Post on 06-Feb-2018
Bloque I. Tema 3.4. Turbinas Kaplan
Sistemas y Máquinas Fluido Mecánicas
Carlos J. Renedo
Inmaculada Fernández Diego
Juan Carcedo Haya
Félix OrHz Fernández
Departamento de Ingeniería Eléctrica y Energé5ca
Este tema se publica bajo Licencia:
Crea5ve Commons BY-‐NC-‐SA 4.0
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles
Las trasparencias son el material de apoyo del profesorpara impartir la clase. No son apuntes de la asignatura.Al alumno le pueden servir como guía para recopilarinformación (libros, …) y elaborar sus propios apuntes
En esta presentación se incluye un listado de problemasen el orden en el que se pueden resolver siguiendo eldesarrollo de la teoría. Es trabajo del alumnoresolverlos y comprobar la solución
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles
1.1.- Introducción a las Máquinas Hidráulicas
1.2.- Bombas Hidráulicas
1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.1.- Generalidades de las Turbinas Hidráulicas
1.3.2.- Turbinas Pelton
1.3.3.- Turbinas Francis
1.3.4.- Turbinas Kaplan
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles
Departamento:
Area:
Ingeniería Eléctrica y Energética
Máquinas y Motores Térmicos
CARLOS J RENEDO renedoc@unican.es
INMACULADA FERNANDEZ DIEGO fernandei@unican.es
JUAN CARCEDO HAYA juan.carcedo@unican.es
FELIX ORTIZ FERNANDEZ felix.ortiz@unican.es
Las trasparencias son el material de apoyo del profesorpara impartir la clase. No son apuntes de la asignatura.Al alumno le pueden servir como guía para recopilarinformación (libros, …) y elaborar sus propios apuntes
En esta presentación se incluye un listado de problemasen el orden en el que se pueden resolver siguiendo eldesarrollo de la teoría. Es trabajo del alumnoresolverlos y comprobar la solución
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles
1.1.- Introducción a las Máquinas Hidráulicas
1.2.- Bombas Hidráulicas
1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.1.- Generalidades de las Turbinas Hidráulicas
1.3.2.- Turbinas Pelton
1.3.3.- Turbinas Francis
1.3.4.- Turbinas Kaplan
1.3.5.- Estudio de Turbinas Hidráulicas
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles
Generalidades
Descripción
Triángulo de Velocidades
Regulación, Giro de los Álabes
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.4.- Turbinas Kaplan
La turbina KAPLAN es, en esencia, una turbina de hélice de álabesorientables
La turbina DERIAZ es, en esencia, una turbina Francis de álabesorientables
La principal ventaja que presentan estas turbinas es la posibilidad deajustar su geometría, según la carga demandada, a las condiciones deóptimo rendimiento. Un rodete puede trabajar como infinitos rodetes
Esto produce un cambio importante en el comportamiento de laturbomáquina a cargas parciales
Dato cronológico: La turbina Kaplan fue presentada en el año 1.925, laturbina Deriaz en 1.956
La regulación de las turbinas hidráulicas se realiza mediante la variacióndel caudal suministrado, a igualdad de salto
Generalidades (I)
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles
Generalidades
Descripción
Triángulo de Velocidades
Regulación, Giro de los Álabes
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.4.- Turbinas Kaplan
La turbina KAPLAN es, en esencia, una turbina de hélice de álabesorientables
La turbina DERIAZ es, en esencia, una turbina Francis de álabesorientables
La principal ventaja que presentan estas turbinas es la posibilidad deajustar su geometría, según la carga demandada, a las condiciones deóptimo rendimiento. Un rodete puede trabajar como infinitos rodetes
Esto produce un cambio importante en el comportamiento de laturbomáquina a cargas parciales
Dato cronológico: La turbina Kaplan fue presentada en el año 1.925, laturbina Deriaz en 1.956
La regulación de las turbinas hidráulicas se realiza mediante la variacióndel caudal suministrado, a igualdad de salto
Generalidades (I)
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.4.- Turbinas Kaplan
La turbina KAPLAN es, en esencia, una turbina de hélice de álabesorientables
La turbina DERIAZ es, en esencia, una turbina Francis de álabesorientables
La principal ventaja que presentan estas turbinas es la posibilidad deajustar su geometría, según la carga demandada, a las condiciones deóptimo rendimiento. Un rodete puede trabajar como infinitos rodetes
Esto produce un cambio importante en el comportamiento de laturbomáquina a cargas parciales
Dato cronológico: La turbina Kaplan fue presentada en el año 1.925, laturbina Deriaz en 1.956
La regulación de las turbinas hidráulicas se realiza mediante la variacióndel caudal suministrado, a igualdad de salto
Generalidades (I)
«Turbinas Hidráulicas» P. Fernández Díez
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.4.- Turbinas Kaplan
Generalidades (I)
La turbina KAPLAN es, en esencia, una turbina de hélice de álabesorientables
La turbina DERIAZ es, en esencia, una turbina Francis de álabesorientables
La principal ventaja que presentan estas turbinas es la posibilidad deajustar su geometría, según la carga demandada, a las condiciones deóptimo rendimiento. Un rodete puede trabajar como infinitos rodetes
Esto produce un cambio importante en el comportamiento de laturbomáquina a cargas parciales
Dato cronológico: La turbina Kaplan fue presentada en el año 1.925, laturbina Deriaz en 1.956
La regulación de las turbinas hidráulicas se realiza mediante la variacióndel caudal suministrado, a igualdad de salto
http://fundacjaenergia.pl/baza-wiedzy/technologie/energia-wod/turbiny-wodne http://www.omos.cz/_en/turbine-models/
http://www.unet.edu.ve/~fenomeno/F_DE_T-164.htm
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.4.- Turbinas Kaplan
La turbina KAPLAN es, en esencia, una turbina de hélice de álabesorientables
La turbina DERIAZ es, en esencia, una turbina Francis de álabesorientables
La principal ventaja que presentan estas turbinas es la posibilidad deajustar su geometría, según la carga demandada, a las condiciones deóptimo rendimiento. Un rodete puede trabajar como infinitos rodetes
Esto produce un cambio importante en el comportamiento de laturbomáquina a cargas parciales
Dato cronológico: La turbina Kaplan fue presentada en el año 1.925, laturbina Deriaz en 1.956
La regulación de las turbinas hidráulicas se realiza mediante la variacióndel caudal suministrado, a igualdad de salto
Generalidades (I)
«Turbinas Hidráulicas» P. Fernández Díez
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.4.- Turbinas Kaplan
Generalidades (I)
La turbina KAPLAN es, en esencia, una turbina de hélice de álabesorientables
La turbina DERIAZ es, en esencia, una turbina Francis de álabesorientables
La principal ventaja que presentan estas turbinas es la posibilidad deajustar su geometría, según la carga demandada, a las condiciones deóptimo rendimiento. Un rodete puede trabajar como infinitos rodetes
Esto produce un cambio importante en el comportamiento de laturbomáquina a cargas parciales
Dato cronológico: La turbina Kaplan fue presentada en el año 1.925, laturbina Deriaz en 1.956
La regulación de las turbinas hidráulicas se realiza mediante la variacióndel caudal suministrado, a igualdad de salto
http://fundacjaenergia.pl/baza-wiedzy/technologie/energia-wod/turbiny-wodne http://www.omos.cz/_en/turbine-models/
http://www.unet.edu.ve/~fenomeno/F_DE_T-164.htm
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.4.- Turbinas Kaplan
Comportamiento del rendimiento a carga parcial
T. Hélicens = 1050
T. Hélicens = 650
T. Francisns = 250
T. Francisns = 500
T. Kaplanns = 200
T. Peltonns = 20
T. Kaplanns = 500
Rendimientot
Q/Qdiseño10,50
50
100
Generalidades (II)
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.4.- Turbinas Kaplan
Las turbinas Kaplan son turbinas de reacción y de admisión total, cuyofuncionamiento es adecuado a pequeños saltos (hasta 50 m) y caudalesmedios y grandes (15 m3/s). Se conocen también como turbinas de dobleregulación
Las turbinas Deriaz son turbinas de reacción y de admisión total, cuyofuncionamiento es adecuado a pequeños y medianos saltos (hasta 200 m)y caudales medios y grandes
Ambas turbinas se adaptan bien al funcionamiento reversible (comobombas), por lo que son adecuadas para las centrales de bombeo
Descripción (I)
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.4.- Turbinas Kaplan
Comportamiento del rendimiento a carga parcial
T. Hélicens = 1050
T. Hélicens = 650
T. Francisns = 250
T. Francisns = 500
T. Kaplanns = 200
T. Peltonns = 20
T. Kaplanns = 500
Rendimientot
Q/Qdiseño10,50
50
100
Generalidades (II)
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.4.- Turbinas Kaplan
Las turbinas Kaplan son turbinas de reacción y de admisión total, cuyofuncionamiento es adecuado a pequeños saltos (hasta 50 m) y caudalesmedios y grandes (15 m3/s). Se conocen también como turbinas de dobleregulación
Las turbinas Deriaz son turbinas de reacción y de admisión total, cuyofuncionamiento es adecuado a pequeños y medianos saltos (hasta 200 m)y caudales medios y grandes
Ambas turbinas se adaptan bien al funcionamiento reversible (comobombas), por lo que son adecuadas para las centrales de bombeo
Descripción (I)
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.4.- Turbinas Kaplan
Un montaje característico de este tipo de turbinas, conjuntamente con elalternador, constituye los llamados grupos bulbo, propios de las centralesmaremotrices
Descripción (II)
«Turbinas Hidráulicas» P. Fernández Díez
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.4.- Turbinas Kaplan
Un montaje característico de este tipo de turbinas, conjuntamente con elalternador, constituye los llamados grupos bulbo, propios de las centralesmaremotrices
Descripción (II)
http://www.rpenergies.com/hidroenergiacutea.html
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.4.- Turbinas Kaplan
Un montaje característico de este tipo de turbinas, conjuntamente con elalternador, constituye los llamados grupos bulbo, propios de las centralesmaremotrices
Descripción (II)
«Turbinas Hidráulicas» P. Fernández Díez
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.4.- Turbinas Kaplan
Un montaje característico de este tipo de turbinas, conjuntamente con elalternador, constituye los llamados grupos bulbo, propios de las centralesmaremotrices
Descripción (II)
http://www.rpenergies.com/hidroenergiacutea.html
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.4.- Turbinas Kaplan
Respecto a las turbinas Francis, las turbinas Kaplan se diferencian deaquéllas, principalmente, en las características del rodete
Descripción (III)
http://comohacer.eu/como-hacer-una-turbina-hidraulica-simple/
http://www.arquitectura21.com/2010/12/componentes-y-rodamiento-de-una-turbina-kaplan.html
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.4.- Turbinas Kaplan
En las turbinas Kaplan las palas del rodete están situadas a un nivel másbajo que el distribuidor, de modo que la corriente de agua que fluye poréste incide sobre dichas palas en su parte posterior, en dirección paralelaal eje de la turbina
Palas delrodete
Compuertas deldistribuidor
Descripción (IV)
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.4.- Turbinas Kaplan
Respecto a las turbinas Francis, las turbinas Kaplan se diferencian deaquéllas, principalmente, en las características del rodete
Descripción (III)
http://comohacer.eu/como-hacer-una-turbina-hidraulica-simple/
http://www.arquitectura21.com/2010/12/componentes-y-rodamiento-de-una-turbina-kaplan.html
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.4.- Turbinas Kaplan
En las turbinas Kaplan las palas del rodete están situadas a un nivel másbajo que el distribuidor, de modo que la corriente de agua que fluye poréste incide sobre dichas palas en su parte posterior, en dirección paralelaal eje de la turbina
Palas delrodete
Compuertas deldistribuidor
Descripción (IV)
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.4.- Turbinas Kaplan
En las turbinas Kaplan
efnb HHH
E S
Rejilla
Compuerta de admisión
A
Z
Descripción (V)
«Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas» C. Mataix
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.4.- Turbinas Kaplan
El genérico para M. H.:
Triángulo en la entrada y otro Triángulo en la salida
β
C W
UVelocidad periférica del rodete
Velocidad del fluido Velocidad relativa
wuc
C
Cu
Cm
W
Wu
Wm
mu ccc mu www
β
2
W1
β2
C1
W2
U2
C2
U11β1
m2m1 cc
m2m1 cc
Triángulo de Velocidades en una T. Kaplan
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.4.- Turbinas Kaplan
En las turbinas Kaplan
efnb HHH
E S
Rejilla
Compuerta de admisión
A
Z
Descripción (V)
«Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas» C. Mataix
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.4.- Turbinas Kaplan
El genérico para M. H.:
Triángulo en la entrada y otro Triángulo en la salida
β
C W
UVelocidad periférica del rodete
Velocidad del fluido Velocidad relativa
wuc
C
Cu
Cm
W
Wu
Wm
mu ccc mu www
β
2
W1
β2
C1
W2
U2
C2
U11β1
m2m1 cc
m2m1 cc
Triángulo de Velocidades en una T. Kaplan
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.4.- Turbinas Kaplan
El giro de los álabes del rodete permitebuscar el punto óptimo de trabajo
Se busca que el flujo de agua a la salidasea totalmente axial (c2u = 0)
El giro de los álabes del distribuidorpermite modificar 1
gcucu
H u22u11.H.M
g
cuHH u11
Max.H.M.H.M
2eje1
2rodete1m1 dd
4cQ
W1
β2
C1
W2
U2
C2
U11β1
2 = 90º
a)
Regulación, Giro de los Álabes (I)
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.4.- Turbinas Kaplan
Si se ponen los álabes más verticales:
• se abre el paso del caudal
• la velocidad de entrada del agua aumenta
• la velocidad de giro se debe mantenermb1ma1 cc
ba QQ
α1 aumentaβ1 aumentac1 aumentaw1 aumenta
α2 cte = 90ºβ2 aumentac2 aumentaw2 aumenta
b1a1 uu
β2
W2
U2
C2
90º
W1
C1
U1
1 β1
W1
C1
U11β1
β2
W2
U2
C2
2 = 90º
W1
β2
C1
W2
U2
C2
U11β1
2 = 90º
a)
b)
Regulación, Giro de los Álabes (II)
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.4.- Turbinas Kaplan
El giro de los álabes del rodete permitebuscar el punto óptimo de trabajo
Se busca que el flujo de agua a la salidasea totalmente axial (c2u = 0)
El giro de los álabes del distribuidorpermite modificar 1
gcucu
H u22u11.H.M
g
cuHH u11
Max.H.M.H.M
2eje1
2rodete1m1 dd
4cQ
W1
β2
C1
W2
U2
C2
U11β1
2 = 90º
a)
Regulación, Giro de los Álabes (I)
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.4.- Turbinas Kaplan
Si se ponen los álabes más verticales:
• se abre el paso del caudal
• la velocidad de entrada del agua aumenta
• la velocidad de giro se debe mantenermb1ma1 cc
ba QQ
α1 aumentaβ1 aumentac1 aumentaw1 aumenta
α2 cte = 90ºβ2 aumentac2 aumentaw2 aumenta
b1a1 uu
β2
W2
U2
C2
90º
W1
C1
U1
1 β1
W1
C1
U11β1
β2
W2
U2
C2
2 = 90º
W1
β2
C1
W2
U2
C2
U11β1
2 = 90º
a)
b)
Regulación, Giro de los Álabes (II)
BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.3.- Turbinas Hidráulicas
1.3.4.- Turbinas Kaplan
Si se ponen los álabes más horizontales:
• se cierra el paso del caudal
• la velocidad de entrada del agua disminuye
• la velocidad de giro se debe mantenermc1ma1 cc
ca QQ
c1a1 uu
U1
2 = 90º
W1
C1
1
β1
β2
W2
U2
C2
α1 disminuyeβ1 disminuyec1 disminuyew1 disminuye
α2 cte = 90ºβ2 disminuyec2 disminuyew2 disminuye
β2
W2
U2
C2
90º
W1C1
U1
1 β1
W1
β2
C1
W2
U2
C2
U11β1
2 = 90º
a)
c)
Regulación, Giro de los Álabes (III)