015 Mh Tema15 - Turbinas Pelton

8/22/2019 015 Mh Tema15 - Turbinas Pelton

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Antonio Fernndez Garca-Navas. Dpto. Ing. Aeroespacial y Mecnica de Fluidos. Universidad de Sevilla1

Turbinas de accin

TURBINAS

de Accin(Pelton)

Antonio Fernndez Garca-Navas


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Turbinas de accin

Las turbinas de accin (grado de reaccin nulo), son aquellas en las que el

fluido comunica al rodete toda su energa en forma de energa cintica,permaneciendo en este proceso, la presin constante e igual a la presinambiente. Tambin son llamadas de impulso o de chorro libre.

Las turbinas Pelton son las nicas que se construyen en la actualidad paragrandes potencias.


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Turbinas Banki

Existen otras turbinas de accin pura, como las Banki que se usan solo

para pequeas potencias.


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Turbinas Turgo

Tambin las turbinas Turgo, cuya velocidad especfica se encuentra entre

las Pelton y las Francis. En realidad se solapa con ambas turbinas. El rodetees parecido al de una Pelton partido por la mitad. Admite el doble de caudalque la Pelton y puede tener varios inyectores.


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Turbinas Pelton

El eje es horizontal cuando hay uno o dos inyectores.


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Turbinas Pelton

Cuando hay ms de dos inyectores el eje es vertical para impedir que el aguaque sale de los labes entorpezca el giro de la rueda.


7/33Antonio Fernndez Garca-Navas. Dpto. Ing. Aeroespacial y Mecnica de Fluidos. Universidad de Sevilla7

Rueda

Carcasa

Tubera forzada

Inyector

Turbinas Pelton

En esencia, la turbina Pelton consta de un distribuidor denominado inyector

(que consta de una tobera y es regulado por una aguja) y del rodete orueda.

Del inyector sale un chorro, a presin ambiente, que ataca a los labes(tambin denominados por su forma, cucharas, palas, o cazoletas), les cedeprcticamente toda su energa cintica y sale de ellos a velocidad mnima.

El rodete o rueda est alojado en una carcasa para evitar salpicaduras yaccidentes.



Turbinas Pelton

El codo ha de tener tambin un gran radio de curvatura en orden adisminuir las prdidas asociadas a corrientes secundarias.

El inyector

El inyector es normalmente una prolongacin de la tubera forzada dealimentacin. Realmente empieza en la brida que lo une a la vlvula decierre. Para obtener una alimentacin adecuada, disminuyendo la prdidade carga, la entrada a la parte convergente de la tobera ha de estarprecedida de una parte recta de seccin recta tan grande como sea

posible (baja velocidad).

El caudal se regula

acercando la aguja a lasalida de la tobera lo quecerrar el rea de salida yhar que el caudaldisminuya



Turbinas Pelton

El chorro Obsrvese que a la salida de la

boquilla el chorro se curva hasta que sealcanza la seccin mnima MN, a partirde la cual la presin es uniforme atravs del chorro (en realidad si laturbulencia est desarrollada p+1/2v2= pa). En las secciones anteriores la

presin no es uniforme, hay unacomponente radial de la velocidad y sepueden alcanzar localmentedepresiones importantes que daranlugar a cavitacin.

Debido a la diferencia de densidades entre el agua y aire que rodea alchorro, el ngulo de apertura del mismo, que define la importancia de lazona de mezcla con el aire arrastrado hacia su interior, es pequeo

04,0=tg 05,0a


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Turbinas Pelton

Si el chorro se abre, cada vez ingiere ms aire, y su velocidad disminuyeconforme se aleja de la boquilla, y adems se curva hacia abajo alconsiderar la gravedad, es obvio que cuanto ms cerca este colocado elinyector de la rueda mejor ser el rendimiento de la mquina.

Los perfiles de velocidades aguas abajoy arriba del chorro presentan el siguienteaspecto.

El rodete

El rodete es una rueda circular que lleva adosada una serie de labes ocucharas. El chorro esta situado en el plano del rotor. El dimetro delrodete se define como el doble de la distancia entre el eje de giro y el ejedel chorro.


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Turbinas Pelton

La forma de los triangulo develocidades vara dependiendo de laposicin relativa del labe con respectoal chorro e incluso de la posicin de laspartculas en el chorro con respecto aun mismo labe. En lo siguiente seconsiderar que el chorro incideperpendicularmente al labe, tal y comoindica el corte xx de la figura.

Corte xx

1v

1u

1w

2u

2w

2v

22


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Turbinas Pelton

En cuanto al campo de velocidades a la salida, hay que hacer notar doscosas.

1. Conviene que la velocidad absoluta a la salida sea lo ms pequeaposible, pues ello quiere decir que hemos transmitido casi la totalidad dela energa cintica del chorro.

2. Si la velocidad v2 es demasiado pequea, las partculas fluidas al salirdel las palas, frenaran a las siguientes golpendolas por detrs, es decirproduciran un par de frenado que disminuira el rendimiento. A esteproceso se le denomina talonamiento.

Es por tanto necesario que el fluido salga con cierta energa, y que adems

su direccin sea la idnea, para salir lo ms rpidamente posible de latrayectoria de la siguiente pala. Esa direccin es la perpendicular a la de lapala.Sin embargo la velocidad absoluta a la salida v2 puede despreciarsecuando se la compara con la de la entrada v1

Como la pala se mueve como slido rgido que es, las velocidades dearrastre u a la entrada y a la salida son iguales.


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Turbinas Pelton

En efecto, las turbinas Pelton son turbinas de muy baja velocidad

especfica, es decir, apropiadas para muy grandes alturas y relativamentepequeos caudales. Considrese una altura de 500 m. en la boquilla todaesa energa potencia se transforma en energa cintica,

smgHv g 10021

La altura H de la turbina tiene por definicin, como cualquier otra turbina, laaltura perdida por el fluido al atravesar la mquina, es decir He - Hs

g

vHHHH forzadatubgse

2

22

. ==

Como Hg es del orden de , si se considera que v2 puede ser a losumo 10m/s, el trmino de la energa cintica a la salida sera como muchoun 5% de los anteriores.

gv 221


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Turbinas Pelton

Por tanto se puede escribir:

forzadatubgeHHH

.==

g

v

g

v

g

v

222

21

22

21 =

0

2

22 g

v

Por otro lado, la ecuacin de Bernoulli en movimiento relativo

Al ser la presin uniforme en toda la rueda y , resulta . Enrealidad, y debido a las prdidas, el Bernoulli no se conserva y ,siendo , un coeficiente menor que la unidad que tiene en cuenta lasprdidas en el rodete

cteg

uwp=

+

2

22

21 uu = 12 ww =

12 ww =

~0


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Turbinas Pelton

Desde el punto de vista del rendimiento hidrulico del rodete la optimizacin

del campo de velocidades vendr dada por

2

12

1v

gHth =

Considerando que

( ) ( )[ ] ( )22122121

coscos wwuwuwuuvvugH uut +=+==

( ) ( )( )2121

cos1cos1 +=+= uvuuwgHt

( ) ( )( )2

2

2

2

11

cos12cos12 +=+

=

v

u

v

uh

1vu=Donde


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Turbinas Pelton

Maximizando el rendimiento en funcin de se obtiene que y que el

ngulo debe de ser nulo. Sin embargo y aunque desde este punto devista lo ideal es que , ese valor es incompatible con lo vistoanteriormente, ya que se producira talonamiento.

Desde el punto de vista de , el mximo rendimiento se obtiene cuando vale90

Valores normales para el parmetro estn comprendidos entre 0.45 y 0.49.

5.0=2

02 =

2

La energa a la entrada del la turbina He, si el distribuidor fuese ideal seraigual a la energa cintica del chorro.

2

12

1v

gHe = egHv 21 =

Sin embargo al existir prdidas en el distribuidor, aunque sean pequeas

ev gHcv 21 =


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Turbinas Pelton

Donde cv es un coeficiente menor que la unidad, que tiene en cuenta las

prdidas en el inyector. Su valor depende sobre todo de la apertura de laboquilla, es decir de la posicin de la aguja con respecto a la boquilla. En elpunto de diseo su valor es 0.97 aproximadamente.

Sin embargo este valor vara poco, disminuyendo, hasta que el caudal esaproximadamente un 20% del de diseo, donde cae bruscamente.

1

cv

Q0.2Q


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Turbinas Pelton

Las cucharas

La forma de las cucharas es muy singular. En ellas la desviacin del agua nodebe de ser muy brusca, ya que producira grandes prdidas, ni muy suave,pues el tamao del labe sera excesivamente grande. En definitiva, suforma, como su tamao es el resultado de la experiencia.

Las proporciones principales, siendo del

dimetro del chorro sonaproximadamente las siguientes:

d

L

d

H

d

e

d

P

2.8 a 3.2

2.4 a 2.8

0.8 a 0.9

1.1 a 1.2


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Turbinas Pelton

El numero de alabes no puede ser cualquiera. Existe un lmite superior e

inferior de labes que vienen dados por: Talonamiento. Hay nmero mximo de labes a partir del cual, debido aque la distancia entre ellos disminuye, se producira talonamiento.

Rendimiento volumtrico. Hay un nmero mnimo de labes a partir del

cual, al aumentar mucho la distancia entre ellos, permitira que unapartcula fluida atravesase el espacio barrido por la rueda sin entrar encontacto con ningn labe. Esto quiere decir que si el nmero de labeses mayor que el mnimo, el rendimiento volumtrico es 1.

El nmero de labes depender del dimetro de la rueda D, y como la

forma de las palas depende del dimetro del chorro d, el nmero optimodebe depender de la relacin D/d. Una expresin aproximada debida aZaigun es

d

Dn

215+=

Cuando D/d esta comprendido entre 5 y 7.


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Turbinas Pelton

Las curva de rendimiento.

Como ya se ha dicho, el rendimiento volumtrico en turbinas Pelton es launidad, como el rendimiento mecnico no varia con el caudal, elrendimiento total ser como el hidrulico multiplicado por una constante.La curva del rendimiento hidrulico suele ser una curva plana, es decir elrendimiento vara poco con el caudal, excepto cuando los caudales son muybajos. En efecto, se ha visto que el rendimiento del rodete depende de u/v1,

la velocidad U se ha de mantener constante por razones de acoplamientode la turbina con el alternador, por lo que solo la variacin de v1 hace quevare el rendimiento y

ev gHcv 21 =

Ya se ha analizado como el coeficiente cv apenas vara con el caudal. Si nosfijamos ahora en He . Como las turbinas Pelton se instalan en grandesalturas, las prdidas en las tuberas forzadas son pequeas frente a laaltura Hg, por lo que al variar el caudal, la altura H apenas vara. Es decir, larelacin u/v vara poco y por tanto la curva del rendimiento ser muy plana.

forzadatubge HHH .==


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Turbinas Pelton

La pantalla deflectora.

La pantalla deflectora, se encuentracolocada entre el inyector y la rodetede la turbina, y su misin es desviar elchorro para que no incida sobre los

labes de la rueda.

La pantalla deflectora es un elemento de seguridad que se usa para evitarque la turbina se embale. En efecto, si por cualquier razn la turbina queda

desacoplada del alternador, desaparecera el par resistente mientras que elpar motor (chorro) sigue existiendo. Esto llevara consigo una aceleracin dela velocidad de giro hasta llegar a su valor lmite: la velocidad deembalamiento. Para evitar que esto ocurra hay dos alternativas. Cerrar elinyector rpidamente lo que producira un golpe de ariete, o desviar el chorro.


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Turbinas Pelton

El deflector puede adaptar las dos disposiciones que se muestran en la

figura. En el primer caso, la arista activa de la pantalla deflectora estangente al chorro de dimetro d. En caso de tener que actuar, la pantallapenetra en el chorro hasta dejarlo con un dimetro d. Esta longitud depenetracin (d-d)/2 es suficiente para desviar totalmente el chorro.Esta disposicin tiene el inconveniente de aumentar la distancia entre elrodete y el inyector

En el segundo caso el inconveniente es la necesidad de ocultacin total delchorro para poder desviarlo. Adems, el mecanismo de maniobra de lapantalla deflectora es ms complicado en este caso.


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Turbinas Pelton

Velocidad especfica de las turbinas Pelton.

La velocidad especfica de una mquina est relacionada con la geometra dela misma. En turbinas Pelton las caractersticas geomtricas principales sonel dimetro de la rueda D, y el del chorro d.

( ) ( )2

1

43

21

21

45

gHQ

gH

W

s =

=

como ev gHcv 21 = eHH = 2Du =

21

4

d

Qv

=

1vu

=; ; ; ;

Se obtiene2

12

3

98.2 D

dcvs =

Los valores de la relacin d/D para un buen rendimiento oscilan entre 1/10 y 1/30


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Turbinas Pelton

Dimensiones principales.

En primer lugar habr que calcular el nmero de inyectores que habr detener la turbina. Para ello se calcular previamente el dimetro del chorrocon la mxima abertura del distribuidor (caudal mximo).

Siendo v1 la velocidad obtenida con una altura H correspondiente al caudalmximo.

21

1

max

0

4

=

v

Qd

En general, el dimetro obtenido no debe de superar los 20 cm, ya que

debido a los altos valores de la velocidad sobre las palas, las fuerzas quedeben de soportar estas puede hacerse tan elevada que no se puedanconstruir.Si ocurre que d > 20 cm, habra que colocar varios inyectores, dividiendo elcaudal en partes iguales hasta que resulte un dimetro de chorro admisible.


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Turbinas Pelton

El valor de D se calcula para un caudal Q inferior al mximo con objeto demejorar el rendimiento a cargas parciales. Se suele hacer Q1 = 0.75Qmax. y

11297.0 gHv =

Siendo H1 el valor de la altura correspondiente al caudal Q1.

Adems si se obtiene:5.0=

1v

D=

Velocidad de embalamiento.

La velocidad de embalamiento se corresponde con el par resistente nulo.Esto ocurre cuando toda la energa del chorro se emplea en vencer las

prdidas mecnicas e hidrulicas y por tanto

1vu

emb= 2=

emb; es decir

En la prctica es un poco menor, ya que en la expresin anterior no se hanconsiderado las prdidas mecnicas. Aproximadamente 8.1=emb


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Turbinas Pelton

Cuando hay mas de dos inyectores eleje es vertical


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A t i F d G N D I A i l M i d Fl id U i id d d S ill33

Turbinas Pelton

Central de San Giacomo, Italia, sobre el ro Vomano

Potencia de cada grupo 282 MwDimetro de la rueda 4mAnchura de las palas 1.1 mDimetro del chorro 31.5 cm

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