cálculo de componentes de una turbina francis

5/21/2018 C lculo de Componentes de Una Turbina Francis

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CTEDRA : CENTRALES ELECTRICAS

CATEDRTICO : ING. RAL JORGE MAYCO CHVEZ

ALUMNO : VARGAS CHAVEZ CARLOS A.

HUANCAYO 2012 - II


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CALCULO DE COMPONENTES DE UNA TURBINA FRANCIS CENTRALES ELECTRICAS

FACULTAD DE ING. MECNICA UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER

CLCULO DE COMPONENTES DE UNA TURBINA FRANCIS

Para el desarrollo del clculo correspondiente de cada uno de los componentes deuna turbina Francis para un buen aprovechamiento hidrulico, los datos quegeneralmente se conocen son la carga y el caudal, los cuales permiten calcular lapotencia disponible.

Para nuestro caso nos basaremos a una planta hidroelctrica que se ha de disearpara trabajar con un caudal de 800 m3/seg y una altura de carga de 97 m. sabiendoque esta planta ha de interconectarse a un sistema de gran capacidad.

El procedimiento para la determinacin del tipo y caractersticas de las turbinassera:

1 Partiendo de la carga y el caudal, se puede estimar un rendimiento y calcular lapotencia disponible mediante la frmula de donde tenemos:

De acuerdo con la potencia de la planta y su ponderacin en el sistema a queva a estar interconectada, se puede elegir la magnitud de la potencia unitariay el nmero de unidades, as como la planta ha de conectarse a un sistemade gran capacidad se pueden considerar turbinas de potencias grandes, porlo cual, se eligen 5 unidades.

La potencia y caudal por unidad sern:

P= 900160 / 5 = 180032 CV Q = 800 / 5 =160 m3/seg

2 Teniendo presente las limitaciones aconsejables para la velocidad especfica.Siempre ser necesario un clculo previo, para la evaluacin estimativa de lascaractersticas que pueden ir resultando, hasta llegar a un ajuste y decisin finales.

Para nuestro caso podemos asumir una velocidad especfica a travs de laFigura N 1 de donde tomamos Ns=200 que corresponde a una turbina deltipo Francis.


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Figura N1

Adems para determinar la altura de desfogue asumimos en la tabla N1 ymediante Ns= 200 el coeficiente de cavitacin aproximado de =0,125 con elcual calculamos:

TABLA N1


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Teniendo el Ns = 200, H= 97 y la potencia en = 180032 cv, entonces lavelocidad de rotacin ser:

3 Teniendo adems presente el coeficiente de cavitacin que puede resultar conla altura de aspiracin Haque se piensa admitir. Las figuras 2, 3 y 4 pueden servirde ayuda para estas determinaciones en turbinas Francis

= 100,125 x 97 = -2,125 m

Figura N 2 Lmites de la velocidad especfica en funcin de la carga en m para turbinasFrancis


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Fig. N 3 Relacin entre la velocidad especfica y el coeficiente de cavitacin en turbinasFrancis.

4 La velocidad de giro de la turbina se saca de la frmula de la velocidad especfica.El ajuste con la velocidad de sincronismo se hace necesario, procurando, en lo

posible, que resulte un nmero de polos p mltiplo de 4, para facilitarla. Estoobligar a un ligero re-clculo de la velocidad especfica que no ha de modificarsensiblemente otros criterios. El nmero de polos viene dado por:

= 41,81 polos

El mltiplo de 4 ms prximo es 40 polos por tanto:

=150 rpm

Con estos datos la velocidad especfica queda corregida a:


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Entonces el nuevo valor del coeficiente de cavitacin es = 0,14 con el cual

Ha = 100,14 x 97 = -3,6 m

5 Las dimensiones del rotor de la turbina Francis (Dimetros D1 y D2 por medio delos coeficientes 1, 2de la velocidad tangencial y la altura del distribuidor B pormedio de los grficos de la Fig.).

Los dimetros del rodete se hallan a travs de la Fig. 4 de donde: 1= 0,77 y2= 0,77 con estos datos:

La altura del distribuidor B seobtiene de la figura

B / D1 = 0,25

B = 0,25 x 4,28 = 1,07 m


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6 Las dimensiones de la cmara espiral o caracol de la turbina Francis son:Dimetro de la seccin de entrada De (pulgadas), Q (pies3/seg), H (pies)

Para la cmara espiral o caracol se tiene:

Dimetro ecuatorial mximo de la seccin de entrada DEM

Entonces el dimetro ecuatorial mximo ser:

DEM= 1,5 (D2) + 1,5 De = 1,5 x 4,28 +1,5 x 5,28 = 14,34 m

Donde dimetro elegido ser el mayor de los dos:

En tubos de desfogue acodados, se tienen las siguientes dimensiones:

Anchura mxima del ducto de desfogue: Amd = 3 D2 Amd= 3 D2= 3 x 4,28 = 12,84 m

Altura vertical, desde el plano ecuatorial del distribuidor a la parteinferior del codo:

V = 2,7 D2= 2,7 x 4,28 = 11,56 m.

Longitud horizontal, desde la lnea central del eje de la turbina alextremo de la descarga: L = 3,8 D2 = 3,8 x 4,28 = 16,26 m


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7 Finalmente comprobando datos mediante un software en Excel

Como vemos los valores no varan demasiado entonces concluimos que eldesarrollo del diseo est siendo correcto.

Turbinas hidraulicas

Hn= 97.00 m (Salto o altura neta)

Qd= 160.00 m/s (Caudal turbinable)

a= 9.81 Kg/ms (Peso especifico del agua)

P = aQdHn= 152251.20 kw 207003.67 CV

= 0.87 adim (Rendimiento de la turbina)

Pe= P= 132458.54 kw 180093.19 CV

n= 60f/p = 150.00 rpm

s= (n(Pe))/(Hn) = 209.11 rpm

Eleccion del tipo de turbina

(Potencia instalada)

(estimado en 90%)

(Velocidad de rotacion de la turbina)

(Velocidad especifica)

(Potencia efectiva)

Hn= 97.00 m (Salto o altura neta)

Qd= 160.00 m/s (Caudal turbinable)

n= 60f/p = 150.00 rpm

s= 209.00 rpm

kc1= 0.66 adim

c1= kc1(2gHn)= 28.78 m/s

ku1= 0.74 adim

u1= ku1(2gHn)= 32.27 m/s

1= 16.00

1= arctg((kc1sen1)/(ku1- kc1cos1)) = -0.14

(Velocidad absoluta a la entrada)

(Velocidad de rotacion de la turbina)

(Velocidad especifica)

(Coeficiente de velocidad tangencial a la entrada)

(Velocidad tangencial a la entrada)

(Se obtiene de grafico 1 en funcion de s)

(Angulo de entrada de c1al rodete) (Se obtiene de grafico 1 en funcion de s)

(Angulo que forman los alabes a la entrada del rodete)

Dimensionamiento turbinas Francis

(Coeficiente de velocidad absoluta a la entrada)

Rodete

D1= (60u1)/(n) = 4.11 m

D2/D1= 0.50 D2= 2.054 m

Dt/D1= 0.85 Dt= 3.492 m

B/D1= 0.15 B = 0.616 m

B/Dd= 0.17 Dd= 3.735 m

z= 17

(Se obtiene de grafico en funcion de s)

(Numero de alabes del rodete) (Se obtiene de grafico en funcion de s)

(Diametro del punto medio de la seccion de entrada al rodete)

(Diametro medio de la seccion de salida del distribuidor)

(Ancho de la seccion de entrada al rodete)

(Se obtiene de grafico en funcion de s) (Ancho de la seccion de entrada al rodete)

(Se obtiene de grafico en funcion de s) (Diametro de la turbina en la max sec cion del rodete)

(Se obtiene de grafico en funcion de s)


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Grafico N 1

Grafico N 2


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Grafico N 3

Grafico N 4 Grafico N 5


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RENDIMIENTO DE LA TURBINA FRANCIS CON RESPECTO AL CAUDAL

RENDIMIENTO DE LA TURBINA FRANCIS EN FUNCIN DE LA POTENCIA


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CONCLUSIONES

En el estudio de la turbina Francis se lleg a conocer que tiene un ptimodiseo hidrulico el cual garantiza un alto rendimiento.

Su diseo reforzado da una vida til de muchas dcadas en servicio continuocon alta velocidad de giro que se permite en pequeas dimensiones.

La aplicacin de modernos materiales reduce el mantenimiento de las piezasmviles al mnimo

La turbina Francis es instalada en todo lugar donde se d un flujo de aguarelativamente constante y donde se exige un alto rendimiento pero tiene ladesventaja de no poder operar con grandes variaciones del caudal de agua.

La turbina Francis diseada llega a ser una de tipo puesto que son espiral yaque son empleadas predominantemente en instalaciones con potenciasmayores, alturas de cadas de 5 m hasta aproximadamente 250 m y donde novara mucho el caudal de agua el cual est en el rango de trabajo.


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BIBLIOGRAFIA

MATAIX, C. TURBOMQUINAS HIDRAULICAS. IACAI, 1975.

http://www.eia.edu.co/sitios/webalumnos/SeleccionTurbinas/turbinas/

www.fagro.edu.uy/~topografia/docs/Miniturbinas%20Hidraulicas.pdf
http://www.eia.edu.co/sitios/webalumnos/SeleccionTurbinas/turbinas/http://www.eia.edu.co/sitios/webalumnos/SeleccionTurbinas/turbinas/http://www.fagro.edu.uy/~topografia/docs/Miniturbinas%20Hidraulicas.pdfhttp://www.fagro.edu.uy/~topografia/docs/Miniturbinas%20Hidraulicas.pdfhttp://www.fagro.edu.uy/~topografia/docs/Miniturbinas%20Hidraulicas.pdfhttp://www.eia.edu.co/sitios/webalumnos/SeleccionTurbinas/turbinas/

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