Tema 6. Turbinas.pdf

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Tema 6

Turbinas


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Definición

•

La Turbina es una turbomáquina motora, esdecir, absorbe energía del fluido y restituyeenergía mecánica.


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Incompresible

(Turbinas Hidráulicas)


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Esquema general

Tubería forzada

Distribuidor

Rodete

Tubo de aspiración


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Clasificación

•

Grado de reacción

rotor el por absorbidatotal altura

rotor el por absorbida presióndealturaT

Grado de reacción = 0 -> turbina de acción Grado de reacción = 1 -> turbina de reacción

Turbina de reacción: El fluido llena por completo los huecos entre álabes

La caída de presión se da en el rotor

Turbina de acción: La caída de presión se da en el distribuidor El fluido golpea los álabes -> el rotor no está lleno

Se provoca un flujo a p=cte en el rotor


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Clasificación

• Acción• Pelton

• Reacción

– Flujo diagonal o radial

• Francis

– Flujo axial• Hélice (Álabes fijos)

• Kaplan (Álabes orientables)

http://www.youtube.com/watch?v=HzQPNpP55xQ


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Ecuaciones Fundamentales

•

Altura neta (H): Es la altura que hubieraaprovechado la turbina sin pérdidas. La alturaútil (Hu) será la aprovechada por la turbina.

int r u H H H


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Primera expresión de la altura neta

Ecuación de Bernoulli entre la entrada y

la salida de la turbina:

g v z

g p H

g v z

g p S

S S E

E E

22

22

g vv z z

g p p H S E S E

S E

2

22

Altura de presión Altura geodésica Altura dinámica


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Primera expresión de la altura neta

•

En turbina Pelton

g

v z z

g

p H E S E

E

2

2

Se intenta que la velocidad de salida sea cero para no penalizar elrendimiento y aprovechar el máximo de energía.


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Segunda expresión de la altura neta

•

El desarrollo es análogo al anterior. Se formulaBernoulli entre las secciones A y Z.

g

v

z g

p

H H g

v

z g

p Z Z

Z

ext r

A

A

A

22

22

SZ ext r AE ext r Z A H H z z H

Altura bruta HbPérdidas exterioresantes de la turbina

Pérdidas exterioresdespués de la turbina


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Potencias y rendimientos


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Tubo de Aspiración

g

v z

g

p H

g

v z

g

p Z Z

Z ra

22

22

22

2

ra s H g

v

H g

p

2

2

22

• Funciones:• Recuperación de suspensión (función

aspiradora)• Recuperación de energía cinética (función

difusora)


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Semejanza

Se debe cumplir:

Tienen la misma admisión Mismo número de unidades para cada turbina El rendimiento se mantiene prácticamente uniforme en la zona de funcionamiento

Semejanza geométrica: fácilmente realizable salvo en escalas muy pequeñas(escalado de holguras, rugosidades superficiales…)

Semejanza cinemática: proporción de triángulos de velocidades

Semejanza dinámica: igualdad entre los números adimensionales fundamentales dela mecánica de fluidos, número de Strouhal, número de Euler, número de Reynolds,número de Froude y número de Mach.

'

2

2

'

1

1

'

2

2

'

1

1

b

b

b

b

D

D

D

D

'

''

22

11

''

22

11

''' ww

uu

cc


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Semejanza

3

101010

111

0 ·2

·2

br c

br c

Q

Q

m

m

2

1010

11

1010

11

0

· u

u

u

u

u

u

cu

cu

g

cu

g

cu

H

H

532300000

0

0000

·

u

u

u

u

u

u

e

e

H Q

QH

H Q

QH

H gQ

gQH

P

P

Mismorendimiento

Mismofluido

5253

0

0

0

00

1

e

e

e

e

e

e

P

P

P

P

M

M


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Número específico de revoluciones

= 3.65 1/2

−/4


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Velocidad sincrónica

• El alternador al que va acoplado la turbina debegenerar electricidad a una cierta frecuencia (España:50Hz), por lo que su velocidad debe ser tal que,conjugada con el número de polos, genere esafrecuencia. La velocidad sincrónica es la velocidad de laturbina igual a la del alternador. Es decir, si gira avelocidad sincrónica, no se necesita un sistema deengranajes o similar para el acoplamiento.

60 zn f

f : frecuencia n: revoluciones por minuto z: número de polos


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Velocidad de embalamiento

•

Velocidad que alcanza el rotor cuandodesaparece la carga.

– Pelton: del orden de 1.8 veces la velocidad nominal

– Francis: del orden de 2 veces la velocidad nominal

– Kaplan y hélice: del orden de 2.2 a 2.4 veces lavelocidad nominal


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Curvas características

n11, Q 11 = número de revoluciones y caudal de una turbina geométricamentesemejante cuyo rodete sea de diámetro 1m y trabajara bajo un salto neto de

1m en condiciones de mismo rendimiento.


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Turbinas de Acción

•

Turbina Pelton


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Turbinas de acción

•

Cazoleta


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Turbinas de acción

•

Inyector


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Turbinas de acción

•

Pelton de varios inyectores


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Turbinas de acción

•

Regulación


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Triángulos de velocidad

uuu 21

21 ww

Velocidad tangencial

Si no hay rozamiento

Según la ecuación de Torricelli gH c 21 gH k c uc 211

En la práctica

97.01 uck

Maximizar el rendimiento gH k u u 211

5.01 uk

En la práctica45.01 uk


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Triángulos de velocidad

•

Idealmente α1=0º y β1=180º

• Idealmente c2=0, si distinto -> energía perdida.


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Turbina de Reacción: Francis y Hélice


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Cámara espiral

• Dirige convenientemente el agua hacia el distribuidor.

• Su forma es tal que la velocidad media en cada secciónde la espiral se mantiene cte.

• Sección circular o rectangular

• Suelen construirse de metal u hormigón.


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Distribuidor

•

Dirigir el agua hacia los álabes del rodete.• Regular el caudal variando el ángulo α1.

• Transforma energía de presión en cinética


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Distribuidor

•

Triángulo de velocidades


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Distribuidor


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Rodete

• Donde se transforma la energía del fluido en

energía mecánica.• Tipos:

– Rodetes lentos u1


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Rodete


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Rodete


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Triángulo de velocidades


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Turbinas de reacción: Kaplan y Hélice


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Turbinas de reacción: Kaplan y Hélice


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Triángulos de velocidades


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Regulación


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Regulación Turbinas reacción

•

Siempre interesa que β1 sea tangente al álabepara evitar choques.

• α2=90º ya que el rendimiento es máximo:

m g

sencu sencu H u

222111

H H u H


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Compresible

(Turbinas Térmicas)


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Escalonamiento de una turbina

• Salto entálpico total:

• Recordando en TM Axiales:

• Igualando:

202110 )()( hhhhhhhhh m f

22

2

2

2

1

2

1

2

2

21

ccwwY

uuu

u

22

2

2

2

1

2

1

2

220

ccwwhh


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Escalonamiento de una turbina

• Velocidad adiabático-isentrópica:

• Entre entrada y salida de corona fija:

• Por lo tanto en la corona móvil se tiene que:

s s s s hchc 22/2

2

22

2

2

120

20

21

10

cchcc

cchhh

f

f

2

2

1

2

221

wwhhhm


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Grado de reacción de un escalonamiento

2

2

2

1

2

1

2

2

2

2

2

1

ccww

cc

h

hm

reacción

acción

1

0

Escalonamiento de acción y grado de


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Escalonamiento de acción y grado deadmisión

•

En las turbinas axiales el grado de admisiónpuede ser parcial.

•

El grado de admisión se define como:

)º360(total nciaCircunfere

fijosálabesocupadonciacircunfere Arco


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Perfil de velocidad y presión


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Triángulos de velocidades ideales

•

Acción

12 180

s s sf chhc 221

0 mh

12 ww


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Triángulos de velocidades ideales

•

Reacción – Mismos álabes corona fija y móvil:

12

12

12

12

cw

wc

2

1

2

22

2

2

2

1

2

1

2

2

h

h

hh

h

ccww

h

m

m

f m


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Rendimiento interno escalonamiento

Acción Reacción

2

1

h

hm


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• Trabajo ideal

•

Trabajo interno

• Pérdidas internas

s s hw

ii hw

s si si si hhhhhhhhww y 222020 )(


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• Pérdidas internas:

– Corona fija

– Corona móvil

– Velocidad de salida

– Rozamiento de disco

– Ventilación

– Intersticiales internas


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• Pérdidas externas:

– Cojinetes

– Transmisión

• Rendimiento interno del escalonamiento:

entoescalonamioisentrópicadiabático salto

entoescalonamierno salto

h

h

s

iie

int

rozamiento pérdidas y

ccuw

ywh

rv

uuu

rvui

)( 21


52/56

Rendimiento interno total

s

ii

hh


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Factor de recalentamiento

R

Rh R

h

h

hh

h

hh

h

h

h

h

h

h

h

h

h

ieiT

iT

sT

iT

sT

r sT

iT

r sT

iT

s

i

sIII

iIII

sII

iII

sI

iI ie

1


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Coeficiente de velocidad periférica óptimo

sC u

Acción Reacción (σ=1/2)

2

1

2

1


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Turbinas múltiples

• Escalonamientos de presión

• Escalonamientos de velocidad o Curtis

z

C

z

hhC s s sz sz

22


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Bibliografía

• Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas.Claudio Mataix

• Termodinámica Térmica y Máquinas Térmicas.Claudio Mataix.

• Apuntes Universidad de Cantabria. PedroFernández Díez.

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