turbina de flujo cruzado

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.\-iu$1qdú\olu'!r,'ici gdJ
Serie MHPG
Aprovechamiento de la. fuerza hidráulica
en pequeña escala
Volumen 3
Diseño e ingeniería de
equipamiento de una
turbina de flujo cruzado
/c
E
Al
-\
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Y
'rn
tl'
r
i
Contenido
Agradecimientos
3.
............. 6
Diseño e ingeniería de equipamiento de una turbina de flujtl cruzacjo
Agradecimientos
Queremos agradecer a Ia SDC, CooperaciÓn Suiza para el Desarrollo,
HELVETAS, Schweizerische Gesellschaft fÜr Entwicklung und
Zusammenarbeit, y Deutsche Gesellschaft fÜr Technische Zusammenarbeit
(GTZ) GmbH por su apoyo financiero a esta publicación. Nuestros
agradecimientos van a la SDC por financiar nuestro trabajo y también los
costos del tiraje de esta publicaciÓn, a HELVETAS por financiar la instrucciÓn
de K.B. Nakarmi, y a la GTZ por financiar, a través de la iniciativa del señor
K. Rudotph, la prueba de la turbina T12 en el Hong Kong Polytechnic y la
producción piloto de la misma turbina durante un curso de instrucción
financiado por la GTZ en Balaju Yantra Shala (P) Ltda., Nepal.
También agradecemos al Prof. B. Buchelt y al lng. M. Viertler de EFG,
Energieforschungs- und Entwicklungs Ges.m.b.H, & Co., Austria, por su
invalorable aporte técnico.
Agradecemos al ayudante de la investigación, al señor chiu Kong, bajo
supervisión del señor M.J. Pomfret, jefe del Departamento de lngeniería
Mecánica y Naval del Hong Kong Polytechnic, por la ejecuciÓn segufa y
profesional de las pruebas de la turbina modelo T12.
Nuestros agradecimientos también hacemos llegar al señor S. Devkota,
gerente general de BYS, y a su personal, especialmente al señor M. Sharma,
por su gran compromiso personal por la fabricación de un equipo de alta
calidad.
Por último, agradecemos a la señora Silvia Ndiaye por la minuciosa
corrección y al señor Werner Fuchs, jefe de las publicaciones en SKAT, por
la edición y el diseño de esta publicación.
los autores
St.Gallen, 12 de febrero de 1993
lntroducción
l.
lntroducción
Esta publ¡cación ,,Diseño e ingeniería de equipamiento de una turbina de
flujo cruzado" es el volumen 3 en la serie ,,Aprovechamiento de la luerza
hidráulica en pequeña escala" del ,,Micro Hydro Power Group" (lvlHPG).
Consiste de un juego completo de dibujos originales para la fabricación de
la turbina de flujo cruzado T'1 2 y contiene las informaciones requeridas para
determinar el ancho de admisión y el número de discos intermedios para
la turbina dentro de su alcance de aplicación específica.
Esta publicación está basada en la expenencia de SKAT por varios años
de desarrollo en el campo de la fuerza hidráulica en pequeña escala.
Algunos de los miembros de este equipo trabajaron en Nepal en el taller
mecánico BYS (Balayu Yantra Shala (P) Ltda.). BYS desempeñó un rol de
inmensa importancia en el desarrollo de las turbinas de flujo cruzado, que
empezó en 1973 con la primera turbina de flujo cruzado T1. El trabajo de
investigación y desarrollo en BYS culminó con la construcción de la turbina
de flulo cruzado T12, la que ahora están fabricando con éxito en BYS.
En 1990, la GTZ ha financiado la examinación de la turbina T12 en los ,,Fluid
el Hong Kong Polytechnic. Los datos del
rendimiento verificados durante las pruebas forman la base para los cálculos
y los gráficos usados en esta publicación.
Mechanics Laboratory" en
El diseño de la turbina de flulo cruzado T12 incluye los últimos resultados
del trabajo de desarrollo y de la experiencia adquirida en un amplio rango
de diseños de turbinas en Nepal y en otros países. Diseños anteriores, como
las turbinas f3 y T7 , también fueron publicados anteriormente por SKAT.
Fueron turbinas muy simples, diseñadas para un alcance de pequeña
aplicación y para la fabricación en pequeños talleres con equipos básicos.
La turbina de flujo cruzado Tl2 es un diseño más robusto y la turbina está
construida para una mayor estabilidad. De cualquier modo la fabricacrón
de la turbina requiere niveles más altos de ingeniería de producción y
control de calidad además de una maquinaria de producción más
sofisticada.
Se puede adaptar la turbina T12 a un extenso rango de aplicación. Para
caídas y caudales variables, los únicos parámetros que tienen que estar
apropiados, son el ancho de admisión y el número de discos intermedios.
r
Diseño e ingeniería Ce equipamiento de una turbina de flujo cruzado
2.
Nomenclatura
Hn",
Caída neta
y definiciones
Im]
i
CaÍda disponible para Ia turbina
(caída estática menos el total de las
pérdidas
de caida: pérdidas de
fricción en Ia tubería y otras pérdidas
rnternas), expresado como altura de
columna de agua.
Caudal
lllsl
Caudal de agua de descarga en la
turbina
= 0.92 para la turbina T12 (cuando
válvula está totalmente abierta)
Q,,,", Caudal esPecifico
bo
Ancho de admisión
[mm] El ancho de admisión
bo
significa
la
el
ancho de admisión de la carcasa de
la turbina
(bo
es 324 mm en
los
ejemplos de esta publicación).
P
Potencia
tkwl
Potencia disponible en
el eje del
rodete
Diámetro rodete
lml
= 0.3 m para la turbina
Eficiencia turbina
t-l
El valor de diseño es estimado a 0.7
para la turbina T12. (el valor efectivo
para un punto de trabajo determinado
está indicado en
T12
el gráfico 10,
Curvas de eficiencias isométricas.)
Velocidad de rotación [min-1] Número
de revoluciones por
minuto
del eje de la turbina.
r,,
Factor de velocidad
Disco intermedio
= 40 para la turbina flujo cruzada
discos intermedios
Selección del tamaño de la turbina T12
3.
Selección del tamaño de la turbina
T12
Se puede adaptar la turbina T12 fácilmente a un amplio rango de caída
neta y caudal, solamente eligiendo el ancho de admisión bo y el número
requerido de los discos intermedios. EI diámetro requerido del eje del rodete
también tiene que ser controlado. Por eso, los siguientes tres parámetros:
r
¡
r
ancho de admisión
bo
número de los discos intermedios
diámetro del eje del rodete
tienen que ser determinados según los pasos que serán explicados en
lo
sucesivo.
PASO
l: Tome los valores de diseño para caudal tO] V caída neta
[H,",1 designados por sus ingenieros para el diseño de la
turbina.
Llene en los espacios de
Hn",
y Q:
Im]
ll/sl
PASO
2: Encuentre el gráfico correcto para los valores de H,., Y Q
(establecidos en el paso l) para determinar el número
requerido de los discos intermedios.
En las páginas siguientes se puede encontrar diferentes gráficos, cada uno
tratando de cubrir un rango de sub-aplicación especÍfico de la turbina de
flujo cruzado T12. Para determinar la cantidad de los discos intermedios
requeridos para su turbina f 12, hay que introducir los valores H"", y Q del
paso 1 en los gráficos 0 hasta B. Si el punto de la intersección de la línea
de valores se encuentra dentro del alcance de la figura blanca o en su
límite, el número del gráfico es idéntico con el número correcto de los discos
requeridos. Hay que empezar en el gráfico 0 y continuar hasta que se
encuentre un gráfico, en el cual las necesidades de arriba esten satisfechas.
Nota:
:!
!i
I
En caso de que no se encuentre un gráfico donde el punto
de intersección de Hn",v Q no coincida estar dentro del
alcance de la figura blanca, signifíca que el diseño de la
turbina T12 no está adecuado para su necesidad. Se tiene
que elegir otro modelo de turbina.
Ejemplo: Se tierie que deterrninar el núrnero requerido de los discos
intermedios para una caída neta Hn", de 30.89 metros y un
cauciai Q de 497 i/s En el gráfico 3 el punto de la intersección
de estos valores H"., y Q se lo puede encontrar dentro del
alcance de la figura blanca y por eso el rodete tiene que tener
3 oisco interrnedios.
Diseño e ingeniería de equipamiento cje una turbina de flujo cruzado
10
lml
No se requiere discos intermedios
[l/sl
60
6 4
:f
(ú
o
c
¡
(ú
(6
C)
0l1CrO
150
200
250
300
350
400
Caudal Q [/s]
Gráfico 0: Alcance de aplicación para ningún disco intermedio en el rodete
si el punto de la intersección de los valores Hn", y e se encuentra dentro
o al borde de la figura blanca, no se necesita ningún disco intermedio en
el rodete.
r-l
net
lml
requerimiento de 1 (un) disco intermedio
il/sl
-
6
(d
0)
c
(ú
E
Caudal
Gráfico
l:
Alcance de aplicación para
l
a
[l/s]
disco intermedio en el rodete-
Si el punto de la intersección de los valores Hn", v O se encuentra dentro
o al borde de la figura blanca, se necesita 1 disco intermedio en el rodete.
I
f
Selección del tamaño de la turbina T12
H=
nel
Im]
o=
[l/sl
11
requerimiento de 2 discos intermedios
I
(ú
q)
C
(ú
13
(d
O
Caudal
Gráfico
2:
Alcance de aplicación para
2
a
[Vs]
discos intermedíos en el rodete
SielpuntodelainterseccióndelosvaloresHn",Yoseencuentradentro
en el rodete'
o al borde de la figura blanca, se necesita 2 discos intermedios
Hn",=
lml
O
tl/s]
requerimiento de 3 discos intermedios
(ú
c)
c
(ú
-I]
(!
O
20
400
450
500
550
Caudal
Gráfico
3:
A!cance de aplicación paía
a
600
b5u
fl/sl
3 disccs intermedios en el rodete
crnlr cJ3 la ii-r'¿r'stir_.ir-<,1, ¡¡ i,-.s'.,:ict:',: l-.,.;,C 3:,Jlc'.-relti': denlrc
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Sr ei
Diseño e inqeniería de equipanrienio de una turbi¡ia ce ilrtjo cruzado
l¿
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I
Url
lli sl
requerimiento de 4 discos intermedios
I
CÚ
0)
c
(d
(ú
O
Caudal
Gráfico
4:
a
[l/s]
Alcance de aptícación para 4 discos intermedios en el rodete
Si el punto de la intersección de los valores Hn", y O se encuentra dentro
o al borde de la figura blanca, se necesita 4 discos intermedios en el rodete.
H=
nel
lml
ll/sl
requerimiento de 5 discos intermedios
T
cd
0)
C
(ú
:o
(ú
O
Caudal O fl/sl
Gráfico
5:
Alcan-ce de aplicación para
5 discos intermedios en el radete
Si el punto de Ia intersección de los valores H.", y Q se encuentra dentro
o al borde de la figura blanca, se necesita 5 discos intermedios en el rodete.
Selección del tamaño de la turbina T12
U
t¡
[m]
net
il/sl
requerimiento de 6 discos intermedios
I
(ú
0)
c
(d
!
(ú
Caudal
Gráfico
6:
Alcance de apticación Para
a
[/s]
6 discos intermedios en el rodete
dentro
Si el punto de la intersecciÓn de los valores Hnu, Y O se encuentra
rodete'
el
en
intermedios
discos
6
necesita
se
blanca,
figura
o al borde de la
Hn"t =
[m]
a)
tl/sl
requerimiento de 7 discos intermedios
I
(ú
0)
c
(ú
!
(ú
O
Caudal
Gráfico 7:
Alcance de aplicación para
Qi
^t
^,,^r^
o al boroe
¡lc
¡3
i.
lr\',-.^-'.'^;l.n
a
[l/s]
7 discos intermedios en el rodete
rla
l¡'c
',cia'c'
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L-l
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cc
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1¿ fii;iira bi¡¡r,:a, se tre(.esiie 7 discos irriei-m:ij;'ls en ¿l r;C=ie
qlgno
14
e ingenierÍa de equipamiento de una turbina de flujo cruzado
l,
Lml
fl/sl
requerimiento de 8 discos intermedios
r
0)
c
ñ
E
(d
()
Caudal
GráÍíco
8: Alcance de aplicación para I
a
fl/sl
discos intermedios en el rodete
si el punto de la intersección de los valores Hnu, y e se encuentra dentro
o al borde de la figura blanca, se necesita 8 discos intermedios en el rodete.
PASO
3: Determíne el ancho de admisión
bo
Para cada instalación de turbinas hay que definir el ancho de admisión
La caída neta Hn", y el caudal e son factores decisivos.
bo,
Se puede calcular el ancho de admisión bo con la siguiente fórmula:
El ancho de admisión bo generalmente tiene que ser determinado con una
precisión de +1 mm.
Para controlar si los puntos del diseño están dentro de los límites hay que
controlar el ancho de admisión con el nomograma . Los valores para e y
Hn", tienen que ser registrados en el nomograma 1 de la siguiente manera;
.1
bo
=3.623
g
Hnet
r
Marque el valor de la caída neta Hn", (del paso 1) en Ia escala de la
izquierda.
r
r
r
Marque el valor del caudal Q (del paso
l)
en la escala de la derecha.
Trace una lÍnea recta entre estos dos puntos de las escalas
EI ancho de admisión bo está ahora determinado en la intersección de
esta lÍnea y la línea inclinada (escala bo).
Nota:
Sj alguno de los valores para e, Hn", o bo se encuentran por
encima o por debajo der arcance indicado en las escaras
respectivas, el diseño de la turbrna T12 no es conveniente para
esta aplicación, lo que significa que el diseño de la turbina T.12
no está adecuado para la caída y el caudal previstos.
Seiección del tamaño de la turbina T12
15
Ejemplo: Usted quiere determinar el ancho de admisión bo requerido para
- una caída neta Hn", d-e 30.gg m y un caudal Q- de 497 t/s. Et
valor calculado con la fórmula
bn=3.623
alcanza
9-3.023 -gJgo.gg
JHn",
a 324 mm. Esta es una medída
exacta.
El nomograma I da a conocer aproximadamente el mismo valor como el
cálculo. El punto de intersección encontramos de la siguiente manera: se
lraza una línea entre los valores conocidos Hn",=3O.gg m y e=4g7 l/s. La
línea lrazada c(uza la línea inclinada. El punto- de intersección nos indica
sobre la escala inclinada el ancho de admisión bo. Todos los valores están
dentro del alcance especificado.
'l$
soo
sos
1oo
o
a
c
E
f
(ú
O
Nomograma
1:
Determinación del ancho de admisión bo de ta Tl2
Ejemplo: Una caida neta Hn., = 3O.Bg m y un caudal
un ancho de admisión b, de 324 mm.
e= 4g7 l/s indican
?peño e inEeniei'ía de equipamienio de una turbina oe
flLrjo cruzado
Paso 4: !ínea d.d
Ei punto de intersección de los valores Hn", .v Q se elrcuentran por encrma
o por debajo de la iinea d-d mostrado en el gráÍlco 9.
punto de intersección abajo de la lÍnea d-d
Algún sistema de transmision entre turbina y generador es permisible.
punto de intersección arriba de la línea
d_d
Una fuerza inclinada adicional en el eje del rodete cjebida a fuerzas
producidas por elemplo por tensión de correas no es permisible, por tal
motivo ningún tipo de polea para correa está permitida en el eje del
rodete.
En caso de transmisión por correa, hay que acoprai ar eje der rodete un
ele de polea soportado separadamente.
Limites de aplicación de la turbina de flujo cruzado T12,
(potencia, rmp y línea d-d)
100
90
80
1
300
200
r 100
1
60.
r
50.
000
900
8oo
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700 :.
C
600 á
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(!
0)
c
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7
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5
4
o
o)
J.
.lE
z
rw
200
300
400
500
Caudal
Gráfico 9:
a
600
fl/sl
Caída neta o número de revoluciones contra
mites de aplicación, potencia y tínea d-d
el caudal,, mostrando
lí-
Selección del tamaño de la turbina Ti
paso
2
17
5: como se adecuan los dibujos originales de la turbina T.t2
al ancho de admisión bo determinado a través det p?so 3
Las dimensiones del juego de planos adjunto de la turbina Tl2 son
oara
un ancho de admisión bo de 324 mm (como fue calculado en el elemplo).
Esta dimensión de 324 mm es la distancia entre las dos paredes laterales
de la entrada de agua (vea sección A-A en el dibujo Tj2iGl).
cuando se calcula el ancho de admisión bo con su Hn., y e, er b^ no
resulta ser el mismo como el bo = 324 mm de nuestro ejemplo. poi tal
motivo tiene que adaptar sus planos a la dimensión de bo encontrada.
Todas las dimensiones en los planos de la turbina T12 que están
marcadas con un asterisco (*) tienen que ser recalculadas y modificadas
antes de ser fabricada la turbina T12.
Normalmente, esto se puede hacerlo con la fórmula siguiente
Dimensión en el dibujo original (marcada -)
+
ancho actual de admisión bo (Oaso 3)
ancho de admisión del dibujo origrnal (324 mm)
=
dimensión modificada
(vea ejemplo
1)
Ejemplo 1: El largo total del eje del rodete tiene que ser calculado para
un ancho de admisión bo de 580 mm (dimensiones en los
dibujos T12lB1-1 y T12131-2). Los dibujos originates hechos
para un ancho de admisión bo de 324 mm indican un largo
total del eje del rodete de 872- mm. Entonces el largo total
del eje ciel rodete para un ancho de admisión bo de S80 mm
L = 872' + 580 - 324 = 1128 mm.
La distancia entre los ejes centrales de dos perforaciones de los marcos
de la carcasa tiene que ser recalculada. lnicialmente hay que calcular la
distancia total entre las dos perforaciones extremas. Luego se tiene que
controlar la distancia central indicada en los dibujos origrnales. Hay que
elegir el número de divisiones de manera que la distancia central sea similar.
No es necesario que todas las distancias centrales sean iguales. Algunos
ajustes se hacen con sentido común (vea ejemplo
Ejemplo
2).
2: áay que determinar el número de perforaciones y
ias
distancias de los ejes centrales para Ia fijación de la tapa
superior (vea el dibulo f12iG3) para una turbina de un ancho
de entrada bo = 580 mm
El drbulo original rnuestra seis perforaciones con una distancia
centrai de 81'rnrn y una distancia toial de 5'x B1'= 405mm Según el cálculo cjel ejemplo 1, la nueva drstancia total
será de 405'+ 580 - 324 = 661 mm. El número de divisiones
^^-.^t^.t,..
5U
Ldti.-uld
661/8i =
8.16
con ésto, ha.v clue elegii-8,Jir,,isicnes
18
Diseño e ingenieria de equipamiento de una turbina de flujo cruzado
Esto ouiere decir
I
perforaciones con
I
divisiones, para tener ciivisiones
cle
similar distancia, se puede hacer 3 divisiones de la derecha y de la
izquierda con una distancia de 83 mm (entre ejes centrales de los agujeros),
mientras que las dos divisiones restantes en el centro, serán separadas por
una distancia de 81.5 mm cada una.
Esto equivale a una distancia iotal de (6 x B3mm)
+ (2x
B1.Smm)
= 661mm.
dibujo original
bo = 324 mm
8t',
81', 8t',
81', 8t'
dibujo adecuado
bo
=
580 mm
83' ,8r.5' ,El.5. ,
83.
¡i.'
&
E
E-
tt
t
lnformaciones adicionales para
j
1
:
4.
ingeníeros
1o
lnformac¡ones adicionales para
ingenieros
¡
4.1
Gálculo de la turbina T12
Las fórmulas para el cálculo de los valores para el diseño de la turbina
son
las siguientes:
Fórmula (1): Ancho de admisión
bo
O
_ 1
^" Q,l'"r'D JHn",
para
admisión
Hn", Caída neta
O Caudal
T12:
bo=3623
"
-+=362s
JHn",
Fórmula (2): Potencia en
Ancho de
[mm]
im]
[t/s]
Q,,,", Caudal específico
D ;i;11,3'.1 :::,'j""'',,",
#
Jso.89
u
= 0.3 m para la turbina T12
el eje
.tl
102
p _ Q.Hn",
P
q
Potencia
Eficiencia de ta
tkwl
turbina
t-l
= 0.7 para la turbina T12
Fórmula (3): rpm de la turbina
n=+.F;
n
o,,
para T12:
n=
133
Número de revoluciones [min-]]
Factor de velocidad
= 40 para la turbina T12
.'F;
Ejemplo: calculamos el ancho de admisión bo, la potencia en el eje p y
el rpm n para una caída neta Hn", = 30.89 m y un caudal e =
497 lls según ras fórmuras arriba indrcadas de ra siguiente
manera:
L=324mm
- =--1.u -$=3.623
Ql rrax
Jso.gg
JHn",
bo
497.30.89.0.7
- Q.Hn",.l
"'
r=
1A2 =
102
.-
rr
n__
,¡11
=105kW
L,
F;=:
- -f,-'Vnr]er - IJJ.VJU.OV = /+ tmin
U
.1
2l
Diseño e ingeniei-ía de equipamiento cje una iurbina de Ílujo cruzado
+. ¿,
Límite-s de anli¡:ae!Án
Los lírnites de aplicación para la turbina de flujo cruzado T12 pueden ser
resumidos de la siguiente manera:
Hn"r CaÍda neta
O
Caudal
P
Potencia eje
bo Ancho entrada
lÍmite inferior
lÍmite superior
[m]
4
50
il/sl
100
820
[kW]
10
250
[mm]
100
Número de discos intermedios t-l
Nota:
1
120
0
B
Los límites arriba indicados deberán ser necesariamente
respetados, a causa de las siguientes razones técnicas y
constructivas: Diseño practico, costos relativos, aislamiento
de la válvula en posición cerrada, fuerzas de apertura y cierre
a la válvula, resistencia de los segmentos del rodete,
resistencia de la uníón de los discos laterales al eje del
rodete, diámetro del eje, etc.
En el gráfico 9 se muestran curvas para diferentes potencias P. La fórmula
correspondiente es:
D
_ Q'Hn"t 'rl
102
Se puede leer el número de revoluciones n aproximado de la turbina en la
escala vertical del lado derecho del gráfico 9. El valor exacto se calcula
con la fórmula siguiente:
',=f
..F;=fr .m=133.ffi
Ejemplo dentro de los límites:
Para una caÍda neta Hn", = 30.89 m y un caudal Q
siguientes se los puede determinar en el gráfico g:
= 497 l/s, los
valores
r
El punto de intersección de los valores Hn", y Q se encuentra dentro
del alcance de la figura blanca, lo que quiere decir que el diseño de
la turbina T12 es adecuado.
r
r
La potencia en el eje alcanza un poco más de 100 kW.
El número de revoluciones n es aproximadamente 740 rpm
Ejemplo fuera de los límites:
Hn"t
=6m!Q=2001/s
Aunque ambos,
Hnu, y Q están dentro de los límites, el punto de intersección
en gráfico 9 se encuentra fuera de la figura blanca. por lo tanto, bajo estas
condiciones, la turbina T12 no podrá ser utilizada.
lnformaciones adicionales para ingenieros
o
(J
(J
&
U'
o.z
o
E
:o
(0
O
40
50
Factor de velocidad
n',,
Gráfico 10: Gráfico isométrico de eficíencias para Ia turbina 712
22
Diseño e ingeniería de equipamiento de una turbina de flujo cruzado
á
08
E
o
0.7
scF/"
7ú/o
60%
9e/"
$ry/"
10e/"
Apertura de la válvula
Gráfico 11: Caudal relativo UQ^o contra la apertura de la válvula para
la turbina
Tl2
Q,"" representa el caudal máximo de la apertura total. Para cerrar la entrada
de una turbina T12 enteramente, la válvula tiene que ser girada unos 20o
de la posición completamente abierta. La relaciÓn entre la apertura de la
válvula en 7. y en o (grados) es la siguiente:
Apertura de la válvula en
100"4
"A = *
o/
_lo
=
'apenura en"
5;'aPertura
en
o
Una apertura de la válvula de 0 % significa una posiciÓn de la válv-ula
completamente cerrada y una apertura de 100 % significa una posición
enteramente abierta.