Final AH Marzo 2020 (Mayra Rubinich Queupán).pdf

APROVECHAMIENTOS HIDRAULICOS
DOCENTES
INGENIERO JOSÉ MARÍA SAINZ TRAPAGA
INGENIERO ANDRÉS MALNERO
ALUMNA
RUBINICH QUEUPÁN MAYRA ANDREA SOLEDAD
AÑO DE CURSADA
2017
Examen
Final
Marzo
2020
UNIVESIDAD NACIONAL DE LA PATAGONIA SAN JUAN BOSCO
SEDE TRELEW

TURBINAS
Las turbinas son el elemento principal de un equipo
hidromecánico, que es el que transforma la energía hidráulica
(de la corriente) en mecánica (giratoria).
Es un motor hidráulico de características ideales: eficiente,
segura, fácilmente controlable. Además puede variar la carga
o parar en forma prácticamente inmediata, así como arrancar
desde la posición de reposo con válvula cerrada.
RUBINICH QUEUPÁN Mayra Andrea Soledad – TURBINAS – Marzo 2020
TURBINAS DE ACCIÓN
(Pelton, Michel, Banki)
El agua sale del distribuidor a la presión atmosférica,
y llega al rodete con la misma presión.
En estas turbinas, toda la energía potencial del salto
se transmite al rodete en forma de energía cinética.
TURBINAS DE REACCIÓN
(Francis, Kaplan, Deriaz)
En estas turbinas el agua circula a presión en el distribuidor y
en el rodete y la energía potencial del salto se transforma,
una parte, en energía cinética, y la otra, en energía de
presión.
A la salida del rodete, la presión puede ser nula o incluso
negativa.

TURBINA PELTON
EJE: puede ser horizontal (permite más de un rodete y 1 o 2 chorros) o
vertical (un rodete y hasta 6 chorros, es más compacto).
RODETE: es un disco con cazoletas que reciben el impacto tangencial del
chorro exactamente en su arista media donde se divide en dos, circulando
por su cavidad y recorriendo un ángulo de casi 180°, contrarrestándose así
los empujes axiales por cambio de dirección de los dos chorros.
DISTRIBUIDOR: conducto que inicia en la brida de salida de la válvula de
protección y llega a cada uno de los inyectores.
INYECTORES: (V. salida 80 a 140 m/seg) poseen una válvula aguja que se
desplaza controlando el caudal a turbinar. Se complementa con el
DEFLECTOR, dispositivo auxiliar que permite reducir rápidamente el
caudal.
CARCASA: cubierta de chapa que cubre el rodete y los inyectores por
seguridad.
FOSO: recibe el agua que cae de las cazoletas.

TURBINA FRANCIS
CÁMARA ESPIRAL: (o caracol) recibe el caudal y lo distribuye regularmente a lo largo
de la periferia de un anillo con álabes fijos (predistribuidor) orientando el flujo hacia el
centro del anillo y del grupo.
DISTRIBUIDOR: con álabes giratorios (hidrodinámicos) que regulan y controlan el flujo
hacia el rodete. Se accionan con servomotores, con giro idéntico en todos ellos.
RODETE: son álabes unidos a un núcleo central o corona (parte superior) y a una banda
(parte inferior). El n° de álabes debe ser distinto que el del distribuidor.
EJE: permite la transmisión del par motor al alternador. Se deben colocar juntas estancas
para evitar filtraciones.
TAPAS: sirven de asiento a los cojinetes de los álabes móviles y envuelven la corona y la
banda del rodete. Por ello, requieren elevada rigidez para evitar deformaciones.
TUBO DE ASPIRACIÓN: (cono, codo y difusor) su finalidad es recuperar la mayor parte
de E. Cinética del agua. Une la salida del rodete con la descarga, con sección creciente,
evitando el despegue de la lámina o irregularidades en el flujo.

TURBINA KAPLAN
RODETE: tiene forma de hélice de barco con 3 a 8 palas que pueden
orientarse en función del caudal a turbinar. Tiene 3 partes: el cubo (aloja
las palas), las palas (por debajo del plano medio del distribuidor),
mecanismo de orientación (servomotor).
TAPAS: superior fija, prolonga el cubo hasta unirlo con el predistribuidor;
inferior envolvente del rodete (cilíndrica o esférica)
CÁMARA ESPIRAL Y PREDISTRIBUIDOR: pueden o no tenerlos.
• H< 25 m no llevan cámara ni predistribuidor (turbinas bulbo)
• H<30 m puede hacerse de H°A° (es un elemento estructural) con
sección rectangular (menores velocidades de circulación). Las cámaras
de admisión parcial no rodean todo el predistribuidor.
• H> 30 m se realizan ambos en acero soldado con igual disposición que
en las TF.

T. SIN CÁMARA ESPIRAL
Dentro de las Turbinas sin cámara espiral, se encuentran las bulbo
(TB), bulbo en pozo (TBP), en S (TS) y tubulares (TT). Todas pueden tener
simple o doble regulación.
Se dispone un conducto de toma frontal de sección decreciente
con los álabes del distribuidor en una superficie cónica, perpendiculares
a la anterior, sumergido en la corriente. El rodete tiene de 3 a 5 palas
orientables, con distribuidor cónico.
El tubo de aspiración es recto, en prolongación con la cámara de
admisión, lo que implica un mejor comportamiento hidráulico.
Tienen mejor capacidad de turbinación y menor superficie
ocupada, pudiendo acercar mas los equipos.
Tienen una posición más desfavorable frente a la cavitación (no se
suelen usar para saltos H> 20m).
En las TS el tubo de aspiración sufre un quiebre, permitiendo que el
alternador se ubique fuera de la corriente.

ANÁLISIS ENERGÉTICO
Aplicando la ecuación de Bernoulli en las secciones 1, 2 y
3 de la figura, se obtendrá:
𝑧1 +
𝑝1
𝛾
+
𝑣1
2
2𝑔
= 𝑧2 +
𝑝2
𝛾
+
𝑣2
2
2𝑔
+Hf=𝑧3 +
𝑝3
𝛾
+
𝑣3
2
2𝑔
+ 𝐻 + 𝐻𝑓
Considerando nulos 𝑣1, 𝑝1, 𝑝3 , el salto neto (H) será:
𝐻 = 𝑧1 − 𝑧3 − 𝐻𝑓 −
𝑣3
2
2𝑔
La potencia entregada por la turbina será: 𝑷 = 𝜼 ∙ 𝒈 ∙ 𝑸 ∙ 𝑯
ANALISIS CINEMÁTICO
HIPÓTESIS: es despreciable el efecto de pérdidas
por fricción y el fluido es incompresible.
Aplicando el teorema de la cantidad de movimiento a
un tubo de corriente, considerando un flujo
permanente:
TURBINAS DE ACCIÓN
𝑃 = 𝑇 ∙ 𝜔 = 𝜌 ∙ 𝑄 ∙ 𝑣 ∙ (1 − 𝑚 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝜃) ∙ 𝑟 ∙ 𝜔
TURBINAS DE REACCIÓN
Triángulo de velocidades:
Hu =
𝑢1
2
− 𝑢2
2
2𝑔
+
𝑤1
2
− 𝑤2
2
2𝑔
−
𝑣1
2
− 𝑣2
2
2𝑔

LEYES DE SEMEJANZA
SEMEJANZA GEOMÉTRICA: los ángulos homólogos son iguales y la relación
de distancias que unen puntos homólogos es constante.
SEMEJANZA CINEMÁTICA: los triángulos de velocidades son semejantes
cuando el modo de operación es similar.
COEFICIENTE DE VELOCIDAD (K): (adimensional) relación entre la
velocidad en cualquier punto y 2 ∙ 𝑔 ∙ 𝐻. Las turbinas geométricamente
semejantes tienen el mismo K.
INVARIANTES: permiten evaluar las variaciones de N, Q y P en máquinas
homólogas o en una misma máquina.
∎
𝑁 ∙ 𝐷
𝐻
∎
Q
𝐷² ∙ 𝐻
∎
𝑃
𝐷² ∙ 𝐻3/2
∎
𝑇
𝐷³ ∙ 𝐻
VALORES REDUCIDOS: invariantes que representan a N, Q, P y T de una turbina semejante con un rodete de tamaño
unitario, operando bajo un salto unitario. De gran utilidad para el diseño en función de una turbina homóloga.
𝑛11 =
𝑁 ∙ 𝐷
𝐻
𝑞11 =
Q
𝐷² ∙ 𝐻
𝑝11 =
𝑃
𝐷² ∙ 𝐻3/2
𝑡11 =
𝑇
𝐷³ ∙ 𝐻

VELOCIDAD ESPECIFICA, SÍNCRONA Y DE EMBALAMIENTO
VELOCIDAD ESPECÍFICA (Ns)
Velocidad [rpm] de una turbina
semejante a la turbina en estudio
que con la misma eficacia y un
salto unitario (1 m) produzca una
potencia unitaria (1 kW).
VELOCIDAD SÍNCRONA (N)
Velocidad real de giro de la
turbina conectada o acoplada a
un alternador para generar una
corriente con la frecuencia
propia de la red.
VELOCIDAD DE EMBALAMIENTO
Estado límite de diseño mecánico de
la turbina, el alternador y los grupos
auxiliares.
Se acelera el grupo hasta una
velocidad límite, donde se anula el
rendimiento de la turbina.
Depende de:
• la ley de cierre del distribuidor
• el rendimiento de la turbina
• la inercia del grupo
Grupos medianos/grandes:
130 a 160% V. Síncrona
Grupos pequeños:
140 a 180% V. Síncrona
𝑁 =
60 ∙ 𝑓
2 ∙ 𝑝
𝑁𝑠 =
𝑁 ∙ 𝑃
𝐻5/4 𝑁𝑞 =
𝑁 ∙ 𝑄
𝐻3/4
Si el rendimiento es 𝜂 = 0,9184:
𝑁𝑠 =
𝑁 ∙ 9,81 ∙ 0,9184 ∙ 𝑄 ∙ 𝐻
𝐻5/4
= 3 ∙ 𝑁𝑞
VELOCIDAD ESPECÍFICA
[Define la forma geométrica]
VELOCIDAD DE GIRO
[Representa la velocidad real de giro]
≠ 𝑁 = 𝐾1 ∙
𝐻1/4
𝑄

CAVITACION
Fenómeno que produce la formación de burbujas de vapor de agua
en el seno del líquido en movimiento, cuando la presión existente es
inferior a la del vapor líquido (0,30 mca a T° normal).
En zonas de alta presión las burbujas implotan, generando presiones
puntuales muy altas, un golpeteo continuo del contorno (arranque de
material, tensiones de fatiga).
La sección más comprometida es la salida del rodete, ya que coexiste
una presión baja y una velocidad muy alta, con discontinuidades en el
contorno.
Aplicando Bernoulli entre la salida del rodete y la descarga:
𝑧1 +
𝑝1
𝛾
+
𝑣1
2
2𝑔
= 𝑧2 +
𝑝2
𝛾
+
𝑣2
2
2𝑔
+Hf
𝑣1
2
2 ∙ 𝑔 ∙ 𝐻
=
𝐻𝐴 − 𝐻𝑉 − 𝐻𝑆
𝐻
→ 𝑯𝑺 = 𝑯𝑨 − 𝑯𝑽 − 𝝈 ∙ 𝑯
H salto más desfavorable para la cavitación (potencia de la turbina = capacidad del alternador)
𝑨𝑵𝑷𝑨 = 𝑯𝑨 − 𝑯𝑽 − 𝑯𝑺 ± 𝑯𝑳 con 𝐻𝐿 = pérdida de carga entre la salida del rodete y la sección final del T. de Asp.

CLASIFICACION DE TURBINAS (EXPRESIONES EMPÍRICAS)
Estos límites no son absolutos, puede resultar interesante
utilizar un determinado tipo de turbina fuera de su rango de
uso habitual.
TURBINA PELTON: (H>400m) el rendimiento a plena carga
llega a 0,91, el diámetro a utilizar debe permitir alojar las
cazoletas. Como expresión práctica, se puede usar:
𝑁𝑠 = 220 ∙
𝑑𝑐ℎ𝑜𝑟𝑟𝑜
𝐷𝑟𝑢𝑒𝑑𝑎
𝑁𝑠[𝑟𝑝𝑚] = 28 ∙ 𝑛° 𝑐ℎ𝑜𝑟𝑟𝑜𝑠
TURBINAS FRANCIS: (30<H<500m) la forma del rodete varía al aumentar el salto,
reduciéndose la velocidad específica. Se debe prestar especial atención al riesgo de
cavitación, estableciéndose como límites 22 rpm < Ns < 400 rpm.
TURBINAS KAPLAN: (H<50m) por la capacidad de orientación de las palas se logran
distintos rendimientos. Es muy sensible a la cavitación y se establece un límite superior a la
velocidad para que la energía remanente a la salida no sea excesiva:
300 𝑟𝑝𝑚 < 𝑁𝑠 < 1150 𝑟𝑝𝑚

CURVAS CARACTERÍSTICAS
Son diagramas que representan parámetros de interés. Las isolíneas definen el lugar geométrico para los puntos
en los que el valor del parámetro en estudio es constante.
Si se expresan en función de los valores reducidos 𝑛11, 𝑞11 se convierten en curvas características universales y
permiten obtener, por ejemplo, el diámetro del rodete y la velocidad de giro más conveniente o definir el campo de
operación más interesante.
Son de aplicación a toda la serie de turbinas semejantes con las del modelo (transformando los valores correctamente)

DIMENSIONAMIENTO
Se requieren como datos de partida: el salto (H) y el caudal nominal (Qn). Se
aplican expresiones empíricas para definir las dimensiones de la máquina
1) Cálculo de la potencia nominal: 𝑃 = 9,80 ∙ 𝜂 ∙ 𝑄 ∙ 𝐻
2) Estimación el valor de V. Específica (Ns): mediante la expresión más adecuada
según el tipo de turbina a utilizar.
3) Cálculo de la velocidad de giro aproximada (N): se calcula N y se adopta la V.
síncrona mas próxima (se debe recalcular la velocidad específica):
𝑁 𝑟𝑝𝑚 =
𝑁𝑠 ∙ 𝐻1,25
𝑃
4) Estimación del Coef. de cavitación: empírico, se calcula luego la altura de aspiración y la cota de implantación. Si es
inconveniente, se recalcula N.
5) Determinación de Ku: empírico, es la relación entre la V. Periférica del rodete y la V. absoluta teórica del agua:
𝐾𝑢 =
𝜋 ∙ 𝐷3 ∙ 𝑁
60 ∙ 2 ∙ 𝑔 ∙ 𝐻
→ 𝐷3 = 84,55 ∙
𝐾𝑢 ∙ 𝐻
𝑁
4) Estimación de las dimensiones aproximadas: utilizando las expresiones de diferentes investigadores, en función del
diámetro del rodete y de la velocidad específica.

EXPRESIONES CARACTERÍSTICAS TÍPICAS
Los valores calculados son sólo orientativos. Servirán para poder realizar un prediseño, cómputo y presupuesto de
la casa de máquinas y obra civil del aprovechamiento. Como ejemplo, se muestran los esquemas para una turbina
Francis:
𝐷1 = 0,40 +
94,50
𝑛𝑠
∙ 𝐷3
𝐷2 =
𝐷3
0,96 + 0,00035 ∙ 𝑛𝑠
𝐻1 = 0,094 + 0,00025 ∙ 𝑛𝑠 ∙ 𝐷3
𝐻2 =
𝐷3
3,16 − 0,0013 ∙ 𝑛𝑠

COMPARACION
T. KAPLAN vs T. BULBO:
(salto menor a 20-25 m)
a) [TB] Implantación más
compacta, edificio más bajo.
b) [TB] La V. síncrona es más alta
y el rodete más pequeño. El
rendimiento medio es más
elevado por la disposición
recta del circuito hidráulico.
c) [TB] No pueden operar en red
aislada ni colaborar con el
control de la frecuencia.
d) [TB] Tienen peor accesibilidad
y el alternador es más caro.
T. FRANCIS vs T. KAPLAN:
(salto entre 30-75 m)
a) [TF] Coeficiente de cavitación
más favorable.
b) [TF] Mayor rendimiento
óptimo del equipo (>50m).
c) [TF] Menor velocidad de
embalamiento.
d) [TK] Mayor campo de
aplicación, mejor rendimiento
a cargas parciales.
e) [TK] Mejor adaptadas para
saltos oscilantes.
f) [TK] Mayor V. síncrona.
T. FRANCIS vs T. PELTON:
(salto entre 200-750 m)
a) [TF] Doble de V. síncrona para
el mismo salto (alternador más
chico)
b) [TP] Mejor rendimiento con
cargas parciales.
c) [TP] Ambos se deterioran por
igual con agua con
sedimentos, pero la TP tiene
las partes dañadas visibles.
d) [TP] Implantación más sencilla
(al aire) y económica.

MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN

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