Turbinas Hidr á áulicas ulicas Turbom á áquinas quinas Hidr á áulicas ulicas
Prof. Miguel ASUAJE Prof. Frank KENYERY Prof. Orlando AGUILLÓN Ing. Jesús DE ANDRADE Abril 2008
Turbina Pelton Descripción, Clasificación, Dimensionamiento y Curvas Características
Turbina Pelton Descripción, Clasificación, Dimensionamiento y Curvas Características
Turbina Pelton Caracterí sticas sticas Generales
Turbina de acción. Flujo Tangencial (turbina de chorro) Saltos netos entre 50 y 2000 m Rango de nS: 8 a 66 Sobre los 800 m es la única turbina aplicable Pmáx. = 423 Mw. (Cleuson Dixence 1995) Suiza. Puede utilizar múltiples chorros (6) lo que permite aumentar la potencia. No existe peligro de cavitación Problema de erosión (erosión por las gotas de agua y
Turbina Pelton Campo de Aplicación
Descripción TP
Turbina Pelton Principales partes: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
Colector espiral Carcasa y soporte del generador. Inyector (Tobera +Válvula aguja) Cojinete radial y de empuje axial Generador Eje Rodete Deflector Cojinete turbina
Turbina Pelton Principales partes: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Colector espiral Válvula de admisión. Deflector Inyector (Tobera +Válvula aguja) Chorro de freno Rodete Sistema gobernador Servomotor de los deflectores
Turbina Pelton Inyector Elemento que transforma la energía de presión en energía cinética. Regula el caudal de la máquina. Consta de una tobera y una válvula de aguja cuya carrera determina el grado de apertura del mismo. Para poder asegurar el cierre, el diámetro máximo de la aguja tiene que ser superior al de salida del chorro, cuyo diámetro do se mide en la sección contraída, situada aguas abajo de la salida del inyector y en donde se la presión exterior es igual a la atmosférica. . Cucharas Servomotor
Aguja Chorro
Deflector Llegada de agua
Turbina Pelton Deflector: Cuando la carga disminuye bruscamente debe cerrarse el chorro para que se embale la TP. Para ello se introduce un deflector en medio del chorro, dividiéndolo y desviando una parte del mismo, de forma que en vez de dirigirse contra las cucharas, sale lateralmente sin producir ningún efecto útil. De esta manera se evita un golpe de ariete y se cierra lentamente la válvula aguja.
En carga normal
En carga alterada
En carga reducida
Turbina Pelton Rodete: Sitio donde se realiza la Transferencia de energía.
Turbina Pelton Cucharas:
Relaciones empí ricas ricas y valores regulares para una TP: TP S: B: L: T: m: m1: γ: β1: β2:
(1.10 - 1.20)do (2.80 - 3.20)do (2.30 - 2.80)do (0.60 - 0.90)do (0.95 - 1.05)do (0.18 - 0.20)do (96° - 105°) ( 5° - 7°) ( 1° 40°)
Clasificación TP Según posición del eje y número de chorros
Turbina Pelton Clasificación Según posición del eje: Vertical: puede alojar mayor número de chorros. Horizontal: sólo puede tener dos chorros por la forma de la carcasa. Según número de chorros y de rodetes: Denominación
# Rodetes
# Chorros
Doble
1
2
2
1 c/u
1
3
1
4
2
2 c/u
1
5
1
6
3
2 c/u
Triple Cuádruple Quíntuple Séxtuple
Turbina Pelton Simple de eje Horizontal
Turbina Pelton Doble de eje Horizontal Hn =
795
785
765
m
Q =
9,18
9,0
9,00
m3/s
P =
64.400
62.700
60.800
Kw.
n =
428rpm
Turbina Pelton Séxtuple de eje Vertical Restitución Electroperu, Lima, Perú. Distribuidor de entrada de mayor tamaño, diámetro tubería: 2400 mm.
Φ 2400 mm.
Turbina Pelton Séxtuple de eje Vertical
Turbina Pelton Central de Chivor (Colombia) 8 x 151 MW
Campo de Aplicación TP Triángulos de velocidad Velocidad específica de giro
Turbina Pelton Instalación de la cucharas
Circulo primitivo de orientación de las cucharas
Orientación de las cucharas
Turbina Pelton I chorro do
III
II
I
I do
II
II do do
III
Turbina Pelton Triángulo de velocidades Se asume que el chorro ataca la cuchara a un mismo diámetro constante
U1 = U2 = U V1 W1 β2
W2 V2
W1 = W2
U1 β1
U2 2 = 90°
Turbina de acción GR = 0
Deflexión del flujo
β1 = 180° β2 = 15° θ = β1 − β2 = 165°
Turbina Pelton Rendimiento del Inyector 2 0
ηI = V0
V 2g H
= K V0 2gH ⇒ K V0 = η I
H
V0
Turbina Pelton Rango de aplicación de la Turbinas Pelton ns
=
n Pm 5/4
H
= η
ρg A
⋅ N11 ⋅ Q11
d0
V0
A 0 Q
=
π ⋅ d02 4
= M ⋅ QI
Donde: Donde
QI
Q
caudal total.
QI
caudal de cada inyector
M
número de inyectores
KV0
Coeficiente de velocidad (0,96 … 0,98)
= V0 ⋅ A 0 = K V 0 ⋅ 2gH ⋅
πd02 4
Turbina Pelton Sustituyendo se tiene:
Q11 =
Q D
2
Donde :
Q11
H
δ=
=M
d0 D
Velocidad especí fica fica de giro N11:
N11
=
n D H
=
60
π
2g ⋅ K U1
π ⋅ K V0 ⋅ 2g 4
δ2
Turbina Pelton Para máxima utilizaci ón de la energí a disponible ( má x):
U1
=
1 V1cos α 1 2
⇒ K U1 =
K V1 =
V1 2gH
K V1 cosα1 2
V1 = V0
Potencia mecánica de la turbina:
Pm
=η
ρg ⋅ Q ⋅ H A
ρ
kg/m3
[H]
m
[Q]
m3/s
[Pm]
CV
A = 735,294
Turbina Pelton Velocidad especí fica fica de giro nS Q11
=M
π ⋅ K V0 ⋅ 2g 4
n D
N11
=
Pm
=η
H
=
60
π
ρg ⋅ Q ⋅ H A
δ2
2g ⋅ K U1
ρ 60 g5/4 ⋅ K U1 ⋅ K V0 M ⋅ δ nS = η ⋅ 1/4 A π2
Turbina Pelton Para las condiciones de trabajo siguientes se tiene que :
= 0.45 K V1 = 0.97 ρ = 997 kg/m 3 A = 735,3 g = 9,81 m/s η ≥ 0.88 K U1
ns
≅ 240 ⋅ M ⋅ δ
Rango óptimo de trabajo TP : 8 ≤ nS ≤ 66 M=1
δ
nS
Límite mínimo mal rend. (86%)
1/100
2,4
(90%)
1/30
8
Límite máximo práctico (90%)
1/9
27
Límite máximo real
1/7
35
Límite mínimo práctico
(86%)
Turbina Pelton Calidad del Chorro
δ0 ≥ 1/30
El chorro está constituido por un núcleo central convergente de agua y una sección anular creciente que contiene una emulsión de agua y aire. La calidad del chorro disminuye (mayor dispersión) al aumentar la distancia “ x” respecto a la tobera. Núcleo convergente
Sección anular divergente 0
x
Turbina Pelton Limitación del chorro
δ0 ≤ 1/7
Al aumentar el espesor del chorro es necesario aumentar el ángulo β2 para evitar el choque del agua con la parte posterior de la cuch ara contigua. Por lo tanto existe un valor m áximo para el di ámetro del chorro, por encima del cual el rendimiento de la TP disminuye
Turbina Pelton d0 máx. = 200 mm.
δ H2 [m]
d0 ≤ 0,2 m
100 ≤ d0 ≤ 350 mm.
d0 [m]
Turbina Pelton Variación de δ vs. nS
nS ⎡⎢ rpm 1,25kW ⎤⎥ ⎦ ⎣ m
Turbinas Pelton Dimensionamiento
Método analítico Partiendo de los datos: P H y H se calcula Q asumiendo una eficiencia η ~ 90%. Con d0 máx. = 200 mm se calcula el caudal máximo por inyector
QImáx
= K V0
π.d02
máx
4
2gH
K V0 ≈ 0,97
Número de inyectores necesarios:
M calc
=
Q Q Imáx
Se aproxima por exceso M = M cal +1 y se recalcula d0: d0
=
4⋅Q
π ⋅ M ⋅ K V0 2gH
Método analítico El diámetro característico “D” se determina a partir de: K U1
=
U1 =
U1 2gH
πnD
D=
60 ⋅ K U1 ⋅ 2g
π
H n
K U1
= 0,45
60
Se escoge una velocidad de giro n sincrónica: 1 d0 1 ≤ ≤ de manera que: 30 D 7
n =
3.600 NPP
Nota: Las velocidades de giro “n” más frecuentes para 60 Hz son 600, 450, 360 y 300 rpm correspondientes a de 6, 8, 10 y 12 pare s de polos (NPP)
Método analítico El número de cucharas se puede estimar a partir de la tabla a continuación:
nS
=
n ⋅ Pm 54
H
⎡ rpm CV ⎤ ⎢ m5 4 ⎥ ⎣ ⎦
Número específico de revoluciones nS
Número de cucharas z
4
40
6
37
8
34
10
30
12
28
14
26
18
22
22
20
26
17
32
15
Método Estadístico Dimensionamiento de una TP según Siervo Notación: D 2: diámetro característico diámetro de punta D 3: d j: diámetro del chorro B: altura barométrica Hn: altura neta nominal KU: coef. de velocidad tangencial. n: velocidad de giro sincrónica nS: velocidad de giro específica Pm: Potencia mecánica j número inyectores
[m] [m] [m] [m] [m] [rpm] [Kw.]
Método Estadístico Cálculo del n úmero de inyectores :
Año de diseño
ns,j
1960 - 1964
78,63 ⋅ Hn−0.243
1965 - 1977
85,49 ⋅ Hn−0.243
Velocidad específica de giro: Referida a un sólo inyector:
nS
nS, j
=
=
n Pm Hn5 4
n Pm j Hn5 4
Método Estadístico
[n ] = S, j
rpm ⋅ kW m5 4
Se debe verificar que el ns determinado coincida con una velocidad de sincronismo en el criterio general de diseño. De lo contrario, se recalcula nS con la velocidad de giro sincrónica más cercana.
Método Estadístico D3 D2
Dimensiones del rodete.
= 0,5445 − 0,0039 ⋅ nS, j π.D2 ⋅ n KU = KU
60 2gHn
d j D2 D3 D2
=
nS, j 250,74 − 1,796 ⋅ nS, j
= 1,028 + 0,0137 ⋅ nS, j
H1
= 3,20 ⋅ d
H2
= 3,23 ⋅ d j1,02
H1
0,96 j
H2
Método Estadístico G
Dimensiones del Pozo: F H
L = 0,78 + 2,06 ⋅ D3 G = 0,196 + 0,376 ⋅ D3
L
F = 1,09 + 0,71⋅ L
I
H = 0,62 + 0,513 ⋅ L I = 1,28 + 0,37 ⋅ L M
N I
Método Estadístico Dimensiones Distribuidor Espiral :
= 0,82 + 0,358 ⋅ Hn B = 0,595 + 0,694 ⋅ L C = 0,362 + 0,68 ⋅ L D = 0,219 + 0,70 ⋅ L E = 0,43 + 0,70 ⋅ L
A
D
E
B
C
Turbina Pelton Curvas Características
Turbina Pelton Q11
x
0
η = cte.
N11 Diagrama de Topogr áfico Q11 vs. N11
Turbina Pelton P11 x
η = cte.
Diagrama de Topogr áfico P11 vs. N11
N11
Turbina Pelton P11 [CV]
nS
= 15
N11 [rpm]
Diagrama de Topogr áfico P11 vs. N11
Turbina Pelton P11 [CV]
nS
N11 [rpm]
Diagrama de Topogr áfico P vs. N
= 30
Turbinas Pelton Grandes centrales
Represa La Grand Dixence
Con una altura de 285 m, la presa de Grand Dixence en los Alpes Suizos es una de la presas mas altas del mundo. La central hidroeléctrica genera la mayoría de la electricidad doméstica de Suiza.
Complejo Hidroeléctrico Cleuson-Dixence
Complejo Cleuson-Dixence El complejo Hidroeléctrico de Cleuson-Dixence fue construido entre 1993 y 1998 para incrementar la capacidad de generación de la Grande Dixence. Comprende: Una nueva toma en la presa, un túnel de 15.8 Km. de longitud desde la presa hasta Tracouet, una chimenea de equilibrio en Tracouet, excavada en el pico Nendaz , una tubería forzada de acero de 4,3 Km. largo desde Tracouet hasta la central de Bieudron, la casa de maquinas subterránea de Bieudron. La central Bieudron posee tres record mundiales: mayor salto (1883 m), Mayor potencia de punta cada unidad Pelton (423 MW) y la mayor potencia eléctrica por polo de un generador (35.7 MVA). De acuerdo a la demanda eléctrica, el agua es despachada a cuatro centrales hidroeléctricas: Fionnay, Nendaz, Chandoline y Bieudron. Las
TP de mayor potencia Central Hidroeléctrica de Bieudron Potencia Instalada: 1269 MW Tres turbinas Pelton: 423 MW Altura Bruta: 1883 m Altura neta: 1869 m Caudal total: 75 m3 /s
CENTRALES HIDROELÉCTRICAS TURBINAS PELTON EN VZLA En Venezuela Central
Hidroeléctrica Leonardo Ruiz Pineda (San Agatón) (Primera etapa)
Capacidad Instalada 300 MW Número de Turbinas 2 Potencia Nominal por unidad 153 MW Altura neta de diseño de 350 m Caudal de diseño 50 m³/seg. Velocidad Sincrónica 225 r.p.m. Generador con 16 pares de polos
Represa la Honda Edo. Táchira
CENTRALES HIDROELÉCTRICAS TURBINAS PELTON EN VZLA
Central Hidroeléctrica Jose Antonio Páez (Santo Domingo) Capacidad Instalada 240 MW Número de Turbinas 4 Potencia Nominal por unidad 67 MW Altura neta de diseño de 878 m Caudal de diseño 8.72 m³/seg. Velocidad Sincrónica 600 r.p.m. Generador de 6 pares de polos