Gabriel Ibarra MH 2009/10 1
Máquinas hidraúlicas
Gabriel Ibarra [email protected]
Curso 2009-2010. Escuela Superior de Ingeniería de Bilbao
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MAQUINAS HIDRAULICASIntercambian energía con un fluido incompresible
Energía (mcl J/N)= C2/2g + P/γ +zTérmino cinético= C2/2g
Término de presión= P/γ
Cota= z
Ecuación de la energía en una línea de corriente
C12/2g + P1/γ +z1 = C2
2/2g + P2/γ +z2 + Σ pérdidas 1->2
Entre 1 y 2 se pueden reordenar Ec, presión, cota
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MAQUINAS HIDRAULICAS
1º Clasificación
Extraen (Turbinas)-Agua /aereogeneradores (Aire)
Aportan (Bombas)-Líquido /ventiladores (Gases)
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MAQUINAS HIDRAULICAS
2º Clasificación Rotodinámicas (Intercambio par-eje) Turbinas-Bombas Desplazamiento positivo (Pístón-émbolo) Sólo bombas
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MAQUINAS HIDRAULICAS 3º Clasificación. Intercambio. Acción (Sólo término cinético) Sólo turbinas (Pelton, Turgo, Banki-Mitchell)
Reacción (Término cinético + Presión) Turbinas (Francis-Helice-Kaplan) y Bombas (rotodinámicas)
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MAQUINAS HIDRAULICAS 4º Clasificación. Dirección flujo Radiales
TURBINAS (Francis) BOMBAS (Centrífugas)
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MAQUINAS HIDRAULICAS 4º Clasificación. Dirección flujo Axiales
TURBINAS (Hélice-Kaplan) BOMBAS (Hélice)
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MAQUINAS HIDRAULICAS 4º Clasificación.Dirección flujo Flujo mixto
TURBINAS (Deriaz) BOMBAS (Hélicocentrífugas)
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TURBINASPELTON
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TURBINASTURGO
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TURBINASBANKI-MITCHELL (OSSBERGER-FLUJO CRUZADO)
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TURBINASFRANCIS
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TURBINASHELICE-KAPLAN
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TURBINASKAPLAN DERIAZ
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CENTRIFUGAS HELICOCENTRIFUGAS AXIALES
BOMBAS
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TURBINASTurbina
hidráulica
Regulación:
alternadores síncronos
1. Ngiro x p = 60 x f
2. p =Factor constructivo del alternador. Número de pares de polos
3. f = 50 Hz (Europa). 60 Hz (América)
4. f depende de la Ngiro . Para f=50 Hz, Ngiro = N sincronismo = Constante
5. Cm - Cr = I x dw/dt. Si Ngiro = constante, dw/dt=0, Cm – Cr = 0, Cm = Cr
6. El Cr varía con las oscilaciones de la demanda eléctrica
7. Si Cm-Cr debe ser 0 para dw/dt =0, Ngiro=cte, f=cte (50 Hz), el Cm debe seguir la evolución del Cr
8. Para ello, debe existir un elemento del control del par motor Cm
9. Regulación: a cambios en Cr se actúa sobre dicho elemento para variar Cm
10.Regulación mecánica (antes) o electrónica (actualmente).Tacómetro.
Alternador
síncrono
Par motor Cm
Par resistente Cr
Red eléctricaAgua
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TURBINASSISTEMA
TURBINA
INPUTPotencia hidráulica
OUTPUTPotencia mecánica
Energía y potencia
1. Salto neto: Hn. Energía puesta a disposición de la turbina (J/N)=mca
2. Salto bruto: Hb. Desnivel geométrico aprovechable
3. Energía hidráulica específica neta E es Hn expresado en (J/kg)
4. E=gHn
5. Potencia hidráulica contenida en el agua (Ph)
6. Ph=γQHn =ρQE
7. Potencia mecánica (Pm) transmitida al alternador
8. Rendimiento turbina=OUTPUT/INPUT
9. ηturbina= Pm/Ph
10.Hn= Hb- Σpérdidas hasta entrada turbina
11.Hn=Energía agua antes de la turbina-Energía después de la turbina=Energía puesta a disposición de la turbina
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BOMBASSISTEMA
BOMBA
OUTPUTPotencia hidráulica
INPUTPotencia mecánica
Energía y potencia
1. Altura manométrica: Hm. Energía transmitida al líquido bombeado (J/N)=mcl
2. Energía hidráulica específica E es Hm expresado en (J/kg)
3. E=gHm
4. Potencia hidráulica transmitida al líquido (Ph)
5. Ph=γQHm =ρQE
6. Potencia mecánica (Pm) puesta en el eje por el motor de accionamiento=Potencia en el eje
7. Rendimiento bomba=OUTPUT/INPUT
8. ηbomba= Ph/Pm
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CENTRALES HIDROELECTRICAS1. Central de embalsamiento. Represamiento. Amortigua las oscilaciones
del ciclo hidrológico.
2. Central reversible. Funciona turbina/bomba: generador/motor
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CENTRALES HIDROELECTRICAS3. Central agua fluyente. Sin represamiento.
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CENTRALES HIDROELECTRICAS4. Central mareomotriz (I) . Aprovecha los ciclos de marea.
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CENTRALES HIDROELECTRICAS4. Central mareomotriz (II) . Turbina tipo Bulbo.
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TURBINASDefinir Hb (Hn) y Q del emplazamiento. Es necesario un
estudio previo de las características hidrológicas.
1. Salto bruto. Cambia con el ciclo hidrológico estacional-anual...
2. Caudal. Cambia con el ciclo hidrológico estacional-anual...
Hb
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TURBINAS-QEstudio del Q del emplazamiento (años). Mediciones en la
corriente.
Caudal. Cambia con el ciclo hidrológico estacional-anual...
Ríos pequeños. Montaña. Cajón tarado.
Regla
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TURBINAS-Q
S1 S2 Sn
Sm
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TURBINAS-QHIDROGRAMA
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TURBINAS-QCURVA DE CAUDALES CLASIFICADOS (Log)
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TURBINAS-Q-HnFracción para turbinar
Concesión administrativa
Caudal ecológico
Otros usos
Con la información se define caudal de equipamiento
Se define Hn de diseño y Q de diseño (criterios)
Puede haber uno o mas grupos para segmentar la variación de caudales anuales
Se elige la turbina. Puede o no coincidir con ηóptimo
La máquina debe funcionar en la zona de buen rendimiento
La máquina varía a lo largo del año el punto Hn-Q
Diseño: Baricentro: Maximizar producción eléctrica
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TURBINAS-ωVelocidad de rotación. Caso Pelton (I)
Caso Pelton
Aplicable a otras máquinas (turbinas y bombas)
F depende de Q y velocidad del chorro (1º T. Euler TM)
El par motor obtenido Cm = F x r
Pm = Cm x ω: Pm = F x r x ω
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TURBINAS-ωVelocidad de rotación. Caso Pelton (II)
Para el mismo chorro (misma F, mismos Q-vel) la misma Pm se puede obtener para distintas combinaciones r- ω.
Límites:
Límite económico. Si r máquina grande. Más cara.
Límite funcional. Si ω cavitación. La máquina se destruye.
Compromiso entre ambos límites
Mismos límites para otras turbinas y bombas
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TURBINAS-BOMBASCavitación
Las líneas de corriente en el interior de la máquina pueden llegar a un punto donde el término de presión P/γ <Pv/ γ (presión de vapor)
Sólo depende del líquido y temperatura
Entra en ebullición
Aparecen burbujas
El líquido avanza hacia zonas de altas presiones locales
Burbujas implosionan
Onda de presión=> ataca la matriz metálica (aspecto esponjoso)
Evitar cavitación ≡ Evitar zonas de bajas presiones
Puntos críticos
Turbinas: salida rodete
Bombas: entrada rodete
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TURBINAS-BOMBASCavitación
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Velocidad(es) específica(s)
Deriva de la teoría de semejanza
Identifica a la familia de máquinas (mismo diseño-distintas escalas)
Se define en el punto de rendimiento óptimo
N(rpm) Q(m3/s) H=Hm(B)
H=Hn(T)
Potencia
(Kw)
Ph o Pm
Ns=NP0.5H-1.25 Nq=NQ0.5H-0.75
Maq.1 N1 Q1 Hm1/Hn1 P1 Ns1 Nq1
…….. ……. …….. …….. …….. …….. ……..
Maq.n Nn Qn Hmn/Hnn Pn Nsn Nqn
TURBINAS-BOMBAS
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Velocidad(es) específica(s)
Ns1=Ns2=…..=Nsn=Ns
Nq1=Nq2=…..=Nqn=Nq
Velocidad específica de Cammerer: Ns=NP0.5H-1.25
Velocidad específica de Brauer: Nq=NQ0.5H-0.75
Ns:Tradicionalmente empleado en turbinas
Nq:Tradicionalmente empleado en bombas
Existen otras velocidades específicas nqe,ν (científica PP.36-37-38, otras)…
Cada Ns-Nq asociado a un diseño no a una máquina concreta
TURBINAS-BOMBAS
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Velocidad específica de Cammerer: Ns=NP0.5H-1.25
Velocidad específica de Brauer: Nq=NQ0.5H-0.75
Se puede segmentar por rangos
TURBINAS (en terminos relativos para la misma potencia)
PELTON: Hn altos Q bajos=> Ns/Nq bajos
FRANCIS: Hn ~ Q ~ => Ns/Nq ~
FRANCIS LENTAS Boca estrecha Dent >Dsal
FRANCIS NORMALES Boca ~ Dent ~ Dsal
FRANCIS RAPIDAS Boca ancha Dent <Dsal
HELICE-KAPLAN: Hn bajos Q altos=> Ns/Nq altos
Ns/Nq crecientes
TURBINAS
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TURBINASPELTON
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TURBINASFRANCIS
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TURBINASKAPLAN
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TURBINAS
Q crecientes
Ns/Nq crecientes
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TURBINAS-PELTONEJE VERTICAL-EJE HORIZONTAL
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TURBINAS-PELTON
Pelton simple equivalente: 1 inyector + rueda: Nsj = Ns.j-0.5 Nqj = Nq.j-0.5
EJE VERTICAL-SIMPLE/MULTIPLE (Max. j~6)
EJE HORIZONTAL-SIMPLE/MULTIPLE (Max. j~2)
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TURBINAS-PELTONCr caida total => Cm»»0
INYECTOR (Cierre lento por límite de golpe de ariete)
DEFLECTOR (Respuesta rápida)
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TURBINAS-FRANCISEsquema general
Antedistribuidor
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TURBINAS-FRANCISRodetes Francis Lentas (Figura inferior: Low specific speed: Dent > Dsalida: Boca estrecha: Rev.)
Rápidas (Figura superior: High specific speed: Dent < Dsalida: Boca ancha)
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TURBINAS-FRANCISCámara espiral Distribuidor Rodete
Tubo de aspiración
1. Conduce el agua del rodete al canal de fuga
2. Recupera la Ec que lleva el agua a la salida del rodete + cota de la rueda sobre canal de fuga
Acodado Recto
Antedistribuidor
Moyú
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TURBINAS-FRANCISORIENTACIÓN-TOMAS DE AGUA
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TURBINAS-FRANCIS
Rodete
+
+
-
-
Efecto sustentación (ala portante). Kutta-Jukowsky
Perfil aerodinámico. Familia NACA x1x2x3x4(x5).
Reconstruye el perfil. η=F(Angulo incidencia).
F
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TURBINAS-FRANCIS
+
+
Efecto sobre el caudal, par y rendimiento: Grado de cierre asociado a rendimiento
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TURBINAS-FRANCISTUBO ASPIRACION. SECCION CRECIENTE.
Recupera Ec en 2 + cota sobre canal de fuga (setting). C3 debe ser <1 m/s
2 2
2
3 3
3
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TURBINAS-HELICE-KAPLANCAMARA ESPIRAL, DISTRIBUIDOR, TUBO DE ASPIRACION:
IGUAL QUE FRANCIS: HELICE-ALETAS FIJAS. KAPLAN-ORIENTABLES.
EFECTO ALA. PERFILES AERODINAMICOS. NACA.
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TURBINAS-HELICE-KAPLANKAPLAN. DOBLE REGULACION.(DISTRIBUIDOR+RODETE)
DISTINTAS COMBINACIONES EFECTO ALA (Q,REND.)->ZONA AMPLIA DE RENDIMIENTOS ALTOS
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TURBINAS-HELICE-KAPLANRODETE POR DEBAJO DEL NIVEL DE DISTRIBUIDOR Y CAMARA ESPIRAL
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TURBINAS-HELICE-KAPLANCAMARA ESPIRAL EN Hn BAJOS SE CONVIERTE EN CAMARA DE HORMIGON.
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TURBINAS-HELICE-KAPLANCAMARA ESPIRAL EN Hn BAJOS SE CONVIERTE EN CAMARA DE HORMIGON.
Gabriel Ibarra MH 2009/10 55
TURBINAS-HELICE-KAPLANCANAL ABIERTO. SIN CAMARA ESPIRAL. CON Hn MUY BAJOS.
Gabriel Ibarra MH 2009/10 56
TURBINAS-HELICE-KAPLANSEMIKAPLAN. DISTRIBUIDOR ALABES FIJOS. REGULACION SOLO BASADA EN LAS ALETAS DEL RODETE.
Gabriel Ibarra MH 2009/10 57
TURBINAS-HELICE-KAPLANTURBINA BULBO. SIN CAMARA ESPIRAL. CENTRALES MAREOMOTRICES.
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TURBINAS-HELICE-KAPLANTURBINA BULBO. SIN CAMARA ESPIRAL. CENTRALES MAREOMOTRICES.
Gabriel Ibarra MH 2009/10 59
Velocidad específica de Cammerer: Ns=NP0.5H-1.25
Velocidad específica de Brauer: Nq=NQ0.5H-0.75
Se puede segmentar por rangos
BOMBAS (en términos relativos para la misma potencia)
CENTRIFUGAS: Hm altas Q bajos=> Ns/Nq bajos
HELICOCENTRIFUGAS: Hm ~ Q ~ => Ns/Nq ~
HELICE: Hm bajos Q altos=>Ns/Nq altos
Ns/Nq crecientes
BOMBAS
Gabriel Ibarra MH 2009/10 60
CENTRIFUGAS HELICOCENTRIFUGAS AXIALES
Ns/Nq crecientes
BOMBAS
Gabriel Ibarra MH 2009/10 61 abierto
BOMBAS-Rodetes
cerrado
cerrado
semicerrado
abierto
AXIALES
HELICOCENTRÍFUGASCENTRIFUGAS
Gabriel Ibarra MH 2009/10 62
RODETE: Accionado por un motor
BOMBAS-CENTRIFUGAS
A la salida del rodete el líquido ha aumentado su Ec
Se transforma en presión
Dos elementos realizan la conversión (excepto pérdidas)
1. Anillo difusor
2. Voluta
Gabriel Ibarra MH 2009/10 63
ANILLO DIFUSOR
EN TORNO AL RODETE
PASOS CRECIENTES Ec cae y Presión sube
BOMBAS-CENTRIFUGAS
Gabriel Ibarra MH 2009/10 64
VOLUTA-CAMARA ESPIRAL-CARACOL
EN TORNO AL RODETE
SECCIONES CRECIENTES Ec cae y Presión sube
BOMBAS-CENTRIFUGAS
Gabriel Ibarra MH 2009/10 65
SIMPLES
BOMBAS-CENTRIFUGAS
MULTIPLESDOBLE SUCCION
Caudal doble: Nq simple = Nq (2) -0.5
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