TURBINAS HIDRÁULICAS

*La turbinas hidráulicas es una maquina motora y por lo tanto esencialmente es una maquina  roto dinámica ,que trabaja a la inversa.

*Las turbinas hidráulicas son turbo maquinas que permiten la transferencia de energía del agua a un rotor provisto de alabes ,mientras el flujo pasa a través de estos.

ELEMENTOS CONSTITUTIVOS:

Canal de llegada o tuberías forzadas ,corresponde a la tubería de alimentación de la turbina.

caja espiral ,transforma presión en velocidad

Distribución ,transforma presión en velocidad  y actúa como tobera.

Rodete , es el órgano giratorio que tiene como función transmitir la energía del agua a la turbina .

Tubo de aspiración, sirve para descargar el agua a la salida del rodete de una turbina ,hacia el canal agua debajo de la instalación.  

CLASIFICACIÓN:

A.-SEGÚN EL GRADO DE REACCIÓN ( Gr):

   El grado de reacción de una turbina se define como la relación de la carga estática a la carga total transferida .

Gr   = E (estática)/ E (total)

 Gr =  (U²₁  -U²₂  + V²_r2 – V²_r1 )/ (V²₁  - V²₂  + U²₁  - U²₂   +  V²_r2  - V²_r1  )

Donde:

U₁  ......es la velocidad absoluta del alabe a la entrada o velocidad periférica a la entrada

U₂  ......es la velocidad absoluta del albe a la salida.

V_r1 .......velocidad relativa del fluido con respecto alabe de entrada

V_r2 .......velocidad relativa del fluido con respecto  alabe de salida

V₁  .......velocidad absoluta del fluido en la entrada

V₂  .......velocidad absoluta del fluido en al salida.

Las turbinas hidráulicas ,según el grado de reacción se clasifican en dos grupos, turbinas de reacción y de acción.

Si el grado de reacción es cero la turbina se llama de acción.

Si el grado de reacción es distinto de cero , la turbina se llama de reacción.

“Las turbinas de acción sonde admisión parcial  la presión del agua no varia en los albes .El rodete no esta inundado y se encuentra a la presión atmosférica.”

“Las turbinas de  reacción son de admisión total y la presión a la entrada del rodete es superior  al atmosférica y a la salida inferior donde la presión es baja .El rodete esta inundado.

TURBINAS DE ACCIÓN

El rodete trabaja a presión constante y carece de tubo de aspiración.

TUBERÍAS FORZADAS: la altura de presión aumenta a costa de la altura geodesia que disminuye .La altura de velocidad permanece constante si la sección de la tubería es también constante.

DISTRIBUIDOR :la altura de presión baja a cero (presión relativa ) ósea a la altura de presión atmosférica .La altura de velocidad aumenta por que el distribuidor transforma la energía de presión en energía cinemática.

RODETE :la altura de presión permanece constante todo rodete se encuentra a la presión atmosférica .La altura de velocidad disminuye ,por que la energía cinemática del chorro se va transformando en energía útil en el eje.

TURBINA DE REACCIÓN

TUBERÍA FORZADA: Igual que en las turbinas de acción .Si no hay tubería forzada el agua llega como en las turbinas de acción .La altura de velocidad.

DISTRIBUIDOR: la altura de presión disminuye pero no tanto como en als turbinas de acción .La altura de velocidad aumenta.

RODETE: la altura de presión igual disminuyendo hasta un valor menor que en las turbinas de acción .La altura de velocidad disminuye también , el rodete  transforma energía de presión y cinética en energía útil en el eje.

TUBO DE ASPIRACIÓN: la energía de presión aumenta desde un valor negativo hasta cero (presión barométrica).gracias al tubo de aspiración el salto de presión en el rodete ha sido mayor.

 En la actualidad prácticamente las únicas turbinas que se construyen son las que figuran en el cuadro siguiente:

*ACCIÓN:

solo se construyen prácticamente de flujo tangencial y  son las turbinas PELTON.

*REACCIÓN:

1.-DE  FLUJO DIAGONAL O FLUJO RADIAL:

1.1.-alabes fijos turbinas Francis.

1.2.-alabes orientales: turbinas DERIAZ (Francia de alabes orientales).

2.-DE FLUJO AXIAL:

2.1  alabes fijos: turbias hélice de albes orientales ,turbinas KAPLAN.

B.-SEGÚN EL NUMERO ESPECIFICO DE REVOLUCIONES:

La clasificación mas precisa de las turbinas hidráulicas es una clasificación numérica que se hace asignando a saber ,e l NUMERO ESPECIFICO DE REVOLUCIONES ,N_S..

N_S.=  N P^1/2_b  /  H^5/4.

Donde :

N..............numero de revoluciones.

P_b  ...........potencia en el eje, potencia al freno o útil.

H..............altura neta.

En esta clasificación solo hay un salto brusco cuado se pasa de un rodete de acción  aun rodete de reacción .Luego todos los tipos de turbinas clasificaciones según N_S pueden agruparse en los dos únicos tipos mencionados anteriormente: turbinas de acción y turbinas de reacción

TURBINAS DE ACCIÓN.: TURBINAS PELTON

Las turbinas de impulsión o de acción tiene la peculiaridad de aprovechar solamente la energía cinética del fluido ;no existe pues gradiente solamente la energía cinética del fluido; no existe ,pues gradiente de presión entre la entrada y la salida de la maquina .El grado de reacción es cero.

Entre las turbinas hidráulicas de este tipo lamas representativa y por así decir ,así la única es la PELTON, aun que también citar la MICHAEL BANKI de chorro cruzado ,pero esta poco generalizada y su estudio esta siendo impulsado en nuestro país por el ITINTEC, su empleo se halla limitado a muy pequeños saltos ( de 2 a100 metros).

En 1880 se construyo la rueda PELTON capaz de aprovechar la energía cinética de un chorro de agua  proveniente de una tubería de presión ,incidiendo tangencialmente sobre la misma.

En la turbina de pelton actualmente la energía cinética del agua en forma de chorro libre se genera en una tobera colocada al final de una tubería de presión .La tobera esta provista de una aguja  de cierre para regular el gasto , constituyendo el conjunto ,el órgano de alimentación y regulación de la turbina. el albe tiene la forma de doble cuchara , con una arista diametral sobre la que incide el agua produciéndose una desviación simétrica en dirección axial buscando un equilibrio dinámico de la maquina en esa dirección.

Encuentra justa aplicación la turbina pelton en aquellos lugares donde existen grandes saltos y caudales reducidos .

Su rango de aplicación esta limitado a velocidades especificas (N_S)bajas.

DESCRIPCIÓN:

Una instalación típica de turbinas pelton consta los siguientes elementos:

1.- codo de entrad.

2.-inyector, es le distribuidor de las turbinas pelton .Transforma la energía de presión del fluido en energía cinética consta de tobera y válvula de aguja .

3.-tobera.

4.-válvula de aguja .Se desplaza longitudinalmente .Tanto la boquilla como la aguja del inyector suelen construirse de acero muy duro.

5.-servo motor, desplaza mediante presión de aceite la aguja del inyector.

6.-regulador

7.-mando de deflector.

8.-deflector o pantalla deflectora ,sirve para evitar el golpe de arista.

9.-chorro.

10.-rodete.

11.-cuchara.

12.-freno de la turbina, (por chorro de agua ).Este pequeño chorro ,actúa sobre el dorso de los albes y frena el rodete.

13.-blindaje, protege la infraestructura .evita también las erosiones de la infraestructura.

CLASIFICACIÓN   DE  LAS  TURBINAS   PELTON  SEGÚN     N _S

 Toda turbina pelton , lo mismo que cualquiera otra turbina hidráulica , se caracteriza por un valor de N_S  que es el mismo para todos las turbinas geométricamente semejantes , independientes de su tamaño.

     N _S  = N P^1//2_b  /  H^5/4

Donde: 

    N _S  = N  , P_b  , H son respectivamente RPM útil y salto neto en el punto de rendimiento optimo dela turbina.

La turbina pelton cuyo    N _S    es pequeño , se llama n lentas y aquellas cuyo    N _S  es grande se llaman rápidas .Las lentas giran a velocidad relativamente mas baja que las turbinas rápidas, absorben relativamente menos caudal y se destinan a saltos mas elevados ; por eso tienen cucharas  pequeñas  generalmente a diferencia de as rápidas que tienen cucharas grandes y son utilizadas para saltos pequeños y caudales grandes.

TURBINAS PELTON DE EJE HORIZONTAL Y DE EJE VERTICAL

Las clasificación mas general que puede hacerse en las turbinas pelton es en tipos de eje horizontal y tipos de eje vertical.

En la disposición de eje horizontal el numero de chorros por rueda se reduce generalmente a uno o dos por resultar complicado la instalación e un plano vertical las tuberías de alimentación y las agujas de inyección ; la rueda queda sin embargo ,mas accesible para la inspección ,lo mismo que los inyectores , con lo que la reparación de averías pequeñas y desgastes por erosión pueden efectuarse sin desmontar la turbina .Encuentra así aplicación en sistemas de montaje , en aquellos  casos   donde se tienen aguas sucias que producen deterioros o notable acción abrasiva .Con el eje horizontal se hace también posible instalar turbinas gemelas para un solo generador  colocado entre ambas contrarrestando empujes axiales.

Con la disposición de eje vertical , se facilita la colocación del sistema de alimentación en un plano horizontal lo que permite aumentar el numero de chorros por rueda (4 a 6 ), se puede así incrementar el caudal y tener mayor potencia por unidad .Se acorta la longitud del eje de la turbina generador; se amengua las excavaciones se puede disminuir el diámetro de las ruedas y aumentar la velocidad de giro , se reduce en fin el peso de la turbina por unidad de potencia ,todo esto viene dando lugar a que encuentre mas partidarios la disposición en eje vertical .Conviene  reservar esta disposición de eje para aquellos  casos en que se tengan aguas limpias que no produzcan gran efecto abrasivo sobre los alabes e inyectores ,ya que la inspección y reparación se hacen mas difíciles.

TURBINAS DE REACCIÓN : TURBINAS FRANCIS

La turbina FRANCIS ,en al actualidad ,la turbina hidráulica típica de reacción de flujo radial .Lleva este nombre en honor del ingeniero JAMES BICHANO FRANCIS (1815 - 1892), de origen ingles y que emigro a ESTADOS UNIDOS DE NORTEAMÉRICA .Donde fue encargado de realizar algunos aprovechamientos  hidráulicos  utilizando turbinas centrífugas patentadas por SAMUEL DOWD  en 1838 ,pero los perfeccionamiento introducidos por FRANCIS ,fueron de tal naturaleza que se le dio su nombre.

La turbina FRANCIS a evolucionado mucho en el curso de este siglo ,encontrando buena aplicación en aprovechamientos hidráulicos de características muy variadas de carga y caudal. Su gran versatilidad ha hecho que la turbina FRANCIS sea  la turbina hidráulica mas generalizada en el mundo hasta el momento actual. De acuerdo con la ponderación de la carga sobre el caudal o viceversa se origina unas particulares características en la máquina que dan lugar a dos tipos, no siempre completamente definidos: La Francis Pura y la Francis mixta. 

En la f FRANCIS puramente radial prácticamente  toda la transferencia energética del fluido al rodete se efectúa mientras el agua pasa a través de los Alabes, todo  el tiempo en dirección radial y de afuera hacia adentro. Se justifica este tipo de FRANCIS pura en los saltos de agua con cargas relativamente  grandes y caudales relativamente reducidos.

En las FRANCIS mixta, el agua recorre los albes en dirección radial y de afuera hacia adentro solo en una parte de los mismos (la superior ), terminando  el agua su recorrido por entre los albes en dirección axial (vertical hacia abajo en las maquinas de eje vertical ), en cuya fase final trabaja como turbina axial.

La ponderación de la acción radial y de la axial puede establecerse  en forma gradual según las exigencias de la carga y caudal disponible .La FRANCIS MIXTA tiene su aplicación en los saltos de agua de cargas medianas y bajas con caudales medianos y relativamente grandes.

 DESC RIPCIÓN:

los órganos principales de una turbina FRANCIS , en el orden del paso del agua son: la carcasa ,el distribuidor ,el rodete móvil y el tubo de desfogue o espiración .

-CARCASA, CAJA ESPIRAL  O CARACOL : es un ducto alimentador de sección generalmente circular y diámetro decreciente , que circula al rotor (rodete)  , procurando el fluido necesario para la operación de la turbina  generalmente es de lamina de acero .De la caja espiral pasa el agua al distribuidor guiada por unas paletas dirección a se fijas a la carcasa en forma de portillos de acceso.

-DISTRIBUIDOR: lo constituye una serie de albes directores en forma de persiana circular ,cuyo paso se puede modificar con la ayuda de un servo motor , lo que permite imponer al fluido la dirección del ataque exigida por el rodete móvil y además de regular el gasto de acuerdo a la potencia pedida a la tubería .En el distribuidor se transforma parcialmente la energía de presión en energía cinética.

El distribuidor FINK es el distribuidor corriente en todas las turbinas de reacción sustituyendo ,al inyector de la turbinas PELTON .Algunas veces las turbinas de reacción si no interesa regular el caudal se instala sin distribuidor y otras también con distribuidor .de alabes fijos

-RODETE O ROTOR: esta conformada por una serie de alabes ,las cuales están soldados en un plato perpendicular al eje de la maquina ,de cuyo plato arranca siguiendo la dirección axial ,tomando en forma progresiva un alabeo y abriéndose hacia la dirección radial ,por lo que el conjunto representa un forma aborcadada ,tanto mas acentuada cuando mayor sea la acción axial exigida a la turbina.

-TUBO DE DESBOQUE O ASPIRACIÓN : da salida al agua de la turbina  y al mismo tiempo procura una ganancia en carga estática hasta el valor de la presión atmosférica ,debido a su forma divergente ,se tiene así a la salida del rodete una presión mas baja que la atmósfera y por tanto , un gradiente d expresión dinámica mas alta a través del rodete .Su forma puede ser simplemente cónica (tubo MOODY) o mas compleja cuando es acodada (la sección es cónica elíptica – cuadrangular ), la forma acodada permite colocar el rodete móvil mas próximo al nivel de aguas abajo, exigencia que se tiene particularmente en las maquinas de velocidad especifica alta, ósea las FRANCIS  MIXTAS, con mucha acción axial ,que emplea con grandes caudales.

 GRADO DE REACCIÓN

En la turbina FRANCIS el grado de reacción esta siempre comprendido entre cero y uno ,por lo general ,próximo a un medio, bien sea por encima o por debajo de este valor según as características de aprovechamiento , o lo que es igual ,según el valor de la velocidad especifica de la turbina .Para la FRANCIS pura la velocidad especifica e baja y relativamente es bajo el grado de reacción .La carga dinámica es alta por ser relativamente alta la carga en este tipo de turbinas ,dando lugar a velocidades absolutas de entrada altas ,ya que estas son proporcionales a la carga. En las FRANCIS MIXTAS sucede lo contrario ,las cargas son proporcionalmente bajas ,las velocidades especificas mas altas y el grado de reacción mas alto.

CLASIFICACIÓN DE LAS TURBINAS FRANCIS SEGÚN N_S:

Las turbinas FRANCIS cubren una gama grande de numero específico de revoluciones  N_S :45 A 1000 ; son corrientes las denominaciones de turbinas FRANCIS  lentas, nórmales rápidas y expresa.

Estas ultimas son casi ya axiales

Las FRANCIS normales son aquellas cuyo N_S esta entre 125 y 300 ,las lentas inferiores a125 y rápidas superior a 300.

 N _S  = N P^1//2_b  /  H^5/4

Donde:

P_b  ...........potencia útil en caballos de vapor.

N..............R.P.M.

H.............altura neta.

O sino:

N _S  = 3.65 N (Q n_t)^1/2  H^-3/4

n_t..............eficiencia total.

OTRAS TURBINAS DE REACCIÓN :TURBINAS KAPLAN Y DERIAZ

TURBINAS KAPLAN:

Es una turbina hidráulica  típica de  reacción de flujo axial que tiene verdadera importancia en al actualidad .La KAPLAN es una turbina de hélice con albes ajustables ,de forma que la incidencia del agua en el borde de ataque del alabe pueda producirse en las condiciones de máxima acción , cuales quiera que sean los requisitos de caudal o carga .Se logra así mantener un rendimiento elevado a diferentes valores de potencia.

La turbina KAPLAN debe su nombre al ingeniero VISCTOR KAPLAN(1876 - 1934), quien concibió la idea de corregir el peso de los albes automáticamente con las variaciones de la potencia .

La técnica constructiva de las turbinas hidráulicas poco desarrollada al comienzo del siglo ,hacia concebir la idea de KAPLAN como idea lizable .Pero con el avance del avance del siglo progresaba  el desarrollo tecnológico ,y la construcción de la turbina KAPLAN  fue imponiéndose en el campo de las cargas medias en el que la FRANCIS parecía insustituible.

Otras características de esta turbina son:

-se usa para grandes caudales con saltos pequeños y algunas veces medianos.

-tienen dimensiones reducidas.

-rendimiento alto con cargas variables.

-notable capacidad para sobre cargas.

-es muy fácil diseñar una turbina KAPLAN reversible ,es decir , que puede funcionan como turbina y como bomba son buen rendimiento.

ÓRGANOS PRINCIPALES DE UNA TURBINA KAPLAN:

Los órganos principales de una turbina KAPLAN son:

-CÁMARA DE ALIMENTACIÓN :suele ser de concreto en muchos casos ,debido a la gran capacidad de gasto que admite la turbina KAPLAN .La sección toroidal puede ser circular o rectangular.

-DISTRIBUIDOR :que sique a la camara de alimentación ,regula el gasto y ademas imprime al agua el giro ncesario ,en una zona de vértices libres ,que precede al rodete, propiciando el ataque adecuado del agua a los alabes para una transferencia de energía eficaz .Los alabes del distribuidor se ajustan automáticamente de acuerdo con la necesidad de la potencia , por medio de un servo motor ligado al gobernador que controla la velocidad del eje del grupo: turbina – generador.

-RODETE O ROTOR :de forma de hélice ,esta constituido por un robusto cubo, cuyo diámetro es del orden del 40 % al 50 % del diámetro al extremo de los albes en el cual van empotrados los albes encargados de efectuar la transferencia de energía del agua al eje de la unidad.

La robustez del cubo se justifica no solo por razones de resistencias mecánica de  reglaje del paso de los albes del rodete .los alabes del rotor tienen perfil de alabe de avión y desarrollo helicoidal..

-TUBO DE DESFOGUE :es casi siempre acodada y semejante al de la turbina  FRANCIS.

TURBINA DERIAS

En 1956 , el ingeniero SUIZO DERIAZ ,invento la turbina que lleva su nombre y sigue despreciando gran interés en la actualidad para la explotación de los saltos de mediana y gran altura .Esta turbina es presta tambien fácilmente  a su construcción como bomba – turbina reversible y presenta una nueva solución al problema de las centrales de acumulación por bombeo.

 La turbina Deriaz acopladas a un motor generador sincrónico constituye un grupo binario, que reduce el precio invertido en la maquina, utilizando una misma maquina hidráulica que actua como bomba y como turbina.

 Las primeras Deriaz se construyeron para la central de acumulación por bombeo SIR ADAM BECK en el Niagara de canada. Las segundas turbinas Deriaz del mundo entraron en funcionamiento en la central de AMAGAZE del Japón, En España la central de Valdecanas. En la Unión Soviética tiene gran utilización estas turbinas a tal punto que podría constituir la turbina básica de dicho país en la gama de 40 a 200 metros de altura.

 La turbina Deriaz, es una variante de bomba – turbina reversible, posee:

-         Funcionando como una turbina, mejor rendimiento que una turbina Francis de rodete análogo de álabes fijos a cargas intermedias.

-         Funcionando como bomba, mejor rendimiento que una bomba – turbina de álabes fijos.

El mecanismo de orientación de los álabes de una turbina Deriaz es análogo el de una turbina Kaplan.

TURBINAS TUBULARES O BULBO

De la familia de las turbinas hidráulicas, el de más reciente invención es la tubular ó  “grupos bulbo” que son turbinas hélice, de eje horizontal cuyo distribuidor y álabes pueden ser fijos o móviles.

 Su fabricación a sido requerida, debido a que las turbinas hélice o Kaplan clásicos, obligan instalacines extremadamente onerosas para caídas muy bajas, actualmente su campo de aplicación se extiende desde caídas muy bajas hasta caídas de 15 a 16 metros.

 En estos nuevos tipos, desaparece la cámara espiral o caracol, practicándose la alimentación directamente desde el embalse, por medio de un tubo de aspiración rectilíneo, que manda el agua sobre el rodete de la turbina atraves de unas paletas directoras. El rotor tipo helice con álabes fijos o ajustables, tiene su eje en la misma dirección del ducto facilitando el paso de grandes caudales de agua; otras ventajas que presenta sobre las turbinas Kaplan son:

-         El rendimiento del tubo de desfogue rectilíneo es mejor que el de un tubo de desfogue acodado.

-         La potencia específica característica (`potencia de una rueda de un metro de diámetro bajo un metro de caída) llega hasta 36 c.v.  comparado con el máximo de 27 c.v. para la Kaplan.

De lo anterior se deduce que, para las mismas dimensiones, la potencia es mayor; o bien, que para la misma potencia, las dimensiones son menores, con las ventajas consiguientes.

Entre sus limitaciones técnicas, tenemos:

-         La potencia unitaria de los bulbos esta limitada por las posibilidades de enfriamiento del alternador. En las micro centrales, el generador de un metro  a un metro y medio, se halla sumergido en aceite. Los grupos de gran potencia tienen el interior del bulbo lleno de aire comprimido.

-         El acceso al interior del bulbo es difícil.

-         Los límites actuales son diámetro del rodete 7 metros, potencia 40,000 c.v.

CLASES DE BULBOS:

A.- El primer grupo comprende bulbos de micro-centrales. Reservado a potencias bajas y a caídas de poca importancia (hasta 10 m.). El diámentro del rodete es de 2 metros a 2.5 metros lo más.

Constituye un conjunto de una pieza que comprende una turbina helice, que acciona directamente un generador asincrónico, este se encuentra encerrado en un bulbo hermético, con perfil hidrodinamico. El aceite además de servir de refrigerante, lubrica los cojinetes, aisla el estator y sella todo el conjunto contra entradas de agua, por encontrarse a presión ligeramente mayor.

Disposición interesante es la colocación de estos bulbos dentro de un sifón, para caídas muy bajas. Tal ordenamiento es extremadamente económico, debido a la supresión de todas las compuertas de protección, pues el corte de corriente esta provocado por el vaciado rápido del sifón por medio de una válvula de entrada de aire.

B.- El segundo grupo comprende lo que llamamos los bulbos de río de accionamiento directo, enfriados por aire. Reservado para potencias altas de rodete de 3 a 4.5 metros.

 Los bulbos de accionamiento directo se utiliza en los ríos importantes y en las platas mareomotrices.

 Este tipo de plantas pueden ser construidas en lugares donde exista una gran diferencia entre la marea alta y baja.

 El principio de operación es el siguiente, cuando la marea sube, el agua va del mar hacia una bahía cerrada siendo controlada por compuertas. En el momento que el nivel de las aguas llega a su máximo, las compuertas se cierran. A partir de este instante las aguas empiezan a bajar con lo cual empieza a crearse de un nivel hasta llegar a una carga máxima, cuando el nivel del mar corresponde a la marea baja, en este momento se vacía la presa formada haciendo que el agua pase atraves de las turbinas generándose una potencia hidroeléctrica.

ALTURA NETA :

Es importante determinar en que sección comienza la máquina (sección E) y en que sección termina (sección S). Sin esta determinación las dos expresiones de altura neta que vamos a dar a continuación resultan indefinidas.

 Según normas internacionales se tiene:

-         SECCIÓN E.- En todas las turbinas la sección de entrada se encuentra inmediatamente detrás de la válvula de admisión (compuerta; de mariposa o de rodillo, etc).

-         SECCIÓN S.- La sección de salida se encuentra:

A.- En todas las turbinas de reacción (Francis, Deriaz, Helice y Kaplan) en la sección de salida del tubo de aspiración.

B.- En todas las turbinas de acción (Pelton) en el punto de tangencia del eje del chorro con un círculo cuyo centro, es el centro del rodete.

PRIMERA EXPRESIÓN DE LA ALTURA NETA Y DE LA ENERGÍA NETA

**Altura Neta es la diferencia de alturas totales entre la entrada y la salida de la turbina. Esta diferencia es el incremento de la altura absorvida por la turbina.

**La energía neta es igual al decremento de la energía de presión que experimenta el fluido en la turbina, más el decremento de la energía geodésica, más el decremento de la energía dinámica.

SEGUNDA EXPRESIÓN DE LA ALTURA NETA Y DE LA ENERGÍA NETA

Definamos  la sección A : como el nivel superior del salto ,ósea cota máxima del salto explotado o cota del nivel superior del embalse , y la sección Z :como el nivel inferior de aguas abajo en el canal de salida.

     ..............pérdidas exteriores a la turbina ,incluye tanto perdidas antes de la turbina como perdidas después de la turbina .

            LA ENERGÍA NETA .- es la energía bruta menos la energía perdida antes de la turbina ,menos la energía perdida después de la turbina .

                    POTENCIAS –PERDIDAS Y RENDIMIENTOS

   POTENCIAS

-POTENCIA TEÓRICA (Potencia Hidráulica ):

. ....caudal

.....densidad del fluido

. ....altura neta

-POTENCIA UTIL (Potencia al freno ):

. ....torque

.....velocidad angular  .

-POTENCIA INTERNA

.....potencia perdidas por rozamiento mecánico.

                             PERDIDAS

PERDIDAS HIDRÁULICAS:

   Son de dos clases :perdidas de superficie, se producen por el rozamiento del fluido con las paredes de la turbina. Perdidas de forma ,se producen por el desprendimiento de la capa limite ,en los cambios de dirección y en toda forma difícil al fluido .

PERDIDAS VOLUMÉTRICAS :

  Son de dos clases :perdidas exteriores (qe) , constituye la salpicadura del fluido al exterior .perdidas interiores  (qi  ) representa la cantidad del fluido que no cede energía al rodete , sino que su energía se pierde por estrangulamiento en el exterior del rodete.

PERDIDAS MECÁNICAS

Las perdidas mecánicas incluyen perdidas por rozamiento del eje con los cojinetes ,en el mando distribuidor y accionamientos auxiliares .

                    RENDIMIENTOS

-RENDIMIENTO HIDRÁULICO:

.......Altura Neta.

......Altura Útil.

...perdidas interiores.

-RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO:

-RENDIMIENTO INTERNO:

Se concluye :                        

 -RENDIMIENTO TOTAL :

-RENDIMIENTO MECÁNICO:               

Entonces es evidente :

                       PARTE   EXPERIMENTAL

TURBINA PELTON

EQUIPO E INSTRUMENTOS

 1.- Turbina Peldon

      marca :Neyrpic TP 58

      Fabricado por :Sogreah – Suivant Plans

      Grenoble – Francia

      Dp = 30 cm.

      Código : VIA 565

      Numero de cucharas :21 (plástico)

2.- Tacómetro de doble escala

      Marca  :Hasler

      Escala alta (r.p.m)    Escala baja (r.p.m)

      Rango    0- 10,000          0 – 1,000

      Precision        0.2                  0.2

3.- Manómetros

A – MARCA :Alame acier

Fabricado por :Blondelle S.A

Paris – Francia

Brevete  SGDG de lectura izquierda

Naute Presicion

Rango:    0 – 10  M.C.A.

Precision :    0.1  M.C.A.

B – MCE s/n  - Parris

Rango :     0 – 50  M.C.A.

Precision :  0.5  M.C.A.

4.- Manometro diferencial

Marca  :  Samic

Fluido manometrico :  Mercurio

Precision  :  1 mm.

Tipo de lectura directa

5.- Tubo de Venturi

100     x  60

      Cd  = 0.9

6.- Dinamómetro de campo basculante

      M ......motor de campo basculante

      W......pesas variables

      P........contrapeso fijo

7.- Bomba centrífuga

      Marca : Bergeron

      Fabricado por :  Geurdin Const .  Chanrtres

      Pipo  AF 18          # 621537

      Gasto :  93 m / hora      H : 32 m.c.a.

       N = 2840 rpm          Código  : VIA 563

8.- Válvula de campana

PROCEDIMIENTO:

A.- PARA PONER EN FUNCIONAMIENTO LA BOMBA

          -Cerrar todas las válvulas  1,2,3 y 4

          -Cebar la bomba centrífuga

          -Poner en funcionamiento el motor de impulsión y esperar que se

           estabilice.

          -Poner en funcionamiento el acoplamiento electromagnético y esperar   

            unos cuantos segundos.                                    

          -Cuando el manómetro de salida de la bomba indica mas de 20 m , abrir                

            lo mas rápidamente posible la válvula de salida de esta bomba y

            esperar  que se  estabilice.

          -A ajustar las revoluciones de la bomba a la altura hidráulica deseada para

            la  experiencia ( 25 – 30m).

B.- PARA TOMAR LOS DATOS

          -Preparar la tabla  #1

          -Poner en funcionamiento la turbina mediante la volante de mando

            de la aguja d regulación (hasta su max . velocidad) y esperar que se

            estabilice unos cuantos minutos.

          -Colocar pesas la menor posible en el soporte especial y luego con el

            dinamómetro basculante equilibrar el torque producido por la maquina

            mantener en esta posición un buen  momento , antes de tomar las

            lecturas de H,W,N y Hg.

W ....Pesa colocada en el soporte especial (Kg.)

H......En el manómetro a la entrada de la turbina que representa la altura útil (m)

N......La rotación de la turbina en el tacómetro de embrague de lectura directa ,

         Instalado al final del árbol del dinamómetro basculante.

Hg....La diferencia de los niveles en el manómetro de mercurio en mm.

         -Agregar una siguiente pesa en el soporte y repetir el paso anterior . 

           Continuar de esta manera hasta obtener varios puntos.

         -Finalizada la experiencia , cerrar las válvulas de entrada a la turbina y

           después la de la salida de la bomba.

         -Poner a cero el mando del motor de inducción.

         -Apagar el motor de impulsión.

         -Dejar cerradas las válvulas mencionadas anteriormente.

  TABLA  # 1

CÁLCULOS :

-CALCULO DEL CAUDAL:

-CALCULO DEL TORQUÉ:

....Brazo  de palanca (71 cm   L.N.H)

...Peso de las pesas en Newton (dinamómetro bascular)

 -CALCULO DE VELOCIDADES :

 1.- Velocidad de salida del chorro

.....Altura neta

. ...Coeficiente e velocidad ( =0.97 L.N.H)

2.- Velocidad tangencial

....Velocidad angular Rad/seg.

....Radio medio del rodete ( 15 cm L.N.H )

-CALCULO DE LA POTENCIA AL RODETE:

.....Densidad del agua

....Coeficiente del diseño de la cuchara ( = 0.98 L.N.H )

....Angulo de salida ( = 21º L.N.H )

-CALCULO DE LA POTENCIA AL FRENO:

.......Velocidad angular (Rad / seg )

......Torque

-CALCULO DE LA POTENCIA HIDRÁULICA :

.....Peso especifico del agua

.....Altura neta

-CALCULO DE LA EFICIENCIA MECÁNICA:

-CALCULO DE LA EFICIENCIA HIDRÁULICA:

-CALCULO DE LA EFICIENCIA TOTAL:

-CALCULO DE LA POTENCIA DEL GENERADOR QUE LA TURBINA PUEDE  ABASTECER:

Algunas definiciones de potencias para este fin :

A.- POTENCIA EN LOS BORNES DEL GENERADOR

......Potencia Aparente

.....Factor de potencia usualmente

B.-POTENCIA TRANSMITIDA AL GENERADOR

.....Eficiencia del generador

C.-POTENCIA AL FRENO DE LA TURBINA

....Eficiencia de transmisión.

********Todo este capitulo se realiza con la potencia al freno , en el punto máximo de optimización de la turbina********

-CALCULO DEL DIÁMETRO DEL RODETE:

  Esta formula se deriva de consideraciones técnicas que relacionan la velocidad optima con el salto neto para un determinado ángulo de ingreso del chorro y coeficientes típicos para las perdidas del inyector y el rodete( N .....R.P.M).  

TABLA  # 2

TABULACIÓN DE LA RESULTADOS

 TURBINA DE FRANCIS

EQUIPO E INSTRUMENTOS:

1.-tanque de almacenamiento elevado de agua .

2.-tubería metálica de alimentación a la turbina .

3.-turbina FRANCIS de eje vertical.

4.-equipo neumático para la determinación del torqué

5.-compresora de aire.

6.-equipo para la medición del caudal ; vertedero ,linnimetro mecánico ,flotador.

7.-bomba para la elevación de agua.

*****En  uniforme deberá aparecer completamente detallado todo los accesorios de la instalación , con datos de placa y principales detalles de las maquinas tal como se hizo con la instalación de la turbina PELTON.

PROCEDIMIENTO:

1.-realizar una revisión total de las condiciones en que se encuentra el equipo.

2.-preparar la tabla # 1.

3.-cargar un determinado peso W el dispositivo especial para pesas.

4.-con el mando neumático aplicar los frenos y parar la turbina.

5.-con la volante de mando del distribuidor regular  al field del brazo oscilante esperando su estabilización por mas de dos minutos.

6.-después tomar la lecturas simultáneamente de : h_f , ΔHg , h₁  a saber:

      h_f ..........espesor del amnto de agua sobre el vertedero mediante un                  indicador del flotador.

        Hg   ......altura de presion a la entrda de la turbina ,leido en el manómetro       diferencial.

       h₁  .........espesor del manto de agua sobre la cresta del vertedero rectangular mediante una cámara de reposo y el linnimetro de gancho.

7.-soltar el freno neumático ,esperar dos minutos que se estabilice y luego tomar N (R.P.M) ,en el tacómetro instalado solidariamente al eje de la turbina.

8.-aumentar las pesas nuevamente en el dispositivo de la balanza y proseguir con la pasos anteriores hasta tener varios puntos.

TABLA  # 1

 DATOS MEDIDOS DIRECTAMENTE

CÁLCULOS :

-CÁLCULOS DE PRESIONES:

P₁ = ( 1.35 +  X ) H₂ O  + Hg

P₃ = Ψ H₂ O( 0.35 + h_f )

-CALCULO DEL CAUDAL:

Q = C_d2 L(2gh³ )  / 3

*h₁ =h

*l = 1m

 -CALCULO DE VELOCIDADES:

V₁ =  Q / A₁

V₂ = Q /A₂

V₃ = Q /A₃

D₁ =32.4    cm

D₂ = 35     cm

D₃ =56.5  cm

-CALCULO DE LA ALTURA NETA:

 H = (P₁ - P₃ ) / Ψ   +   ( V²₁  V²₃ ) / 2g   + Z₁ - Z₃

 -CALCULO DE LA POTENCIA HIDRÁULICA:

 P =Q H

-CALCULO DEL TORQUE:

N  = W d

d.....brazo de palanca(1.42  L.N.H)

W...peso de las pesas (KG)

-CALCULO DE LA POTENCIA AL FRENO:

P_b = M W

W...velocidad angular (rad/ seg)

-CALCULO DE LA EFICIENCIA TOTAL:

n_t   =P_b / P

-CALCULO DE AL VELOCIDAD EN EL TUBO DIFUSOR:

n_v = v₃  / (v₂   - v₃  )

-CALCULO DE LA EFICIENCIA DEL DIFUSOR :

n_d = (   V²₂  -V²₃  -  2gH_T  )  /   (V²₂  -  V²₃  )

 H_T  ........perdidas en  el difusor.

TABLA # 2

TABULACIONES DE RESULTADOS:

 CUESTIONARIO

1.-como se clasifican las turbinas

2.-cuales son las turbinas mas empleadas en el país.

3.-en función de que parámetros seleccionaría una turbina.

4.-cuales son las principales diferencias entre las turbinas de acción y las reacción  de ejemplos de estas turbinas.

5.-para que sirve un tubo de aspiración

6.-como mejorar la eficiencia de una turbina.

7.-que diferencias existe entre una turbina de vapor ,una turbina hidráulica y una turbina a gas.

8.-que se entiende por velocidad especifica.

9.-es posible utilizar turbinas hidráulicas en al selva ; explique.

10.-que parámetros se necesitan conocer para determinar la eficiencia de una turbina.