Facultad De Ingenieria Electrica.docx

FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA, ELECTRONICA, MECANICA E INFORMATICA

TEMA: MAQUINARIA HIDRAULICA. ALUMNOS: APAZA HUARHUA LUIS FERNANDO DOCENTE:

VICTOR TAPIA RIVAS ASIGNATURA: CENTRALES ELECTRICAS 1 CUSCO – PERU SEMESTRES 2018-2V

9.0 MAQUINA HIDRAULICA: 9.1 TURBINAS DE ACCION Y REACCION: TURBINAS DE REACCION:  TURBINAS FRANCIS La turbina Francis fue desarrollada por James B. Francis. Se trata de una turbina de reacción de flujo interno que combina conceptos tanto de flujo radial como de flujo axial. Las turbinas Francis son turbinas hidráulicas que se pueden aplicar en un amplio rango de saltos y caudales, siendo capaces de operar en rangos de desnivel que van de los 10 m hasta varios cientos de metros. La versatilidad inherente a esta turbina, así como su alto rendimiento, hace que esta tipología de turbina de reacción sea el más utilizado a nivel mundial. En las figuras siguientes se aprecia cómo se regulan los álabes externos o del distribuidor desde su cierre (menos caudal a más presión o viceversa, es decir, más caudal con menos presión. La turbina Francis es una turbina de reacción, por tanto, el fluido cambia de presión a medida que se desplaza a través de la turbina, cediendo su energía. En este tipo de turbina es necesario instalar una carcasa que contenga el líquido.

En la imagen siguiente se muestra el caracol y la carcasa de una turbina Francis. La sección del caracol va descendiendo hasta la entrada al distribuidor, de esta forma se consigue un aumento de presión. Esta reducción se ha de realizar teniendo en cuenta las pérdidas de carga secundarias asociadas, así como los efectos secundarios asociados como el golpe de ariete.

Una vez que el agua atraviesa el distribuidor es conducida hacia el rodete, el órgano de intercambio de energía. Las grandes turbinas Francis se diseñan de forma individual en función de las características de cada emplazamiento, a efectos de lograr la máxima eficiencia posible, habitualmente más del 90%. Son muy costosas de diseñar, fabricar e instalar, pero su vida útil es de décadas. Como hemos comentado, el rendimiento de las turbinas Francis es superior al 90% en condiciones óptimas de funcionamiento. Permite variaciones de caudales entre el 40 y el 105% del caudal de diseño, y en salto entre 60 y el 25% del nominal.

LOS ELEMENTOS QUE COMPONEN ESTE TIPO DE TURBINAS SON LOS SIGUIENTES: 1. Distribuidor. Conjunto de alabes fijos y móviles que direccionan el agua hacia el rodete. 2. Rodete. Corona de álabes fijos que redireccionan el agua desde radial a axial. 3. Cámara de entrada. Se puede instalar abierta o cerrada, se diseñan en espiral para dar una componente radial al agua. 4. Tuvo de aspiración o de salida de agua. Su función es mantener la diferencia de presiones entre la entrada y la salida de la turbina, necesaria para su correcto funcionamiento.

 TURBINAS KAPLAN Las instalaciones en las que se instala una turbina hélice exigen como elementos auxiliares un distribuidor fijo, un rodete con cuatro o cinco palas fijas cuya forma recuerda a la hélice de barco, y un tubo de aspiración. Las turbinas Kaplan son turbinas de agua de reacción de flujo axial, se emplean en saltos de pequeña altura. Las amplias palas o álabes de la turbina son impulsadas por agua a alta presión que se conduce a través de una compuerta.

Los álabes del rodete y de los distribuidores son regulables en las turbinas Kaplan; en el caso de que solamente se puedan regular los del rodete, la turbina será una turbina semiKaplan. Para su regulación, los álabes del rodete giran alrededor de su eje, accionados solidariamente a unas bielas articuladas que se desplazan hacia arriba o hacia abajo por el interior del eje hueco de la turbina. Para realizar este desplazamiento, es necesaria la asistencia de un grupo hidráulico que estará conectado a un PLC con un programa de regulación de carga o similar.

Las turbinas Kaplan y semiKaplan pertenecen a las turbinas de hélice, siendo su característica principal que los álabes del rodete y el distribuidor son variables (en el caso de la semiKaplan tan solo los del rodete). En el resto de las turbinas de hélice, no existe esta alternativa y, por tanto, solamente se utilizan cuando el caudal y el salto son prácticamente constantes. Las turbinas Kaplan y semi Kaplan son variantes de la turbina de hélice con diferentes grados de regulación. Ambas poseen el rodete con palas ajustables, que proporcionan la posibilidad de funcionar en un rango mayor de caudales. Las turbinas Kaplan se regulan a través de un distribuidor regulable que permite obtener un mayor rango de funcionamiento, con mejores rendimientos. Su coste es también más elevado. Se deberán analizar las características del salto para cuantificar si es rentable su instalación.

El rendimiento promedio es de un 90%. Este tipo de turbinas se instalan con muy buenos resultados en saltos pequeños con caudales variables o grandes.

Como se puede deducir por sus características, este tipo de turbinas se utilizan en centrales de tipo fluyente con un salto considerado constante y con variaciones de caudal importantes. El rango de utilización en cuanto a la presión de este tipo de turbinas abarca desde valores del 60 al 140% de la presión de diseño, y en caudal, del 40 al 105% del caudal nominal. En función de las subcategorías, estos valores se modificarán. Se suelen instalar con eje vertical, en cámara abierta o cerrada, aunque en ocasiones es más conveniente otro tipo de instalaciones con eje horizontal o incluso con una ligera inclinación. EN ESTE ÚLTIMO CASO TENEMOS LAS TURBINAS: 1. Tubulares. Se pueden instalar horizontalmente, en un plano inclinado o en vertical. Su rendimiento es ligeramente superior a las Kaplan. 2. De Bulbo. El generador está sumergido dentro de una carcasa impermeable. El rendimiento, ligeramente superior a las tubulares y la obra civil asociada, es menor, aunque los equipos son más complejos como consecuencia el mantenimiento de los mismos.

TURBINAS DE ACCION:  TURBINAS PELTON: Esta turbina se emplea en grandes saltos con poco caudal. Está formada por un rodete móvil con alabes de doble cuenco. El chorro de agua entra en la turbina dirigido y regulado por uno o varios inyectores, incidiendo en los alabes y provocando el movimiento de giro de la turbina.

El inyector (o inyectores) dirigen agua a presión contra la serie de paletas en forma de cuchara montadas alrededor del borde del rodete, cada paleta invierte el flujo de agua, disminuyendo su energía, las paletas se montan por pares para mantener equilibradas las fuerzas en la rueda. Normalmente, las pequeñas instalaciones usan paletas estándar y adaptan la turbina a una de las familias de generadores y ruedas, adecuando para ello las canalizaciones. Las pequeñas turbinas se pueden ajustar algo con la variación del número de inyectores y palas a instalar en la turbina, así como diferentes diámetros de la turbina. En las grandes instalaciones hidroeléctricas, el diseño se realiza a medida determinando, en primer lugar, el par admisible, volumen, caudal nominal presión máxima para adaptar su funcionamiento al entorno de la instalación y a un generador, normalmente estándar. Asimismo, la potencia se regula a través de los inyectores, que aumentan o disminuyen el caudal de agua. En las paradas de emergencia, se emplea un deflector que dirige el chorro directamente al desagüe, evitando que la turbina se acelere demasiado. Esto permite un cierre lento de los inyectores, sin golpes de presión en la tubería forzada. Estas turbinas tienen una alta disponibilidad y bajo coste de mantenimiento, además su rendimiento es bastante alto, tanto en condiciones nominales como en caudales hasta un 80% inferior al nominal. La versatilidad de este tipo de máquinas hace que sea muy apropiada en condiciones parciales de trabajo, además de permitir una amplia variación de caudales en su funcionamiento. Se puede instalar con eje horizontal o vertical, y con uno o varios inyectores. LA COMBINACIÓN MÁS FRECUENTE ES: 1. Eje horizontal en las máquinas con uno o dos inyectores. 2. Eje vertical en las máquinas con más de dos inyectores. Esta solución encarece el coste del generador.  TURBINAS OSSBERGER Es una turbina de flujo cruzado, de doble impulsión o de libre desviación. Su accionamiento se realiza a través de un inyector de sección rectangular provisto de un alabe longitudinal que regula y orienta el caudal que entra en la turbina, y un rodete de forma cilíndrica, con sus múltiples palas dispuestas como generatrices y soldadas por los extremos a discos terminales. Funciona a un régimen de giro específico, por tanto, se puede incluir en la clasificación de turbinas de régimen lento.

El primer impulso se produce cuando el caudal entra en la turbina orientado por el alabe del inyector hacia las palas del rodete. Cuando este caudal ha atravesado el interior del rodete proporciona el segundo impulso, al salir del mismo y caer por el tubo de aspiración. En la práctica, este sentido de circulación ofrece además la ventaja de que el follaje, hierba y lodos, que durante la entrada del agua se prensan entre los alabes, vuelven a ser expulsados con el agua de salida con la contribución de la fuerza centrífuga después de medio giro del rodete. Se puede considerar una turbina con un rodete de limpieza automática. En los casos en los que el caudal del río lo requiere, se ejecuta la turbina Ossberger en construcción de células múltiples para poder adaptarse a diversas explotaciones. Se puede ajustar el tamaño de la célula en caudales con un intervalo de seis veces de diferencia con tan solo restringir la entrada del mismo a una zona del rodete. El rendimiento total medio de las turbinas Ossberger se calcula para potencias pequeñas en un 80 % para todo el campo de trabajo. Para las unidades medianas y grandes, se han medido rendimientos de hasta un 86 %. No obstante, estos rendimientos son generalmente superados en la práctica. En la turbina dividida Ossberger, la entrada del agua propulsora se regula por medio de dos palas directrices perfiladas de fuerza compensada. Las palas directrices dividen y dirigen la corriente de agua haciendo que esta llegue al rodete sin efecto de golpe con independencia de la abertura de entrada. Ambas palas giratorias se hallan perfectamente ajustadas en la carcasa de la turbina. Las pérdidas por fuga (rendimiento volumétrico) son tan escasas que las palas directrices pueden servir de órgano de cierre en saltos de poca altura. De esta manera, no es preciso que se prevea ninguna válvula de cierre entre la tubería de presión y la turbina. El rodete constituye la parte esencial de la turbina. Está equipado con palas que están fabricadas en acero y ajustadas y soldadas a ambos lados en discos.

La turbina Ossberger se basa en el principio de la libre desviación. No obstante, un tubo de aspiración es imprescindible para caídas medianas y pequeñas. Este tubo permite conseguir un montaje resistente a las crecidas con un aprovechamiento sin pérdidas de toda la altura del salto. Si el diseño de una turbina de libre desviación con un amplio campo de aprovechamiento requiere la incorporación de un tubo de aspiración, es precisa su regulación de la columna del agua de aspiración. Debido a su propio sistema de accionamiento, las turbinas Ossberger no están expuestas a la cavitación. Son innecesarias, por lo tanto, las instalaciones necesarias para que este fenómeno no se produzca, así como los problemas derivados de su aparición. La velocidad a la que se embala esta clase de turbinas es casi dos veces superior al régimen de giro nominal. Por tanto, es posible acoplar el eje de salida de esta turbina a generadores fabricados en serie. La turbina Ossberger fue diseñada para funcionar durante largos periodos de tiempo en régimen continuo, no requiere medios especiales para su mantenimiento. Su instalación es frecuente en países en vías de desarrollo ya que su instalación y puesta en marcha no requiere grandes conocimientos hidráulicos.

9.2 PELTON: LA TOBERA: 

Tobera: Constituye una boquilla, con orificio de sección circular de un diámetro entre 5 y 30 cm., instalada al final de la cámara de distribución. Dirige el chorro de agua, tangencialmente hacia la periferia del rotor, de tal modo que la prolongación de la tobera forma un ángulo de 90° con los radios de rotor.

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Aguja: Constituye un vástago situado concéntricamente en el interior del cuerpo de la tobera con movimiento de desplazamiento longitudinal en dos sentidos.

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Deflector:

Es un dispositivo mecánico que, a modo de pala o pantalla, puede ser intercalado con mayor o menor incidencia en la trayectoria del chorro de agua, entre la tobera y el rodete, presentando la parte cóncava hacia el orificio de tobera. 

Equipo regulador de velocidad: Está constituido por un conjunto de dispositivos a base de servomecanismos, cuya función es mantener constante la velocidad rotación.

9.3 PELTON: EL ANILLO Es la pieza clave donde se transforma la energía hidráulica del agua en energía mecánica. Esencialmente consta de los siguientes elementos.  Rueda motriz  Cangilones Rueda motriz Está unida rígidamente al eje por medio de chavetas y anclajes adecuados. Su periferia está mecanizada apropiadamente para ser soporte de los cangilones

Cangilones También denominados álabes, cucharas o palas. Están diseñados para recibir el empuje directo del chorro de agua. Su forma es similar a la de una doble cuchara, con una arista interior lo más afilada posible, de modo que divide al cangilón en dos partes simétricas Sobre esta arista donde incide el chorro de agua.

Actualmente para rotores de cualquier tamaño, los cangilones están forjados con la misma rueda, formando pieza única, lo cual permite una economía en la construcción y mayor seguridad de funcionamiento, dado el impacto inicial del agua que han de soportar en el momento del arranque, la fuerza centrífuga alcanzada en caso de embalamiento.

9.4 PUNTAS DE AGUJA 

Aguja: Constituye un vástago situado concéntricamente en el interior del cuerpo de la tobera con movimiento de desplazamiento longitudinal en dos sentidos.

9.5 VARILLAJE: 

Esta rígidamente unido al rotor y situado adecuadamente sobre cojinetes debidamente lubricados, transmite el movimiento de rotación al eje del generador.

Principios de funcionamiento de una turbina peltón 

La arista del cangilón corta al chorro de agua, seccionándolo en dos láminas de fluido, simétricas y teóricamente del mismo caudal.

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Estos chorros de agua inciden tangencialmente sobre el rodete, empujando a los cangilones que lo forman, obteniéndose el trabajo mecánico deseado.

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Las formas cóncavas de los cangilones hacen cambiar la dirección del chorro de agua, saliendo éste, ya sin energía apreciable, por los bordes laterales, sin ninguna incidencia posterior sobre los cangilones sucesivos.

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De este modo, el chorro de agua transmite su energía cinética al rotor, donde queda transformada instantáneamente en energía mecánica.

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La aguja, gobernada por el regulador de velocidad, cierra más o menos el orificio de salida de la tobera, consiguiendo modificar el caudal de agua que fluye por ésta, a fin de mantener constante la velocidad del rotor, evitándose embalamiento o reducción del número de revoluciones.

9.6 NUMERO DE INTRODUCTORES: 

Cámara de descarga: La cámara de descarga, también conocida como tubería de descarga, es la zona por donde cae el agua libremente hacia el desagüe, después de haber movido el rotor. Para evitar deterioros por la acción de los chorros de agua, y especialmente de los originados por la intervención del deflector, la cámara de descarga suele disponer de un colchón de agua de 2 a 3 m de espesor y blindajes o placas situadas adecuadamente.

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Sistema de frenado: Consiste en un circuito de agua derivado de la cámara de distribución. El agua, proyectada a gran velocidad sobre la zona convexa de los cangilones, favorece el rápido frenado del rodete, cuando las circunstancias lo exigen.