidráulica, comunicando al fluido un aumento de su energía potencial, cinética o de presión.

CLASIFICACIÓN GENERAL DE LAS MAQUINAS HIDRAULICAS GENERATRICES

Por la forma que transforman la energía mecánica en energía hidráulica, las bombas se clasifican en:

Bombas de desplazamiento positivo

En las bombas de desplazamiento positivo existe una relación constante entre la descarga y la velocidad del órgano propulsor de la bomba.

CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO

El fluido recibe la acción de fuerzas directamente de un pistón, embolo o diafragma.

ALTERNATIVAS

TIPOS DE BOMBAS ALTERNATIVAS

BOMBA ALTERNATIVA DE SIMPLE EFECTO

BOMBA ALTERNATIVA DE DOBLE EFECTO

SIMPLEX: existe una sola cámara con pistón, émbolo o diafragma.

MULTIPLEX: existe más de una cámara con pistón, émbolo o diafragma.

El fluido recibe la acción de fuerzas de una o mas piezas rotativas que comunican energía de presión.

ROTATIVAS

Son bombas en las cuales hay uno o más engranes para efectuar la acción de bombeo. Es característico que uno de los engranes sea capaz de conducir a los otros.

Existen los siguientes tipos de bombas de engranes:

Bombas de Engranes ExternosSu caudal va de 1 a 600 l/min. Su presión varía de 15 a 175 kg/cm2  (presión de punta hasta 200 kg/cm2). Su velocidad va de 500 a 3000 rpm.

TIPOS DE BOMBAS ROTATIVAS

BOMBAS DE ENGRANES

Bombas de Engranes Internos

Puede usarse una partición en forma de luna creciente para evitar que el liquido pase de nuevo al lado de succión de la bomba.

Bomba de tornillo y rueda

El engrane motriz es un engrane helicoidal y el engrane conducido es una forma especial de engrane recto.

Normalmente los rotores con forma de tornillo en este tipo de bomba no se pueden conducir uno al otro y se requieren engranes sincronizadores.

BOMBAS DE TORNILLO DE ROTOR MÚLTIPLE

Bomba de pistón circunferencial externo

Se llama externa porque los centros de rotación de los rotores son externos al diámetro mayor de los rotores adyacentes.

Bombas de Pistón Circunferencial

Bomba de pistón circunferencial interno

El centro de rotación de uno de los rotores está dentro del diámetro mayor del otro rotor.

Recibe su nombre de las forma redondeada de las superficies radiales del rotor que permiten que los rotores estén continuamente en contacto entre sí, a medida que giran.

Existen varios tipos de bombas de lóbulo:

Bomba de Lóbulo sencillo

Bomba de Lóbulos múltiples

BOMBAS DE LÓBULO

Bomba de lóbulos internos o bomba de engranes internos sin lúnula

Bomba de Tornillo simpleEs similar en principio de operación a la bomba de lóbulos internos.

En este tipo de bombas se mueven elementos de sellado en forma de hojas rígidas, rodillos, deslizadores, zapatas, cubetas, etc.

BOMBAS DE ÁLABES DE ROTOR RÍGIDO

Bomba de álabes internos

La superficie de la leva es interna al miembro del cuerpo y los álabes están montados en, o sobre el rotor.

Bomba de álabes externos

La superficie de la leva está en la superficie radial externa del rotor y el álabe o álabes están montados en el cuerpo.

Reciben su nombre, de sus elementos semejantes al pistón, que se mueven en forma alternativa en agujeros del rotor, a medida que el rotor de la bomba gira.

Cuando los elementos del pistón se mueven axialmente a medida que el elemento rotatorio gira, la bomba se llama de pistón axial.

BOMBAS DE PISTÓN ROTATORIO

Bomba de álabe flexiblesTiene una acción de bombeo similar a la de una bomba de álabes internos.

Bomba de revestimiento flexibleEs similar en la acción de bombeo a la bomba de álabes externos.

Bombas de miembros o elementos flexibles

Bomba de tubo flexibleEs una bomba en la cual los tres volúmenes están limitados sólo por la superficie interior del tubo flexible y definidos por el lugar geométrico de compresión sobre el tubo.

TURBO-BOMBAS

Su principal característica es que poseen un órgano propulsor rotativo, el rotor, que comunica generalmente energía hidráulica cinética al fluido.Las turbo-bombas requieren de otro órgano difusor o recuperador, en la que se transforma la energía hidráulica cinética en energía hidráulica de presión.

ORGANO PROPULSOR O ROTOREl órgano propulsor, rotor o impulsor es esencialmente una pieza cónica o troncocónica dotada de palas y son:

-Cerrado: a más del disco que fijan las palas o alabes, existe una corona circular también sujeta a las palas.

- Abierto: cundo no existe la corona exterior.

CLASIFICACION DE LAS TURBO-BOMBAS

La clasificación de las turbo-bombas es realizada de varias maneras atendiendo a diversas características:

LA TRAYECTORIA DEL FLUIDO EN EL ROTOR

Bomba centrífuga pura o radial.El fluido describe trayectorias contenidas en planos normales al rotor.

Bomba helico -centrífuga.El fluido penetra al rotor axialmente, alcanzando el borde de entrada de los alabes, que es curvo e inclinado con respecto al eje del rotor.

Bomba helicoidalEl rotor normalmente tiene una sola base de fijación de los alabes y con forma de cono.

Bomba axialLos alabes del rotor producen un vórtice forzado que se superpone al flujo axial del fluido.

NUMERO DE ROTORES

Bombas de simple etapaEstas bombas tienen un solo rotor y por tanto el suministro de energía al fluido es realizado en un sola etapa

Bombas de múltiples etapasEl fluido se hace pasar sucesivamente por dos o más rotores fijados a un mismo eje y ubicados en una misma caja dimensionada de modo que el flujo sea posible.

NUMERO DE ENTRADAS DE ASPIRACIONBombas de aspiración simpleEl fluido penetra por un solo lado y por la abertura de la corona circular del rotor.

Bombas de aspiración dobleEl rotor tiene forma simétrica respecto al plano normal al eje y es capaz de recibir el fluido por dos sentidos opuestos.

MODO DE TRANSFORMACION DE LA ENERGIA CINETICA

-Bombas de difusor con palas guías o directrices entre el rotor y colector-Bombas con colector axial troncocónico-Bombas con colector en caracol

OTRAS CARACTERISTICAS-Por la velocidad específica-Por su finalidad o uso-Por la posición de su eje-Por el fluido a ser bombeado

Transforman la energía hidráulica de sus distintas formas a energía mecánica, generalmente en forma rotativa.

MÁQUINAS HIDRÁULICAS MOTRICES

Transforman la energía hidráulica de un fluido de una forma a otra

MÁQUINAS HIDRÁULICAS MIXTAS

TURBINA HIDRÁULICA

Es una turbomáquina motora hidráulica, aprovecha la energía de un fluido que pasa a través de ella para producir un movimiento de rotación que, transferido mediante un eje, mueve directamente una máquina o bien un generador que transforma la energía mecánica en eléctrica.

CLASIFICACION DE LAS TURBINAS HIDRAULICAS

El grado de reacción

-Turbinas de acciónSon aquellas en las que el fluido de trabajo no sufre un cambio de presión importante en su paso a través de rodete.

-Turbinas de reacciónSon aquellas en las que el fluido de trabajo si sufre un cambio de presión importante en su paso a través de rodete.

La trayectoria que sigue la partícula de fluidoTurbinas de acción total

Turbinas radiales

la trayectoria de la partícula de fluido en su acción sobre el receptor o rotor se mantiene aproximadamente en un plano normal al eje de la turbina.

Son:

-Centrifugas o exteriores como las turbinas tipo Ginard o Founeyron, ya obsoletas.-Centrípetas o interiores como las turbinas Francis lentas

Turbinas axiales

La trayectoria de la partícula de fluido recorre líneas contenidas en superficies cilíndricas de revolución en torno al eje de la turbina.Son de este tipo las turbinas tipo Kaplan, Hélice, Tubulares, Bulbo y Straflo.

Turbinas de flujo mixto o diagonal

El fluido recorre trayectorias sobre el receptor que pasan gradualmente de la dirección radial a la dirección axial, las trayectorias son líneas de doble curvatura.Pertenecen a este tipo las turbinas tipo Francis normales, rápidas y extra rápidas así como las turbinas tipo Deriaz

Turbinas de acción parcial

TURBINAS DE FLUJO TANGENCIAL

El fluido es lanzado en forma de chorro sobre un numero limitados de alabes del receptor.Pertenecen a este tipo las turbinas pelton, banki, michell.

TURBINAS TIPO FRANCIS

Sus aspectos constructivos

Conocidas como turbinas de sobrepresión por ser variable la presión en las zonas del rodete, o de admisión total ya que éste se encuentra sometido a la influencia directa del agua en toda su periferia. También se conocen como turbinas radiales-axiales y turbinas de reacción

Componentes de una turbina Francis.

Cámara espiral de una turbina Francis.

Está constituida por la unión sucesiva de una serie de virolas tronco-cónicas, cuyos ejes respectivos forman una espiral. Se conoce como el caracol de la turbina, en el que, debido a su diseño, se consigue que el agua circule con velocidad aparentemente constante y sin formar torbellinos, evitándose pérdidas de carga.

Distribuidor de una turbina Francis

Está formado por un determinado número de palas móviles, cuyo conjunto constituye un anillo que está situado concéntricamente y entre las mismas cotas en altura que el antedistribuidor, descrito al exponer la cámara espiral, siendo, en definitiva, camino continuado del agua en su recorrido hacia el centro de la turbina.

Los elementos componentes más destacados del distribuidor son:

- Palas directrices.- Servomotores.- Anillo de distribución.- Bielas y bieletas.- Fusibles mecánicos.- Equipos de engrase.

Rodete

Está unido rígidamente a la parte inferior del eje de la turbina, en situación perfectamente concéntrica con el distribuidor, ocupando el espacio circular que éste delimita

Tubo de aspiración

Consiste en una conducción, normalmente acodada, que une la turbina propiamente dicha con el canal de desagüe. Tiene como misión recuperar al máximo la energía cinética del agua a la salida del rodete o, dicho de otra forma, aprovechar el salto existente entre la superficie libre del agua y la salida del rodete.

Eje

Es en la zona de eje correspondiente al alternador donde se suele disponer el medio para soportar todo el peso del conjunto, formado por ejes, rotor, rodete y empuje del agua sobre los álabes de este último.

Aireación de rodetes FrancisLa conducción formada en los ejes huecos, permite la circulación de una corriente de aire hacia el interior del rodete y el tubo de aspiración, al objeto de evitar efectos de vacío, que serían perjudiciales para éstos y otros elementos de la turbina. La salida del aire se efectúa a través de orificios practicados en el difusor

Equipo de sellado del ejeDestinado a sellar, en definitiva, a cerrar e impedir el paso de agua que pudiera fluir desde el rodete hacia el exterior de la turbina, por el espacio existente entre la tapa de la misma y el eje.

Cojinete guíaEstá situado lo más cerca posible del rodete, sobre la tapa superior de turbina, inmediatamente por encima del cierre estanco o sellado del eje

Cojinete de empujeConocido también como soporte de suspensión, pivote, rangua o quicio, característico y necesario en todos los grupos de eje vertical, hemos de considerado como un componente propio de dichos grupos en sí y no de las turbinas hidráulicas que responden a tales condiciones de instalación.

TURBINA PELTON

Se conocen como turbinas de presión por ser ésta constante en la zona del rodete, de chorro libre, de impulsión, o de admisión parcial por ser atacada por el agua sólo una parte de la periferia del rodete.

Componentes de una turbina Pelton

DistribuidorEstá constituido por uno o varios equipos de inyección de

agua. Cada uno está formado por determinados elementos mecánicos, que dirigen convenientemente, un chorro de agua, cilíndrico y de sección uniforme, que se proyecta sobre el rodete, así como también, regular el caudal preciso que ha de fluir hacia dicho rodete, llegando a cortarlo totalmente cuando proceda.

Grupo accionado por turbina Pelton con dos rodetes

Esquema de un distribuidor

Cámara de distribuciónTiene como misión fundamental, conducir el caudal de agua. Igualmente, sirve de soporte a los demás mecanismos que integran el distribuidor .

InyectorEs el elemento mecánico destinado a dirigir y regular el chorro de agua. Está compuesto por:

Tobera

Una boquilla, normalmente con orificio de sección circular (puede tratarse de otra sección), de un diámetro aproximado entre 5 y 30 cm, instalada en la terminación de la cámara de distribución

Aguja

Está formada por un vástago situado concéntricamente en el interior del cuerpo de la tobera, guiado mediante cojinetes sobre los cuales tiene un libre movimiento de desplazamiento longitudinal en dos sentidos

Distintos aspectos de la aguja del inyector de una turbina Pelton. Detalle de punta de aguja erosionada.

Deflector

Es un dispositivo mecánico que, a modo de pala o pantalla, puede ser intercalado con mayor o menor incidencia en la trayectoria del chorro de agua, entre la tobera y el rodete, presentando la parte cóncava hacia el orificio de tobera.

Representación esquemática de la actuación de un deflector. Distintas formas de acción sobre el chorro de agua.

EQUIPO DE REGULACIÓN DE VELOCIDADEstá constituido por un conjunto de dispositivos electro-mecánicos, a base de servomecanismos, palancas y bielas. Su función, como veremos en el momento oportuno, es la de mantener constante la velocidad del grupo, a fin de que la frecuencia de la corriente generada tenga, en todas las circunstancias de carga, 50 períodos por segundo

RODETE

Es la pieza clave donde se transforma la energía hidráulica del agua, en su forma cinética, en energía mecánica o, dicho de otra manera, en trabajo según la forma de movimiento de rotación.

Rueda motrizEstá unida rígidamente al eje, montada en el mismo por medio de chavetas y anclajes adecuados. Su periferia está mecanizada apropiadamente para ser soporte de los denominados cangilones.

Cangilones

Son piezas de bronce o de acero especial para evitar, dentro de lo posible, las corrosiones y cavitaciones, concepto este último que será tratado convenientemente.

CARCASAEs la envoltura metálica que cubre los inyectores, rodete y

otros elementos mecánicos de la turbina

CÁMARA DE DESCARGA

Se entiende como tal la zona por donde cae el agua libremente hacia el desagüe, después de haber movido al rodete. También se conoce como tubería de descarga.

EJE

Rígidamente unido al rodete, y situado adecuadamente sobre cojinetes debidamente lubricados, transmite el movimiento de rotación al eje del alternador.

SISTEMA HIDRÁULICO DE FRENADO

Consiste en un circuito de agua derivado de la cámara de distribución.

TURBINA KAPLANSon turbinas de admisión total, incluidas así mismo en la clasificación de turbinas de reacción. Las características constructivas y de funcionamiento, son muy similares entre la turbina francis.

Componentes de una turbina Kaplan

Rodete

Se asemeja a la hélice de un barco, al estar formado por un numero determinado de palas, de 2 a 4 para saltos de pequeña altura y de 5 e 9 cuando los saltos son mayores, dentro del campo de aplicación de las turbinas Kaplan

ECUACIÓN DE CONTINUIDAD

El principio de Bernoulli, también denominado ecuación de Bernoulli o Trinomio de Bernoulli, describe el comportamiento de un fluido moviéndose a lo largo de una línea de corriente.

V = velocidad del fluido en la sección considerada. g = aceleración gravitatoria z = altura en la dirección de la gravedad desde una cota de referencia. P = presión a lo largo de la línea de corriente. ρ = densidad del fluido.

Para aplicar la ecuación se deben realizar los siguientes supuestos:

- Viscosidad (fricción interna) = 0 Es decir, se considera que la línea de corriente sobre la cual se aplica se encuentra en una zona 'no viscosa' del fluido. -Caudal constante - Flujo incompresible, donde ρ es constante. - La ecuación se aplica a lo largo de una línea de corriente o en un flujo irrotacional

Características y consecuencias

También podemos reescribir este principio así:

o escrita de otra manera más sencilla:

q + p = p0

p = P + γz

donde

p0 es una constante

Igualmente podemos escribir la misma ecuación como:

TURBOMÁQUINAS HIDRÁULICAS

-El fluido pasa a través de la máquina de forma continua.-El intercambio energético se hace por medio del efecto dinámico de una o varias coronas de álabes en rotación.

MAGNITUDES FÍSICAS QUE INTERVIENEN

-Turbomáquina Generadora

-Turbomáquina Receptoras

CLASIFICACIÓN

GENERADORAS

AUMENTO DE PRESIÓN

AUMENTO DE ENERGÍA POTENCIAL

GENERACIÓN DE ENERGÍA CINÉTICA

RECEPTORAS

DISMINUCIÓN DE ENERGÍA CINÉTICA

DISMINUCIÓN DE PRESIÓN

ANÁLISIS DIMENSIONAL Y SEMEJANZA

ns = (ω * Q½) / (g * H¾)

Φ = Q / (ω D3)

ψ = (g * H) / (ω2 * D2)

W / (ρ * ω3 * D5)

Velocidad específica

Cifra de caudal

Cifra de presión

Cifra de potencia

CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

Utilizar la energía potencial del agua almacenada y convertirla, primero en energía mecánica y luego en eléctrica.

Principales Componentes

La Presa

Se encarga de atajar el río y remansar las aguas. Se logra un determinado nivel del agua antes de la contención, y otro nivel diferente después de la misma.Se clasifican en:Prensa de tierraPrensa de hormigón

Aliviaderos

Elementos vitales de la presa, tienen como misión liberar parte del agua detenida sin que esta pase por la sala de máquinas. Se encuentran en la pared principal de la presa.

Tomas de agua

Construcciones adecuadas que permiten recoger el líquido para llevarlo hasta las máquinas por medios de canales o tuberías.

Casa de máquinas

Construcción en donde se ubican las máquinas (turbinas, alternadores, etc.) Y los elementos de regulación y comando.

Embalse

Presa de contención

Entrada de agua a las máquinas (toma), con reja

Conducto de entrada del agua

Compuertas planas de entrada, en posición "izadas".

Turbina hidráulica

Alternador

Directrices para regulación de la entrada de agua a turbina

Puente de grúa de la sala de máquinas

Salida de agua (tubo de aspiración)

Compuertas planas de salida, en posición "izadas"

Puente grúa para maniobrar compuertas salida

Ventajas De Las Centrales Hidroeléctricas

•No requieren combustible, sino que usan una forma renovable de energía, constantemente repuesta por la naturaleza de manera gratuita. •No contamina ni el aire ni el agua. •A menudo puede combinarse con otros beneficios. •Los costos de mantenimiento y explotación son bajos. •Las obras de ingeniería necesarias para aprovechar la energía hidráulica tienen una duración considerable. •La turbina hidráulica es una máquina sencilla, eficiente y segura, que puede ponerse en marcha y detenerse con rapidez y requiere poca vigilancia siendo sus costes de mantenimiento, por lo general, reducidos.

Desventajas De Las Centrales Hidroeléctricas

•Los costos de capital por kilovatio instalado son con frecuencia muy altos. •El emplazamiento, determinado por características naturales, puede estar lejos del centro o centros de consumo y exigir la construcción de un sistema de transmisión de electricidad, lo que significa un aumento de la inversión y en los costos de mantenimiento y pérdida de energía. •La construcción lleva, por lo común, largo tiempo en comparación con la de las centrales termoeléctricas. •La disponibilidad de energía puede fluctuar de estación en estación y de año en año.

CENTRALES TERMICAS

Es una instalación empleada para la generación de energía eléctrica a partir de la energía liberada en forma de calor, normalmente mediante la combustión de combustibles fósiles. Este calor es empleado por un ciclo termodinámico convencional para mover un alternador y producir energía eléctrica.

Fases

1.Se emplea como combustible, generalmente, un derivado del petróleo llamado fuel-oil, este se quema en una caldera y el calor generado se transmite a agua.2.Se calienta el agua líquida que ha sido bombeada hasta un serpentín de calentamiento (sistema de tuberías).3.El agua líquida pasa a transformarse en vapor; este vapor es húmedo y poco energético.4.Se sobrecalienta el vapor que se vuelve seco, hasta altas temperaturas y presiones.5.El vapor sobrecalentado pasa por un sistema de conducción y se libera hasta una turbina, provocando su movimiento a gran velocidad.6.La turbina está acoplada a un alternador solidariamente que, finalmente, produce la energía eléctrica.

CENTRALES TERMOELÉCTRICAS Y MEDIO AMBIENTE

La contaminación térmica es combatida especialmente a través de la instalación de torres de refrigeración.

Diversos países -entre ellos España- están desarrollando proyectos de investigación que permiten aprovechar las partículas retenidas en los precipitadores y los efluentes térmicos de estas centrales de manera positiva.

La contaminación es máximo en el caso de las centrales termoeléctricas convencionales que utilizan como combustible carbón. En las de fueloil los niveles de emisión de estos contaminantes son menores, aunque ha de tenerse en cuenta la emisión de óxidos de azufre y hollines ácidos.

Ventajas de la central Termoeléctrica

•Muchas están diseñadas para permitir quemar indistintamente combustibles fósiles diferentes (carbón o gas, carbón o fuel-oil, etc.).•El sistema de agua de circulación que refrigera el condensador puede operarse en circuito cerrado. •Son las centrales más baratas de construir .

•El uso de combustibles fósiles genera emisiones de gases de efecto invernadero y de lluvia ácida a la atmósfera, junto a partículas volantes (en el caso del carbón) que pueden contener metales pesados.•Afectan negativamente a los ecosistemas fluviales debido a los vertidos de agua caliente en estos.•Su potencia eléctrica es la mayor, pero una fuga radioactiva de un solo reactor puede tener consecuencias devastadoras para los de seres vivos a varios kilómetros a la redonda.

Desventaja de las centrales termoeléctricas