Universidad Nacional De Jaén CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL Ing. Kenny D. Toledo Calla Desarrollo de actividad 14-15 Euder Flores Guerrero VII 2017110284 SEMANA N° 14, 15 JAÉN-PERÚ SETIEMBRE-2020 UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL ACTIVIDAD Realizar una investigación científica de tres tipos de Turbinas en una Central Hidroeléctricas, recomendar cuál de las tres presenta mejor desempeño de trabajo. TRES TIPOS DE TURBINAS EN UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICAS Euder Flores Guerrero Universidad Nacional De Jaén; [email protected] RESUMEN El presente trabajo de investigación es determinar cuál de los tres tipos de turbinas es más favorable, como también determinar los parámetros adecuados para los tres modelos de turbinas: de pico turbina Pelton, Turbina Francis y La Turbina Kaplan para generar energía eléctrica en zonas rurales, en base a la energía hidráulica del agua. A base de esta investigación servirá para poder realizar futuras investigaciones en diferentes partes del mundo que poseen semejantes condiciones geográficas. El objetivo general de las turbinas es la producción de energía eléctrica, para acoplarla a la red de suministro. En estas situaciones, suelen emplearse turbomáquinas. Para ello, la energía mecánica generada en el eje se utiliza para mover una máquina eléctrica generadora (generador eléctrico o alternador). PALABRAS CLAVES: Turbina, energía, electricidad, pico central, turbina Pelton, rodete, álabes, presión atmosférica, tobera, tubo de aspiración. EUDER FLORES GUERRERO - CÓDIGO: 2017110284 - FECHA: 18/09/2020 UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL THREE TYPES OF TURBINES IN A HYDROELECTRIC PLANT ABSTRACT The present research work is of a basic type and correlational level. The main objective of the research work is to determine the appropriate parameters for the three models of turbines: Pelton peak turbine, Francis turbine and Kaplan turbine to generate electrical energy in rural areas., based on the hydraulic energy of the water. A base of this investigation will serve to be able to future investigations in different parts of the world that have similar geographic conditions. The general objective of the turbines is the production of electrical energy, to couple it to the supply network. In these situations, turbomachines are often used. For this, the mechanical energy generated in the shaft is used to drive an electrical generating machine (electrical generator or alternator). KEY WORDS: Turbine, power, electricity, central peak, Pelton turbine, impeller, blades, atmospheric pressure, nozzle, suction tube. EUDER FLORES GUERRERO - CÓDIGO: 2017110284 - FECHA: 18/09/2020 UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL INTRODUCCIÓN La turbina hidráulica es el equipo esencial de una central hidroeléctrica. A partir de la energía cinética y potencial que posee el agua, se consigue una energía mecánica que se transfiere a un eje conectado a un generador que produce energía eléctrica. Las turbinas hidráulicas se clasifican en dos grupos: turbinas de acción y turbinas de reacción. El propósito de las turbinas, es la obtención de energía mecánica a partir de energía de fluido. Para aplicaciones a pequeña escala, se puede emplear esta energía mecánica en infinidad de aplicaciones, tanto con turbinas turbomáquinas (un torno de dentista, donde aire a presión hace girar un rodete, a cuyo eje está acoplado el torno), como con turbinas de desplazamiento positivo (en un motor diésel). Dado que las máquinas de desplazamiento positivo son, en general, reversibles. es importante considerar que, cuando una turbina se emplea para generar energía eléctrica, el rodete no puede girar a cualquier velocidad, sino que, dado que el eje del rodete es común al eje del alternador, tiene que girar a una velocidad sincrónica (o síncrona), para que pueda producir corriente alterna compatible con los 50 Hz de la red europea, o los 60 Hz de la red americana, dependiendo de dónde se encuentre situada la turbina. Los Hz (hercios) son unidades de frecuencia correspondientes a un ciclo por segundo, lo que corresponde a unidades de 1/s (o, lo que es lo mismo, S-1) (González Marcos, 2009). EUDER FLORES GUERRERO - CÓDIGO: 2017110284 - FECHA: 18/09/2020 UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL METODOLOGÍA ASPECTOS GENERALES DE TURBINAS DE ACCIÓN Y REACCIÓN Turbinas: En ellas el potencial energético disponible en un chorro de vapor o gas es captada por una rueda provista de alabes. Por una parte, las Turbinas de acción y en otra parte las Turbinas de reacción. En las primeras la expansión del vapor se realiza en órganos fijos (toberas), y en las segundas en órganos móviles (rodetes). La turbina a reacción pura no es hoy una proposición práctica, por lo cual las hoy llamadas turbinas a reacción son realmente mixtas acción-reacción (Santibáñez de Murias, 2020). TURBINAS DE ACCIÓN Son aquellas que aprovechan únicamente la velocidad del flujo de agua para hacerlas girar. El tipo más utilizado es la denominada turbina Pelton, aunque existen otros como la Turgo, con inyección lateral. Hay tres tipos principales de turbinas hidráulicas: La rueda Pelton: Esta turbina se emplea en grandes saltos con poco caudal. Está formada por un rodete móvil con alabes de doble cuenco. El chorro de agua entra en la turbina dirigido y regulado por uno o varios inyectores, incidiendo en los alabes y provocando el movimiento de giro de la turbina. El inyector (o inyectores) dirigen agua a presión contra la serie de paletas en forma de cuchara montadas alrededor del borde del rodete, cada paleta invierte el flujo de agua, disminuyendo su energía, las paletas se montan por pares para mantener equilibradas las fuerzas en la rueda. Teniendo en cuenta el grado de incompresibilidad del agua, casi toda la energía disponible se extrae en la primera etapa de la turbina a diferencia de las turbinas térmicas. 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 boquilla eyectora que convierte la energía cinética del agua en un chorro a presión (Santibáñez de Murias, 2020). EUDER FLORES GUERRERO - CÓDIGO: 2017110284 - FECHA: 18/09/2020 UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL Estas turbinas tienen una alta disponibilidad y bajo coste de mantenimiento, además su rendimiento es bastante alto, tanto en condiciones nominales como en caudales hasta un 80% inferior al nominal. La versatilidad de este tipo de máquinas hace que sea muy apropiada en condiciones parciales de trabajo, además de permitir una amplia variación de caudales en su funcionamiento. Se puede instalar con eje horizontal o vertical, y con uno o varios inyectores. Turbina Pelton con los cangilones a la vista FUENTE: https://aprendecienciaytecnologia.com/2019/04/10/tipos-y-caracteristicasde-turbinas-turbina-pelton-francis-y-kaplan/ La turbina Francis: fue desarrollada por James B. Francis. Se trata de una turbina de reacción de flujo interno que combina conceptos tanto de flujo radial como de flujo axial. La Turbina Francis fue desarrollada en 1848 por el ingeniero estadounidense James B. Francis. En esa época, ya existían otro tipo de turbinas, sin embargo, está fue la más eficiente de la época (UNIVERSITY, 2019). Las turbinas Francis son turbinas hidráulicas que se pueden aplicar en un amplio rango de saltos y caudales, siendo capaces de operar en rangos de desnivel que van de los 10 m hasta varios cientos de metros. Como se observa en la imagen, en estas turbinas la dirección de entrada y salida del agua no coincide con el sentido de giro del rodete, ya que el agua, al pasar por el rodete cambia de dirección, velocidad y presión. De esta forma, la potencia producida irá en función de la carga perdida por el agua en su desplazamiento. EUDER FLORES GUERRERO - CÓDIGO: 2017110284 - FECHA: 18/09/2020 UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL Flujo dentro de una turbina francis FUENTE: http://informe34mh.blogspot.com/2015/05/cuarto-informe-turbinafrancis.html La de hélice o turbina Kaplan: La Turbina Kaplan fue obra del ingeniero austriaco Viktor Kaplan en el año 1912. El principal valor añadido en el diseño de este tipo de turbinas, fue que los álabes del rodete eran orientables, cosa que hasta entonces, en las turbinas conocidas como de hélice, los álabes del rodete eran fijos (UNIVERSITY, 2019). Estas emplean el mismo sistema que las Turbinas Francis, es decir, utilizan energía cinética y de presión para mover el rodete y la presión del agua a la salida es inferior a la de la entrada. Antes de llegar el agua al rodete, parte de la energía de presión que trae el agua en su caída se transforma en energía cinética en el distribuidor generando, de esta manera, energía eléctrica mediante un generador. EUDER FLORES GUERRERO - CÓDIGO: 2017110284 - FECHA: 18/09/2020 UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL Turbina Kaplan FUENTE: https://www.directindustry.es/prod/jm-voith-se-co-kg/product-394491997277.html Partes de una turbina hidráulica EUDER FLORES GUERRERO - CÓDIGO: 2017110284 - FECHA: 18/09/2020 UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL Después de realizar una breve descripción; pasamos hacer un breve análisis de resultados y discusión y detallar cuál es el tipo de turbina más adecuada y que presente un mejor desempeño en una central hidroeléctrica: RESULTADOS Y DISCUSIÓN Dentro de los tres tipos de turbinas, el más adecuado se opta por la turbina Pelton; por ser un poco más económicas y por su alto rendimiento, además que está formada por una rueda móvil con alabes en forma de doble cucharón. Sobre estos cucharones incide el chorro de agua a presión atmosférica que sale de la tobera del estator con una alta velocidad. Dentro de los resultados de nuestra investigación veremos la finalidad que cumple una turbina, es decir su función de ella. Así mismo, este tipo de turbina se utiliza con saltos hidráulicos altos, por encima de los 300 metros, con un rango de potencias de 400 kW a 110 MW. Son máquinas con una alta disponibilidad y bajo coste de mantenimiento, y su rendimiento es alto, pues supera el 90%. DETERMINACIÓN DE LA POTENCIA DE UNA TURBINA: Según (Ing. Polo Encinas, 1980). Cabe recalcar que estas curvas son extraídas del libro "TURBOMÁQUINAS HIDRÁULICAS" del Ing. MANUEL POLO ENCINAS y, por lo tanto, la numeración de las curvas será de acuerdo a esa obra. Como primera parte observaremos la del libro mencionado. Esta figura muestra la selección de turbina dependiendo solo de su carga (en metros) y su potencia (en kW). EUDER FLORES GUERRERO - CÓDIGO: 2017110284 - FECHA: 18/09/2020 UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL FUENTE: LIBRO_ TURBOMÁQUINAS_ HIDRÁULICAS Por otra parte, se hace el análisis de la potencia mediante la siguiente fórmula: POTENCIA EN KILO-WATTS: 𝑷 = 𝑸𝝆𝒈𝑯𝒏 𝑷 = Potencia 𝒈 = Gravedad 𝝆 = Peso específico del agua 𝑯 = Altura Neta 𝒏 = Rendimiento POTENCIA EN CABALLOS VAPOR: 𝑷 = 𝑸𝝆𝒈𝑯𝒏⁄𝟕𝟓 EUDER FLORES GUERRERO - CÓDIGO: 2017110284 - FECHA: 18/09/2020 UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL DETERMINACIÓN DEL RENDIMIENTO DE UNA TURBINA Procedimiento 1. Preparar la turbina para su funcionamiento según se ha descrito anteriormente, en este caso el tipo de turbina de Pelton; por lo que hemos visto es más eficiente. 2. Abrir todas las válvulas de aislamiento de las toberas, y ajustar la válvula de admisión para obtener una presión de entrada de 60 kN / m2. 3. Ajustar la carga de freno de manera que la turbina funcione a aproximadamente el 50 % de la velocidad sin carga. 4. Mantener estables la presión de entrada y la velocidad hasta que la temperatura del aire de entrada y de salida sea bastante estable. 5. Observar y anotar las indicaciones de todos los instrumentos. Anotar presión atmosférica. EUDER FLORES GUERRERO - CÓDIGO: 2017110284 - FECHA: 18/09/2020 UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL Cálculos Relación de presiones de la turbina; p2 Presión atmosférica. Rendimiento efectivo 𝒆⁄(𝒉𝟏 − 𝒉𝟐 ). Una vez realizado todo este proceso y los cálculos, se representa dicho mecanismo en expansión en un diagrama de una relación del rendimiento versus el caudal equivalente turbinado. FUENTE: WWW_ EFICIECIA_ DE_ UNA_ TURBINA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA En la generación de energía eléctrica para la red, las turbinas están casi omnipresentes. Las instalaciones donde se genera energía eléctrica a gran escala se llaman de forma general centrales eléctricas. Aunque la participación de diferentes tipos de centrales eléctricas en la generación global de electricidad depende del país, y el panorama va evolucionando con el tiempo (en este sentido, puede ser interesante consultar el recibo de la electricidad que llega al domicilio) (González Marcos, 2009). En la siguiente imagen se observa cómo esta turbina Pelton da origen a energía eléctrica: EUDER FLORES GUERRERO - CÓDIGO: 2017110284 - FECHA: 18/09/2020 UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO DE LA TURBINA PELTON: FUENTE: WWW_TRUBINA_EN_ ACCION_ PELTON EUDER FLORES GUERRERO - CÓDIGO: 2017110284 - FECHA: 18/09/2020 UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL CONCLUSIONES Las turbinas Pelton hidráulicas, se ve que tienen un alto porcentaje en rendimiento que incluso puede llegar al 90%; por lo tanto, es ideal para el mejor desempeño en el trabajo. Por otra parte, desde lo investigado, que la velocidad de agua en la entrada y salida del rodete es prácticamente la misma, siendo por tanto poco apreciables a las pérdidas de carga. EUDER FLORES GUERRERO - CÓDIGO: 2017110284 - FECHA: 18/09/2020 UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL RECOMENDAIONES Para un buen funcionamiento de la turbina, en este caso que hemos adaptado la de Pelton, por ser más eficiente, es necesario que incurra cierta cantidad de agua en el tambor, debido a la fricción que se produce al poner en funcionamiento la turbina; además revisar las conexiones eléctricas. Cuando las eficiencias hidráulicas son altas, con lo cual podemos afirmar que la transmisión de potencia del agua al rodete es óptima, con pequeñas pérdidas, para cuando se hace uso de la turbina de Pelton. EUDER FLORES GUERRERO - CÓDIGO: 2017110284 - FECHA: 18/09/2020 UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS González Marcos, M. P. (2009). Máquinasde Fluidos. En Introducción a las Turbinas Hidráulicas. (pág. 5). España: UPV/EHU. Ing. Polo Encinas, m. (1980). TURBOMÁQUINAS HIDRÁULICAS. México: Limusa. Santibáñez de Murias, J. B. (19 de Setiembre de 2020). Aspectos generales de las turbinas de acción y de reacción. Obtenido de http://members.tripod.com/mqhd_ita.mx/unidad2.htm UNIVERSITY, H. (10 de Abril de 2019). Tipos y Características de Turbinas: Turbina Pelton, Francis y Kaplan. Obtenido de https://aprendecienciaytecnologia.com/2019/04/10/tipos-y-caracteristicas-deturbinas-turbina-pelton-francis-y-kaplan/ http://repositorio.uncp.edu.pe/bitstream/handle/UNCP/3934/Garcia%20Ortiz.pdf ?sequence=1&isAllowed=y https://www.ceupe.com/blog/turbinas-hidraulicas.html EUDER FLORES GUERRERO - CÓDIGO: 2017110284 - FECHA: 18/09/2020
