turbinas hidraulicas

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  • I.- TURBINAS HIDRULICAS Una mquina hidrulica es un dispositivo capaz de convertir energa hidrulica en energa mecnica; pueden ser motrices (turbinas), o generatrices (bombas), modificando la energa total de la vena fluida que las atraviesa. En el estudio de las turbomquinas hidrulicas no se tienen en cuenta efectos de tipo trmico, aunque a veces habr necesidad de recurrir a determinados conceptos termodinmicos; todos los fenmenos que se estudian sern en rgimen permanente, caracterizados por una velocidad de rotacin de la mquina y un caudal, constantes. En una mquina hidrulica, el agua intercambia energa con un dispositivo mecnico de revolucin que gira alrededor de su eje de simetra; ste mecanismo lleva una o varias ruedas, (rodetes o rotores), provistas de labes, de forma que entre ellos existen unos espacios libres o canales, por los que circula el agua. Los mtodos utilizados para su estudio son, el analtico, el experimental y el anlisis dimensional. El mtodo analtico se fundamenta en el estudio del movimiento del fluido a travs de los labes, segn los principios de la Mecnica de Fluidos. El mtodo experimental, se fundamenta en la formulacin emprica de la Hidrulica, y la experimentacin. El anlisis dimensional ofrece grupos de relaciones entre las variables que intervienen en el proceso, confirmando los coeficientes de funcionamiento de las turbomquinas, al igual que los diversos nmeros adimensionales que proporcionan informacin sobre la influencia de las propiedades del fluido en movimiento a travs de los rganos que las componen. I.2.- CLASIFICACIN DE LAS TURBOMQUINAS HIDRULICAS

    Una primera clasificacin de las turbomquinas hidrulicas, (de fluido incompresible), se puede hacer con arreglo a la funcin que desempean, en la forma siguiente: a) Turbomquinas motrices, que recogen la energa cedida por el fluido que las atraviesa, y la transforman en mecnica, pudiendo ser de dos tipos: Dinmicas o cinticas, Turbinas y ruedas hidrulicas. Estticas o de presin, Celulares (paletas), de engranajes, helicoidales, etc. b) Turbomquinas generatrices, que aumentan la energa del fluido que las atraviesa bajo forma potencial, (aumento de presin), o cintica; la energa mecnica que consumen es suministrada por un motor, pudiendo ser: Bombas de labes, entre las que se encuentran las bombas centrfugas y axiales. Hlices marinas, cuyo principio es diferente a las anteriores; proporcionan un empuje sobre la carena de un buque. c) Turbomquinas reversibles, tanto generatrices como motrices, que ejecutan una serie de funciones que quedan aseguradas, mediante un rotor especfico, siendo las ms importantes: Grupos turbina-bomba, utilizados en centrales elctricas de acumulacin por bombeo. Grupos Bulbo, utilizados en la explotacin de pequeos saltos y centrales mareomotrices. d) Grupos de transmisin o acoplamiento, que son una combinacin de mquinas motrices y generatrices, es decir, un acoplamiento (bomba-turbina), alimentadas en circuito cerrado por un fluido, en general aceite; a este grupo pertenecen los cambiadores de par. RUEDAS HIDRULICAS.- Las ruedas hidrulicas son mquinas capaces de transformar la energa del agua,

    cintica o potencial, en energa mecnica de rotacin. En ellas, la energa potencial del agua se transforma en energa mecnica, como se muestra en la Fig I.1c, o bien, su energa cintica se transforma en energa mecnica, como se indica en las Figs I.1a.b.

  • Se clasifican en: a) Ruedas movidas por el costado b) Ruedas movidas por debajo c) Ruedas movidas por arriba

    Su dimetro decrece con la altura H del salto de agua Los cangilones crecen con el caudal Los rendimientos son del orden del 50% debido a la gran cantidad de engranajes intermedios El numero de rpm es de 4 a 8. Las potencias son bajas, y suelen variar entre 5 y 15 kW, siendo pequeas si se las compara con las potencias de varios cientos de MW conseguidas en las turbinas. TURBINAS HIDRULICAS.- Una turbomquina elemental o monocelular tiene, bsicamente, una serie de

    labes fijos, (distribuidor), y otra de labes mviles, (rueda, rodete, rotor). La asociacin de un rgano fijo y una rueda mvil constituye una clula; una turbomquina monocelular se compone de tres rganos diferentes que el fluido va atravesando sucesivamente, el distribuidor, el rodete y el difusor. El distribuidor y el difusor, (tubo de aspiracin), forman parte del estator de la mquina, es decir, son rganos fijos; as como el rodete est siempre presente, el distribuidor y el difusor pueden ser en determinadas turbinas, inexistentes. El distribuidor es un rgano fijo cuya misin es dirigir el agua, desde la seccin de entrada de la mquina hacia la entrada en el rodete, distribuyndola alrededor del mismo, (turbinas de admisin total), o a una parte, (turbinas de admisin parcial), es decir, permite regular el agua que entra en la turbina, desde cerrar el paso totalmente, caudal cero, hasta lograr el caudal mximo. Es tambin un rgano que transforma la energa de presin en energa de velocidad; en las turbinas hlicocentrpetas y en las axiales est precedido de una cmara espiral (voluta) que conduce el agua desde la seccin de entrada, asegurando un reparto simtrico de la misma en la superficie de entrada del distribuidor. El rodete es el elemento esencial de la turbina, estando provisto de labes en los que tiene lugar el intercambio de energa entre el agua y la mquina. Atendiendo a que la presin vare o no en el rodete, las turbinas se clasifican en: a) Turbinas de accin o impulsin; b) Turbinas de reaccin o sobrepresin En las turbinas de accin el agua sale del distribuidor a la presin atmosfrica, y llega al rodete con la misma presin; en estas turbinas, toda la energa potencial del salto se transmite al rodete en forma de energa cintica. En las turbinas de reaccin el agua sale del distribuidor con una cierta presin que va disminuyendo a medida que el agua atraviesa los labes del rodete, de forma que, a la salida, la presin puede ser nula o incluso negativa; en estas turbinas el agua circula a presin en el distribuidor y en el rodete y, por lo tanto, la energa potencial del salto se transforma, una parte, en energa cintica, y la otra, en energa de presin.

  • El difusor o tubo de aspiracin, es un conducto por el que desagua el agua, generalmente con ensanchamiento progresivo, recto o acodado, que sale del rodete y la conduce hasta el canal de fuga, permitiendo recuperar parte de la energa cintica a la salida del rodete para lo cual debe ensancharse; si por razones de explotacin el rodete est instalado a una cierta altura por encima del canal de fuga, un simple difusor cilndrico permite su recuperacin, que de otra forma se perdera. Si la turbina no posee tubo de aspiracin, se la llama de escape libre. En las turbinas de accin, el empuje y la accin del agua, coinciden, mientras que en las turbinas de reaccin, el empuje y la accin del agua son opuestos. Este empuje es consecuencia de la diferencia de velocidades entre la entrada y la salida del agua en el rodete, segn la proyeccin de la misma sobre la perpendicular al eje de giro. Atendiendo a la direccin de entrada del agua en las turbinas, stas pueden clasificarse en: a) Axiales ; b) Radiales {centrpetas y centrfugas} ; c) Mixtas ; d) Tangenciales

    En las axiales, (Kaplan, hlice, Bulbo), el agua entra paralelamente al eje, tal como se muestra en la Fig I.3a. En las radiales, el agua entra perpendicularmente al eje, Fig I.3.b, siendo centrfugas cuando el agua vaya de dentro hacia afuera, y centrpetas, cuando el agua vaya de afuera hacia adentro, (Francis). En las mixtas se tiene una combinacin de las anteriores. En las tangenciales, el agua entra lateral o tangencialmente (Pelton) contra las palas, cangilones o cucharas de la rueda, Fig I.3.c.

    Atendiendo a la disposicin del eje de giro, se pueden clasificar en: a) Turbinas de eje horizontal b) Turbinas de eje vertical.

  • I.3.- DESCRIPCIN SUMARIA DE ALGUNOS TIPOS DE TURBINAS HIDRULICAS TURBINAS DE REACCIN Turbina Fourneyron (1833), Fig I.4, en la que el rodete se mueve dentro del agua. Es una turbina radial centrfuga, lo que supone un gran dimetro de rodete; en la actualidad no se construye. Turbina Heuschel-Jonval, Fig I.5, axial, y con tubo de aspiracin; el rodete es prcticamente inaccesible; en la actualidad no se construye. Turbina Francis (1849), Fig I.6; es radial centrpeta, con tubo de aspiracin; el rodete es de fcil acceso, por lo que es muy prctica. Es fcilmente regulable y funciona a un elevado numero de revoluciones; es el tipo ms empleado, y se utiliza en saltos variables, desde 0,5 m hasta 180 m; pueden ser, lentas, normales, rpidas y extrarpidas. Turbina Kaplan (1912), Fig I.7; las palas del rodete tienen forma de hlice; se emplea en saltos de pequea altura, obtenindose con ella elevados rendimientos, siendo las palas orientables lo que implica paso variable. Si las palas son fijas, se denominan turbinas hlice.

    TURBINAS DE ACCIN Estas turbinas se empezaron a utilizar antes que las de reaccin; entre ellas se tienen: Turbina Zuppinger (1846), con rueda tangencial de cucharas

  • Turbina Pelton, Fig I.8, es tangencial, y la ms utilizada para grandes saltos Turbina Schwamkrug, (1850), radial y centrfuga, Fig I.9 Turbina Girard, (1863), Fig I.10, axial, con el rodete fuera del agua; mientras el cauce no suba de nivel, trabajaba como una de accin normal, mientras que si el nivel suba y el rodete quedaba sumergido, trabajaba como una de reaccin, aunque no en las mejores condiciones; en la actualidad no se utiliza. Turbina Michel, o Banki, Fig I.11; el agua pasa dos veces por los labes del rodete, construido en forma de tambor; se utiliza para pequeos y grandes saltos.

  • II.- TRINGULOS DE VELOCIDADES Y ECUACIN FUNDAMENTAL

    II.1.- ESTUDIO GENERAL DE LAS TURBINAS HIDRULICAS

    Movimiento del agua.- Para estudiar el movimiento del agua en las turbinas hidrulicas, se utiliza una nomencl