SEMANA 5

• 3. Maquinas hidráulicas motrices (Cont.)

– Valores unitarios de una turbina.

– Turbina unidad. Magnitudes especificas. Determinación.

– Turbina padrón. Magnitudes características. Determinación

– Elección del tipo de turbinas.

– Turbinas Francis. Generalidades. Elección del tipo de turbina Francis. Componentes: Rotor. Distribuidor. Tubo de succión. Diámetro. Caja espiral.

– Turbinas Kaplan. Generalidades. Elección del tipo de turbina Kaplan. Componentes: Rotor. Distribuidor. Tubo de succión. Diámetro. Caja espiral. Comando de los alabes.

VALORES UNITARIOS DE UNA TURBINA

VALORES UNITARIOS

• La variación de las distintas magnitudes características deuna maquina hidráulica motriz en función a valores distintosde altura de salto son obtenidos por medios de ensayos

• A fin de tabular o graficar los resultados de los ensayosrealizados en maquinas hidráulicas, los valores obtenidosson expresados en los denominados valores unitarios

• Los valores unitarios son referenciados a un altura de saltoH’ = 1m

• De las relaciones fundamentales de semejanza de lasturbinas, tomando H’ =1m, se tiene

3 3

' ' 1

' ' 1

' ' 1

' ' 1

I

I

I

I

nn H

n H n H

QQ H

Q H Q H

PP H

P H P H

MM H

M H M H

• Por tanto, conocidos los valores unitarios o magnitudesunitarias, es simple determinar los valores reales paradistintos valores de salto hidráulico

3

I I

I I

n n H Q Q H

P P H M M H

Variación del caudal en función de la variación de la velocidad de rotación para distintas aperturas del distribuidor

TURBINA UNIDAD

TURBINA UNIDAD

• De todas las turbinas geométricamente semejantes, que encondiciones análogas de operación y trabajando arendimiento máximo, con una altura de salto hidráulico deH = 1m proporciona una potencia P = 1CV, es definida comoTurbina Unidad

• La Turbina Unidad, caracteriza la denominada serie deturbinas semejantes

• Así una serie de turbinas se caracterizan por sus formasgeométricas semejantes y por las magnitudes característicasde funcionamiento de la turbina unidad semejante

• Las magnitudes de la turbina unidad son denominadasmagnitudes especificas de la serie de turbinas

MAGNITUDES ESPECIFICAS

• Las magnitudes especificas mas importantes son:

– la velocidad especifica ns : representa el numero de rotaciones por minuto de la turbina unidad y de todas las turbinas de la serie

– el diámetro especifico Ds : es diámetro medio del borde de entrada del rotor de la turbina unidad de la serie

DETERMINACION DE LASMAGNITUDES ESPECIFICAS

• Considerando las relaciones fundamentales de semejanzade turbinas semejantes que operan bajo condicionesanálogas de funcionamiento, siguientes:

2 3

' '

'

' ' '

n D H

n D H

P D H

P D H

• Tendremos

2 3 3

4

5

4

' ' ' '

' '

' ' ' '

' '

P D H D P H

P D H D P H

n D H n P H

n D H n P H

• Por tanto considerando H’=1m y P’= 1CV, se obtiene de larelación lo siguiente

5 5

4 4

4 5

' ' 1

' 1

s

s

nn P H P

n P H n H

Pn n

H

• Dimensionalmente la velocidad especifica ns es medida enrpm (revoluciones por minuto) siendo las dimensiones de lapotencia P en CV (caballo de vapor) y la altura de salto H enm (metros)

• Así

[ ]

[ ] [ ]5

4[ ]

cv

s rpm rpm

m

Pn n

H

TURBINA PATRON

TURBINA PATRON

• De todas las turbinas geométricamente semejantes, encondiciones análogas de operación y trabajando a máximorendimiento, la turbina que recibe una descarga Q = 1m3/s,con altura de salto hidráulico de H = 1m y se denominaTurbina Patrón

• Las magnitudes de la Turbina Patrón son denominadasmagnitudes características de la serie de turbinassemejantes

MAGNITUDES CARACTERISTICAS

• Las magnitudes características de la turbina patrón son

– numero característico de rotación: np

– potencia patrón: Pp

– par motor patrón: Mp

– dimensión característica: Dp

DETERMINACION DE LAS MAGNITUDES CARACTERISTICAS

• Considerando las relaciones fundamentales de semejanzade turbinas semejantes que operan bajo condicionesanálogas de funcionamiento, siguientes:

2

' '

'

' ' '

n D H

n D H

Q D H

Q D H

• Tendremos

2

4

3

4

' ' ' '

' '

' ' ' '

' '

Q D H D Q H

Q D H D Q H

n D H n Q H

n D H n Q H

• Por tanto considerando H’=1m y Q’= 1m3/s, se obtienede la relación lo siguiente

3 3

4 4

4 3

' ' 1

' 1

p

p

nn Q H Q

n Q H n H

Qn n

H

• Dimensionalmente el numero especifico de rpm np esmedido en rpm (revoluciones por minuto) siendo lasdimensiones del caudal o descarga Q en m3/s (metroscúbicos por segundo) y la altura de salto H en m (metros)

• Así

3[ ]

[ ] [ ]3

4[ ]

ms

p rpm rpm

m

Qn n

H

RELACION ENTRE ns Y np

• Considerando las expresiones de ns con np

3

3

[ ][ ]

[ ] [ ]5 3

4 4[ ] [ ]

4 5[ ]

[ ][ ]

4 3

ms

ms

cv

s rpm p rpm

m m

cvs

p m

QPn n n n

H H

Pn

Pn H

n Q HQn

H

;

• Siendo que

33

3

3

[ ][ ] [ ]

[ ]

[ ][ ]

[ ][ ]

75

75

kgf msm

kgf

m

ms

m

cv

cv

m

Q HP

P

Q H

• Resulta

3

3

[ ][ ]

[ ][ ]75

kgf

m

ms

cvs

p m

Pn

n Q H

• Considerando para el agua que, en media

31000 kgf

m

10003,65

75 s

p

n

n

• La relación entre ns y np para turbinas hidráulicas será

3[ ]

[ ] [ ]3

4[ ]

3,65m

s

s rpm rpm

m

Qn n

H

• Es común para turbinas hidráulicas expresar la velocidadespecifica ns en función de la descarga o caudal y la altura desalto

ELECCION DEL TIPO DE TURBINA

UTILIZACION DE DIVERSOS TIPOS DE TURBINAS HIDRAULICAS

• El análisis de turbinas instaladas demuestra que cada tipo deturbina presenta buen rendimiento para valores de ns

comprendidos entre ciertos limites.

• Lo que significa que dicha magnitud especifica determina dealguna manera el tipo de turbina a ser utilizada para ciertosvalores de Q , H y n

• También la practica demostró que para valores determinadosde altura de salto y potencia, los costos de la instalación de laturbina, como un todo, son menores para valores de ns

mayores

• Si bien valores elevados de ns reducen sustancialmente lasdimensiones de las turbinas, la velocidad de entrada a latubería de succión es tan elevada que resulta imposiblerecuperar toda su energía cinética produciéndose una bajapresión que propicia la aparición del fenómeno de cavitación

• Cuando la altura de salto es grande y el valor de ns es elevadose incrementa el costo de la construcción de las turbinas y delas instalaciones debido a la gran velocidad real de rotacióndel eje, generándose esfuerzos intensos que deben serequilibrados

• También cuando de la altura de salto es pequeña y el valor dens es reducido, debido a la baja velocidad real de rotación deleje se encarece el costo del generador

Veloc. específica r.p.m. Tipo de turbina Altura del salto en m .

Hasta 18 Pelton de un inyector 800

De 18 a 25 Pelton de un inyector 800 a 400

De 26 a 35 Pelton de un inyector 400 a 100

De 26 a 35 Pelton de dos inyectores 800 a 400

De 36 a 50 Pelton de dos inyectores 400 a 100

De 51 a 72 Pelton de cuatro inyectores 400 a 100

De 55 a 70 Francis muy lenta 400 a 200

De 70 a 120 Francis lenta 200 a 100

De 120 a 200 Francis normal 100 a 50

De 200 a 300 Francis rápida 50 a 25

De 300 a 450 Francis extrarrápida 25 a 15

De 400 a 500 Hélice extrarrápida 15

De 270 a 500 Kaplan lenta 50 a 15

De 500 a 800 Kaplan rápida 15 a 5

De 800 a 1100 Kaplan extra rápida Menos de 5

TIPO DE TURBINA EN FUNCIONDE LA VELOCIDAD ESPECIFICA

CAMPO DE APLICACIÓN EN FUNCION DE LA VELOCIDAD ESPECIFICA

CAMPO DE APLICACIÓN EN FUNCION DE LA VELOCIDAD ESPECIFICA

CAMPO DE APLICACIÓN EN FUNCION DE LA VELOCIDAD ESPECIFICA

FORMA DE LOS ROTORES DE

TURBINAS EN FUNCION

DE LA VELOCIDAD ESPECIFICA

DIMENSIONES PRINCIPALES DE

TURBINAS UNIDAD EN

FUNCION DE LA VELOCIDAD ESPECIFICA

VELOCIDADES DE SINCRONISMO DE GENERADORES ACCIONADOS POR

TURBINAS HIDRÁULICAS

Nº de pares

de polos

Velocidad

en rpm

Nº de pares

de polos

Velocidad

en rpm

Nº de pares

de polos

Velocidad

en rpm

Nº de pares

de polos

Velocidad

en rpm

40 75 28 107.1 18 166.7 8 375

38 78.9 26 115.4 16 187.5 7 428.6

36 83.3 24 125 14 214.3 6 500

34 88.2 23 130.4 13 230.8 5 600

32 93.8 22 136.4 12 250 4 750

30 100 20 150 10 300 3 1000

TURBINAS FRANCIS

GENERALIDADES

• También conocidas como turbinas de sobrepresión, turbinasde admisión total, turbinas radial-axial o como turbinas dereacción.

• El campo de aplicación es muy extenso, pueden emplearse ensaltos de distintas alturas y dentro de una amplia gama decaudales (entre 2 y 2000 m3/s aproximadamente).

• Las turbinas Francis son de muy buen rendimiento, perosolamente entre determinados márgenes de descarga ocaudal (entre 60 % y 100 % del caudal máximo).

• Esta es una de las razones por la que en una CentralHidroeléctrica se disponen varias unidades a fin de queninguna de ellas trabaje en forma individual con descargasinferiores al 60 % del caudal total

• Las turbinas Francis pueden ser instaladas con el eje enposición horizontal o en posición vertical

• Siendo la posición vertical del eje la más generalizada porestar ampliamente experimentada, especialmente en el casode unidades de gran potencia

Eje Horizontal

Eje Vertical

CLASIFICACION

• Se clasifican, en función de la velocidad de rotación y de lascaracterísticas del salto

• Pudiendo ser

– Turbina Francis Lenta: para saltos de gran altura,alrededor de 250 m o más

– Turbina Francis Normal: indicada en saltos de alturacomprendida entre 250 y 80 m

– Turbinas Francis Rápidas: apropiadas para saltos de alturamedia, entre 80 m y 25 m

– Turbinas Francis Extra Rápidas: apropiadas para saltos depequeña altura, inferiores a 25 m

COMPONENTES

• Se consideran partes componentes de la instalación de unaturbina Francis a:

– La Cámara o Caja Espiral

– El Distribuidor

– EL Rotor

– La Tubería de Aspiración

– El Eje

– El Cojinete de Empuje

– El Cojinete Guía

CAMARA O CAJA ESPIRAL

• Está constituida por la unión sucesiva de una serie desecciones tronco-cónicas (virolas), cuyos ejes respectivosforman una espiral

• Desde el acoplamiento con la tubería forzada, la seccióninterior de la caja espiral (diámetro interior de las virolas), deforma circular en la mayoría de los casos, decrecepaulatinamente hasta cerrarse sobre sí misma

• También se la conoce como el caracol de la turbina y debido asu diseño se consigue que el agua circule con velocidadconstante y sin formar torbellinos, evitándose así pérdidas decarga

• En la zona lateral interna,concéntrica con el eje de laturbina, existe unaabertura circular en formade anillo, cuyos extremosestán conectados por unasucesión de palas fijas,equidistantes una de otra,dispuestas paralelamenteal eje de la turbina, a travésdel cual fluirá el agua haciael rotor, denominada elpredistribuidor de laturbina

DISTRIBUIDOR

• El distribuidor está formado por un determinado número depalas móviles, cuyo conjunto constituye un anillo que estásituado concéntricamente entre el predistribuidor y la turbina

• La operación de los alabes del distribuidor se realiza pormedio de servomotores hidráulicos conectados a sistema deregulación de velocidad de la turbina

• Su función es la de distribuir y regular, eventualmente cortartotalmente, el caudal de agua que fluye hacia el rotor

COMPONENTES DEL DISTRIBUIDOR

• Los elementos componentes del distribuidor son:

Palas directrices

Servomotor

Anillo de distribución

Bielas

Bieletas

• Palas directrices o álabes directrices :son palas móviles, con sus ejesparalelos al eje del rotor, pueden girartodas ellas al unísono un mismoángulo accionadas por servomotoresdentro de ciertos límites, pasando dela posición de cierre total a la demáxima apertura, que corresponde aldesplazamiento extremo, tendiendo aquedar en dirección radial

• Servomotores hidráulicos: normalmente son dos,desplaza una gran biela en sentido inverso unarespecto de la otra, proporcionando un movimiento degiro alternativo a un aro móvil, llamado anillo o volantede distribución, concéntrico con el eje de a turbina

• Anillo de distribución: con sus movimientos, hace girara todas y cada una de las palas directrices; el giroconjunto y uniforme de las palas directrices, permitevariar la sección de paso de agua a través deldistribuidor

• Bielas : el eje de lapala directriz va ligadaal anillo mediante unabiela, la misma no vaunida directamente alanillo, sino que lohace mediante unabieleta, que ejerce lafunción de fusiblemecánico

ROTOR

• Forma una pieza únicahecha por fundición osoldadura sin uniones nifijaciones accesorias

• Está unido rígidamente aleje de la turbina y ubicadaperfectamente concéntricacon el distribuidor

• Consta de un núcleo centralalrededor del cual se encuentradispuesto determinado númerode palas de superficie alabeadaequidistantemente repartidas yfijadas al núcleo

• La longitud y mayor o menorinclinación respecto al eje de laturbina de las palas o álabes delrotor dependen del caudal, de laaltura del salto y de la velocidadespecífica

• Las palas o alabes están unidas por su parte externainferior a un anillo que hace cuerpo con las mismas

• En su extremo superior van unidas a otro anillo el cual vasujeto al eje de la turbina

• Experimentalmente, se ha establecido que el número deálabes del rotor debe de ser diferente al de álabes deldistribuidor, en caso contrario se producirían vibraciones alcoincidir los espacios de ambos conjuntos

• Generalmente el número de álabes del distribuidor esprimo, respecto al número de álabes del rotor

• Un componente importante delrotor es el difusor tambiéndenominado cono deflector ocono de dispersión

• Constituye un cuerpo en formatronco-cónica con la basemayor hacia del eje

• Su función consiste en dirigir elagua que sale a través de losálabes del rotor a fin de evitarchoques, torbellinos y otrosefectos hidráulicos

TUBO DE ASPIRACION

• Consiste en un conducto,normalmente acodado,que une la turbina con elcanal de desagüe

• Tiene como misiónrecuperar al máximo laenergía cinética del aguaa la salida del rotor

• En su unión con la turbina se trata de un conducto metálicode sección circular que va aumentando gradualmente dediámetro tomando forma tronco-cónica, tramo conocidocomo cono de aspiración

• Sigue a continuación la zona acodada, metálica o dehormigón, la cual continúa con sección circular o puedehacer una transición a sección rectangular, en este caso laconducción es generalmente de hormigón hasta el final

• En algunas turbinas, para conseguir un equilibrio depresiones entre la parte inferior y superior del rotor, seestablece una comunicación entre ambas zonas por mediode un conducto, que partiendo del cono de aspiraciónpermite el paso de agua, colocándose en el conducto unaválvula conocida como válvula de compensación

EJE

• Es por medio del eje deturbina, que al estarrígidamente unido medianteun acoplamiento al eje delgenerador, transmite al rotordel generador el movimientode rotación

• El eje de la turbina tieneciertas peculiaridades cuandose encuentra instalado enposición vertical

• En instalaciones de eje vertical, sobre el eje del generadordonde se dispone del sistema para soportar todo el peso delconjunto formado por: los ejes, el rotor del generador, laturbina y el empuje del agua sobre los álabes de la turbinadenominado cojinete de empuje

• A más del cojinete de empuje, el eje completo del conjunto,dispone de hasta tres cojinetes guías, dos de ellosnormalmente ubicados sobre el eje del generador y un tercerosobre el eje de la turbina

• En determinados casos, por características constructivas yreferidas a condiciones de peso y sustentación o de aireacióndel rotor, el eje es hueco en su totalidad

COJINETE DE EMPUJE

• Este elemento, conocido también como soporte desuspensión, es un componente característico y necesario entodos los grupos (conjunto turbina-generador) de eje vertical

• Su ubicación, respecto al eje del grupo varia según los tipos deturbinas, en el caso de turbinas Francis se ubica generalmentepor encima del rotor del generador, al igual que en el caso delas turbinas Pelton; en el caso de turbinas Kaplan puede estarlocalizado por debajo del rotor del generador

• La parte giratoria del cojinete esta solidaria con el eje delgrupo y descansa sobre la parte fija que se encuentraenclavada en las estructuras rígidas inmóviles próximas al eje

• La parte giratoria consta de una pieza de material especial enforma anular, cuya superficie de contacto con la parte fija estáperfectamente pulida, denominada espejo

• La parte fija está constituida, esencialmente por un numerodeterminado de zapatas o segmentos conocidos como patines

• Los cojinetes de empuje, especialmente los de gruposgrandes, disponen de un sistema lubricación de aceite apresión, a fin de proporcionar lubricación desde el instanteque el grupo comienza a girar, con lo que se logra la formaciónde una película de aceite que soporta la carga total

• Dicha película, de milésimas de milímetro, ha de mantenersedesde el momento de arranque del grupo hasta la paradatotal del mismo

TURBINAS KAPLAN

GENERALIDADES

• Las turbinas tipo Kaplan son turbinas axiales de admisión totaly clasificadas como turbinas de reacción

• Se emplean en saltos de pequeña altura (alrededor de 50 m ymenores alturas), con caudales medios y grandes(aproximadamente de 15 m3/s en adelante)

• Debido a su singular diseño, permiten desarrollar elevadasvelocidades específicas, obteniéndose buenos rendimientos,incluso dentro de extensos límites de variación de caudal

• A igualdad de potencia, las turbinas Kaplan son menosvoluminosas que las turbinas Francis

• Normalmente se instalan con el eje en posición vertical, sibien se prestan para ser colocadas de forma horizontal oinclinada

• Una de las característicasfundamentales de las turbinasKaplan constituye el hecho quelas palas del rotor estánsituadas a una cota más bajaque la cota del distribuidor, demodo que el flujo del aguaincide sobre las palas en suparte posterior en direcciónparalela al eje de la turbina

• El único componente de las turbinas Kaplan, que podría considerarse como distinto al de las turbinas Francis, es el rotor

COMPONENTES

• Son partes constitutivas de una turbina Kaplan:

– La Cámara espiral

– El Distribuidor

– El Rotor

– El Tubo de aspiración

– El Eje

– El Cojinete de empuje

– El Cojinete guía

EL ROTOR

• Semejantes a las hélicesde barcos, está formadopor un numerodeterminado de palas oálabes, de 2 a 4 parasaltos de pequeña alturay de 5 e 9 cuando lossaltos son mayores, porsupuesto dentro delcampo de aplicación delas turbinas Kaplan

• En las turbinas Kaplan, todasy cada una de las palas delrotor están dotadas delibertad de movimiento,pudiendo orientarse dentrode ciertos límites sobre susasientos respectivossituados en el núcleo,llamado también cubo delrotor, adoptando posicionesde mayor o menorinclinación respecto al ejede la turbina según órdenesrecibidas del regulador develocidad

• Las turbinas Kaplan, son turbinas de doble regulación, en elproceso de regulación intervienen tanto las palas deldistribuidor, como las palas del rotor, dependiendo de lascondiciones de carga y del salto existente

• Con este procedimiento se consiguen elevadosrendimientos, incluso para cargas bajas y variables, así comoen el caso de fluctuaciones importantes del caudal

• Las palas directrices del distribuidor, se gobiernan de formaanáloga a como se realiza en las turbinas Francis

• Para lograr el control adecuado de las palas del rotor, tantoel núcleo del rotor, como el eje de turbina, permiten alojaren su interior los distintos dispositivos mecánicos, talescomo servomotores, palancas, bielas, destinados a dicho fin

• Se distinguen tres sistemas de gobierno de las palas delrotor, dependiendo de la ubicación del servomotor deaccionamiento en las distintas zonas del eje del grupoturbina-generador

• Así se tiene:

– Servomotor en cabeza: el servomotor está instaladoen el extremo superior del eje, en la zona delgenerador

– Servomotor intermedio: en este caso está situado enla zona de acoplamiento de los ejes de la turbina y delgenerador

– Servomotor en núcleo: está alojado en el propionúcleo del rotor

Servomotor en núcleo

• Actualmente el empleo de servomotor en el núcleo es elmas utilizado, con el se reducen las dimensiones y el númerode elementos mecánicos que en los otros sistemas realizanla interconexión entre el servomotor y los ejes de las palasdel rotor

• En los sistemas de servomotor intermedio y en núcleo, losconductos de aceite entre regulador de velocidad y elservomotor se realizan mediante conductos concéntricosdispuestos en el interior del eje del grupo turbina-generador

• En algunas turbinas Kaplan las palas del rotor se puedenorientar con mecanismos accionados por motoreseléctricos y reductores de velocidad ubicados en elinterior del eje

• En los rotores Kaplan, el interior del núcleo está lleno deaceite a fin de producir la estanqueidad para evitar elpaso de agua a través de los ejes de las palas