Turbinas hidráulicas

José Agüera Soriano 2011

1

CLASIFICACIÓN 1. 1. Centrales Centrales de de agua agua fluyente fluyente 2. 2. Centrales Centrales de de agua agua embalsada embalsada a) a) de de regulación regulación b) b) de de bombeo bombeo 3. 3. Centrales Centrales según según la la altura altura del del salto salto a) (H a) de de alta alta presión presión (H > > 200 200 m) m) b) b) de de media media presión presión (H (H entre entre 20 20 yy 200 200 m) m) c) (H c) de de baja baja presión presión (H < < 20 20 m) m) José Agüera Soriano 2011

2

nivel superior

nivel inferior

turbina José Agüera Soriano 2011

3

central

José Agüera Soriano 2011

4

aliviaderos

José Agüera Soriano 2011

5

José Agüera Soriano 2011

6

aliviadero

canal de acceso

tubería forzada

central

José Agüera Soriano 2011

7

Central de Bombeo

depósito superior chimenea de equilibrio

embalse inferior

turbina/bomba

José Agüera Soriano 2011

8

Tajo de la Encantada

embalse inferior

José Agüera Soriano 2011

9

Tajo de la Encantada

depósito superior

José Agüera Soriano 2011

10

Tajo de la Encantada tubería forzada

central embalse

chimenea de equilibrio conducción casi horizontal

depósito superior José Agüera Soriano 2011

11

1200

200 100

Rí Castro Du o Du ero ero

Duero

600 500

Villarino

Aldeadavila

salto Villarino

Saucelle

Agu eda

San Roman

San Felices Bermellar

ba H ue

300

700

Río

400

Ledesma

Ricobayo Villalcampo

600 500

800

400 300

Río

isu er g a

Cernadilla Valparaiso

900

Santa Teresa Villagonzalo

s me or oT

era

Rí oP

1000

Tormes Rí

oT Ri

700

ión arr

800

oC

900

1100

Ca ma ces

1000

Compuerto Villalba Acera de la Vega

Rí o

1100

1200

Rí

metros sobre el nivel del mar metros sobre el nivel del mar

cuenca del río Duero

200

Hinojosa

100

salto Saucelle José Agüera Soriano 2011

12

TURBINAS HIDRÁULICAS Conceptos previos Turbinas Pelton Turbinas Francis Turbinas Kaplan Turbinas bulbo

José Agüera Soriano 2011

13

Flujo en tuberías con salida libre pérdida de carga SLL SLL línea

de e nerg ía ( línea LE) piez omé trica (LP)

V

1

1

L

línea piezométrica (LP)

José Agüera Soriano 2011

Hr

H

V 2/ 2 g =H 2

22

14

LP

i

pB γ

Salida por tobera

V

S

V 2g

LE

LP

LP

V 2i 2g

pB γ V carga inicial plano de S

A'

pi γ

SLL

A' A

l ín ea p ie z o

m é tr ic a co

plano de carga inicial

línea piezom étrica con tobera

línlíenea L L apiepzoimé V etzricoa sin mtoébera tr(iQc ) a máx

VS

n to b e r a B'

B'

Hr

Hr

H1

pB V S2 γ = H = 2g

sin

pérdida de carga

V S2 H 2g =

B

A

VS

B

LE

2

SLL

2g H V S2 2g = pi γ

toBb S e ra

V V S2

(Q

pB γ = H = 2g

H1

VS

línea piezométrica (LP)

má

x)

B

S VS

José Agüera Soriano 2011

15

Conducción de hidroeléctrica Villarino L = 15000 m H = 402 m D = 7,5 m; H r = 40 m D = 7,0 m; H r = 60 m D = 8,0 m; H r = 30 m

José Agüera Soriano 2011

16

Potencia un flujo Turbina de de reacción Q m3 s  ρ ⋅ Q kg/s 3 Densidad : ρ kg m  Altura : H m  2 2 g ⋅ H m s (J/kg) 2 Gravedad : g m s  Caudal :

P = ρ ⋅ g ⋅ Q ⋅ H J/s (W) José Agüera Soriano 2011

17

Turbina de acción chimenea de equilibrio

SLL SLL

HrAE

LP

A

rodete

tobera fija

José Agüera Soriano 2011

E

H =Hn

1

18

Turbina de reacción tobera fija

CORONA FIJA

1

tobera móvil

2

RODETE

José Agüera Soriano 2011

19

cámara espiral

José Agüera Soriano 2011

20

Triángulos de velocidades perfil álabe perfil álabe corona corona fija fija

perfil álabe perfil álabe rodete rodete

c velocidad absoluta u velocidad tangencial w velocidad relativa α ángulo c u β ángulo w u

1'

u1 w1

c1 1

1

u1 c2 2

w2

José Agüera Soriano 2011

2

u2

21

Ecuación de Euler g ⋅ H t = u1 ⋅ c1 ⋅ cos α1 − u2 ⋅ c2 ⋅ cos α 2 perfil álabe corona fija

perfil perfil álabe álabe rodete rodete

perfil álabe corona fija

1'

u1 w1

c1 1

1

u1 c2 2

w2

2

u2

José Agüera Soriano 2011

22

Semejanza de turbomáquinas

José Agüera Soriano 2011

23

Velocidad específica ∗1 / 2 e ∗5 / 4

n⋅P ns = H revoluciones :

(dimensional)

n rpm

potencia efectiva de diseño : Pe∗ CV H∗ m

altura de diseño :

n so =

ω ⋅P

∗1 / 2 e ∗ 5/4

ρ 1 / 2 ⋅ (g ⋅ H

)

(adimensional) José Agüera Soriano 2011

24

altura de salto H Hmm altura del salto,

Elección turbina en función de la velocidad específica 2000 1500 1000 500

n ⋅ Pe∗1/ 2 ns = H ∗5 / 4

turbina Pelton 1 inyector 2 inyector 4 inyector

turbina Pelton turbina Francis

turbina Francis lenta turbina Kaplan lenta

100 50

turbina Kaplan normal

turbina Francis normal

turbina Kaplan rápida turbina Francis rápida turbina Francis extrarrápida

20 10 5

turbina Kaplan

100

200

300

turbina Kaplan extrarrápida

800 600 700 velocidad específica n s velocidad específica

400

José Agüera Soriano 2011

500

25

Golpe de ariete LP después del cierre LP antes del cierre

golpe de ariete

chimenea de equilibrio válvula José Agüera Soriano 2011

26

Turbina Pelton chimenea de equilibrio

SLL SLL

HrAE

LP

A

rodete

inyector

José Agüera Soriano 2011

E

H =Hn

1

27

H = 100 ÷ 1800 m ns = 10 ÷ 75 ns (óptimo) ≈ 20 (1 inyector) Pe hasta 200 MW

Lester Allan Pelton (1829-1908) José Agüera Soriano 2011

28

tamaño y número de cucharas

José Agüera Soriano 2011

29

rodete Pelton

José Agüera Soriano 2011

30

Pelton con 1 inyector Figura 1 inyector inyector

deflector

José Agüera Soriano 2011

31

inyector Pelton aguja de regulación

deflector

José Agüera Soriano 2011

32

Cucharas Pelton

d = diámetro de chorro

e

f

L

d L

L = 2,1 d

T = 0,85 d

_ 2 = 4 ·· 20º

T

_ /2 = 7 ·· 15º Fu Fa

F

1,1d B

mella

B = 2,5 d t=2 d

distancia entre cucharas

José Agüera Soriano 2011

33

Triángulos de velocidades u1∗ ( teórico) = 0,50 ⋅ c1; u1∗ (real) ≈ 0,46 ⋅ c1 c1 ( teórico) = 2 ⋅ g ⋅ H n ; c1 ( real) ≈ 0,98 ⋅ 2 ⋅ g ⋅ H n c2

u 1= u

w2 2

u2=u

2 2

w1

u

c1

José Agüera Soriano 2011

34

c2 c1

José Agüera Soriano 2011

35

Diámetro del rodete (D)

José Agüera Soriano 2011

36

f

4 60 ⋅ u ∗ D= π ⋅n

e

⋅ c1 ;

L

Q=

π ⋅d2

d L

Cálculo Pelton

_ 2 = 4 ·· 20º

T

_ /2= 7 ·· 15º

t ≈ 2⋅d

Fu Fa

1,1d B

L ∼ 2,1· d B ∼ 2,5 ·d T ∼ 0,85 · d

F

u1∗ ( teórico) = 0,50 ⋅ c1; u1∗ (real) ≈ 0,46 ⋅ c1 c1 ( teórico) = 2 ⋅ g ⋅ H n ; c1 (real) ≈ 0,98 ⋅ 2 ⋅ g ⋅ H n José Agüera Soriano 2011

37

actuación del deflector

José Agüera Soriano 2011

38

Pelton con 2 inyectores

José Agüera Soriano 2011

39

Pelton 4 inyectores y válvulas individuales

José Agüera Soriano 2011

40

José Agüera Soriano 2011

41

José Agüera Soriano 2011

42

José Agüera Soriano 2011

43

Turbinas Pelton (admisión parcial) siguiente clase

Turbinas Francis (admisión total)

José Agüera Soriano 2011

44

Turbinas Francis

H = 30 ÷ 550 m ns = 50 ÷ 450 ns (óptimo) ≈ 225 Pe hasta 375 MW James B. Francis (1815-1892) José Agüera Soriano 2011

45

Primer rodete Francis 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.

distribuidor distribuidor rodete rodete

2

1

r 2 = D2 / 2

r 1 = D1 / 2 José Agüera Soriano 2011

46

SECCIÓN TRANSVERSAL

c w

rodete corona fija

álabe fijo c

·

w

álabe rodete

1 ·

SECCIÓN MERIDIONAL

Turbina Francis

José Agüera Soriano 2011

2

47

Rodetes Francis 1,100

2,290 0,408

0,152

n s = 165

ns = 55

1,0

1,0

g ⋅ H t = u1 ⋅ c1 ⋅ cos α1 − u2 ⋅ c2 ⋅ cosα 2 0,910

1,440 0,512

0,288

n s = 220

n s = 110 1,0 José Agüera Soriano 2011

1,0 48

Rodetes Francis 0,782

0,624 0,728

0,600

n s = 395

n s = 275

1,0

1,0

0,695

0,574

0,672

n s = 330

0,768

1,0

n s = 440 1,0

José Agüera Soriano 2011

49

J.Agüera, 2/2010

50

velocidad específica: 120

álabe guía álabe estructural

álabe rodete

José Agüera Soriano 2011

cámara espiral

51

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 grupos Potencia total: 360 MW José Agüera Soriano 2011

52

rodete Francis modelo

José Agüera Soriano 2011

53

Sistema de regulación turbinas de reacción

álabes guía

entrada del agua bielas

palas directrices

bieletas

abrir

anillo

cerrar

anillo regulador José Agüera Soriano 2011

54

cerrado

José Agüera Soriano 2011

55

abierto

José Agüera Soriano 2011

56

bielas y anillo de distribución movido por dos brazos

José Agüera Soriano 2011

57

cámara espiral

rodete álabes guía

José Agüera Soriano 2011

58

bielas y anillo de distribución movido por dos brazos José Agüera Soriano 2011

59

Tubo de aspiración, o de descarga rodete

rodete

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

Vd

SLL

Ha

S

tubo de aspiración, o de descarga

José Agüera Soriano 2011

VS

canal de desagüe

60

Cavitación

burbuja de vapor cavidad vacía

implosión

José Agüera Soriano 2011

Vd 61

corrosión por cavitación José Agüera Soriano 2011

62

tubos de descarga

José Agüera Soriano 2011

63

tubos de descarga

José Agüera Soriano 2011

64

Turbinas Kaplan H = 4 ÷ 90 m ns = 400 ÷ 900 ns (óptimo) ≈ ns bajo Pe grandes potencias Viktor Kaplan (1876-1934) José Agüera Soriano 2011

65

cámara espiral

álabes estructurales

álabes guía álabes rodete José Agüera Soriano 2011

66

Turbina Kaplan álabes guía

álabes rodete

c2 José Agüera Soriano 2011

67

J.Agüera, 2/2010

68

Kaplan

0,9

Pelton

0,8 0,7

Fr an cis

rendimientos, rendimientos

1,0

Kaplan

e ic l hé

hélice

0,6 0,5 0,4 20

velocidad de giro constante 30

40

50 60 70 80 % potencia nominal

90 100 110

% potencia nominal

José Agüera Soriano 2011

69

álabes estructurales

álabes guía

álabes rodete

cubo rodete

José Agüera Soriano 2011

70

Turbina Kaplan H = 3,8 m

tubo de aspiración, o de descarga

José Agüera Soriano 2011

71

Francis: de acero Kaplan: de hormigón armado álabes estructurales

cámara espiral

José Agüera Soriano 2011

72

José Agüera Soriano 2011

73

José Agüera Soriano 2011

74

altura de salto Hm altura del salto, H m

elección de la turbina en función n ⋅ Pe∗1/ 2 ns = de la velocidad específica, ns H ∗5 / 4 2000 1500 1000 500

turbina Pelton 1 inyector 2 inyector 4 inyector turbina Francis lenta turbina Kaplan lenta

100 50

turbina Kaplan normal

turbina Francis normal

turbina Kaplan rápida turbina Francis rápida turbina Francis extrarrápida

20 10 5

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

100

200

300

turbina Kaplan extrarrápida

400

500

800 600 700 velocidad específica n s

velocidad específica José Agüera Soriano 2011

75

Mareomotriz de La Rance (Francia) José Agüera Soriano 2011

76

maqueta central mareomotriz de La Rance

José Agüera Soriano 2011

77

álabes estructurales álabes guía álabes rodete

Turbina bulbo José Agüera Soriano 2011

78

La Rance (Francia) 24 turbinas 240 MW; reversibles y doble efecto

H = 1 ÷ 15 m ns = 600 ÷ 1150 Pe = 1 ÷ 25 MW

José Agüera Soriano 2011

79

Rendimientos en función del caudal

100

1

2

3

4

Pelton

Francis

Kaplan

bulbo

Pelton

90

Potencias normales, o de diseño, respecto de las nominales

rendimiento re(%) rendimientos

bulbo 1

3

4

2

Francis

Kaplan

0

10

20

30

40

50

60

70

80 90 100 caudal Q (%)

Pelton: 67% al 75% Francis: 85% al 90% hélice: 90% Kaplan: 67% al 75% bulbo: 67% al 75%

% caudal caudal QQ (%)

José Agüera Soriano 2011

80

José Agüera Soriano 2011

81