monografia de turbina hidraulica

8/3/2019 Monografia de Turbina Hidraulica

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA-FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA

Facultad de Ingeniera Mecnica

Turbina hidraulica

PROFESOR : Ing. Manuel Luque Casanave

CURSO : instalaciones industriales

CDIGO : MN - 183

ALUMNOS : Gamboa Alarcn Jhon

Castaeda Okamura, Carlos

2011-I


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INTRODUCCION

En la actualidad contamos con muchas formas de recursos energticos y a su vez distintas

maneras de aprovecharlo para transformarlos en energa elctrica, tenemos la energa hidrulica,

la energa elica, la energa trmica, la energa geotrmica, la energa mareomotriz, etc. Nuestro

pas aprovecha tambin estos recursos, y por lo tanto la mayor parte de la energa de nuestra redes debido a las centrales hidroelctricas en las cuales utilizamos las turbinas hidrulicas, pelton,

francis y Kaplan dependiendo del salto y el caudal que tenemos.

Por otro lado se has hecho investigaciones y prototipos de turbinas hidrulicas que no

necesitan salto alguno, trabajan con cada cero y son conocidas como turbinas de rio. Uno de los

investigadores que impuls estas turbinas es el ing. Ingls Peter Garman que diseo una turbina

de flujo axial.

Estas turbinas de cada cero son aplicables en los ros de la selva, debido a que estos ros

no tienen cada pero tienen un gran caudal el cual podemos aprovechar para proveer de energa

elctrica a los pueblos a los cuales no les llega la energa elctrica de la red interconectada.

El en siguiente trabajo monogrfico daremos las pautas para la contruccion de la turbina

de rio y a su vez haremos el diseo del banco de pruebas que servir para hacer los ensayos a

dicha turbina, presentaremos un anlisis econmico de los costos necesarios para llevar a cabo la

implementacin del proyecto en nuestro laboratorio

OBJETIVOS:

y Hacer el anlisis de costos para la construccin de la turbina hidrulicay Hacer el diseo del banco de pruebas con su respectivo anlisis de costos

y Realizar el presupuesto total para la construccin del proyecto


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FUNDAMENTO TEORICO

TURBINA HIDRAULICA:

Una turbina hidrulica es una turbomquina motora hidrulica, que aprovecha la energa

de un fluido que pasa a travs de ella para producir un movimiento de rotacin que, transferido

mediante un eje, mueve directamente una mquina o bien un generador que transforma

la energa mecnica en elctrica, as son el rgano fundamental de una Central hidroelctrica.

CLASIFICACION DE LAS TURBINAS HIDRAULICAS:

A) De acuerdo al cambio de presin en el rodete o grado de reaccin

- turbina de accin- turbina de reaccin

B) De acuerdo al nmero de revoluciones especificas

- Turbinas lentas- Turbinas normales- Turbinas rpidas

- Turbinas extra rpidas

C) De acuerdo a la posicin del eje

- Turbinas horizontales- Turbinas verticales

D) De acuerdo al modo de admisin del agua

- Turbina de admisin parcial (ejem. Turbina pelton)

- Turbina de admisin total ( ejem. Turbina francis y kaplan)

E) De acuerdo a la direccin del agua dentro de la turbina respecto al eje de rotacin

- Turbinas radiales

- Turbinas axiales- Turbinas radiales-axiales- Turbinas tangenciales

- Turbinas transversales


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F) De acuerdo a la funcin desarrollada

- Turbinas reversibles- Turbinas irreversibles. Destinada solo para producir trabajo mecnico

G) De acuerdo a las caractersticas de la cmara

- Turbina de cmara cerrada- Turbina de cmara abierta

USOS DE LAS TURBINAS HIDRAULICAS

Las turbinas hidrulicas producen potencia mecnica en el eje, la cual puede serutilizada tanto de manera directa (cargas mecnicas) como indirecta (generacin de

potencia elctrica).

Las cargas mecnicas ms representativas son las bombas para elevacin y/otransporte de agua y los molinos. Esto se utiliza principalmente en zonas rurales en lascuales otras formas de energa, especficamente elctrica y combustibles, son dedisponibilidad escasa o nula. Un determinado tipo de carga puede requerir el uso de unatransmisin, acorde al nivel de carga requerido (fuerza, torque) y al rgimen de trabajo(velocidad lineal, velocidad angular).

El uso indirecto est referido a la generacin de potencia elctrica, que a su vezpuede utilizarse tanto para cargas elctricas, como iluminacin y electrodomsticos, comopara el accionamiento de maquinaria. La energa elctrica supone ciertas ventajas

relacionadas con el manejo de la misma (almacenamiento y distribucin), pero implica eluso de algn tipo de generador con la consiguiente prdida intermedia de energa neta,adicional a la causada por la distribucin.

El diseo de transmisiones para el acople de generadores elctricos con turbinashidrulicas toma en cuenta el torque resistente as como el rgimen de giro. Para lamayora de los casos, es necesario alcanzar un nivel elevado de revoluciones para que elgenerador opere con un valor razonable de eficiencia.

En el caso de las ruedas hidrulicas de corriente libre, la velocidad de giro del ejees bastante reducida, en comparacin a la que requiere un generador elctrico estndar.Esto se debe en mayor parte a que la corriente de accionamiento que incide sobre las

paletas difcilmente supera los 2 m/s en su disposicin natural, tanto para canales deirrigacin como para ros. Por otra parte, se presenta una relacin inversamenteproporcional entre el dimetro exterior de la rueda con la velocidad de giro. En lapresencia de ambos factores, la velocidad angular del eje ser muy inferior a la requeridapor el generador para operar de manera estable.

Se evidencia entonces la necesidad de multiplicadores de velocidad, que sonmecanismos de construccin y funcionamiento anlogo a los ampliamente extendidosreductores. En este caso, se busca el efecto contrario: una multiplicacin de la velocidad


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de giro a costa de la reduccin del torque efectivo, considerando las prdidas portransmisin inherentes al mecanismo.

Los reductores de engranajes rectos y helicoidales pueden operarsatisfactoriamente como multiplicadores de velocidad. Bastara invertir la disposicin delos ejes, de manera que la entrada de potencia se aplique en el eje de mayor dimetro.

No se recomienda el uso de transmisiones de tornillo y sinfn pues estas tienden atrabarse cuando operan en forma inversa. Cabe destacar que para ruedas hidrulicas decorriente libre cuyo dimetro exterior es superior a 1 m la relacin de transmisin mnimanecesaria estara en el orden de 1:10. Esto puede incrementarse considerablemente enfuncin al tipo de generador, por lo que serian necesarios mecanismos de mltiplesetapas para mantener unidades de transmisin compactas (pequeas).

Una transmisin correctamente acoplada debe tomar en cuenta tanto el rgimende giro ptimo como el torque resistente ejercido por la carga, que en este caso es ungenerador elctrico. Es importante conocer no slo las curvas de operacin del generadorsino tambin las de la turbina que lo acciona, que en nuestro caso corresponde a unarueda hidrulica de corriente libre. Una adecuada relacin de transmisin aprovechar el

punto ptimo de generacin de potencia mecnica en la rueda, equiparndolo con lascondiciones nominales de operacin del generador elctrico.

RUEDA HIDRAULICA DE ENSAYO

La rueda hidrulica a ensayar opera en lo que anteriormente se describi comocorriente libre, siendo tanto la admisin como la salida del agua por la parte inferior de lamisma. Es de inmersin parcial y eje horizontal (no sumergido). Los labes, o paletas decontacto, son rectos y tienen una inclinacin respecto a la direccin del agua.

Para el diseo de la rueda de ensayo se adopt la estructura de un modelo

perteneciente a la Casa Ecolgica (figura 1.2). Consiste en una armadura formada porcuatro anillos, unidos por radios y barras longitudinales al eje, utilizando seccionesangulares de acero. En este modelo, la rueda se conecta con el eje mediante pernospasantes. Para la rueda de ensayo se opt por utilizar prisioneros; manteniendo laindependencia del armazn respecto al eje.

ANLISIS ENERGTICO

Para realizar el anlisis energtico de la rueda hidrulica es necesario identificarde manera clara las variables de control, que son susceptibles de variacin; as como las

variables de registro, que son incgnitas y objetivo del ensayo. Es apropiado especificarlos rangos de trabajo elegidos para estas variables y la importancia relativa de cada factorrespecto al comportamiento de la rueda.

Para este caso, se ha identificado dos variables caractersticas en cada grupo:


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a) Respecto a las variables de control, se trabaja con la velocidad de corriente y elcaudal; pues ambas caracterizan el flujo de agua que acciona la rueda y presentande manera directa una referencia del potencial energtico contenido en el flujo.

b) Respecto a las variables de registro, se trabaja el torque y la velocidad angular de

rueda; pues ambos definen la potencia efectiva de la rueda que puede proveer elmecanismo

Estos cuatro parmetros: velocidad de corriente, caudal, torque y velocidadangular resumen de manera clara los principales factores que describen elintercambio de energa entre el flujo de agua y la rueda.

Velocidad de Corriente y Caudal

La velocidad de corriente es la caracterstica ms resaltante cuando se evala el potencialenergtico de la corriente libre. La ecuacin 2.1 resume los factores ponderables en el

intercambio energtico (figura 2.1) de un flujo de agua. En ausencia de salto hidrulicosignificativo (o potencial gravimtrico) y diferencial de presiones, es el cambio de energacintica experimentado por el agua el que confiere energa a la rueda.


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La velocidad, entendida como el desplazamiento de una unidad diferencial deagua en un periodo de tiempo, no es un valor uniforme; pues incluso en canales deirrigacin con seccin y pendiente constantes existe diferencia entre las medidas enfuncin al punto donde stas son tomadas. Aun cuando la corriente presente uncomportamiento constante en el tiempo (Flujo Permanente) es posible identificar ungradiente de velocidades en una seccin dada del canal. Esto puede ser an ms notorio

en relacin al nivel de rugosidad del mismo.Sin embargo, tanto para canales artificiales como naturales es correcto adoptar

una medida promedio de la velocidad de corriente para efectos de caracterizacin;considerando siempre las salvedades con las que fue obtenido y el nivel de error quesupone. Puesto que este valor es requerido para determinar el potencial energticoaprovechable en una rueda hidrulica, debe tomarse en cuenta aquel valor querepresente de manera acertada la corriente que incidir sobre la rueda.

Se suele considerar velocidades de corriente hasta un mximo 2 m/s. Esto es

vlido tanto para canales artificiales como naturales. En canales artificiales obedece arazones de diseo, que establecen lmites2 superior e inferior en funcin al tipo de flujocirculante y al material que compone el canal. En el caso de los canales naturales,obedece a observaciones y medidas realizadas en diversas situaciones bajo distintascondiciones de caudal y seccin. Puesto que en este trabajo se evala el comportamientode una rueda hidrulica situada en una corriente libre, donde no se han realizado mayorestrabajos de encauzamiento, se tomar este rango como acertado.

La velocidad de corriente es una propiedad intensiva. Sin embargo, el potencialenergtico derivado de su variacin depende de la cantidad de masa circulante. Paradeterminar el valor real de potencia que se extrae de una corriente debe considerarsetambin el flujo msico; el cual, para condiciones atmosfricas estables, puede

expresarse de manera equivalente como flujo volumtrico o caudal. Tomando enconsideracin ambos factores (velocidad y caudal) puede formularse modelos quecuantifiquen el potencial energtico, toda vez que se considera para el fluido unapropiedad intensiva y otra extensiva.

En corriente libre, el caudal puede ponderarse en funcin a la velocidad promediode corriente y a la seccin por la que el flujo transcurre, la cual est dada por la geometradel canal. Para canales artificiales, esta seccin suele ser aproximadamente constante,por lo que el valor del caudal ponderado ser bastante acertado. Para canales artificiales,


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como los ros, la determinacin de la seccin puede ser menos simple, considerandoadems que la velocidad de corriente puede variar significativamente de un punto a otro.

Para cualquiera de los casos se asume como seccin efectiva slo aquelladefinida por los labes de la rueda que hace contacto con el agua; esto es, la seccinproyectada transversal a la direccin de la corriente. La asertividad de esta suposicin

depender siempre de la distribucin real de velocidades en el canal.

Para el ensayo planteado en este trabajo el control de la velocidad y el caudal sehace de manera conjunta, ya que el mecanismo de regulacin es una vlvula que controlael caudal que ingresa a un canal artificial. Este canal tiene seccin constante, lo cualpermite determinar indirectamente la velocidad promedio del flujo circulante. Ya que elcanal es considerablemente liso y el flujo es laminar, la velocidad ponderada serbastante aproximada al valor real.

Torque y velocidad angular

El torque y la velocidad angular son dos variables de registro que, de maneraindividual o en conjunto, proveen la informacin necesaria para caracterizar a la ruedahidrulica, entendida sta como mecanismo proveedor de potencia. Ambas variables sonlas incgnitas del ensayo y sus valores se registran en el eje de la rueda, variandoprogresivamente el caudal que incide en la rueda y el nivel de carga sobre la misma.

El torque representa la capacidad de la rueda para accionar una carga. Se expresaen Nm en el Sistema Internacional y es una unidad apropiada para un mecanismogiratorio. Tal giro puede convertirse en un movimiento lineal de manera que la unidad de

referencia sea fuerza, expresada en N.

Toda carga accionada debe ser compatible con el mecanismo que suministrapotencia, tanto a nivel de carga como en rgimen de trabajo. En la rueda hidrulica setiene un eje que gira a determinada velocidad angular y produce un valor de torque, lo querepresenta en conjunto potencia mecnica. Anlogamente, la carga accionada (molino,generador elctrico, etc.) requiere un torque para producir movimiento en determinadacadencia cclica. El torque que ejerce la rueda debe ser mayor al requerido por la carga,que en equilibrio dinmico opera a cierta velocidad angular o lineal estipulada por lanaturaleza del trabajo. Los generadores elctricos suelen requerir torques relativamente


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bajos actuando a altas revoluciones mientras que cargas mecnicas como los molinos degranos requieren torques altos a bajas revoluciones. La transmisin cumple all unafuncin importante compatibilizando las caractersticas de la turbina y las de la carga.En el ensayo planteado se definen el torque y la velocidad angular como variables deregistro, en tanto son el objetivo mismo del ensayo. Estas proveen informacin real sobrelas capacidades de la rueda considerando distintos flujos de accionamiento. Esta

informacin puede contrastarse con aquella proporcionada por modelos desarrolladosanaltica o empricamente, para propsitos de validacin y posterior uso.

Consideraciones

Las dimensiones de la rueda suelen representar en cualquier planteamiento deturbinas hidrulicas un grupo de variables importante. Las dimensiones adoptadas y lasproporciones entre stas suelen estar reguladas en funcin al tipo de turbina elegido, a ladisposicin fsica del flujo y a las condiciones de operacin requeridas. Para cada casoexisten recomendaciones asociadas a tipos particulares de rueda destinadas a producirun funcionamiento confiable y eficiente.

Por ello es oportuno resaltar que las dimensiones son en s variables del sistema,siempre y cuando exista cierto nivel de flexibilidad para manejarlas y optar por valores queimpliquen determinados beneficios. Los criterios utilizados para elegirlos son tantocuantitativos, evaluados en trminos como potencia o resistencia; como cualitativos,considerando la disposicin fsica del lugar de operacin, as como la disponibilidad demateriales. Cualquiera sea el caso, siempre se evaluar la adopcin de ciertadimensiones, lo cual les confiere la categora de variables.

Sin embargo, existen casos en que las dimensiones estn previamentedeterminadas, ya sea porque se adapta equipos ya construidos a una nueva locacin oporque algunas limitaciones particulares no permiten utilizar ms opciones en trminos de

diseo o construccin. En este caso, las dimensiones dejan de ser variables y setransforman en parmetros, lo cual restringe pero simplifica la evaluacin.

En el manejo de este trabajo, que comprende tanto diseo como construccin y ensayo,no se considera las dimensiones como variables en tanto se utiliza una sola rueda; cuyageometra fue definida previamente. Esto no implica que no se considere para el anlisiseste factor, como se ver posteriormente. Para la relacin que se evala, el reasumergida de labe determina el caudal incidente sobre la rueda y el nivel de potenciaefectivo, por lo que el ensayo contempla cierta variabilidad en lo que respecta adimensiones.

Transferencia de Energa

A nivel analtico, la evaluacin del intercambio energtico entre el caudal de agua y larueda puede tornarse complejo. Considerar todos los factores involucrados puede serengorroso y extenso, por lo que se suelen plantear relaciones sencillas para efectos deponderacin preliminar. Uno de tales planteamientos corresponde al propuesto porCEPIS, referido a las ruedas hidrulicas de corriente libre:


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Dnde:

P: Potencia mecnica en la rueda (W): Densidad del fluido (kg/m3)A: rea sumergida proyectada de la rueda (m2)

V: Velocidad de corriente (m/s)

* El factor 0,41 es un coeficiente anlogo a la eficiencia, en relacin a un ptimoterico.

Esta expresin es muy similar a la relacin planteada para potencia ideal, de usoextendido en aerogeneradores:

Dnde:

Pideal: Potencia ideal mxima extrable (W)

Estas expresiones toman en cuenta el rea sumergida transversal proyectada del labe (opaleta) sobre la que incide el agua. Adems, consideran la velocidad promedio del flujo.

Cabe resaltar que esta ponderacin considera la velocidad de corriente antes questa sea afectada por la rueda. Para canales amplios, como los ros, esta observacin notiene mayor propsito, pues el caudal total que circula es muy superior al que incide sobrela rueda. Sin embargo, para canales estrechos (en relacin a las proporciones de larueda) se produce un represamiento en el ingreso; por lo que la velocidad de corrientemedida al ingreso es menor que la velocidad de corriente original.


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Se observa as que esta expresin considera por un lado caractersticas del caudalprevio a la instalacin de la rueda (velocidad de corriente) y por otro lado el reasumergida que hace contacto efectivo con el caudal, lo que se produce con la ruedainstalada. As, se pondera de manera preliminar la potencia de salida que se tendr en larueda en funcin a las dimensiones de sta (labe) y a la velocidad de corriente en la queestar parcialmente sumergida.

Ntese que esta expresin no considera la proporcin en el ancho y alto de laspaletas, limitndose a evaluar el rea total de la misma. Este es, entre otros factores, unode los puntos que adolece esta relacin. Para este factor, y aquellos otros que no seevalan individualmente pero que influyen significativamente en el comportamiento, seintroduce un coeficiente de ajuste.

RUEDA HIDRAULICA PARA EL LABORATORIO


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175

250

350

PLANO - RUEDA

PERFIL DEL ALABE

BARRAS CIRCULARES A USAR PARALOS MARCOS DE LA RUEDA: 1"

ALABES DE 20 mm DE ESPESOR

500

100

0

Este es costo de los materiales que necesitamos para construir la turbina, el cual puedeser construido en nuestros laboratorios de soldadura y maquinas herramientas pornuestros propios estudiantes y profesores.


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900

1200

1200

tanque

BOMBA

3648,17

1700

450

454,

96

TANQUE

canal

sistema de tuverias


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Anlisis de fuerzas

R1 R2 R3 R4

2165N/m

363 N-m

R1 = R4 = 1623N

R2 = R3 = 1804N

Dado que la estructura es simtrica tenemos que dividir entre 2 las reacciones obtenidas por tener

2 lados simtricos en la armadura.

RA = RD = 811.5N

RB = RC = 902N

811.5N 811.5N902N902N

1

2

3

4

5

6

7

8


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La mayor carga lo soportan las columnas verticales centrales

Hacemos el anlisis de la columna de dicho elemento

Aplicando el programa MD solid para obtener los datos de la seccin de los ngulos

Iz= 144678.36 mm4

A=604.84 mm2

rz=15.46 mm

902N

L/r = 58.2

Entonces debemos de tratarlo como una columna larga debido a su alto valor de la relacin de

esbeltez, debido a que podra fallar por pandeo


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Calculamos el esfuerzo crtico aplicando el criterio de Euler

Tomando de tados del fierro

E = 100GPa

Reemplazando:

Por lo tanto la estructura soportar sin ningn problema las cargas.

Seleccin de la electrobomba:

Caudal mximo = 300 l/seg

Salto = altura + perdidas = 1.7m+0.3m= 2m

.Considerando POT=9kW

Clculo de potencias consumidas por la bomba

caudal

(l/s)

Area

(cm2)

velocidad

(m/s)

potencia

(W)

30 1350 0.2222222 840.8571

60 1350 0.4444444 1681.714

90 1350 0.6666667 2522.571

120 1350 0.8888889 3363.429

150 1350 1.1111111 4204.286

180 1350 1.3333333 5045.143

210 1350 1.5555556 5886

240 1350 1.7777778 6726.857

270 1350 2 7567.714

300 1350 2.2222222 8408.571


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Calculo de la potencia generada por la rueda hidrulica

velocidad

(m/s)

Area

(cm2

)

caudal

(l/s)

potencia

(W)0.2222222 850 18.88889 0.382442

0.4444444 850 37.77778 3.059534

0.6666667 850 56.66667 10.32593

0.8888889 850 75.55556 24.47627

1.1111111 850 94.44444 47.80521

1.3333333 850 113.3333 82.60741

1.5555556 850 132.2222 131.1775

1.7777778 850 151.1111 195.8102

2 850 170 278.8

2.2222222 850 188.8889 382.4417

CONCLUSIONES:

y Desarrollar el proyecto no es demasiado costoso, en especial la construccin de laturbina

y En esta monografa se ha considerado solo el precio de los materiales, podramosadicionar luego el costo de la mano de obra, pero tambin este proyecto se puederealizar con la mano de obra de los propios estudiantes y profesores del curso del

laboratorio o como parte de crditos extracurriculares para los alumnos que lleven a

cabo el proyecto.

monografia de turbina hidraulica

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