INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MORELIA DIVISIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES Ingeniería Mecánica Máquinas de Fluidos Incompresibles Unidad 5. Turbinas Hidráulicas y Centrales Hidroeléctricas. Alumno: Adrian Huerta Uribe Profesor: Sergio Ramírez Navarro MORELIA, MICHOACÁN pág. 1 Mayo, 2020 Contenido Turbinas hidráulicas y centrales eléctricas. ........................................................................................ 3 Características generales y funcionamiento. ................................................................................... 3 Turbinas de acción y reacción......................................................................................................... 4 Triangulo de velocidades. ................................................................................................................... 7 Altura neta. Pérdidas, potencias y rendimientos. .............................................................................. 10 Tubo de aspiración. .......................................................................................................................... 15 Cavitación. ....................................................................................................................................... 16 Centrales hidroeléctricas. ................................................................................................................. 17 Problemas resueltos. ........................................................................................................................ 20 Bibliografía. ...................................................................................................................................... 21 pág. 2 Turbinas hidráulicas y centrales eléctricas. Características generales y funcionamiento. Una máquina hidráulica es un dispositivo capaz de convertir energía hidráulica en energía mecánica; pueden ser motrices (turbinas), o generatrices (bombas), modificando la energía total de la vena fluida que las atraviesa. En el estudio de las turbomáquinas hidráulicas no se tienen en cuenta efectos de tipo térmico, aunque a veces habrá necesidad de recurrir a determinados conceptos termodinámicos; todos los fenómenos que se estudian serán en régimen permanente, caracterizados por una velocidad de rotación de la máquina y un caudal, constantes. En una máquina hidráulica, el agua intercambia energía con un dispositivo mecánico de revolución que gira alrededor de su eje de simetría; este mecanismo lleva una o varias ruedas, (rodetes o rotores), provistas de álabes, de forma que entre ellos existen unos espacios libres o canales, por los que circula el agua. Los métodos utilizados para su estudio son, el analítico, el experimental y el análisis dimensional. El método analítico se fundamenta en el estudio del movimiento del fluido a través de los álabes, según los principios de la Mecánica de Fluidos. El método experimental, se fundamenta en la formulación empírica de la Hidráulica, y la experimentación. El análisis dimensional ofrece grupos de relaciones entre las variables que intervienen en el proceso, confirmando los coeficientes de funcionamiento de las turbomáquinas, al igual que los diversos números adimensionales que proporcionan información sobre la influencia de las propiedades del fluido en movimiento a través de los órganos que las componen. Turbina hidráulica: Una turbomáquina elemental o unicelular tiene, básicamente, una serie de álabes fijos, (distribuidor), y otra de álabes móviles, (rueda, rodete, rotor). La asociación de un órgano fijo y una rueda móvil constituye una célula; una turbomáquina unicelular se compone de tres órganos diferentes que el fluido va atravesando sucesivamente, el distribuidor, el rodete y el difusor. El distribuidor y el difusor (tubo de aspiración), forman parte del estator de la máquina, es decir, son órganos fijos; así como el rodete está siempre presente, el distribuidor y el difusor pueden ser en determinadas turbinas, inexistentes. pág. 3 El distribuidor es un órgano fijo cuya misión es dirigir el agua, desde la sección de entrada de la máquina hacia la entrada en el rodete, distribuyéndola alrededor del mismo, (turbinas de admisión total), o a una parte, (turbinas de admisión parcial), es decir, permite regular el agua que entra en la turbina, desde cerrar el paso totalmente, caudal cero, hasta lograr el caudal máximo. Es también un órgano que transforma la energía de presión en energía de velocidad; en las turbinas hélico-centrípetas y en las axiales está precedido de una cámara espiral (voluta) que conduce el agua desde la sección de entrada, asegurando un reparto simétrico de la misma en la superficie de entrada del distribuidor. El rodete es el elemento esencial de la turbina, estando provisto de álabes en los que tiene lugar el intercambio de energía entre el agua y la máquina. Atendiendo a que la presión varíe o no en el rodete, las turbinas se clasifican en: a. Turbinas de acción o impulsión. b. Turbinas de reacción o sobrepresión. Turbinas de acción y reacción. Turbinas de reacción. Turbina Fourneyron (1833), en la que el rodete se mueve dentro del agua. Es una turbina radial centrífuga, lo que supone un gran diámetro de rodete; en la actualidad no se construye. Ilustración 1 Turbina Foureyron. - Turbina Heuschel-Jonval, axial, y con tubo de aspiración; el rodete es prácticamente inaccesible; en la actualidad no se construye. pág. 4 Ilustración 2 Trubina Heuschel-Jonval. Turbina Francis (1849); es radial centrípeta, con tubo de aspiración; el rodete es de fácil acceso, por lo que es muy práctica. Es fácilmente regulable y funciona a un elevado número de revoluciones; es el tipo más empleado, y se utiliza en saltos variables, desde 0,5 m hasta 180 m; pueden ser, lentas, normales, rápidas y extra rápidas. Ilustración 3 Turbina Francis. Turbina Kaplan (1912); las palas del rodete tienen forma de hélice; se emplea en saltos de pequeña altura, obteniéndose con ella elevados rendimientos, siendo las palas orientables lo que implica paso variable. Si las palas son fijas, se denominan turbinas hélice. Ilustración 4 Turbinas Kaplan. Turbinas de acción. Estas turbinas se empezaron a utilizar antes que las de reacción; entre ellas se tienen: - Turbina Zuppinger (1846), con rueda tangencial de cucharas. - Turbina Pelton, es tangencial, y la más utilizada para grandes saltos, La turbina Pelton transforma la energía hidráulica en el impulso de uno o más chorros de agua a una velocidad muy alta a energía cinética (rotación). Generalmente se instala en una central hidráulica y se conecta a un tubo de presión desde una presa de gran altura. En la turbina, el agua se alimenta a una o más boquillas, y hay una pág. 5 aceleración violenta en el flujo de agua. El agua tiene una velocidad muy alta cuando sale de la boquilla y sube al impulsor de la turbina. El chorro de agua golpea varias palas en forma de cuenco, que son características del tipo de turbina. En el eje de la turbina hay un generador que produce energía eléctrica. Ilustración 5 Turbina Pelton. - Turbina Schwamkrug, (1850), radial y centrífuga. Ilustración 6 Turbina Schwamkrug. - Turbina Girard, (1863), axial, con el rodete fuera del agua; mientras el cauce no subía de nivel, trabajaba como una de acción normal, mientras que, si el nivel subía y el rodete quedaba sumergido, trabajaba como una de reacción, aunque no en las mejores condiciones; en la actualidad no se utiliza. pág. 6 Ilustración 7 Turbina Girard. Diseño de Álabes. - Turbina Michel, o Banki; el agua pasa dos veces por los álabes del rodete, construido en forma de tambor; se utiliza para pequeños y grandes saltos. Ilustración 8 Turbina Michel o Banki. Triangulo de velocidades. El intercambio de energía mecánica y de fluido en una turbomáquina se verifica únicamente en el rodete. Los restantes órganos de la máquina por donde circula el fluido son conductos o transformadores de energía que posee el fluido. El intercambio de energía se obtiene por una acción mutua (acción-reacción) entre las paredes de los álabes y el fluido. La acción resultante del rodete sobre el fluido será una fuerza, cuyo valor podrá calcularse mediante el principio de la cantidad de movimiento. Calculada esta fuerza, y su momento con relación al eje de la máquina, el cálculo de la energía que la máquina comunica al fluido es inmediato. De la misma manera se obtiene la energía que el fluido comunica a la máquina en una turbina. La energía que el fluido intercambia con el rodete puede ser de dos clases: energía de presión y energía cinética. La ecuación que expresa la energía por unidad de masa intercambiada en el rodete es la ecuación de Euler. Esta ecuación constituye una base analítica para el diseño pág. 7 del órgano principal de una turbomáquina: el rodete. La ecuación es de tal importancia que recibe el nombre de ecuación fundamental. El triángulo de velocidades se refiere al triángulo formado por tres vectores de velocidad: C: velocidad absoluta del fluido. W: velocidad relativa del rotor respecto al fluido. U: velocidad lineal del rotor. El ángulo formado entre la velocidad absoluta y relativa se denomina α y el formado por la velocidad relativa y lineal se denomina β. Ilustración 9 Sumatoria de velocidades. En este corte transversal de la bomba se representan la trayectoria relativa de una partícula de fluido en su paso por el rodete, la trayectoria absoluta en su paso por el rodete y entrada en la cámara espiral. La trayectoria relativa sigue naturalmente el contorno de los álabes, no así la trayectoria absoluta, porque los álabes del rodete están en movimiento. Si se trata de una corona fija las trayectorias absolutas y relativas coinciden. Ilustración 10 Trayectoria relativa y absoluta de una partícula dentro de la bomba. pág. 8 Como el rodete está girando a una velocidad angular ω, sus álabes tienen en los puntos de entrada la velocidad tangencial u1 (u1=ω*r1). Así pues, el álabe recibe el flujo a la velocidad relativa w1, diferencia vectorial de c1 y u1: A la salida del álabe se tiene: A la entrada existe un triángulo de velocidades, cuyos lados son c1,u1, y w1; y en el recorrido del flujo a lo largo del rodete, el triángulo va cambiando de forma, resultando al final el de salida, de lados c2,u2, y w2. Por ejemplo, para una bomba tenemos: Ilustración 11 Triángulo de Velocidades de una bomba. Formamos el triángulo de velocidad a la entrada: Ilustración 12 Triángulo de Velocidades a la entrada. pág. 9 A la salida tendremos: Ilustración 13 Triángulo de Velocidades a la salida. El agua entra en el distribuidor con velocidad c0 y sale del mismo con velocidad c1, encontrándose con el rodete que, si se considera en servicio normal de funcionamiento, se mueve ante ella con una velocidad tangencial u1. El agua que sale del distribuidor penetra en el rodete con velocidad absoluta c1 y ángulo α1. La velocidad relativa forma un ángulo β1 (ángulo del álabe a la entrada), con la velocidad periférica u1; la velocidad relativa a lo largo del álabe es, en todo momento, tangente al mismo. Puede suceder que el rodete inicie un aumento de la velocidad periférica u de tal forma que la nueva velocidad u1’ > u1 sea la velocidad de embalamiento; en esta situación el agua golpearía contra la cara posterior de los álabes al desviarse la velocidad relativa w1 en relación con la tangente al álabe, y la fuerza tangencial se vería frenada por la fuerza de choque; aunque el rodete gire sin control y sin regulación, existe una velocidad límite de embalamiento tal que: u1'= (1,8 ÷ 2,2)u1, por lo que el rodete no aumenta indefinidamente su velocidad. A la salida, el agua lo hace con una velocidad absoluta c2 siendo w2 y u2 las velocidades relativa y tangencial, respectivamente. Altura neta. Pérdidas, potencias y rendimientos. Pérdidas de carga. Las pérdidas de carga que tienen lugar entre los niveles del embalse y el canal de desagüe, aguas abajo de la turbina, se pueden resumir en la siguiente forma: pág. 10 Ilustración 14 Pérdidas hidráulicas en la turbina de reacción. ht es la pérdida de carga aguas arriba de la turbina, desde la cámara de carga (presa), hasta la sección de entrada en el distribuidor de la turbina; esta pérdida no es imputable a la turbina, siendo despreciable en las turbinas de cámara abierta; en cambio, en las turbinas de cámara cerrada, con largas tuberías con corriente forzada de agua, sí son importantes. hd es la pérdida de carga en el distribuidor. hd´ es la pérdida de carga entre el distribuidor y el rodete, sobre todo por choque a la entrada de la rueda. hr es la pérdida de carga en el rodete. hs es la pérdida de carga en el tubo de aspiración. hs’ es la pérdida de carga a la salida del difusor, por ensanchamiento brusco de la vena líquida; según Belanguer es de la forma: La potencia efectiva Hef es la energía hidráulica generada en la turbina y se calcula teniendo en cuenta: Ilustración 15 Turbina para realizar los cálculos de la potencia efectiva. pág. 11 tomando como plano de referencia el AA', aplicando la ecuación de Bernoulli a los puntos (1) y (2), e igualando ambas expresiones, se tiene: en la que Hef interesa sea lo más elevada posible; los valores de c1 y c2 son teóricos. Si no hay pérdidas mecánicas, Nef = N, siendo N la potencia generada en la turbina. Las diferencias de presiones y velocidades: p1 – p2; c12 – c22, deben ser grandes, para lo cual c2 y p2 deben tender a cero. Para determinar la ecuación fundamental de las turbinas, (y en general para cualquier turbomáquina), considerando los puntos (1) y (2), se tiene: Y aplicando el teorema de Bernoulli al fluido en rotación entre (1) y (2), y como (z 1z2=Hr), se obtiene la energía de presión en el rodete, en la forma: La ecuación fundamental de las turbinas queda en la forma: El rendimiento hidráulico de la turbina en función de los coeficientes de velocidad, pág. 12 suponiendo una entrada en la rueda sin choque, viene dado por: Para turbinas helicoidales, Kaplan, hélice, bulbo, etc, se tiene: En las turbinas hidráulicas, las pérdidas se pueden clasificar en la siguiente forma: a) Pérdidas de carga debidas al frotamiento del agua en la turbina (distribuidor y rodete), movimientos turbulentos, viscosidad y rugosidad de las paredes; las pérdidas que hasta este momento se han considerado son de este tipo, y a ellas corresponde el rendimiento hidráulico de la forma: b) Pérdidas de caudal q debidas a las fugas entre el estator (distribuidor), y la rueda móvil, a las que corresponde el rendimiento volumétrico: c) Pérdidas por rozamiento mecánico, en los órganos de transmisión tales como cojinetes y pivotes, por ventilación y por arrastre de los aparatos auxiliares como taquímetros, bombas de aceite, etc., correspondiendo a estas pérdidas el rendimiento orgánico o mecánico (pérdidas mecánicas): En la que la potencia útil, o potencia al freno, es igual a la potencia efectiva menos las pérdidas de potencia por rozamiento mecánico. La potencia útil es la potencia que se tiene en el eje, a la salida de la turbina: La potencia generada en la turbina es: pág. 13 Otros rendimientos manométricos son: Altura neta. En las TURBINAS DE REACCIÓN el salto bruto o altura geométrica H es la diferencia de niveles entre la cámara de carga y el canal de fuga a la salida del tubo de aspiración, es decir: Ilustración 16 Sistemas de admisión en flujo abierto. pág. 14 El salto o altura netos es la energía por kg de agua se pone a disposición de la turbina. En Europa se considera como turbina desde la entrada del distribuidor, punto M0, hasta el nivel del canal de desagüe, Ma, por lo que se tiene: En USA se supone que la turbina comienza a la entrada del distribuidor, punto M0, y termina en la sección de salida del difusor, punto M3, con lo que la expresión americana del salto neto es: Tubo de aspiración. Es un componente encontrado casi siempre en las turbinas de reacción, va instalado después del rodete y tiene forma de conducto divergente. Posee forma recta o acodada y se encarga de rescatar la altura que hay entre la salida del rotor y el nivel del canal de desagüe. También recupera parte de energía cinética perteneciente a la velocidad residual del fluido en la salida del rotor. Eventualmente puede encontrarse el tubo de aspiración en las turbinas de acción adoptando forma cilíndrica. Ilustración 17 Tubo de Aspiración. pág. 15 Cavitación. La cavitación es un fenómeno que se debe considerar en el diseño de una gran variedad de máquinas sobre las cuales hay fluido circulante. Bajo determinadas condiciones, la cavitación puede disminuir la potencia suministrada y el rendimiento de las turbinas; también puede producir vibraciones, ruido y la erosión de los materiales más cercanos. La formación de cavitación y sus consecuencias son función de muchos factores, tales como el diseño y tamaño de la máquina, la velocidad específica o el punto de funcionamiento, entre otros. Es necesario evaluar aún más la cavitación con datos ya existentes, hacer comparaciones en unidades con geometría similar y en unidades con diferentes velocidades. La evaluación debe ser auxiliada con estudios utilizando modelización y simulación para determinar el posible lugar de aparición de la cavitación. Desde el punto de vista de utilización, si la cavitación es inevitable, hay que saber si un determinado diseño de máquina, aunque con algunas restricciones, puede funcionar dentro de patrones aceptables. A menudo, la operación con alguna cavitación se tolera debido a necesidades operacionales. Las excitaciones debidas a la cavitación generalmente son de banda ancha y ocurren a altas frecuencias, dependiendo del tipo y del punto de funcionamiento de la máquina. Ilustración 18 Sitios donde ocurre la cavitación. La cavitación es el resultado de una reducción en la presión del liquido cuando se acelera al trasladarse a lo largo de superficies curvas. Los flujos cavitantes pueden erosionar las superficies sólidas al colapsar las burbujas y al aumentar la presión por encima de la presión de saturación del fluido. Existen varios tipos de cavitación, como, por ejemplo: 1. Cavitación de entrada extradós o cara de succión: puede producir erosiones profundas en un corto periodo de exposición. 2. Cavitación producida por vórtices a carga parcial: debida a las características del flujo que circula por los canales del rodete. pág. 16 3. Cavitación en las juntas: aparece en un flujo a alta velocidad resultado del contacto entre dos zonas a diferente presión. Es bien sabido que, si la presión de un líquido disminuye lo suficiente, comenzará a evaporarse; esto es: una parte de este sufrirá una transformación de fase, pasando del estado líquido al gaseoso. La presión a la que este fenómeno tiene lugar es la denominada presión o tensión de vapor de saturación (Pv), valor que depende fuertemente de la temperatura del fluido, incrementándose rápidamente con el aumento de la temperatura. En definitiva, la cavitación se produce por un descenso local de la presión por debajo de la de saturación del líquido que se traduce en la formación de vapor o gas y en la condensación brusca subsiguiente. Supone ni más ni menos que la ebullición del líquido a temperatura ambiente provocado por muy bajas presiones. Las burbujas se inician en las micro cavidades presentes en todos los líquidos, denominadas precisamente gérmenes o núcleos y dentro de ellas coexisten gas y vapor en equilibrio estable. La cavitación en máquinas hidráulicas es el resultado de una reducción en la presión del líquido cuando se acelera al trasladarse a lo largo de superficies curvas. El cambio de fase se originará en la superficie del sólido o bien en el medio fluido, donde se detecta vaporización de núcleos. Los flujos o las corrientes cavitantes pueden erosionar las superficies sólidas al colapsar las burbujas como consecuencia de un nuevo aumento de la presión por encima de la presión de saturación del fluido (y siempre que estas burbujas se encuentren lo suficientemente cerca de las superficies: ¡colapso no es sinónimo de erosión!) Esta es la razón fundamental por la que conviene evitar, en la medida de lo posible, la presencia de flujos cavitantes en máquinas hidráulicas. Centrales hidroeléctricas. Una central hidroeléctrica es aquella en la que la energía potencial del agua almacenada en un embalse se transforma en la energía cinética necesaria para mover el rotor de un generador, y posteriormente transformarse en energía eléctrica. Las centrales hidroeléctricas se construyen en los cauces de los ríos, creando un embalse para retener el agua. Para ello se construye un muro grueso de piedra, hormigón u otros materiales, apoyado generalmente en alguna montaña. La masa de agua embalsada se conduce a través de una tubería hacia los álabes de una turbina que suele estar a pie de presa, la cual está conectada al generador. Así, el agua transforma su energía potencial en energía cinética, que hace mover los álabes de la turbina. pág. 17 Ilustración 19 Principales partes de una central hidroeléctrica. Una central eléctrica no almacena energía, sino que su producción sigue a la demanda solicitada por los usuarios. Como esta demanda es variable a lo largo del día, y con la época del año, las centrales eléctricas pueden funcionar con una producción variable. Sin embargo, la eficacia aumenta si la producción es constante; para ello existe un camino para almacenar la energía producida en horas de bajo consumo, y usarla en momentos de fuerte demanda, mediante las centrales hidráulicas de bombeo. Estas centrales tienen dos embalses situados a cotas diferentes. El agua almacenada en el embalse superior produce electricidad al caer sobre la turbina, como antes se indicó, cubriendo las horas de fuerte demanda. El agua llega posteriormente al embalse inferior, momento en que se aprovecha para bombear el agua desde el embalse inferior al superior, usando la turbina como motor, si fuera reversible, o el alternador. Ilustración 20 Partes del funcionamiento de una central Hidroeléctrica de bombeo. pág. 18 Este tipo de central eléctrica cuenta con dos embalses a distinta altura que permiten almacenar el agua en los momentos de menor demanda y aprovecharla para generar energía en las horas de mayor consumo para satisfacer toda la demanda eléctrica. En las horas valle, generalmente durante la noche en los días laborables y los fines de semana, se usa la energía sobrante que además en esas horas tiene un coste más bajo en el mercado para elevar el agua contenida en el embalse situado en el nivel más bajo (1) al depósito superior por medio de una bomba hidráulica que hace subir el agua a través de una tubería forzada (2) y de la galería de conducción. El embalse superior (3) actúa, así, como un depósito de almacenamiento. Durante las horas pico, es decir, durante el día, la central de bombeo funciona como una planta hidroeléctrica convencional: el agua acumulada en el embalse superior cerrado por una presa (4) se envía por la galería de conducción (5) al embalse inferior. En este salto, el agua pasa por la tubería forzada, en la que adquiere energía cinética que se transforma en energía mecánica rotatoria en la turbina hidráulica (6). A su vez, esta se convierte ya en energía eléctrica de media tensión y alta intensidad en el generador (7). Para la regulación de las presiones del agua entre las conducciones anteriores se construye en ocasiones una chimenea de equilibrio (8). El paso siguiente son los transformadores (9), que envían la electricidad producida en la central por las líneas de transporte de alta tensión hasta llegar a los hogares e industrias de la red eléctrica (10) que la consumen. Por su parte, el agua, una vez generada la electricidad, cae por el canal de desagüe (11) hasta el embalse inferior, donde queda de nuevo almacenada. Por todo ello, las centrales hidroeléctricas de bombeo son eficientes en el almacenamiento de energía, suponen una solución de larga duración, favorecen la integración de las energías renovables en el sistema y ofrecen una gran rentabilidad. pág. 19 Problemas resueltos. pág. 20 Bibliografía. Central hidroeléctrica. (n.d.). Retrieved May 30, 2020, from https://www.foronuclear.org/es/100957-faqassobre-energia/capitulo-8/115751-105-ique-es-una-central-hidroelectrica Centrales hidroeléctricas - Iberdrola. (n.d.). Retrieved May 30, 2020, from https://www.iberdrola.com/medioambiente/central-hidroelectrica-bombeo Fernández Díez, P. (n.d.). DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA Y ENERGETICA UNIVERSIDAD DE CANTABRIA TURBINAS HIDRÁULICAS. Retrieved from http://www.termica.webhop.info/ Teoría elemental de las turbomáquinas. Triángulo de velocidades y ecuación de Euler « Ingelibre. (n.d.). Retrieved May 30, 2020, from https://ingelibreblog.wordpress.com/2014/09/08/teoria-elemental-delas-turbomaquinas-triangulo-de-velocidades-y-ecuacion-de-euler/ pág. 21
