Turbinas HidrTurbinas Hidrulicasulicas

TurbomTurbomquinas Hidrquinas Hidrulicasulicas

Prof. Miguel ASUAJEProf. Miguel ASUAJEProf. Prof. FrankFrank KENYERYKENYERY

Prof. Orlando AGUILLProf. Orlando AGUILLNNIng. JesIng. Jess DE ANDRADEs DE ANDRADE

Abril 2008

Turbina PeltonTurbina Pelton

Descripcin,Clasificacin, Dimensionamiento y

Curvas Caractersticas

Turbina Pelton

Turbina de accin. Flujo Tangencial (turbina de chorro) Saltos netos entre 50 y 2000 m Rango de nS: 8 a 66 Sobre los 800 m es la nica turbina aplicable Pmx. = 423 Mw. (Cleuson Dixence 1995) Suiza. Puede utilizar mltiples chorros (6) lo que permite

aumentar la potencia. No existe peligro de cavitacin Problema de erosin (erosin por las gotas de agua y

slidos en suspensin)

CaracterCaractersticas Generalessticas Generales

Campo de AplicaciCampo de Aplicacinn

Turbina Pelton

Descripcin TP

Turbina PeltonPrincipales partes:Principales partes:

1. Colector espiral2. Carcasa y soporte del generador.3. Inyector (Tobera +Vlvula aguja)4. Cojinete radial y de empuje axial5. Generador6. Eje7. Rodete8. Deflector9. Cojinete turbina

Turbina PeltonPrincipales partes:Principales partes:

1. Colector espiral2. Vlvula de admisin.3. Deflector4. Inyector (Tobera +Vlvula aguja)5. Chorro de freno6. Rodete7. Sistema gobernador8. Servomotor de los deflectores

InyectorElemento que transforma la energa de presin en energa cintica. Regula el caudal de la mquina. Consta de una tobera y una vlvula de aguja cuya carrera determina el grado de apertura del mismo. Para poder asegurar el cierre, el dimetro mximo de la aguja tiene que ser superior al de salida del chorro, cuyo dimetro do se mide en la seccin contrada, situada aguas abajo de la salida del inyector y en donde se la presin exterior es igual a la atmosfrica.. Cucharas

Llegada de agua

Aguja

Deflector

Chorro

Servomotor

Turbina Pelton

Deflector:Deflector:Cuando la carga disminuye bruscamente debe cerrarse el chorro para que se embale la TP. Para ello se introduce un deflector en medio del chorro, dividindolo y desviando una parte del mismo, de forma que en vez de dirigirse contra las cucharas, sale lateralmente sin producir ningn efecto til. De esta manera se evita un golpe de ariete y se cierra lentamente la vlvula aguja.

En carga normal En carga alterada En carga reducida

Turbina Pelton

Rodete:Rodete:Sitio donde se realiza la Transferencia de energa.

Turbina Pelton

Turbina Pelton

S: (1.10 - 1.20)doB: (2.80 - 3.20)doL: (2.30 - 2.80)doT: (0.60 - 0.90)dom: (0.95 - 1.05)dom1: (0.18 - 0.20)do: (96 - 105)1: ( 5 - 7)2: ( 1 - 40)

Cucharas:Cucharas: Relaciones empRelaciones empricas y valores ricas y valores regulares para una TPregulares para una TP:

Clasificacin TP

Segn posicin del eje y nmero de chorros

Segn posicin del eje: Vertical: puede alojar mayor nmero de chorros. Horizontal: slo puede tener dos chorros por la forma de la carcasa.Segn nmero de chorros y de rodetes:

Denominacin # Rodetes # Chorros1 22 1 c/u

Triple 1 31 42 2 c/u

Quntuple 1 5

1 63 2 c/u

Sxtuple

Cudruple

Doble

ClasificaciClasificacinn

Turbina Pelton

Simple de eje HorizontalSimple de eje Horizontal

Turbina Pelton

Doble de eje HorizontalDoble de eje Horizontal

Turbina Pelton

Hn = 795 785 765 mQ = 9,18 9,0 9,00 m3/sP = 64.400 62.700 60.800 Kw.n = 428rpm

SSxtuple de eje Verticalxtuple de eje Vertical

Turbina Pelton

RestituciRestitucinnElectroperu, Lima, Per.

Distribuidor de entrada de mayor tamao, dimetro tubera: 2400 mm.

2400 mm.

SSxtuple de eje Verticalxtuple de eje Vertical

Turbina Pelton

Turbina PeltonCentral de ChivorCentral de Chivor (Colombia)(Colombia)8 x 151 MW8 x 151 MW

Campo de Aplicacin TP

Tringulos de velocidadVelocidad especfica de giro

InstalaciInstalacin de la cucharasn de la cucharas

Turbina Pelton

OrientaciOrientacin de las cucharasn de las cucharas

Circulo primitivo de Circulo primitivo de orientaciorientacin de las n de las

cucharascucharas

do

do

II II

I I

IIIIII

do

I

chorrodo

IIIII

Turbina Pelton

TriTringulo de velocidadesngulo de velocidades

Turbina Pelton

W2

U2

V2

U1 = U2 = U

WW1 1 = W= W22

2

W1 U1

V1

1

====

16515180

21

2

1

DeflexiDeflexin del flujon del flujo

Turbina de acciTurbina de accinnGGRR = 0= 0

2 = 90

Se asume que el chorro ataca la cuchara a un mismo dimetro constante

Turbina Pelton

Rendimiento del InyectorRendimiento del Inyector

I V0V00 K2gHKV ==

H2gV20

I =

V0

H

Turbina PeltonRango de aplicaciRango de aplicacin de la Turbinas Peltonn de la Turbinas Pelton

11115/4m

s QNAg

HPn

n ==

4dA

20

0=

4d2gHKA VQ

Q MQ20

0V00I

I

===

d0V0

DondeDonde:

Q caudal total.

QI caudal de cada inyector

M nmero de inyectores

KV0 Coeficiente de velocidad (0,96 0,98)

Turbina Pelton

HDQQ 211 = 2V0

11 42gKMQ =

Sustituyendo se tiene:Sustituyendo se tiene:

Dd:Donde 0=

1U11 Kg260

HD nN ==

Velocidad especVelocidad especfica de giro Nfica de giro N1111::

Turbina Pelton

111 cosV21U = 1V1U1 cos2

KK =Para mPara mxima utilizacixima utilizacin de la energn de la energa disponible (a disponible (mmxx):):

A HQgPm

=

011

V1 VV2gHVK ==

kg/m3

[H] m

[Q] m3/s

[Pm] CV

A = 735,294

Potencia mecPotencia mecnica de la turbina:nica de la turbina:

Turbina PeltonVelocidad especVelocidad especfica de giro nfica de giro nSS

2V011 4

2gKMQ =

1U11 Kg260

HD nN ==

= MKK 2g60

An V0U11/4

5/4

S

A HQgPm

=

Turbina Pelton

0.88 m/s 9,81g3,357Akg/m 979

0.97K0.45K

3V1

U1

=====

M240ns

Para las condiciones de trabajo siguientes se tiene quePara las condiciones de trabajo siguientes se tiene que::

M = 1 nSLmite mnimo mal rend. (86%) 1/100 2,4Lmite mnimo prctico (90%) 1/30 8Lmite mximo prctico (90%) 1/9 27Lmite mximo real (86%) 1/7 35

Rango Rango ptimo de trabajo TPptimo de trabajo TP:: 66n8 S

Calidad del ChorroCalidad del ChorroEl chorro est constituido por un ncleo central convergente de agua y una seccin anular creciente que contiene una emulsin de agua y aire. La calidad del chorro disminuye (mayor dispersin) al aumentar la distancia x respecto a la tobera.

Turbina Pelton

NNcleo convergentecleo convergente

SecciSeccin anular divergenten anular divergente

x00

0 0 1/301/30

Turbina Pelton

Al aumentar el espesor del chorro es necesario aumentar el Al aumentar el espesor del chorro es necesario aumentar el ngulo ngulo 22para evitar el choque del agua con la parte posterior de la cuchpara evitar el choque del agua con la parte posterior de la cuchara ara contigua. Por lo tanto existe un valor mcontigua. Por lo tanto existe un valor mximo para el diximo para el dimetro del chorro, metro del chorro, por encima del cual el rendimiento de la TP disminuyepor encima del cual el rendimiento de la TP disminuye

0 0 1/71/7LimitaciLimitacin del chorron del chorro

Turbina Pelton

d0 [m]

H2 [m]

100 100 dd00 350 mm.350 mm.

dd0 m0 mx.x. == 200 mm.200 mm.

dd00 0,2 m0,2 m

Turbina Pelton

nS

25,1mkWrpm

VariaciVariacin de n de vs. nvs. nSS

Turbinas Pelton

DimensionamientoDimensionamiento

Mtodo analtico

2gH4

d.KQ

20

V0Imx

mx

=

M QQcalc Imx

=

Partiendo de los datos: PH y H se calcula Q asumiendo una eficiencia ~ 90%. Con d0 mx. = 200 mm se calcula el caudal mximo por inyector

KV0 0,97

Nmero de inyectores necesarios:

Se aproxima por exceso M = Mcal +1 y se recalcula d0:

2gHK MQ4d V0

0 =

Mtodo analtico

60nDU

2gHUK

1

1U1

=

=El dimetro caracterstico D se determina a partir de:

Se escoge una velocidad de giro n sincrnica:

nH2gK60D 1U

= 45,0K 1U =

PPN3.600n =

de manera que: 71

Dd

301 0

NotaNota:: Las velocidades de giro Las velocidades de giro nn mms frecuentes para 60 Hz son s frecuentes para 60 Hz son 600, 450, 360 y 300 rpm correspondientes a de 6, 8, 10 y 12 pare600, 450, 360 y 300 rpm correspondientes a de 6, 8, 10 y 12 pares s de polos (Nde polos (NPPPP))

Mtodo analticoEl nmero de cucharas se puede estimar a partir de la tabla a continuacin:

Nmero especfico de revoluciones

nS

Nmero de cucharas

z4 40

6 37

8 34

10 30

12 28

14 26

18 22

22 20

26 17

32 15

= 4545 mS mCVrpm

HPn

n

Mtodo Estadstico

Notacin:D2: dimetro caracterstico [m]D3: dimetro de punta [m]dj: dimetro del chorro [m]B: altura baromtrica [m]Hn: altura neta nominal [m]KU: coef. de velocidad tangencial.n: velocidad de giro sincrnica [rpm]nS: velocidad de giro especficaPm: Potencia mecnica [Kw.]j nmero inyectores

Dimensionamiento de una TP segn Siervo

Mtodo EstadsticoCClculo del nlculo del nmero de inyectoresmero de inyectores::

243.0nH78,63

0.243nH85,49

Ao de diseo ns,j

1960 - 1964

1965 - 1977

45n

mjS, H

jPnn =Referida a un slo inyector:

45n

mS H

Pnn =Velocidad especfica de giro:

Mtodo Estadstico

Se debe verificar que el ns determinado coincida con una velocidad de sincronismo en el criterio general de diseo. De lo contrario, se recalcula nS con la velocidad de giro sincrnica ms cercana.

[ ] 45jS, m kWrpmn =

Mtodo Estadstico

1,02j2

0,96j1

jS,2

3

jS,

jS,

2

j

n

2U

jS,U

d3,23H

d3,20H

n0,01371,028DD

n1,796250,74n

Dd

2gH60n.DK

n0,00390,5445K

==

+==

==

D3 D2

H1

H2

Dimensiones del rodete.

Mtodo Estadstico

L37,028,1IL513,062,0H

L71,009,1FD376,0196,0G

D06,278,0L

3

3

+=+=

+=+=

+=F

H

I

G

L

M NI

Dimensiones del PozoDimensiones del Pozo::

Mtodo Estadstico

Dimensiones Distribuidor EspiralDimensiones Distribuidor Espiral::

L70,043,0EL70,0219,0DL68,0362,0CL694,0595,0BH358,082,0A n

+=+=+=+=+=

D

E

B C

Turbina Pelton

Curvas Caractersticas

Diagrama de TopogrDiagrama de Topogrfico Qfico Q11 11 vs. Nvs. N1111

x

N11

Q11

0

Turbina Pelton

= cte.

xDiagrama de TopogrDiagrama de Topogrfico Pfico P11 11 vs. Nvs. N1111 N11

P11

Turbina Pelton

= cte.

P11 [CV]

N11 [rpm]

Diagrama de TopogrDiagrama de Topogrfico Pfico P11 11 vs. Nvs. N1111

Turbina Pelton15nS =

P11 [CV]

N11 [rpm]

Diagrama de TopogrDiagrama de Topogrfico Pfico P11 11 vs. Nvs. N1111

Turbina Pelton30nS =

Turbinas Pelton

Grandes centrales

Represa La Grand Dixence

Con una altura de 285 m, la presa de Grand Dixence en los Alpes Suizos es una de la presas mas altas del mundo. La central hidroelctrica genera la mayora de la electricidad domstica de Suiza.

Complejo HidroelctricoCleusonCleuson--DixenceDixence

Complejo Cleuson-DixenceEl complejo Hidroelctrico de Cleuson-Dixence fue construido entre 1993 y 1998 para incrementar la capacidad de generacin de la Grande Dixence.

Comprende:

Una nueva toma en la presa, un tnel de 15.8 Km. de longitud desde la presa hasta Tracouet, una chimenea de equilibrio en Tracouet, excavada en el pico Nendaz , una tubera forzada de acero de 4,3 Km. largo desde Tracouet hasta la central de Bieudron, la casa de maquinas subterrnea de Bieudron.

La central Bieudron posee tres record mundiales: mayor salto (1883 m), Mayor potencia de punta cada unidad Pelton (423 MW) y la mayor potencia elctrica por polo de un generador (35.7 MVA).

De acuerdo a la demanda elctrica, el agua es despachada a cuatro centrales hidroelctricas: Fionnay, Nendaz, Chandoline y Bieudron. Las cuales descargan al ro Rin.

TP de mayor potencia

Potencia Instalada: 1269 MWPotencia Instalada: 1269 MWTres turbinas Pelton: 423 MWTres turbinas Pelton: 423 MWAltura Bruta: 1883 mAltura Bruta: 1883 mAltura neta:Altura neta: 1869 m1869 mCaudal total: 75 mCaudal total: 75 m33/s/s

Central HidroelCentral Hidroelctrica de Bieudronctrica de Bieudron

CENTRALES HIDROELCENTRALES HIDROELCTRICAS CTRICAS TURBINAS PELTON EN VZLATURBINAS PELTON EN VZLA

En Venezuela9Central Hidroelctrica Leonardo Ruiz Pineda (San Agatn)

(Primera etapa)

Represa la HondaEdo. Tchira

Capacidad Instalada 300 MWNmero de Turbinas 2Potencia Nominal por unidad 153 MWAltura neta de diseo de 350 mCaudal de diseo 50 m/seg.Velocidad Sincrnica 225 r.p.m.Generador con 16 pares de polos

9Central Hidroelctrica Jose Antonio Pez (Santo Domingo)

Capacidad Instalada 240 MWNmero de Turbinas 4Potencia Nominal por unidad 67 MWAltura neta de diseo de 878 mCaudal de diseo 8.72 m/seg.Velocidad Sincrnica 600 r.p.m.Generador de 6 pares de polos

CENTRALES HIDROELCENTRALES HIDROELCTRICAS CTRICAS TURBINAS PELTON EN VZLATURBINAS PELTON EN VZLA

Turbinas PeltonTurbinas Pelton

FINFIN

Turbinas HidrulicasTurbina Pelton Turbina PeltonDescripcin TPTurbina PeltonTurbina PeltonClasificacin TPTurbina PeltonTurbina PeltonCampo de Aplicacin TPTurbina PeltonTurbina PeltonTurbina PeltonTurbina PeltonTurbina PeltonTurbina PeltonTurbina PeltonTurbina PeltonTurbina PeltonTurbina PeltonTurbina PeltonTurbinas PeltonMtodo analticoMtodo analticoMtodo analticoMtodo EstadsticoMtodo EstadsticoMtodo EstadsticoMtodo EstadsticoMtodo EstadsticoMtodo EstadsticoTurbina PeltonTurbinas PeltonRepresa La Grand DixenceComplejo HidroelctricoComplejo Cleuson-DixenceTP de mayor potenciaCENTRALES HIDROELCTRICAS TURBINAS PELTON EN VZLATurbinas Pelton