Gestores de Contenidos : Álvaro Neva Rodríguez y Horacio Charry López

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1 Gestores de Contenidos : Álvaro Neva Rodríguez y Horacio Charry López
Curso: TURBINAS HIDRÁULICAS I (ACH03) Objetivo General: Reconocer el principio de funcionamiento y los elementos que constituyen una turbina hidráulica. Gestores de Contenidos : Álvaro Neva Rodríguez y Horacio Charry López

2 UNIDAD III GENERALIDADES DE LAS TURBINAS HIDRÁULICAS Objetivo: Conocer la evolución de la turbina hidráulica y los fundamentos de su funcionamiento.

3 Lección 7 Reseña histórica de la turbina hidráulica.
Origen de la turbina hidráulica No se sabe con exactitud quien, donde o hace cuanto tiempo se aprovechó por primera vez de la fuerza y energía que posee una corriente de agua, aunque parece probable que la idea vino de otro uso mas antiguo del agua como es el de la irrigación. Los romanos conocían y usaban las ruedas hidráulicas como una fuente de fuerza mecánica. Las primeras ruedas hidráulicas se construyeron en Asia, China y La India hace unos años; de Asia pasaron a Egipto y desde allí a Europa.

4 Hacia el siglo II D.C. se empezó a utilizar en las regiones montañosas la rueda hidráulica de empuje superior. En este caso, el agua se vertía sobre las palas desde arriba, y se obtenía energía adicional de la inercia del agua en su caída. En la edad media la potencia máxima de la rueda, fabricada con madera, aumentó de 3 a 50 CV. El francés Parent (físico y matemático) en el siglo XVII estudia por primera vez las ruedas hidráulicas y deduce que hay una relación entre la velocidad de la rueda y la velocidad de la corriente de agua. El uso de la energía hidráulica se desarrolló lentamente durante 18 siglos debido al inconveniente de que las instalaciones deberían situarse junto a los ríos. Al evolucionar la tecnología de la transmisión eléctrica, ésta permitió el gran desarrollo de las plantas hidroeléctricas y por consiguiente de las turbinas hidráulicas. A grandes rasgos, se puede resumir así el desarrollo de las turbinas hidráulicas: El siglo XVIII es el siglo de su gestación.

5 TIPOS DE RUEDAS HIDRÁULICAS
El siglo XIX el de su nacimiento, en este siglo nacieron en América las turbinas Pelton y las turbinas Francis. El siglo XX el de su desarrollo. En este siglo se crearon la turbina Kaplan y turbina bulbo. Aunque poco conocidas, algunos otros tipos de turbinas que se han desarrollado son la turbina Banki, la turbina Turgo y la turbina Deriaz. TIPOS DE RUEDAS HIDRÁULICAS Alimentación superior Alimentación lateral

6 Paletas de alimentación inferior
TIPOS DE RUEDAS HIDRÁULICAS De paletas planas De impulsión inferior Paletas de alimentación inferior Turbina Banki

7 Lección 8 Elementos básicos y funcionamiento de una turbina hidráulica
Lección 8 Elementos básicos y funcionamiento de una turbina hidráulica. Tipos y clasificación de las turbinas hidráulicas. ELEMENTOS BÁSICOS Y FUNCIONAMIENTO DE LA TURBINA HIDRÁULICA Una turbina hidráulica está constituida por un órgano fijo, el distribuidor y por uno móvil, la rueda o rodete. El distribuidor desempeña tres funciones esenciales; dirige el caudal de agua que llega al rodete, dándole el sentido adecuado para que la entrada de flujo en el mismo rodete se efectúe con mínimos choques y movimientos irregulares; regula el caudal por medio de los órganos de

8 estrangulación, según la potencia requerida por la máquina; y convierte total o parcialmente la energía de presión que tiene el caudal en energía cinética. Esta última función se considera la mas importante porque es el elemento mas notable en una de las clasificaciones de las turbinas hidráulicas. El elemento básico de la turbina es la rueda o rodete, que cuenta con palas, hélices, cuchillas o cubos colocados alrededor de su circunferencia, de tal forma que el fluido en movimiento produce una fuerza tangencial que impulsa la rueda y la hace girar; de esta manera convierte la energía potencial y/o cinética de las aguas en energía mecánica útil sobre el árbol o eje de la turbina. Tanto el distribuidor como el rodete tienen formas y dimensiones diferentes según el tipo de turbina a la que pertenecen. La potencia hidráulica que se entrega a la turbina está dada por la fórmula siguiente: Potencia entregada a la turbina =  x Q x Hn / 102 (MW) en que:

9  = Peso específico del agua, en kgf/m3
Q = Caudal en m3/seg Hn = Altura neta en metros 102 = Factor de conversión de unidades La altura neta Hn equivale a la altura bruta menos las pérdidas de carga. La altura bruta Hb corresponde a la diferencia entre el nivel de aguas arriba y el nivel de aguas debajo de la instalación. En las turbinas de reacción el nivel de aguas abajo es el nivel de la descarga, y en las turbinas de acción es el nivel del eje de los inyectores. En las dos figuras siguientes se representa esquemáticamente lo relacionado con los conceptos de altura neta y altura bruta aquí definidos para las turbinas de acción y reacción respectivamente.

10 Concepto de alturas bruta y neta para turbinas de acción

11 Concepto de alturas bruta y neta para turbinas de reacción

12 El producto de la potencia entregada a la turbina y su eficiencia será la potencia neta obtenida en el eje de la turbina, por lo tanto: Peje (potencia en el eje) = Ph x ŋ Las turbinas hidráulicas se definen por: n = Número de revoluciones por minuto (rpm) a la cual giran. Q = Caudal de agua en m3/seg. N = La potencia entregada en el eje, o potencia al freno; está dada en kW. Hn = Altura neta en metros. Ns = Velocidad específica = n . N Hn5/4 La velocidad específica Ns, es el número de revoluciones que daría una turbina semejante a la que se trata de buscar y que entrega una potencia de un (1) kW, al ser instalada en un salto de altura unitaria.

13 Las turbinas semejantes tienen la misma velocidad específica, para su determinación las unidades dimensionales pueden estar en (rpm, m, kW) o (rpm, m, CV). Este parámetro rige el estudio comparativo de las turbinas y es una de las bases para su clasificación. La velocidad específica también se define en función del caudal expresada en la fórmula siguiente: nq = velocidad específica en función del caudal = n . Q Hn3/4 Es de anotar que para ambas expresiones de velocidad específica los valores de Hn y Q corresponden a los puntos de máxima eficiencia de la turbina.

14 TIPOS Y CLASIFICACIÓN DE LAS TURBINAS HIDRÁULICAS.
De acuerdo a la conversión de energía potencial en energía cinética que ocurre en el distribuidor las turbinas hidráulicas se clasifican en: Turbina de acción, es aquella en la cual la transformación de energía potencial en energía cinética ocurre de manera completa en el distribuidor. En este tipo el agua entra y sale de la turbina a la presión atmosférica. Turbina de reacción, es aquella en la cual la transformación de energía potencial en energía cinética ocurre de manera parcial en el distribuidor. En este tipo el agua llena totalmente el rodete de la turbina y tiene una gran diferencia de presión entre la entrada y la salida. El rendimiento máximo para las turbinas de acción es del orden del 92%, mientras que para las turbinas de reacción es del orden del 95%.

15 Según la construcción de su elemento básico (rueda o rodete), las turbinas hidráulicas que mas se han desarrollado y que se utilizan en la actualidad son las siguientes: Turbinas Pelton, son turbinas de acción en las cuales toda la energía de presión a la entrada se transforma en energía cinética. En este tipo de turbinas, el agua se conduce desde un depósito a gran altura a través de un canal o una conducción forzada hasta una o mas boquillas eyectoras que convierten la energía cinética del agua en un chorro a presión. Turbinas Francis, son turbinas de reacción. Este tipo de turbina funciona debido a la expansión del agua mientras fluye a través de los espacios entre las palas, lo que produce una fuerza neta, o reacción, con una componente tangencial que pone la rueda en movimiento. La entrada del agua al rodete que se encuentra sumergido, es en sentido radial centrípeto; la descarga se produce en sentido axial.

16 Turbinas Kaplan, en estas turbinas las palas pueden pivotar sobre su eje. Los distintos ángulos de las palas aumentan el rendimiento ajustando el ángulo al volumen de la caída de agua. Son turbinas de reacción de flujo axial y los alabes del distribuidor, pueden ser fijos o regulables; si las palas y los alabes son regulables la turbina es una verdadera Kaplan; si solo son regulables las palas del rodete, la turbina es una Semi-Kaplan. Las turbinas Pelton se utilizan para saltos hasta de metros, las Francis para saltos hasta de 600 metros y las Kaplan para saltos hasta de 60 metros y excepcionalmente 70 metros. Las seis figuras siguientes muestran ilustraciones representativas de las turbinas Pelton, Francis y Kaplan, que son las mas desarrolladas y utilizadas en la actualidad.

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18 Rueda de una turbina Pelton

19 Sección transversal de una turbina Francis

20 Rueda de una turbina Francis

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22 Rueda de una turbina Kaplan

23 Como se había mencionado anteriormente, la velocidad específica rige el estudio comparativo de la velocidad de las turbinas, las que se pueden clasificar según la misma. Se emplea en la elección de la turbina mas adecuada, para un caudal y altura conocidos en los anteproyectos de instalaciones hidráulicas, consiguiendo una normalización en la construcción de rodetes para turbinas. Los valores de esta velocidad específica para las turbinas que hoy en día se construyen, figuran en el cuadro siguiente: Velocidad especifica (rpm, m, CV) Tipo de turbina De 5 a 30 Pelton con un inyector De 30 a 50 Pelton con varios inyectores De 50 a 100 Francis lenta De 100 a 200 Francis normal De 200 a 300 Francis rápida De 300 a 500 Francis doble gemela rápida o express Mas de 500 Kaplan o Hélice

24 Estas fronteras no son rígidas y hay zonas de indiferencia, ya que lo mostrado está basado en una estadística de las turbinas construidas a la fecha. La decisión en estas zonas de indiferencia dependerá del resultado del análisis técnico-económico de todos los aspectos involucrados, que tomen en cuenta las ventajas y desventajas según los tipos de turbinas en discusión. Entre los aspectos relevantes por ser analizados se cuentan: ubicación y dimensionamiento de la instalación, costo del equipamiento y montaje, rendimientos en el rango de operación esperado, condiciones de operación, calidad de las aguas turbinadas, mantenimiento y tiempo de parada correspondiente, etc. En nuestro parque de generación tenemos un ejemplo que muestra esta zona de indiferencia, y es el caso de la Central Cachoeira Dourada (Brasil), en la cual las unidades 1 y 2 son del tipo Kaplan con un Ns de 257 (rpm, m, kW) y las unidades 6, 7 y 8 son del tipo Francis con un Ns de 316. Veamos a continuación algunas de las características favorables según el tipo de turbinas, para los efectos comparativos cuando la selección del tipo de turbina está en una zona de indiferencia:

25 Turbinas Pelton y Francis
Del punto de vista del costo de suministro de las turbinas, la tendencia actual muestra que los menores costos se encuentran en las Francis para alturas netas de hasta 700 m. Del punto de vista del rendimiento (comparación de pérdidas de potencia), la turbina Francis presenta mejores rendimientos en cargas altas, y las turbinas Pelton presentan mejores rendimientos en cargas parciales. Del punto de vista de tiempo de parada para mantenimiento, por ejemplo para reparaciones por erosión por aguas con alto contenido de sólidos en suspensión, el menor tiempo de parada es para las turbinas Pelton por lo simple de su disposición para intervenir la turbina. Elección entre turbinas Francis y Kaplan Del punto de vista del costo de suministro de las turbinas, la tendencia actual muestra que los menores costos se encuentran en las Francis. Sin embargo para grandes turbinas con caudales del orden de 300 a 500 m3/s, la solución con una turbina Kaplan puede ser más económica por menores dimensiones, lo que conlleva también a menores dimensiones de la casa de máquinas. Del punto de vista del rendimiento (comparación de pérdidas de potencia), la turbina Kaplan presenta mejores rendimientos en cargas parciales.

26 A continuación se presentan dos gráficos ilustrativos sobre el campo de aplicación de las turbinas hidráulicas.

27 Campo de aplicación de las turbinas

28 Campo de aplicación de las turbinas

29 Has Finalizado la UNIDAD 3 Generalidades de las Turbinas Hidráulicas

30 Actividades Identifica las etapas del desarrollo de la turbina hidráulica. Identifica los elementos básicos de la turbina hidráulica. Identifica los tipos de turbinas.