1 Máquinas hidraúlicas Gabriel Ibarra [email protected]Curso Escuela Superior de Ingeniería de Bilbao Gabriel Ibarra MH 2009/10

2 MAQUINAS HIDRAULICAS Intercambian energía con un fluido incompresibleEnergía (mcl J/N)= C2/2g + P/γ +z Término cinético= C2/2g Término de presión= P/γ Cota= z Ecuación de la energía en una línea de corriente C12/2g + P1/γ +z1 = C22/2g + P2/γ +z2 + Σ pérdidas 1->2 Entre 1 y 2 se pueden reordenar Ec, presión, cota Gabriel Ibarra MH 2009/10

3 MAQUINAS HIDRAULICAS 1º ClasificaciónExtraen (Turbinas)-Agua /aereogeneradores (Aire) Aportan (Bombas)-Líquido /ventiladores (Gases) Gabriel Ibarra MH 2009/10

4 MAQUINAS HIDRAULICAS 2º ClasificaciónRotodinámicas (Intercambio par-eje) Turbinas-Bombas Desplazamiento positivo (Pístón-émbolo) Sólo bombas Gabriel Ibarra MH 2009/10

5 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) Gabriel Ibarra MH 2009/10

6 MAQUINAS HIDRAULICAS 4º Clasificación. Dirección flujo RadialesTURBINAS (Francis) BOMBAS (Centrífugas) Gabriel Ibarra MH 2009/10

7 TURBINAS (Hélice-Kaplan)MAQUINAS HIDRAULICAS 4º Clasificación. Dirección flujo Axiales TURBINAS (Hélice-Kaplan) BOMBAS (Hélice) Gabriel Ibarra MH 2009/10

8 BOMBAS (Hélicocentrífugas)MAQUINAS HIDRAULICAS 4º Clasificación.Dirección flujo Flujo mixto TURBINAS (Deriaz) BOMBAS (Hélicocentrífugas) Gabriel Ibarra MH 2009/10

9 TURBINAS PELTON Gabriel Ibarra MH 2009/10

10 TURBINAS TURGO Gabriel Ibarra MH 2009/10

11 TURBINAS BANKI-MITCHELL (OSSBERGER-FLUJO CRUZADO)Gabriel Ibarra MH 2009/10

12 TURBINAS FRANCIS Gabriel Ibarra MH 2009/10

13 TURBINAS HELICE-KAPLAN Gabriel Ibarra MH 2009/10

14 TURBINAS KAPLAN DERIAZ Gabriel Ibarra MH 2009/10

15 BOMBAS CENTRIFUGAS HELICOCENTRIFUGAS AXIALES Gabriel Ibarra MH 2009/10

16 TURBINAS Regulación: alternadores síncronos Red eléctrica AguaNgiro x p = 60 x f p =Factor constructivo del alternador. Número de pares de polos f = 50 Hz (Europa). 60 Hz (América) f depende de la Ngiro . Para f=50 Hz, Ngiro = N sincronismo = Constante Cm - Cr = I x dw/dt. Si Ngiro = constante, dw/dt=0, Cm – Cr = 0, Cm = Cr El Cr varía con las oscilaciones de la demanda eléctrica Turbina hidráulica Alternador síncrono Par motor Cm Par resistente Cr Si Cm-Cr debe ser 0 para dw/dt =0, Ngiro=cte, f=cte (50 Hz), el Cm debe seguir la evolución del Cr Para ello, debe existir un elemento del control del par motor Cm Regulación: a cambios en Cr se actúa sobre dicho elemento para variar Cm Regulación mecánica (antes) o electrónica (actualmente).Tacómetro. Gabriel Ibarra MH 2009/10

17 TURBINAS Energía y potencia SISTEMASalto neto: Hn. Energía puesta a disposición de la turbina (J/N)=mca Salto bruto: Hb. Desnivel geométrico aprovechable Energía hidráulica específica neta E es Hn expresado en (J/kg) E=gHn Potencia hidráulica contenida en el agua (Ph) Ph=γQHn =ρQE SISTEMA TURBINA INPUT Potencia hidráulica OUTPUT Potencia mecánica Potencia mecánica (Pm) transmitida al alternador Rendimiento turbina=OUTPUT/INPUT ηturbina= Pm/Ph Hn= Hb- Σpérdidas hasta entrada turbina Hn=Energía agua antes de la turbina-Energía después de la turbina=Energía puesta a disposición de la turbina Gabriel Ibarra MH 2009/10

18 BOMBAS Energía y potencia SISTEMAAltura manométrica: Hm. Energía transmitida al líquido bombeado (J/N)=mcl Energía hidráulica específica E es Hm expresado en (J/kg) E=gHm Potencia hidráulica transmitida al líquido (Ph) Ph=γQHm =ρQE Potencia mecánica (Pm) puesta en el eje por el motor de accionamiento=Potencia en el eje SISTEMA BOMBA OUTPUT Potencia hidráulica INPUT Potencia mecánica Rendimiento bomba=OUTPUT/INPUT ηbomba= Ph/Pm Gabriel Ibarra MH 2009/10

19 CENTRALES HIDROELECTRICASCentral de embalsamiento. Represamiento. Amortigua las oscilaciones del ciclo hidrológico. Central reversible. Funciona turbina/bomba: generador/motor Gabriel Ibarra MH 2009/10

20 CENTRALES HIDROELECTRICAS3. Central agua fluyente. Sin represamiento. Gabriel Ibarra MH 2009/10

21 CENTRALES HIDROELECTRICAS4. Central mareomotriz (I) . Aprovecha los ciclos de marea. Gabriel Ibarra MH 2009/10

22 CENTRALES HIDROELECTRICAS4. Central mareomotriz (II) . Turbina tipo Bulbo. Gabriel Ibarra MH 2009/10

23 TURBINAS Definir Hb (Hn) y Q del emplazamiento. Es necesario un estudio previo de las características hidrológicas. Salto bruto. Cambia con el ciclo hidrológico estacional-anual... Caudal. Cambia con el ciclo hidrológico estacional-anual... Hb Gabriel Ibarra MH 2009/10

24 TURBINAS-Q Estudio del Q del emplazamiento (años). Mediciones en la corriente. Caudal. Cambia con el ciclo hidrológico estacional-anual... Ríos pequeños. Montaña. Cajón tarado. Regla Gabriel Ibarra MH 2009/10

25 TURBINAS-Q S1 S2 Sn Sm Gabriel Ibarra MH 2009/10

26 TURBINAS-Q HIDROGRAMA Gabriel Ibarra MH 2009/10

27 TURBINAS-Q CURVA DE CAUDALES CLASIFICADOS (Log)Gabriel Ibarra MH 2009/10

28 TURBINAS-Q-Hn Fracción para turbinar Concesión administrativaCaudal 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 Gabriel Ibarra MH 2009/10

29 TURBINAS-ω Velocidad de rotación. Caso Pelton (I) Caso PeltonAplicable 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 Gabriel Ibarra MH 2009/10

30 TURBINAS-ω Velocidad 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 Gabriel Ibarra MH 2009/10

31 TURBINAS-BOMBAS Cavitación Puntos críticosLas líneas de corriente en el interior de la máquina pueden llegar a un punto donde el término de presión P/γ 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 Gabriel Ibarra MH 2009/10

32 TURBINAS-BOMBAS Cavitación Gabriel Ibarra MH 2009/10

33 TURBINAS-BOMBAS 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 Gabriel Ibarra MH 2009/10

34 TURBINAS-BOMBAS 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 , otras)… Cada Ns-Nq asociado a un diseño no a una máquina concreta Gabriel Ibarra MH 2009/10

35 TURBINAS Velocidad específica de Cammerer: Ns=NP0.5H-1.25Velocidad 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 HELICE-KAPLAN: Hn bajos Q altos=> Ns/Nq altos Ns/Nq crecientes Gabriel Ibarra MH 2009/10

36 TURBINAS PELTON Gabriel Ibarra MH 2009/10

37 TURBINAS FRANCIS Gabriel Ibarra MH 2009/10

38 TURBINAS KAPLAN Gabriel Ibarra MH 2009/10

39 TURBINAS Ns/Nq crecientes Q crecientes Gabriel Ibarra MH 2009/10

40 TURBINAS-PELTON EJE VERTICAL-EJE HORIZONTAL Gabriel Ibarra MH 2009/10

41 TURBINAS-PELTON EJE HORIZONTAL-SIMPLE/MULTIPLE (Max. j~2)EJE VERTICAL-SIMPLE/MULTIPLE (Max. j~6) Pelton simple equivalente: 1 inyector + rueda: Nsj = Ns.j-0.5 Nqj = Nq.j-0.5 Gabriel Ibarra MH 2009/10

42 TURBINAS-PELTON Cr caida total => Cm»»0INYECTOR (Cierre lento por límite de golpe de ariete) DEFLECTOR (Respuesta rápida) Gabriel Ibarra MH 2009/10

43 TURBINAS-FRANCIS Esquema general AntedistribuidorGabriel Ibarra MH 2009/10

44 TURBINAS-FRANCIS Rodetes FrancisLentas (Figura inferior: Low specific speed: Dent > Dsalida: Boca estrecha: Rev.) Rápidas (Figura superior: High specific speed: Dent < Dsalida: Boca ancha) Gabriel Ibarra MH 2009/10

45 TURBINAS-FRANCIS Rodete Cámara espiral Distribuidor Tubo de aspiraciónMoyú Antedistribuidor Acodado Recto Tubo de aspiración Conduce el agua del rodete al canal de fuga Recupera la Ec que lleva el agua a la salida del rodete + cota de la rueda sobre canal de fuga Gabriel Ibarra MH 2009/10

46 TURBINAS-FRANCIS ORIENTACIÓN-TOMAS DE AGUA Gabriel Ibarra MH 2009/10

47 Efecto sustentación (ala portante). Kutta-JukowskyTURBINAS-FRANCIS Efecto sustentación (ala portante). Kutta-Jukowsky Perfil aerodinámico. Familia NACA x1x2x3x4(x5). Reconstruye el perfil. η=F(Angulo incidencia). Rodete F + - Gabriel Ibarra MH 2009/10

48 TURBINAS-FRANCIS Efecto sobre el caudal, par y rendimiento: Grado de cierre asociado a rendimiento + Gabriel Ibarra MH 2009/10

49 TURBINAS-FRANCIS TUBO 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 Gabriel Ibarra MH 2009/10

50 TURBINAS-HELICE-KAPLANCAMARA ESPIRAL, DISTRIBUIDOR, TUBO DE ASPIRACION: IGUAL QUE FRANCIS: HELICE-ALETAS FIJAS. KAPLAN-ORIENTABLES. EFECTO ALA. PERFILES AERODINAMICOS. NACA. Gabriel Ibarra MH 2009/10

51 TURBINAS-HELICE-KAPLANKAPLAN. DOBLE REGULACION.(DISTRIBUIDOR+RODETE) DISTINTAS COMBINACIONES EFECTO ALA (Q,REND.)->ZONA AMPLIA DE RENDIMIENTOS ALTOS Gabriel Ibarra MH 2009/10

52 TURBINAS-HELICE-KAPLANRODETE POR DEBAJO DEL NIVEL DE DISTRIBUIDOR Y CAMARA ESPIRAL Gabriel Ibarra MH 2009/10

53 TURBINAS-HELICE-KAPLANCAMARA ESPIRAL EN Hn BAJOS SE CONVIERTE EN CAMARA DE HORMIGON. Gabriel Ibarra MH 2009/10

54 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. Gabriel Ibarra MH 2009/10

58 TURBINAS-HELICE-KAPLANTURBINA BULBO. SIN CAMARA ESPIRAL. CENTRALES MAREOMOTRICES. Gabriel Ibarra MH 2009/10

59 BOMBAS Velocidad específica de Cammerer: Ns=NP0.5H-1.25Velocidad 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 Gabriel Ibarra MH 2009/10

60 BOMBAS CENTRIFUGAS HELICOCENTRIFUGAS AXIALES Ns/Nq crecientesGabriel Ibarra MH 2009/10

61 BOMBAS-Rodetes CENTRIFUGAS HELICOCENTRÍFUGAS AXIALES abiertosemicerrado cerrado AXIALES cerrado abierto Gabriel Ibarra MH 2009/10

62 BOMBAS-CENTRIFUGAS RODETE: Accionado por un motor Dos elementos realizan la conversión (excepto pérdidas) Anillo difusor Voluta Se transforma en presión A la salida del rodete el líquido ha aumentado su Ec Gabriel Ibarra MH 2009/10

63 BOMBAS-CENTRIFUGAS ANILLO DIFUSOR EN TORNO AL RODETEPASOS CRECIENTES Ec cae y Presión sube Gabriel Ibarra MH 2009/10

64 BOMBAS-CENTRIFUGAS VOLUTA-CAMARA ESPIRAL-CARACOL EN TORNO AL RODETESECCIONES CRECIENTES Ec cae y Presión sube Gabriel Ibarra MH 2009/10

65 BOMBAS-CENTRIFUGAS SIMPLES DOBLE SUCCION MULTIPLESCaudal doble: Nq simple = Nq (2) -0.5 Gabriel Ibarra MH 2009/10