turbina de flujo transversal o michell

TURBINA DE FLUJO
TRANSVERSAL O
MICHELL -BANKI
Mg. Amancio R. Rojas Flores
Mg. Amancio Rojas F.
1
TURBINA DE FLUJO TRANSVERSAL O MICHELL -BANKI
INTRODUCCION:
El inventor de la turbina de flujo transversal también conocida
como turbina Banki (o Michell-Banki) fue el ingeniero Australiano
A.G.M. Michell, quien obtuvo una patente para esta máquina en
1903.
La turbina fue basada en la teoría de Poncelet, ingeniero francés
(1788-1867) quien desarrolló la clásica rueda hidráulica de eje
horizontal.
2
El profesor húngaro Donat Banki en la ex Alemania Occidental hizo
un trabajo extensivo sobre esta máquina entre 1912 y 1918.
A través de una serie de publicaciones especificó que, para
obtener la máxima eficiencia, el ángulo con el cual el chorro
golpea al álabe debe ser tan pequeño como sea posible.
Basado en esta suposición calculó los ángulos de entrada y
salida del rotor, ancho del mismo, la forma del flujo a través de
éste, curvatura del álabe, etc.
Consideró todas las pérdidas posibles que ocurren en el inyector
y el rotor y expresó el rendimiento máximo posible como:
máx
D
 0.771  0.384
H
en el cual D es el diámetro de la turbina y H la altura total.
3
Sonnek (1923) modificó la teoría de Banki asumiendo un ángulo del
álabe constante e igual a 30º, con lo que la expresión del
rendimiento máximo resultó en:
máx
D
 0.863  0.264
H
Desde esa época fueron muchas la investigaciones realizadas sobre esta
turbina a través del tiempo, las cuales han introducido mejoras sustanciales
en la eficiencia de la misma.
4
CARACTERISTICAS GENERALES:
La turbina de Flujo Transversal o turbina Mitchell-Banki es una
máquina utilizada principalmente para pequeños aprovechamientos
hidroeléctricos.
Basa sus ventajas fundamentalmente en un sencillo diseño y fácil
construcción lo que la hace especialmente atractiva en el balance
económico de un aprovechamiento en pequeña escala. No
obstante esto no impide que la turbina se utilice en grandes
instalaciones.
Aunque la turbina de flujo transversal se conoce como una máquina de
pequeña escala, existen actualmente máquinas de este tipo de hasta 6
MW.
5
Las principales características de esta máquina son las siguientes:
· La velocidad de giro puede ser seleccionada en un amplio rango.
· El diámetro de la turbina no depende del caudal.
· Se alcanza un aceptable nivel de rendimiento con pequeñas turbinas
· Se puede regular el caudal y la potencia por medio de un álabe ajustable.
CAMPO DE APLICACION:
Fundamentalmente su aplicación se destina a la producción de
energía eléctrica en pequeña escala, o en otros casos, su eje se
acopla por correa a otros dispositivos mecánicos, y la energía
mecánica obtenida se utiliza directamente en trabajos de taller.
Las turbinas de flujo transversal poseen Números Específicos o
Velocidades Específicas que varían entre 18 y 60 para ns en
función del caudal, y entre 51 y 175 para ns en función de la
potencia.
6
Este tipo de turbina siempre son adaptadas individualmente a las
condiciones de servicio (caída/caudal) existentes en un
determinado salto de agua.
Campo de aplicación:
caídas:
caudales:
A = 2 - 200 m
Q = 0,04 a 12 m³/s.
potencias:
P = 2000 kW
7
Fig. 1 Entrada horizontal de agua
Fig. 2 Entrada vertical de agua
8
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO:
La turbina consta de dos elementos principales: un inyector y un rotor.
El agua es restituida mediante una descarga a presión atmosférica
El rotor está compuesto por dos discos paralelos a los cuales van
unidos los álabes curvados en forma de sector circular
El inyector posee una sección transversal rectangular que va unida
a la tubería por una transición rectangular - circular. Este inyector es
el que dirige el agua hacia el rotor a través de una sección que toma
una determinada cantidad de álabes del mismo, y que guía el agua
para que entre al rotor con un ángulo determinado obteniendo el
mayor aprovechamiento de la energía como se verá posteriormente.
La energía del agua es transferida al rotor en dos etapas, lo que
también da a esta máquina el nombre de turbina de doble efecto,
y de las cuales la primera etapa entrega un promedio del 70%
de la energía total transferida al rotor y la segunda alrededor del
30% restante
9
10
Los ensayos realizados por distintos investigadores sitúan el
rendimiento hidráulico de esta máquina entre un 65-70%, otros
autores mencionan un 61% aclarando que la segunda etapa
entrega un 17%, y en general muchos autores indican un 70%
hasta un 84%. Es interesante ver como se han desarrollado
algunos de estos ensayos y los resultados obtenidos, lo que se
muestra en las tablas 1 y 2
Parece adecuado, entonces, suponer en función del diseño
primario un rendimiento hidráulico nh del orden del 70% como
válido para dicho propósito.
11
Tabla 1: estudios teóricos sobre turbinas Banki
Tabla 2: estudios experimentales sobre turbinas Banki
12
DISEÑO CON ADMISION PARCIAL
Una característica atractiva de estas máquinas es la forma aplana
da de su curva de rendimientos.
Esto se logra con un diseño de la turbina con admisión parcial. Se
divide el rotor en 3 partes iguales y la admisión del agua se puede
realizar por 1/3, 2/3 o la totalidad del rodete.
Este tipo de diseño es el desarrollado por la firma OSSBERGER
que construye una máquina como se ve en la Figura 3.
Esta clase de admisión permite obtener una curva de rendimiento
como la de la Figura 3 en la cual se observa la comparación con la
curva de rendimiento de una turbina tipo Francis.
13
Línea
característica
del
rendimiento de una
turbina OSSBERGER
obtenida a partir de
las 3 curvas de
rendimiento de una
división de 1:2, en
comparación con una
turbina Francis.
Fig.
3
14
15
Comparación turbinas tipo FRANCIS versus OSSBERGER
BAJO CONDICIONES DE CARGA PARCIAL
(menor caudal de agua al de diseño):
a.- la turbina Francis es menos eficiente
b.- se puede producir cavitación en la turbina Francis, no así en la
Ossberger
c.- se pueden producir vibraciones en la turbina Francis, no así en
la Ossberger
Debido a todas estas consideraciones la turbina OSSBERGER
es, para pequeñas centrales hidroeléctricas, la solución ideal
debido a su sencillez, fácil operación, prácticamente nula
mantención requerida y confiabilidad,
16
Distribuidor
En la turbina dividida OSSBERGER, la entrada del agua
propulsora se gobierna por medio de dos palas directrices
perfiladas de fuerza compensada.
Las palas directrices dividen y dirigen la corriente de agua
haciendo que ésta llegue al rodete sin efecto de golpe - con
independencia de la abertura de entrada.
Ambas palas giratorias se hallan perfectamente ajustadas en la
carcasa de la turbina.
Las pérdidas por fuga son tan escasas que las palas directrices
pueden servir de órgano de cierre en saltos de poca altura.
17
De esta manera no es preciso que se prevea ninguna válvula de
cierre entre la tubería de presión y la turbina..
Ambas palas directrices pueden regularse independientemente
entre sí mediante una palanca reguladora a la que se acopla la
regulación automática o manual
18
Carcasa
Las carcasas de
las
turbinas
OSSBERGER
están construidas
completamente en
acero,
son
insuperablemente
robustas,
más
ligeras que las
carcasas
de
fundición gris y
resistentes
a
golpes y heladas.
19 una
Fig. 3 Construcción de
turbina OSSBERGER
Rodete
El rodete constituye la parte esencial de la turbina.
Es equipado de álabes, fabricadas de un acero perfilado laminado
brillante según un procedimiento bien probado, adaptadas a
discos finales en ambos lados, y soldadas según un
procedimiento especial.
Según sea su tamaño, el rodete puede poseer hasta 37 palas.
Las palas curvadas linealmente sólo producen un empuje axial
pequeño, por lo que se suprimen los cojinetes de empuje y de
collares múltiples con sus respectivos inconvenientes.
Tratándose de rodetes de gran anchura, las palas se hallan
apoyadas mediante arandelas intermedias. Antes de su montaje
final los rodetes son sometidos a un perfecto equilibrado.
20
Mg. Amancio Rojas F.
21
Alojamiento
Los cojinetes principales de las turbinas OSSBERGER están
equipados con rodamientos normalizados de rodillos a rótula.
El empleo de rodamientos para las turbinas hidráulicas ofrece unas
ventajas indiscutibles si, gracias a la construcción de las carcasas de
alojamiento, se evita la entrada de fugas de agua o agua de
condensación..
Esta es la característica fundamental de la construcción patentada
del alojamiento utilizado en las turbinas OSSBERGER.
Al mismo tiempo se centra el rodete en respecto de la carcasa de la
turbina.
Aparte de un cambio anual de la grasa, este alojamiento no
requiere ningún tipo de entretenimiento
22
Tubo de aspiración
La turbina OSSBERGER se basa en el principio de la libre
desviación.
No obstante, un tubo de aspiración es imprescindible para caídas
medianas y pequeñas.
Este tubo permite compaginar un montaje a prueba de crecidas con
un aprovechamiento sin pérdidas de toda la altura del salto.
Si el diseño de una turbina de libre desviación con un amplio campo
de aprovechamiento prevé la incorporación de un tubo de aspiración,
es preciso, por lo tanto, que se pueda regular la columna del agua de
aspiración.
Esto se consigue con una válvula de aireación regulable que influye
sobre el vacío en la carcasa de la turbina. Las turbinas de tubo
aspirante OSSBERGER permiten así un aprovechamiento óptimo de
saltos de hasta 2 m.
23
Comportamiento funcional
Debido a su propio sistema, las turbinas OSSBERGER no están
expuestas a la cavitación. La turbina será siempre arreglada
encima del nivel de aguas abajo.
Por consiguiente los ahorros serán esenciales con respecto a los
gastos civiles. Asimismo podrá operarse la máquina por toda la
gama de admisión sin restricciones
La velocidad de embalamiento relativamente baja de las
turbinas OSSBERGER permite la utilización de generadores
fabricados en serie.
Diseñada para funcionar durante decenios en régimen contínuo, no
requiere medios especiales para su mantenimiento. A menudo especialmente en el Tercer Mundo - su instalación y puesta en
marcha corre a cargo de personal no especializado.
24
Mg. Amancio Rojas F.
25
Un concepto de construcción económico
En un mundo cada vez más consciente de su entorno, se aspira al ideal
de aprovechar los recursos de la naturaleza sin pérdida alguna de su
sustancia ni perjuicio para el medio ambiente, por ejemplo produciendo
corriente eléctrica a partir de energías regenerativas.
La construcción de instalaciones hidroeléctricas tropieza, sin embargo,
con un inconveniente fundamental: los elevados costes de inversión que
supone su diseño y planificación, el dimensionado y la construcción, así
como la ejecución de las maquinarias y obras hidráulicas.
Las turbinas OSSBERGER se componen de elementos normalizados que,
de acuerdo con los requisitos de cada caso - es decir, según el caudal
nominal instalado y la altura del salto en cuestión - van formando
instalaciones completas hechas a la medida.
26
Mg. Amancio Rojas F.
27
Mg. Amancio Rojas F.
28
Mg. Amancio Rojas F.
29
Mg. Amancio Rojas F.
30