Máquinas hidraúlicas Gabriel Ibarra gabriel.ibarra@ehu.es Curso 2009-2010. Escuela Superior de Ingeniería de Bilbao Gabriel Ibarra MH 2009/10

MAQUINAS HIDRAULICAS Intercambian energía con un fluido incompresible Energía (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

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

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

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

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

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

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

TURBINAS PELTON Gabriel Ibarra MH 2009/10

TURBINAS TURGO Gabriel Ibarra MH 2009/10

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

TURBINAS FRANCIS Gabriel Ibarra MH 2009/10

TURBINAS HELICE-KAPLAN Gabriel Ibarra MH 2009/10

TURBINAS KAPLAN DERIAZ Gabriel Ibarra MH 2009/10

BOMBAS CENTRIFUGAS HELICOCENTRIFUGAS AXIALES Gabriel Ibarra MH 2009/10

TURBINAS Regulación: alternadores síncronos Red eléctrica Agua Ngiro 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

TURBINAS Energía y potencia SISTEMA Salto 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

BOMBAS Energía y potencia SISTEMA Altura 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

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

CENTRALES HIDROELECTRICAS 3. Central agua fluyente. Sin represamiento. Gabriel Ibarra MH 2009/10

CENTRALES HIDROELECTRICAS 4. Central mareomotriz (I) . Aprovecha los ciclos de marea. Gabriel Ibarra MH 2009/10

CENTRALES HIDROELECTRICAS 4. Central mareomotriz (II) . Turbina tipo Bulbo. Gabriel Ibarra MH 2009/10

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

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

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

TURBINAS-Q HIDROGRAMA Gabriel Ibarra MH 2009/10

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

TURBINAS-Q-Hn Fracción 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 Gabriel Ibarra MH 2009/10

TURBINAS-ω Velocidad 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 Gabriel Ibarra MH 2009/10

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

TURBINAS-BOMBAS Cavitación Puntos críticos 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 Gabriel Ibarra MH 2009/10

TURBINAS-BOMBAS Cavitación Gabriel Ibarra MH 2009/10

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

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.36-37-38, otras)… Cada Ns-Nq asociado a un diseño no a una máquina concreta Gabriel Ibarra MH 2009/10

TURBINAS 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 Gabriel Ibarra MH 2009/10

TURBINAS PELTON Gabriel Ibarra MH 2009/10

TURBINAS FRANCIS Gabriel Ibarra MH 2009/10

TURBINAS KAPLAN Gabriel Ibarra MH 2009/10

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

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

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

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

TURBINAS-FRANCIS Esquema general Antedistribuidor Gabriel Ibarra MH 2009/10

TURBINAS-FRANCIS Rodetes Francis Lentas (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

TURBINAS-FRANCIS Rodete Cámara espiral Distribuidor Tubo de aspiración Moyú 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

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

Efecto sustentación (ala portante). Kutta-Jukowsky TURBINAS-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

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

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

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

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

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

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

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

TURBINAS-HELICE-KAPLAN CANAL ABIERTO. SIN CAMARA ESPIRAL. CON Hn MUY BAJOS. Gabriel Ibarra MH 2009/10

TURBINAS-HELICE-KAPLAN SEMIKAPLAN. DISTRIBUIDOR ALABES FIJOS. REGULACION SOLO BASADA EN LAS ALETAS DEL RODETE. Gabriel Ibarra MH 2009/10

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

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

BOMBAS 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 Gabriel Ibarra MH 2009/10

BOMBAS CENTRIFUGAS HELICOCENTRIFUGAS AXIALES Ns/Nq crecientes Gabriel Ibarra MH 2009/10

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

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

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

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

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