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Máquinas hidraúlicas

Máquinas hidraúlicas. Gabriel Ibarra gabriel.ibarra@ehu.es Curso 2009-2010. Escuela Superior de Ingeniería de Bilbao. MAQUINAS HIDRAULICAS. Intercambian energía con un fluido incompresible Energía (mcl J/N)= C 2 /2g + P/ γ +z Término cinético= C 2 /2g Término de presión= P/ γ Cota= z

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Máquinas hidraúlicas

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Presentation Transcript

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

  2. 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 + Σpérdidas 1->2 Entre 1 y 2 se pueden reordenar Ec, presión, cota Gabriel Ibarra MH 2009/10

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

  4. MAQUINAS HIDRAULICAS • 2º Clasificación • Rotodinámicas (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 • Radiales TURBINAS (Francis) BOMBAS (Centrífugas) Gabriel Ibarra MH 2009/10

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

  8. 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. Red eléctrica TURBINAS Agua • Regulación: • alternadores síncronos • 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

  17. TURBINAS • Energía y potencia • 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

  18. BOMBAS • Energía y potencia • 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

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

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

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

  22. CENTRALES HIDROELECTRICAS 4. 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 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

  29. 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

  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 • 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

  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 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.36-37-38, 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-1.25 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 LENTASBoca estrecha Dent >Dsal • FRANCIS NORMALESBoca ~ Dent ~ Dsal • FRANCIS RAPIDASBoca ancha Dent <Dsal • 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»»0 INYECTOR (Cierre lento por límite de golpe de ariete) DEFLECTOR (Respuesta rápida) Gabriel Ibarra MH 2009/10

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

  44. 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

  45. TURBINAS-FRANCIS Rodete Cámara espiral Distribuidor 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

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

  47. 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

  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-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

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