José Agüera Soriano 2011 1
Turbinas hidráulicas
José Agüera Soriano 2011 2
1. Centrales de agua fluyente
2. Centrales de agua embalsada a) de regulación b) de bombeo
3. Centrales según la altura del salto a) de alta presión (H > 200 m) b) de media presión (H entre 20 y 200 m) c) de baja presión (H < 20 m)
1. Centrales de agua fluyente
2. Centrales de agua embalsada a) de regulación b) de bombeo
3. Centrales según la altura del salto a) de alta presión (H > 200 m) b) de media presión (H entre 20 y 200 m) c) de baja presión (H < 20 m)
CLASIFICACIÓN
José Agüera Soriano 2011 3
nivel superior
nivel inferiorturbina
José Agüera Soriano 2011 4
central
José Agüera Soriano 2011 5
aliviaderos
José Agüera Soriano 2011 6
José Agüera Soriano 2011 7
canal de acceso
tubería forzada
aliviadero
central
José Agüera Soriano 2011 8
depósito superior
embalse inferior
chimenea de equilibrio
Central de Bombeo
turbina/bomba
José Agüera Soriano 2011 9
Tajo de la Encantada
embalse inferior
José Agüera Soriano 2011 10
Tajo de la Encantada
depósito superior
José Agüera Soriano 2011 11
tubería forzada
chimenea de equilibrio
conducción casi horizontal
central
depósitosuperior
embalse
Tajo de la Encantada
José Agüera Soriano 2011 12
Duero
100
200
300
400
600
700
800
500
1200
1100
1000
900
100
200
300
400
600
500
700
800
900
1000
1100
1200
CompuertoVillalba
Acera de la Vega
CernadillaValparaiso
VillalcampoRicobayo
Castro
VillagonzaloSanta Teresa
Ledesma
Villarino
BermellarSan Felices
Saucelle
Aldeadavila
Hinojosa
San Roman
Río Carrión
Río Pisuerga
Rio Tera
Río Hueba
Río DueroRío Tormes
Río
Agu
eda
Río
Cam
aces
met
ros s
obre
el n
ivel
del
mar
cuenca del río Duerom
etro
s so
bre
el n
ivel
del
mar
Tormes
salto Villarinosalto Saucelle
Duero
José Agüera Soriano 2011 13
TURBINAS HIDRÁULICAS
Conceptos previos
Turbinas Pelton
Turbinas Francis
Turbinas Kaplan
Turbinas bulbo
José Agüera Soriano 2011 14
línea piezométrica (LP)
línea de energía (LE)
L
V
1
SLL
g
2
V 2 2/ H= 2
H Hr
Flujo en tuberías con salida libre
SLLpérdida de carga
línea piezométrica (LP)11 22
José Agüera Soriano 2011 15
línea piezométrica sin tobera ( )
Vpγ
Qmáx
B
SV
H
S
==HB SVg22
1
línea piezométrica con tobera
plano de carga inicialSLL
A
A'
L
rHB'
LEV 2LP
V
2g
BS
γBp
LP
γi
VS
2g
=2gp
SV 2H
iV 2
LE
línea piezométrica sin tobera ( )
Vpγ
Qmáx
B
SV
H
S
==HB SVg22
1
línea piezométrica con tobera
plano de carga inicialSLL
A
A'
L
rHB'
V
BS
γBp
LP
γi
VS
2g
=2gp
SV 2H
i
Salida por tobera
línea piezométrica (LP)
pérdida de carga
José Agüera Soriano 2011 16
Conducción de hidroeléctrica Villarino
m 30 m; 0,8m 60 m; ,07m 40 m; 5,7
m 402m15000
======
==
r
r
r
HDHDHD
HL
José Agüera Soriano 2011 17
Turbina de reacciónPotencia de un flujo
(W)J/s HQgP ⋅⋅⋅= ρ
(J/kg) sm sm :Gravedad
m :Altura
kg/s mkg :Densidadsm :Caudal
222
3
3
HggH
⋅
⋅
ρρ
José Agüera Soriano 2011 18
A
E 1
LP
chimenea de equilibrio
HnH=
AEHr
SLL
Turbina de acción
SLL
tobera fija
rodete
José Agüera Soriano 2011 19
Turbina de reacción
FIJA
RODETE
CORONA
2
11
2
CORONA
RODETE
FIJA
tobera fija
tobera móvil
José Agüera Soriano 2011 20
cámara espiral
José Agüera Soriano 2011 21
' u11
2
c2
22w u2
w1
1u
1c11
perfil álabecorona fijarodete
perfil álabe
Triángulos de velocidades
c velocidad absolutau velocidad tangencialw velocidad relativaα ángulo c uβ ángulo w u
perfil álabecorona fija
perfil álaberodete
José Agüera Soriano 2011 22
' u11
2
c2
22w u2
w1
1u
1c11
perfil álabecorona fijarodete
perfil álabe
Ecuación de Euler
222111 coscos αα ⋅⋅−⋅⋅=⋅ cucuHg t
perfil álaberodete
perfil álabecorona fija
José Agüera Soriano 2011 23
Semejanza deturbomáquinas
José Agüera Soriano 2011 24
m :diseño de altura
CV :diseño de efectiva potenciarpm :esrevolucion
∗
∗
H
Pn
e
4/5
2/1
∗
∗⋅=HPnn e
s
( ) 4/52/1
2/1
o ∗
∗
⋅⋅
⋅=
HgPn e
sρ
ω
Velocidad específica
(dimensional)
(adimensional)
José Agüera Soriano 2011 25
turbina Francisextrarrápida
turbina Francisrápida
normalturbina Francis
4 inyector2 inyector1 inyector
turbina Kaplan extrarrápida
turbina Kaplan rápida
turbina Kaplan normal
turbina Kaplan lenta
turbina Francis lenta
turbina Pelton
snvelocidad específica
altu
ra d
el sa
lto,H
m
500
100015002000
50
100
20
10
5700600500400300200100
Elección turbina en función de la velocidad específica
4/5
2/1
∗
∗⋅=HPnn e
s
altu
ra d
e sa
lto H
m
velocidad específica
turbina Pelton
turbina Francis
turbina Kaplan
800
José Agüera Soriano 2011 26
chimenea de equilibrio
válvula
golpe dearieteLP antes del cierre
LP después del cierre
Golpe de ariete
José Agüera Soriano 2011 27
A
E 1
LP
chimenea de equilibrio
HnH=
AEHr
SLLSLL
inyector
rodete
Turbina Pelton
José Agüera Soriano 2011 28
Lester Allan Pelton(1829-1908)
MW 200 hasta inyector) 1( 20)óptimo(
7510m1800100
e
s
s
PnnH
≈÷=÷=
José Agüera Soriano 2011 29
tamaño y número de cucharas
José Agüera Soriano 2011 30
rodete Pelton
José Agüera Soriano 2011 31
Figura 1 inyector
Pelton con 1 inyector
inyector
deflector
José Agüera Soriano 2011 32
inyector Pelton
aguja de regulación
deflector
José Agüera Soriano 2011 33
1,1
d L L
fe d
B
T2= 4 20º
··_15º= 7/2
_··
Fa
uF
F
Cucharas Pelton d = diámetro de chorro
L = 2,1 d
T = 0,85 d
B = 2,5 d t = 2 d
distancia entre cucharas
mella
José Agüera Soriano 2011 34
c22w
2 2
u 1 1w= u
c 1
u
u=2u 2
Triángulos de velocidades
nn HgcHgccucu
⋅⋅⋅≈⋅⋅=
⋅≈⋅= ∗∗
298,0)real( ;2)teórico(46,0)real( ;50,0)teórico(
11
1111
José Agüera Soriano 2011 35
c2
c1
José Agüera Soriano 2011 36
Diámetro del rodete (D)
José Agüera Soriano 2011 37
Cálculo Pelton
nn HgcHgccucu
⋅⋅⋅≈⋅⋅=
⋅≈⋅= ∗∗
298,0)real( ;2)teórico(46,0)real( ;50,0)teórico(
11
1111
F
Fu
aF
··_
d·∼∼T 0,852,5B∼∼ ·dd·
/2= 7 15º_··∼∼L 2,1
20º= 42T
Bde
f
LLd
1,1
dt ⋅≈ 2
60
;4 1
2
nuD
cdQ
⋅∗⋅
=
⋅⋅
=
π
π
José Agüera Soriano 2011 38
actuación del
deflector
José Agüera Soriano 2011 39
Pelton con 2 inyectores
José Agüera Soriano 2011 40
Pelton 4 inyectores y válvulas individuales
José Agüera Soriano 2011 41
José Agüera Soriano 2011 42
José Agüera Soriano 2011 43
José Agüera Soriano 2011 44
Turbinas Pelton (admisión parcial)
siguiente clase
Turbinas Francis (admisión total)
José Agüera Soriano 2011 45
Turbinas Francis
James B. Francis(1815-1892)
MW 375 hasta 225)óptimo(
45050m55030
e
s
s
PnnH
≈÷=÷=
José Agüera Soriano 2011 46
Primer rodete Francis
/
r
r
12
D1 2=1
2 = 2/2D
rodete
distribuidordistribuidor
rodete
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.
José Agüera Soriano 2011 47
fijacorona
rodete
álaberodete
fijoálabe
·
·1
2
wc
w
c
SEC
CIÓ
N T
RA
NSV
ERSA
LSE
CC
IÓN
MER
IDIO
NA
LSE
CC
IÓN
MER
IDIO
NA
LSE
CC
IÓN
TR
AN
SVER
SAL c
w
c w
21
·
·
álabefijo
rodeteálabe
rodete
coronafija
TurbinaFrancis
José Agüera Soriano 2011 48
Rodetes Francis
0,152
2,290
1,0
55=sn
0,408
1,100
1,0165=sn
1,0
1,440
0,288
110=sn 1,0
0,910
0,512
220=sn
222111 coscos αα ⋅⋅−⋅⋅=⋅ cucuHg t
José Agüera Soriano 2011 49
Rodetes Francis
1,0
0,624
0,728
395=sn
1,0
0,782
0,600
275=sn
0,672
0,695
1,0330=sn
0,768
0,574
1,0440=sn
J.Agüera, 2/2010 50
José Agüera Soriano 2011 51
velocidad específica: 120
álabe guía
álabe estructuralálabe rodete cámara espiral
José Agüera Soriano 2011 52
Turbina-bomba reversible.Tajo de la Encantada (Málaga)Potencia máxima: 90 MWRevoluciones: 500 rpmAltura máxima: 398,5 mCaudal máximo (turbina): 27,2 m3/sCaudal máximo (bomba): 24,5 m3/s
Velocidad específica: 100
Cuatro gruposPotencia total: 360 MW
José Agüera Soriano 2011 53
rodete Francis
modelo
José Agüera Soriano 2011 54
cerraranilloabrir
bielasbieletas
entrada del agua
palas directrices
Sistema de regulación turbinas de reacción
álabes guía
anillo regulador
José Agüera Soriano 2011 55
cerrado
José Agüera Soriano 2011 56
abierto
José Agüera Soriano 2011 57
bielas y anillo de distribución movido por dos brazos
José Agüera Soriano 2011 58
álabes guíarodete
cámara espiral
José Agüera Soriano 2011 59
bielas y anillo de distribución movido por dos brazos
José Agüera Soriano 2011 60
H adV
VS
S
desagüecanal detubo de aspiración,
o de descarga
SLL
rodete
Tubo de aspiración, o de descarga
Francis hasta un 10% de HKaplan entre 20% y 38%rodete
José Agüera Soriano 2011 61
Vd
Cavitación
burbuja de vapor
cavidad vacía
implosión
José Agüera Soriano 2011 62
corrosión por cavitación
José Agüera Soriano 2011 63
tubos de descarga
José Agüera Soriano 2011 64
tubos de descarga
José Agüera Soriano 2011 65
Turbinas Kaplan
Viktor Kaplan(1876-1934)
potencias grandes bajo )óptimo(
900400m904
e
ss
s
Pnn
nH
≈÷=
÷=
José Agüera Soriano 2011 66
cámara espiral
álabes guía
álabes estructurales
álabes rodete
José Agüera Soriano 2011 67
Turbina Kaplan
álabes rodete
álabes guía
c2
J.Agüera, 2/2010 68
José Agüera Soriano 2011 69
hélic
e
Kaplan
Pelton
Fran
cis
velocidad de giro constante
rend
imie
ntos
,
1,0
0,8
0,9
0,7
0,6
0,5
0,4100 11060 70 908040 5030
% potencia nominal20
rend
imie
ntos
% potencia nominal
héliceKaplan
José Agüera Soriano 2011 70
álabes estructurales
cubo rodete
álabes guía
álabes rodete
José Agüera Soriano 2011 71
Turbina Kaplan
tubo de aspiración, o de descarga
H = 3,8 m
José Agüera Soriano 2011 72
Francis: de acero
Kaplan: de hormigón armado
álabes estructurales
cámara espiral
José Agüera Soriano 2011 73
José Agüera Soriano 2011 74
José Agüera Soriano 2011 75
turbina Francisextrarrápida
turbina Francisrápida
normalturbina Francis
4 inyector2 inyector1 inyector
turbina Kaplan extrarrápida
turbina Kaplan rápida
turbina Kaplan normal
turbina Kaplan lenta
turbina Francis lenta
turbina Pelton
snvelocidad específica
altu
ra d
el sa
lto,H
m
500
100015002000
50
100
20
10
5700600500400300200100
elección de la turbina en funciónde la velocidad específica, ns 4/5
2/1
∗
∗⋅=HPnn e
sal
tura
de
salto
H m
velocidad específica800
Para las mareomotrices se necesitaban turbinas con mayores ns..Con las bulbo, se puede llegar hasta ns 1150.
José Agüera Soriano 2011 76
Mareomotriz de La Rance (Francia)
José Agüera Soriano 2011 77
maqueta central mareomotriz de La Rance
José Agüera Soriano 2011 78
Turbina bulbo
álabes estructurales
álabes guía
álabes rodete
José Agüera Soriano 2011 79
MW 251 1150600m151
÷=÷=
÷=
e
s
PnH
La Rance (Francia)
24 turbinas 240 MW; reversibles y doble efecto
José Agüera Soriano 2011 80
1 3 4 2
Q (%)
4321
bulboKaplanFrancisPelton
(%)
rend
imie
nto
caudal
90
100
7060 90 1008030 50400 10 20
Rendimientos en función del caudal
Potencias normales, ode diseño, respectode las nominales
Pelton: 67% al 75%Francis: 85% al 90%hélice: 90%Kaplan: 67% al 75%bulbo: 67% al 75%
caudal Q (%)
re
% caudal Q
rend
imie
ntos
bulbo
Kaplan
Pelton
Francis
José Agüera Soriano 2011 81
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