turbomáquinas hidráulicas ct-3411¡quinas... · 2015. 3. 25. · 1. límite cavitación en el...
TRANSCRIPT
Turbinas Hidráulicas
Turbomáquinas Hidráulicas
CT-3411Prof. Jesus De Andrade
Prof. Miguel Asuaje
1
Turbina Kaplan
Descripción,
Clasificación, Dimensionamiento y
Curvas Características
2
Turbina Kaplan
Turbina de reacción.
Flujo axial U = U1 = U2, VR = 0
Saltos netos entre 4 y 80 m (rango competitivo hasta 20 m).
Rango de nS: 350 a 600
η ≥ 90%
Pmáx. = 180 MW. (Central Caruachi) Venezuela.
Peligro de cavitación
Problemas de transporte por su gran tamaño.
Máxima capacidad de regulación de carga Doble regulación
alabes del aparato distribuidor y rodete ajustables.
Características Generales
3
Turbina Kaplan
Turbina Kaplan de diámetroD = 9,5 m Central Yacyretá,ArgentinaD
4
EstatorRotor
Campo de Aplicación
Turbina Kaplan
5
Turbina Bulbo
6
TK de pozo
7
TK tipo S
8
Campo de Aplicación
Turbina Bulbo
9
Descripción TK
10
Turbina Kaplan
1. Concrete front spiral
casing
2. Membrane thrust
bearing
3. Thrust bearing
support head cover
4. Embedded head
cover
5. Rotating vat bearing
6. Bearing guide with
supporting cross-head
of the shell type
7. Blade
11
Turbina Kaplan
Estator
Cubierta
Enfriador Aire/Agua
Frenos y Gatos
Eje Superior
Rotor
Ménsula Inferior
Rodete
Caja Semiespiral
Eje Principal
Paletas Directrices
Cojinete Guía
Paletas Fijas
TK Doble Regulación
Regulación simultanea de
la posición de los alabes
del aparato distribuidor y
del rodete
13
Turbina Bulbo
1. Bulb nose
2. Access arm to the upstream
compartment
3. Removable cover for generator
dismantling
4. Oil distribution head
5. Generator
6. Upper stay vane for access to
downstream compartment
7. Upstream thrust and counter
thrust bearing
8. Lower stay vane
9. Downstream bearing
10. Adjustable distributor
11. Blade
12. Turbine pit
14
Turbina Bulbo
15
Turbina Bulbo
16
Turbina Straflo
Straflo ≡ Straight Flow
(Turbina Axial concéntrica)
17
Rodetes Turbina Kaplan
18
Caja espiral Turbina Kaplan
Diámetro tubería admisión 6,8 m. Diámetro externo máximo igual a 20 m
19
Central Hidroeléctrica
El Oviachic (México)
Turbina Kaplan
Hn = 47,7 35,5 m
Q = 26 30 m3/s
P = 11050 9480 kW
n = 300 rpm
20
Central Hidroeléctrica Ottmarsheim
Turbina Kaplan
21
Central Hidroeléctrica de La Torre (Italia)
Turbina Kaplan
22
Turbina Kaplan
ComparaciónTurbina Kaplan
vs. Turbina Bulbo
23
Turbina Straflo
24
Perfil Portante
Perfil Aislado y en Rejilla
25
Perfil Aerodinámico
Perfil: Es un contorno cerrado, largado en la direccióndel flujo, el cual presenta un Borde de Ataque (BA)redondeado y Borde Fuga (BF) aguzado.
BA BF
Esqueleto
(cuerda)
26
b
fmax
Ala
27
Perfil aislado portante
ángulo de pérdidas
Z
X
V∞
FZ
FX
Centro de presiones
P
dA
Fángulo de ataque
Centroide
28
Perfil aislado portante
Las fuerzas de sustentación y de arrastre se calculan por
integración del esfuerzo ejercido sobre la superficie del
perfil por la distribución de presiones. Para un diferencial
de área las fuerzas en la dirección OZ y OX se expresan
por:
sendAbPdF
cosdAbPdF
X
Z
donde “b” es la envergadura del ala estudiada
29
Distribución de Velocidades
Efecto de la curvatura:
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0.5
1
1.5
2
2.5
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0.5
1
1.5
2
2.5
= 10°, = 10°, k = 0,9 = 10°, = 20°, k = 0,9
V/V0 V/V0
x/L x/L
30
Efecto de la ángulo de ataque:
= 10°, = 10°, k = 0,9 = 20°, = 10°, k = 0,9
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0.5
1
1.5
2
2.5
3
V/V0
x/L
V/V0
x/L
Distribución de Velocidades
31
Efecto del espesor relativo:
= 10°, = 10°, k = 0,90
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0.5
1
1.5
2
2.5
3
= 10°, = 10°, k = 0,95
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0.5
1
1.5
2
2.5
3 C/C0
x/L
C/C0
x/L
Distribución de Velocidades
32
Efecto del espesor relativo:
= 10°, = 10°, k = 0,90
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0.5
1
1.5
2
2.5
3
= 10°, = 10°, k = 0,85
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0.5
1
1.5
2
2.5
3V/V0
x/L
V/V0
x/L
Distribución de Velocidades
33
Coeficientes
2V
FC
2Z
Z
2V
FC
2X
X
Coeficiente de sustentación:
Coeficiente de arrastre:
2V
MC
2
2
M
Coeficiente de Momento:
(Referido al centroide)
Fineza Aerodinámica:X
Z
C
Cctg
34
Perfiles en rejilla
1. Tipos de Rejillas Planas :
Rejilla de Difusión Rejilla de Aceleración
V1
V2
V2
V1
43
Turbina Kaplan
Transferencia de Energía
50
m2m1m
2
c
2
e21
VVV
)DD(4
AA
0VR
UUU 21
Dc
De
Vm
Dm
1
2
1
2
a b c c b a
Turbina Kaplan
e
c
D
D
2
DDD ec
m
U
51
Triángulo de velocidades para D = Dm
Turbina Kaplan
2U1Ut VVg
UH
902 1Ut VUg
1HCondición de diseño:
α2 = 90°
V1
U
W1V2
W2
Vm
VU1
α1β1β2
V∞
α∞
W∞
β∞
2
V
2
VVV 1U2U1U
U
mm VV
mU VVV
0
52
Rejilla plana móvil
ci
W∞
i
t
U
mD
FZFX
F
FU
c
z
Dt m
Faxia
l
53
)(senUFzsenUFzUFzP Uot
Potencia:
cos
FF Z
b2
WCF
2
ZZ cos
)(senU
2
WCbzP
2
Zot
Turbina Kaplan
Empuje axial:cos
)cos(b
2
WCzF
2
Zaxial
2
DDb ce
(envergadura del alabe)
54
mVAQ
Caudal:
Turbina Kaplan
z
Dt m
2
DDb ce
bD)DD(4
A m
2
c
2
e
mVbtzQ
55
Altura H transferida a la turbina:
m
2
Zot
tVbtzg
cos
)(senU
2
WCbz
Qg
PH
cos
)(sen
V
UW
tC
g2
1H
m
2
Zt
Ec. Fundamental de las TBMH axiales
Turbina Kaplan
56
Eficiencia Hidráulica:
cossen
sencos1
cossen
)(sen
H
Hth
W
VsenUW
tC
g2
1H0 m
Z
tg
tg1h
Turbina Kaplan
57
Eficiencia Hidráulica:tg
tg1h
Turbina Kaplan
0 10 20 30 40 50 60 70 80 900
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
ηh
β∞
ε = 1
ε = 2,5
ε = 4
58
m
22
e V)1(D4
Q
m
e2eU
2
mU
5/41/4
SD
DtgK)-(1K
g260
An
21
A
HQgPm
Velocidad específica de giro nS
e2
m2
U
Vtg
Turbina Kaplan
59
Velocidad específica de giro nS
S
m
e2U1U n,
D
DK,K
β2 = 14o
g = 9,81 m/s2
ρ = 997 kg/m3
A = 735,3
η = 0,90
m
eeU
2
1USD
DK)1(K386n
2
Turbina Kaplan
60
Turbina Kaplan
Cavitación
61
Turbina Kaplan
Zonas de erosión
1. Límite Cavitación en el borde de
ataque, extradós (zona D).
2. Límite Cavitación en el borde de
ataque, intradós (zona E).
3. Límite de cavitación en el cubo.
nH
H
extradós intradós
Borde de ataque
1 2 3
nQ
Q
62
Turbina Kaplan
Cavitación (vórtice en el extremo del alabe)
63
45
m
)gH(
P
b
c ac
Turbina Kaplan
Valores del número de Thoma Crítico
64
Turbina Kaplan
737,1
Sc
100
n0304,0
Valores del número de Thoma Crítico
65
Turbina Kaplan
Operación
66
67
Principio de la Doble Regulación TK
Triángulos en el rodete
Turbina Kaplan
Principio de la Doble Regulación TK
V1
U
W1
Vm
VU1
α1
¾
½
¼
1
β1
U
VmV2
W2¾
½
¼
1
β2
Turbina Kaplan
.ctei c
68
Doble Regulación TK
Turbina Kaplan
C
η
Q
cteH
cten
69
Turbina Kaplan
Curvas Características
70
nS = 450
Construcción del Diagrama Topográfico
71
Diagrama Topográfico
nS = 500
20,1Q
135N
n
11
n
11
72
nS = 400
Diagrama Topográfico
73
Turbina Kaplan
Dimensionamiento
74
Dimensionamiento Estadístico
46.1
s
5
c
n
VSins
n1035,6
H
HHB
Cálculo del número específico de revoluciones según
Siervo:
Año de diseño ns
1960-1964
1965-1969
1970-1975
Calculo del número de Thoma:
0.489
nH2096
0.489
nH2195
0.489
nH2419
45Sm
Kwrpmn
75
Dimensionamiento del Rodete
s
5
M
1
0.403-
s
M
m
sM
m
n
UM
s
3
U
n1017,50,38D
H
n94,6D
H
n
94,50,25
D
D
n
H84,5.KD
n1061,10,79K
DM
Dm
Hm
Ht
H1
76
Dimensionamiento Caja Espiral
s
5
M
2
s
4
M
1
s
5
M
2
s
4
M
1
s
M
n1048,155,0
1
D
C
n1024,31,46D
C
n1092,876,0
1
D
B
n1079,31,26D
B
n40,0D
A
s
5
M
2
sM
1
s
5
M
2
s
4
M
1
s
5
M
2
s
4
M
1
n1018,362,1D
F
n
17,721,21
D
F
n10*11,248,1
1
D
E
n10*71,21,21D
E
n1005,958,1
1
D
D
n1074,51,59D
D
77
Dimensionamiento Caja Espiral
sM
2
sM
1
sM
2
sM
1
n
4,6919,1
D
H
n
31,861,13
D
H
n
7,791,36
D
G
n
41,631,29
D
G
sM
2
s
3
M
1
sM
2
s
4
M
1
sM
2
sM
1
n
136,28+1,03
D
M
n1020,106,2
1
D
M
n
105,29+1,44
D
L
n107,874,0D
L
n
21,444,0
D
I
n
31,8045,0
D
I
78
Dimensionamiento Caja Espiral
Espesor de la caja espiral:
Material Espesor
acero
concreto
M1
11 D3,762
ACB
M22 D3,04CB
79
Tubo de Aspiración
sM
s
4
M
sM
s
5
M
sM
sM
s
5
M
s
6
M
s
5
M
t
n
102,6658,2
D
Z
n1012,520,1D
T
n
201,5126,4
D
S
n1098,725,1D
R
n
18,4066,0
D
Q
n
16,3526,1
D
P
n1067,140,1D
O
n10.14,200,2D
N
n1082,724,0D
H
80
Turbinas Kaplan
Instalaciones en Venezuela
81
Central Caruachi
Bajo Caroní
Turbinas
Número 12
Hn 35,6 m
Pot. nominal 180 MW
n 94,74 rpm
Pot. central 2160 MW
D = 9,0 m82
Central Caruachi
Bajo Caroní
83
Central Macagua II.
TURBINAS Casa de Máquinas 3Número 2Tipo KaplanElevación anillo distribuidor 24 m.s.n.m.Caída neta nominal 22.6 mCaída neta máxima 23 mVelocidad nominal 94.74 rpmVelocidad de embalamiento 230 rpmVelocidad específica 564
Caudal nominal 415 m3/sCapacidad nominal 86 MWCapacidad máxima 88,2 MW
Bajo Caroní
84
Flujo en el Rotor
Simulación CFD del Rotor
85
Turbinas Kaplan
FIN
86