• Author / Uploaded
• Luis Fernando Mendoza

Citation preview

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA

“DISEÑO MECÁNICO E HIDRÁULICO DE UNA TURBINA FRANCIS TUBULAR”

Trabajo de Grado Presentado a la Ilustre Universidad Simón Bolívar por: De Andrade Correia, Jesús Alberto

Como requisito parcial para optar al título de: Ingeniero Mecánico

Realizado con la Asesoría de los Profesores Prof. Frank Kenyery Prof. Miguel Asuaje Sartenejas, Septiembre de 2006

RESUMEN En el presente trabajo de grado se desarrolla un diseño innovador de Turbinas Hidráulicas de reacción, como turbinas Francis o Kaplan, la cual es llamada en este libro Turbina Francis Tubular (TFT). La TFT se diseña como una alternativa económicamente rentable y de sencilla construcción, para su aplicación en pequeñas centrales hidroeléctricas. El proyecto de la TFT se basa en la simplificación de dos elementos convencionalmente constitutivos de las turbinas a reacción ya nombradas: La Caja Espiral y el Aparato Distribuidor tipo Fink. La Caja Espiral es sustituida por una Corona de Álabes Directrices Tubulares, cuya función es desviar el flujo a una dirección radial hacia la arista de entrada del Distribuidor. El Distribuidor tipo Fink es sustituido por tres Distribuidores de Álabes Fijos con distintos ángulos de salida, ello permite modificar el campo de operación de la turbina, adaptándolo al crecimiento de demanda de energía eléctrica. Además del diseño hidráulico y mecánico de estos nuevos elementos, también se incluye el diseño detallado del codo de admisión, rodete, tubería de admisión y piezas menores. Mostrando en los anexos el plano de montaje de la TFT. Debido a que la TFT no dispone de un Distribuidor de paletas móviles, el método convencional de regulación del caudal en el que se modifica la dirección de entrada del flujo al rodete, no puede realizarse. Por ello, para el control de la TFT se aplica una regulación cualitativa, utilizando una válvula de control en la admisión de la turbina. Modificando la apertura de la válvula se regula el caudal dirigido a la turbina, con el fin de mantener la velocidad de rotación de la turbina. El flujo a través de los elementos de la TFT fue modelado numéricamente en tres dimensiones mediante la Dinámica de Fluidos Computacional. Utilizando esta herramienta se optimizó el diseño del codo de admisión y la corona de álabes directrices. Además, se obtuvieron las curvas características de la TFT simulando los tres distribuidores diseñados con el rodete. Culminando este trabajo con el estudio del campo de operación cubierto por la TFT.

Palabras claves: Turbina Francis, Caja Espiral, Dinámica de Fluidos Computacional, Corona de Álabes Tubulares Directrices, Distribuidor tipo Fink

ii

DEDICATORIA

A Dios y a la Virgencita, por su presencia en cada momento de mi vida, y en especial por haberme brindado la fuerza para culminar con éxito mi carrera.

A mi Papa y en especial a mi Mami, por su amor y apoyo constante e incondicional, a ellos debo gran parte de lo que soy. A mis hermanos, que me han acompañado, ayudado y apoyado. A mi novia, Faby, por su amor y apoyo sin condición.

iii

AGRADECIMIENTOS A mis profesores y amigos Frank Kenyery y Miguel Asuaje, por haberme recibido en el laboratorio de Conversión de Energía Mecánica y haberme brindado su amistad, enseñanza. Sin su apoyo y ayuda, siempre necesaria, no hubiese podido culminar este trabajo de grado. Muchas gracias. A grandes amigos, Orlando Aguillón, Antonio “chavalillo” Vidal y Jacobo Montaño, por su ayuda y oportunos consejos durante todo el desarrollo del proyecto. A mis hermanos, en especial a Cristian, que también le metió mano a la tesis, gracias por tantos buenos momentos, sin ustedes la vida no hubiese sido la misma. A mis padres, quienes estuvieron conmigo en todo el camino que seguí hasta acá, han sido ejemplos de vida, dedicación y amor. Las palabras de agradecimiento nunca serán suficientes. A Faby, por hacerme el afortunado de contar con su compañía, por todo su amor, ayuda y apoyo en el logro de mis metas. Gracias gordita. A mis panas Cristobal y el Guille, con quienes compartí grandes momentos y muchas madrugadas de estudio desde el principio. A todos mis amigos de la univ, quienes hicieron de este difícil recorrido algo especial. A la familia del Laboratorio, Yesenia, Domiris, Eduardo, Roberto, Andreina, María Gabriela, Jesús, Carlos, José, Cesar, Rabibi, Leito, Marco, Rito, Marisela, Jasmín, a los que ya antes nombre, en fin, a todos los que me han acompañado en arduas jornadas de trabajo y bromas en mis últimos años de carrera.

iv

ÍNDICE GENERAL RESUMEN ..............................................................................................................................ii DEDICATORIA.....................................................................................................................iii AGRADECIMIENTOS..........................................................................................................iv ÍNDICE GENERAL ................................................................................................................v ÍNDICE DE FIGURAS ...........................................................................................................x ÍNDICE DE TABLAS..........................................................................................................xvi NOMENCLATURA............................................................................................................xvii INTRODUCCIÓN...................................................................................................................1 CAPITULO 1. ANTECEDENTES. ....................................................................................3 1.1. Minicentral de San Rafael de Kamoirán...................................................................3 1.1.1. Ubicación...........................................................................................................3 1.1.2. Descripción del Recurso....................................................................................3 1.1.3. Estudios Preliminares ........................................................................................4 1.1.4. Hidrología..........................................................................................................4 1.1.5. Geología ............................................................................................................5 1.1.6. Descripción General del Proyecto .....................................................................5 1.2. Cota de Instalación de la Casa de Máquinas ............................................................7 CAPITULO 2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS..................................................................9 2.1. Centrales Hidroeléctricas..........................................................................................9 2.2. Definiciones..............................................................................................................9 2.2.2. Clasificación de las Pequeñas Centrales Hidroeléctricas ................................10 2.3. Generalidades sobre las Turbinas Hidráulicas........................................................12 2.3.1. Definición ........................................................................................................12 2.3.2. Clasificación ....................................................................................................12 2.3.2.1. Según su grado de reacción ......................................................................12 2.3.2.2. Según el Número Específico de Revoluciones ns .....................................13 2.4. Teoría básica para el estudio de Turbinas Hidráulicas. ..........................................13

v

2.4.2. Definición de Altura Neta. ..............................................................................14 2.4.3. Pérdidas, Potencias y Rendimientos................................................................14 2.5. Generalidades sobre Turbinas Hidráulicas tipo Francis .........................................16 2.5.1. Clasificación de las Turbinas Francis..............................................................16 2.5.1.3. Según la disposición del eje .....................................................................16 2.5.1.4. Según el ns ................................................................................................17 2.5.2. Elementos Constitutivos..................................................................................17 2.6. Fenómeno de Cavitación en Turbinas Francis .......................................................19 2.6.1. Definición del fenómeno .................................................................................19 CAPITULO 3. DISEÑO HIDRÁULICO DE UNA TFT..................................................22 3.1. Definición del tipo de Turbina................................................................................22 3.2. Disposición del Equipo Turbo-Generador..............................................................24 3.3. Dimensionamiento básico de la Turbina Francis en base a la Altura de Succión ..24 3.4. Diseño hidráulico de elementos constitutivos de la TFT .......................................27 3.4.1. Selección y Diseño del Codo de Admisión .....................................................27 3.5. Diseño del Cono .....................................................................................................28 3.5.1. Diseño del Rodete Francis...............................................................................28 3.5.1.1. Trazado del Perfil Hidráulico, Método de Bovet .....................................29 3.5.1.2. Determinación del tamaño del Rodete .....................................................31 3.5.1.3. Determinación del Número de Álabes .....................................................34 3.5.1.4. Trazado de la red de corriente ..................................................................34 3.5.1.5. Condición de la cesión gradual de energía en el rodete ...........................35 3.5.1.6. Trazado del Álabe en el Plano Meridional ...............................................37 3.5.2. Diseño de los Distribuidores ...........................................................................41 3.5.3. Diseño de la Corona de Álabes Directrices Tubulares ....................................42 3.5.4. Anillos de Desgaste .........................................................................................42 3.5.5. Selección y Diseño de la Tubería de Aspiración.............................................43 CAPITULO 4. DISEÑO MECÁNICO DE UNA TFT. ....................................................44 4.2. Diseño Mecánico del Rodete Francis .....................................................................46 vi

4.3. Diseño Mecánico del Distribuidor..........................................................................48 4.4. Diseño Mecánico del Codo Mitrado.......................................................................49 4.5. Cono .......................................................................................................................50 4.6. Diseño de la Carcaza de Álabes Directrices Tubulares..........................................50 4.7. Diseño del Eje de la Turbina ..................................................................................52 4.8. Sistema de Lubricación ..........................................................................................53 4.8.2. Camisa .............................................................................................................53 4.8.3. Diseño de las Cajas de Rodamientos...............................................................53 4.8.3.1. Diseño del Sello Mecánico .......................................................................55 4.8.3.2. Selección de Rodamientos........................................................................56 4.9. Sistema de Compensación de Presión ....................................................................56 4.10. Diseño de la Tubería de Aspiración .....................................................................57 4.10.1. Codo de Aspiración .......................................................................................57 4.10.2. Tubería...........................................................................................................57 4.11. Anillo de Desgaste................................................................................................58 4.12. Diseño del Volante de Inercia ..............................................................................58 4.13. Diseño del Eje del Volante de Inercia ..................................................................59 4.13.1. Selección de Chumaceras ..............................................................................59 4.13.2. Acoples ..........................................................................................................60 CAPITULO 5. REGULACIÓN DE LAS TFT. ................................................................61 5.1. Regulación de las Turbinas Hidráulicas .................................................................61 5.2. Sistema de Regulación de una TFT........................................................................62 5.2.1. Descripción General ........................................................................................62 5.3. Válvulas del Sistema de Regulación ......................................................................64 5.3.1. Válvula de reparación Casa de Máquinas........................................................64 5.3.2. Válvula de Control del Flujo ...........................................................................64 5.4. Equipos de Medición de Presión ............................................................................65 5.5. Procedimiento de Arranque de la TFT ...................................................................66 5.5.1. Tubería para el Arranque del Grupo Electrogenerador ...................................66 vii

5.5.2. Válvula de Arranque........................................................................................66 5.6. Procedimiento de Parada de la TFT .......................................................................66 5.6.1. Tubería para el Vaciado de la Tubería Forzada...............................................66 5.6.2. Válvula de Vaciado .........................................................................................67 CAPITULO 6. ANÁLISIS DEL DESEMPEÑO DE LA TFT MEDIANTE LA DFC.....68 6.1. Dinámica de Fluidos Computacional .....................................................................68 6.1.2. Geometría y Mallado .......................................................................................68 6.1.3. Pre-Procesamiento ...........................................................................................69 6.1.4. Resolución .......................................................................................................69 6.1.5. El Post Procesador ...........................................................................................69 6.2. Programas ANSYS-CFX........................................................................................69 6.3. Simulación Numérica del Flujo 3D de la TFT .......................................................70 6.3.2. Dominios Físicos para las Simulaciones .........................................................71 6.3.3. Mallado............................................................................................................72 6.3.3.1. Codo de Admisión ....................................................................................72 6.3.3.2. Cono y Corona de álabes directrices Tubulares .......................................73 6.3.3.3. Rodete Francis ..........................................................................................73 6.3.4. Distribuidores Fijos .........................................................................................74 6.4. Pre-Procesamiento ..................................................................................................74 6.4.2. Modelo de Turbulencia....................................................................................75 6.4.3. Parámetros de Simulación y Condiciones de Contorno ..................................75 6.4.3.1. Codo de Admisión ....................................................................................75 6.4.3.2. Cono y Corona de Álabes Directrices Tubulares .....................................75 6.4.3.3. Aparato Distribuidor - Rodete ..................................................................75 6.4.4. Validación de las Mallas..................................................................................76 6.5. Simulaciones Numéricas de la TFT........................................................................79 6.5.1. Codo Mitrado...................................................................................................79 6.5.2. Cono y Corona de Álabes Directrices Tubulares ............................................86 6.5.3. Distribuidor-Rodete .........................................................................................92 viii

6.5.3.1. Análisis de Flujo Interno con Distribuidor de α1 = 15° ...........................97 6.5.3.2. Análisis de Flujo Interno con Distribuidor de α1 = 22° .........................101 6.5.3.3. Análisis de Flujo Interno con Distribuidor de α1 = 40° .........................106 6.6. Desempeño de la TFT...........................................................................................110 CAPITULO 7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .....................................114 7.1. Conclusiones.........................................................................................................114 7.2. Recomendaciones .................................................................................................116 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................114 APÉNDICE I. Diseño del Perfil Hidráulico del Rodete......................................................114 APÉNDICE II. Trazado de los Álabes del Rodete Francis .................................................114 APÉNDICE III. Cálculo de las Eficiencias Volumétricas y Mecánicas de la TFT.............114 APÉNDICE IV. Diseño del Eje de la Turbina ....................................................................114 APÉNDICE V. Diseño del Eje para el Volante de Inercia..................................................114 APÉNDICE VI. Montaje de la TFT ....................................................................................114

ix

ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1. Panorámica del Salto Kamoirán..................................................................... 4 Figura 1.2. (a) Curvas de Permanencia y (b) Frecuencia Máxima, Mínima y Media...... 5 Figura 1.3. Esquema del aprovechamiento por la margen derecha.................................. 6 Figura 1.4. Progresiva de la Tubería Forzada................................................................... 6 Figura 1.5. Casa de máquinas, conexión tubería forzada ................................................. 7 Figura 1.6. Esquema de instalación de los canales para la reincorporación de las aguas turbinadas en la Minicentral de Kamoirán hacia el río...................................................... 8 Figura 2.1. Esquema de instalación de una Turbina Hidráulica para la definición de salto energético en la máquina......................................................................................... 10 Figura 2.2. Clasificación de las Pequeñas Centrales Hidroeléctricas............................. 11 Figura 2.3. Rodetes de turbinas (a) Pelton y (b) Francis............................................... 12 Figura 2.4. Diagrama de velocidades a la entrada y a la salida del rotor de una Turbina Francis ............................................................................................................................. 14 Figura 2.5. Varios dispositivos de operación de turbinas Francis.................................. 17 Figura 2.6. Elementos de una turbina Francis ................................................................ 18 Figura 2.7. Diferentes tubos de aspiración de una turbina hidráulica a reacción........... 19 Figura 2.8. (a) Esquema de una instalación hidroeléctrica, (b) convección de signos para la altura de aspiración ...................................................................................................... 20 Figura 2.9. Definición del número de Thoma, atendiendo a la caída del rendimiento de 1%.................................................................................................................................... 21 Figura 3.1. Metodología de diseño hidráulico de la TFT ............................................... 23 Figura 3.2. Diagrama de selección Turbinas Hidráulicas (cortesía Wasserkraft Volk AG) .................................................................................................................................. 24 Figura 3.3. Dimensiones del Rotor, referenciadas a las ecuaciones de Siervo .............. 26 x

Figura 3.4. (a) Desprendimiento en las zonas r y s, (b) corrientes secundarias, (c) perfiles aerodinámicos que guían la corriente ................................................................. 27 Figura 3.5. Curvas límites del volumen ocupado por los álabes .................................... 29 Figura 3.6. Curvas límites interior y exterior del perfil hidráulico ................................ 30 Figura 3.7. Dimensiones características del canal del rodete......................................... 30 Figura 3.8. Perfil hidráulico del rodete Francis.............................................................. 33 Figura 3.9. Estimación del número de álabes de una turbina Francis en función del ns 34 Figura 3.10. Líneas de corriente equipotenciales del rodete Francis ............................. 35 Figura 3.11. Estimación del rendimiento hidráulico de una TF en función del diámetro característico hidráulico................................................................................................... 36 Figura 3.12. (a) Sección meridional del rodete Francis con las turbinas parciales, líneas de corriente y y cortes verdaderos del álabe con planos axiales. (b) Sección transversal de la TF, trazas de los planos axiales de igual energía y líneas de corriente resistivas proyectadas ortogonalmente. (c) línea de corriente en transformación conforme cilíndrica. ......................................................................................................................... 38 Figura 3.13. Esquema de diseño del trazado de los álabes del Rodete Francis, para una línea de corriente ............................................................................................................. 39 Figura 3.14. Trazado de la arista de entrada y salida del rodete .................................... 40 Figura 3.15. Ley de ángulos θ del álabe, en función de la accisa curvilínea entre el radio de cada punto (m´), para 11 líneas de corriente............................................................... 40 Figura 3.16. Perfil de los álabes del Rodete Francis, para el plano álabe-álabe en la línea de corriente media ........................................................................................................... 41 Figura 3.17. Perfil de los álabes del distribuidor, en el plano álabe-álabe ..................... 42 Figura 3.18. Anillos de Desgaste (a) en cubo y (b) en bóveda ...................................... 43 Figura 4.1. Vistas del ensamblaje de una Turbina Francis Tubular ............................... 45 Figura 4.2. Rodete de la TFT ......................................................................................... 47

xi

Figura 4.3. Distribuidor de la TFT, para α1 = 22°.......................................................... 48 Figura 4.4. Vista frontal y posterior del cono de la TFT................................................ 50 Figura 4.5. Partes de la Carcasa de Álabes Directrices Tubulares ................................. 51 Figura 4.6. Sistema de Lubricación de la TFT ............................................................... 53 Figura 4.7. Caja de Rodamientos Externa ...................................................................... 54 Figura 4.8. Caja de Rodamientos Interna ....................................................................... 55 Figura 4.9. Diseño tentativo del sistema de compensación de presión .......................... 57 Figura 4.10. Tubería de Aspiración................................................................................ 58 Figura 4.11. Base de montaje. Soporte de chumaceras .................................................. 60 Figura 4.12. Acople entre el eje de la turbina y eje del volante de inercia..................... 60 Figura 5.1. Triangulo de velocidades en la entrada de la turbina para (a) α1 constante, modificando la apertura de la válvula de control, y (b) manteniendo la apertura de la válvula de control y modificando α1 ............................................................................... 63 Figura 5.2. Actuador hidráulico de horquilla escocesa simétrica................................... 64 Figura 5.3. Coeficiente de gasto Kv. Válvula Mariposa de Control de 24”................... 65 Figura 5.4. Sistema de derivación para el arranque........................................................ 66 Figura 5.5. Sistema de vaciado de la tubería forzada ..................................................... 67 Figura 6.1. Etapas para la solución de un problema utilizando DFC ............................. 68 Figura 6.2. Procedimiento de análisis DFC del codo de admisión, corona de álabes directrices tubulares, Distribuidor y Rodete Francis ....................................................... 70 Figura 6.3. Desarrollo de los álabes del rodete .............................................................. 72 Figura 6.4. Comparación de los planos álabe-álabe para los distribuidores, con ángulo de salida de (a) 15°-22° y (b) 22°-40°............................................................................. 72 Figura 6.5. Mallado de las superficies del codo mitrado con álabes directrices ............ 73 Figura 6.6. Mallado de las superficies del cono y la corona de álabes directrices xii

tubulares .......................................................................................................................... 73 Figura 6.7. Mallado del álabe del (a) rotor y (b) distribuidor con ángulo de salida de 22°, en el plano álabe-álabe............................................................................................. 74 Figura 6.8. Dominios físicos simulados para el análisis DFC, de la TFT...................... 74 Figura 6.9. Validación de la malla del codo de admisión, 8 álabes guías, Q = 0,70 m3/s................................................................................................................... 77 Figura 6.10. Validación de la malla del el cono y corona de álabes directrices tubulares, 5 álabes directrices tubulares, Q = 0,70 m3/s................................................................... 77 Figura 6.11. Validación de la malla del distribuidor, 1 álabe, Q = 0,70 m3/s ................ 78 Figura 6.12. Validación de la malla del rodete, 1 álabe, Q = 0,70 m3/s ......................... 78 Figura 6.13. Estudio de casos para la optimización del diseño del Cono y Corona de Álabes Directrices Tubulares mediante la DFC .............................................................. 79 Figura 6.14. Líneas de corriente, (a) vista frontal, (b) vista posterior, codo de admisión con 8 y 9 álabes guías ...................................................................................................... 80 Figura 6.15. Plano longitudinal para Z = 0,00 m, codo de admisión ............................. 81 Figura 6.16. Perfil de Velocidades para Z = 0,00 m, codo de admisión con 8 y 9 álabes guías................................................................................................................................. 82 Figura 6.17. Perfil de velocidad en el radio externo del codo mitrado, para un codo con 8 y 9 álabes guías, en los planos (a) Z = 0,00 m, (b) Z = 0,05 m.................................... 83 Figura 6.18. Perfil de velocidad en el radio externo del codo mitrado, para un codo con 8 y 9 álabes guías, en los planos (a) Z = 0,01 m, (b) Z = 0,15 m.................................... 84 Figura 6.19. Contornos de velocidad en la salida del cono del distribuidor, para un codo con (a) 8 y (b) 9 álabes guías........................................................................................... 85 Figura 6.20. Contornos de Presión Total, codo de admisión con 8 y 9 álabes guías, Z = 0,00 m ...................................................................................................................... 86 Figura 6.21. Procedimiento de análisis y optimización del cono y corona de álabes directrices tubulares mediante la DFC............................................................................. 87 xiii

Figura 6.22. Líneas de corriente en la corona de álabes directrices tubulares, para 5 álabes tubulares y carcaza de 34 plg................................................................................ 88 Figura 6.23. Líneas de corriente en la corona de álabes directrices tubulares, para 3 álabes tubulares y carcaza de 32 plg................................................................................ 88 Figura 6.24. Plano longitudinal para X = 0,00 m, codo y corona de álabes directrices tubulares .......................................................................................................................... 89 Figura 6.25. Perfiles de velocidad en la corona de: 5 y 3 álabes tubulares en los planos (a) X = 0,00 m y (b) X = 0.12 m. .................................................................................... 90 Figura 6.26. Perfiles de velocidad alrededor de los soportes del cono: (a) 5 álabes tubulares, (b) 3 álabes tubulares ...................................................................................... 91 Figura 6.27. Contornos de Presión Total en el cono y corona de álabes directrices tubulares en el plano X = 0,00 m, para (a) 5 álabes tubulares, (b) 3 álabes tubulares .... 92 Figura 6.28. Planos para el cálculo de (a) caída de presión total y (b) vectores de velocidad.......................................................................................................................... 93 Figura 6.29. Altura teórica y neta, para α1 = 15, α1 = 22° y α1 = 40°, N = 1200 rpm... 94 Figura 6.30. Potencia interna, para α1 = 15, α1 = 22° y α1 = 40°, N = 1200 rpm.......... 95 Figura 6.31. Eficiencia Hidráulica, para α1 = 15, α1 = 22° y α1 = 40°, N = 1200 rpm . 95 Figura 6.32. Planos para la visualización de Contornos de Presión Total y Perfiles de Velocidades ..................................................................................................................... 97 Figura 6.33. Contornos de Presión Total, α1 = 15°, N = 1200 rpm, para (a) Qsim = 0,508 m3/s (b) Qsim = 0,600 m3/s ............................................................................................... 98 Figura 6.34. Perfiles de Velocidad Relativa, α1 = 15°, N = 1200 rpm, para (a) Qsim = 0,508 m3/s (b) Qsim = 0,600 m3/s ..................................................................................... 99 Figura 6.35. Perfiles de Velocidad Absoluta en al plano Álabe-Álabe, α1 = 15°, N = 1200 rpm, para (a) Qsim = 0,508 m3/s (b) Qsim = 0,600 m3/s .................................. 100 Figura 6.36. Perfiles de Velocidad Absoluta en al plano Meridional, α1 = 15°, N = 1200 rpm, para (a) Qsim = 0,508 m3/s (b) Qsim = 0,600 m3/s .................................................. 101 xiv

Figura 6.37. Contornos de Presión Total, α1 = 22°, N = 1200 rpm, para (a) Qsim = 0,700 m3/s (b) Qsim = 0,800 m3/s................................................................... 102 Figura 6.38. Perfiles de Velocidad Relativa, α1 = 22°, N = 1200 rpm, para (a) Qsim = 0,700 m3/s (b) Qsim = 0,800 m3/s................................................................... 103 Figura 6.39. Perfiles de Velocidad Absoluta en al plano Álabe-Álabe, α1 = 22°, N = 1200 rpm, para (a) Qsim = 0,700 m3/s (b) Qsim = 0,800 m3/s .................................. 105 Figura 6.40. Perfiles de Velocidad Absoluta en al plano Meridional, α1 = 22°, N = 1200 rpm, para (a) Qsim = 0,700 m3/s (b) Qsim = 0,800 m3/s .................................. 106 Figura 6.41. Contornos de Presión Total, α1 = 40°, N = 1200 rpm, para (a) Qsim = 0,900 m3/s (b) Qsim = 1,015 m3/s, (c) Qsim = 1,116 m3/s ............................... 107 Figura 6.42. Perfiles de Velocidad Relativa, α1 = 40°, N = 1200 rpm, para (a) Qsim = 0,900 m3/s (b) Qsim = 1,015 m3/s, (c) Qsim = 1,116 m3/s ............................... 108 Figura 6.43. Perfiles de Velocidad Absoluta en al plano Álabe-Álabe, α1 = 40°, N = 1200 rpm, para (a) Qsim = 0,900 m3/s (b) Qsim = 1,015 m3/s, (c) Qsim = 1,116 m3/s109 Figura 6.44. Perfiles de Velocidad Absoluta en el plano Meridional, α1 = 40°, N = 1200 rpm, para (a) Qsim = 0,900 m3/s (b) Qsim = 1,015 m3/s, (c) Qsim = 1,116 m3/s110 Figura 6.45. Campo de Operación la TFT, con Aparatos Distribuidores a α1 = 15, 22 y 40°, y curvas del sistema para apertura máxima y mínima de la válvula de control..... 111 Figura 6.46. Eficiencia global de la TFT, con distribuidores a α1 = 15, 22 y 40°........ 112 Figura 6.47. Curva de eficiencia del generador trifásico de 60Hz Stamford, modelo HCI636H ....................................................................................................................... 113 Figura 6.48. Potencia máxima y mínima de la TFT, con coronas de alabes directrices a α1 = 15, 22 y 40°. Potencia máxima instalada de la microcentral para un factor de potencia 0,8 y una eficiencia del generador de 94% ..................................................... 113

xv

ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1.1. Especificaciones para el diseño de la Turbina Hidráulica............................... 8 Tabla 2.1. Clasificación de las TF, según su ns (unidades en el Sistema Internacional) 17 Tabla 3.1. Tipos de turbinas Francis posibles ................................................................ 25 Tabla 3.2. Dimensiones del rotor Francis, según ecuaciones de Siervo......................... 27 Tabla 3.3. Parámetros de diseño del perfil hidráulico .................................................... 33 Tabla 4.1. Cuadro comparativo de los materiales propuestos para la construcción del rodete ............................................................................................................................... 47 Tabla 4.2. Rango de operación del Sello Mecánico ....................................................... 55 Tabla 4.3. Características de los Rodamientos ............................................................... 56 Tabla 4.4. Dimensiones del Volante de Inercia.............................................................. 59 Tabla 4.5. Características de los acoples ........................................................................ 60 Tabla 5.1. Rango de medición de los manómetros......................................................... 65 Tabla 6.1. Matriz de caudales simulados para el grupo: distribuidor-rodete.................. 93 Tabla 6.2. Caudales analizados mediante Simulaciones 3D DFC, para el grupo Distribuidor - Rodete ....................................................................................................... 96

xvi

NOMENCLATURA α1

s.m.

Sistema Métrico

ns

Velocidad Específica

hacia el rodete, respecto a la

hs

Altura de Succión [m]

dirección tangencial

Hn

Altura neta

hV

Altura de vaporización

A

Altitud

ϕ

Ángulo de Entrada del flujo

Ángulo Ocupado por un álabe del Rodete

p

Presión Estática

P

Presión Total

D

Diámetro

TF

Turbina Francis

la turbina

TH

Turbina Hidráulica

n

Velocidad de giro

TFT

Turbina Francis Tubular

ηv

Eficiencia Volumétrica

DFC Dinámica de Fluidos

ηm

Eficiencia Mecánica

ηH

Eficiencia Hidráulica

η

Eficiencia Global

Hn

Altura Neta

σINST Coeficiente de cavitación de la instalación σcr1% Coeficiente critico de cavitación de

Computacional

Subíndices

Qinst. Caudal instalado en al Central

e,s

Entrada y salida de la turbina

Hidroeléctrica

1,2

Entrada y salida del rodete

Q

Caudal suministrado a la Turbina

Qn

Caudal nominal

Qf

Caudal fugado por sellos y prensaestopas

QSIM Caudal relacionado con las simulaciones, QSIM = ηvQ ρag

Densidad del agua 998 [kg/m3]

V

Velocidad Absoluta

U

Velocidad Circunferencial

Vr

Velocidad relativa

xvii

INTRODUCCIÓN Para los países en desarrollo, especialmente en sus áreas rurales, el impulso de pequeñas centrales hidroeléctricas juega un importante rol en cuanto a su situación energética. Sin embargo, el costo de inversión inicial de estas centrales es considerado relativamente alto, y ello ha restringido o postergado en algunos países, el aprovechamiento de estas energías hídricas potenciales. El uso de Bombas Centrífugas como turbinas puede ofrecer, y desde ya lo están haciendo, una alternativa técnica con una considerable ventaja económica para su instalación en pequeñas centrales. No obstante, el equipo del Laboratorio de Conversión de Energía Mecánica de la Universidad Simón Bolívar se planteó el desarrollo de un diseño innovador de turbinas hidráulicas que pudiese reducir los costos de construcción y que facilitará su construcción según los recursos tecnológicos presentes en Venezuela, sin sacrificar considerablemente la eficiencia de la máquina. Atendiendo a este planteamiento, el objetivo del presente trabajo de grado consiste en el diseño de una turbina de reacción, económicamente rentable para su aplicación en pequeñas centrales hidroeléctricas, promoviendo el desarrollo de diferentes comunidades del país. El libro se compone esencialmente de dos áreas de diseño, el diseño hidráulico de los principales componentes constitutivos de la turbina para que se produzca el guiado adecuado del flujo de agua hacia el rodete, y la segunda área corresponde a la concepción y diseño mecánico de los elementos de la turbina. El diseño propuesto para una turbina de reacción se basa en la sustitución las funciones de la caja espiral por una corona de álabes tubulares directrices, definiendo el nombre de la turbina como TFT “Turbina Francis Tubular”. En el primer capitulo se presenta la información base para proyectar la potencia aprovechable de una minicentral hidroeléctrica aguas abajo de la confluencia de los ríos Kamoirán y Sakaiká, en la Gran Sabana. Para ello se estudian la disponibilidad de caudales en el año y la caída del recurso hidroenérgetico. En el segundo capitulo se sientan los fundamentos teóricos para el estudio de las turbomáquinas hidráulicas, especialmente las de tipo Francis. 1

En el tercer capitulo se especifica el diseño hidráulico de los elementos de la turbina, tomando especial atención en al desarrollo de trazado hidráulico del rodete Francis y del perfil de los álabes, ya que este componente es el de mayor importancia para el aprovechamiento energético del salto. El capitulo cuatro describe el diseño mecánico y los procesos de construcción propuestos para los componentes la turbina. En el capitulo cinco se describe el método de regulación de las TFT, el cual considera la sustitución del aparato distribuidor tipo Fink, utilizado generalmente en las turbinas de reacción, por el diseño de tres distribuidores con distintos ángulos de salida. De esta manera se adapta la potencia aprovechada en el salto a los incrementos considerables de la demanda de energía eléctrica. El control de velocidad de giro de la turbina se realiza de manera cualitativa, utilizando equipos industriales de bajo costo disponibles en el mercado, como lo es una válvula de control, controlada por un circuito hidráulico, cuyo diseño escapa de los objetivos de este trabajo. Para la optimización del diseño de la TFT se efectúa el modelaje numérico del flujo mediante técnicas de Dinámica de Fluidos Computacional, modificando la posición y número de elementos guías del flujo en el codo de admisión y la corona de álabes directrices tubulares. El rodete y los tres distribuidores también fueron simulados, obteniéndose las curvas características de la TFT, analizando luego el desempeño y campos de operación de la turbina en el capitulo seis.

2

CAPITULO 1. ANTECEDENTES Bajo el impulso del Programa Mayú “Un nuevo modelo de desarrollo sustentable” auspiciado por la empresa EDELCA, renace la idea del aprovechamiento del salto de agua existente en la confluencia de los ríos Kamoirán y Sakaiká, ubicado en la Gran Sabana, con esto se persigue la electrificación de las comunidades de San Rafael y San Juan de Kamoirán, las cuales carecen de un sistema de generación capaz de suministrar las condiciones mínimas de electricidad para el buen desenvolvimiento sus actividades. Muchos de estos estudios fueron realizados para evaluar la viabilidad de aprovechar el salto natural de San Rafael de Kamoirán. Un resumen de los estudios que reflejaron la viabilidad de este proyecto hidráulico, y que condujo a la necesidad de desarrollar este trabajo de grado, sobre el diseño de una turbina hidráulica aplicable a pequeñas centrales se presenta en las líneas subsiguientes. 1.1. Minicentral de San Rafael de Kamoirán 1.1.1. Ubicación Las poblaciones de San Rafael y San Juan de Kamoirán se encuentran ubicadas en la Gran Sabana, Parque Nacional Canaima, en el municipio Gran Sabana del Estado Bolívar. Cuenta con una población aproximada de unos 200 habitantes en residencia permanente. La confluencia de los saltos Kamoirán y Sakaiká está ubicada a unos 20 km de la población de San Rafael de Kamoirán. Dicha población, se encuentra en el Kilómetro 175 de la carretera nacional que conduce a Santa Elena de Uairén. 1.1.2. Descripción del Recurso La conjunción de los ríos Kamoirán y Sakaiká, constituye el recurso hídrico más cercano a los asentamientos poblacionales de San Rafael y San Juan de Kamoirán. Dicha confluencia, converge en un salto de aproximadamente 30 metros, sobre suelo rocoso estratificado donde se evidencia la presencia de bolos sueltos y roca descompuesta[1]. Un levantamiento topográfico 3

de la zona fue realizado por la División de Estudios Hidroeléctricos[2], del cual se determina un desnivel bruto del sitio de aproximadamente 51 m. Una vista del salto, puede ser observada en el la Figura 1.1.

Figura 1.1. Panorámica del Salto Kamoirán

1.1.3. Estudios Preliminares En un estudio preliminar existente denominado: Informe preliminar del proyecto de electrificación de la comunidad de San Rafael de Kamoirán[3], se plantea la posibilidad de aprovechar el salto ubicado en la confluencia de los ríos Kamoirán y Sakaiká, determinando un desnivel aprovechable de aproximadamente 48 m. Por las características morfológicas del salto, proponen un esquema convencional de aprovechamiento en derivación a filo de agua, estimando una instalación tope de aproximadamente 300 kW. También fueron realizados, luego de este estudio preliminar, estudios técnicos sobre la hidrología, geología para definir con mayor precisión el potencial del salto y la factibilidad económica del proyecto, evaluando como variable de mayor importancia las condiciones del terreno, ya que en general, las obras civiles son las de mayor peso económico en la construcción de centrales. 1.1.4. Hidrología Como se ha comentado, un estudio hidrológico es fundamental para el inicio del proyecto, por ello el estudio de la cuenca que afecta a los ríos Kamoirán y Sakaiká fue realizado[4]. Los resultados de dicho estudio se encuentran reportados en el: Informe de hidrología de la cuenca que afecta los ríos Kamoirán y Sakaiká. Debido a la poca información recolectada en el informe, fue necesario realizar muchas suposiciones para obtener finalmente dos (2) posibles 4

curvas de permanencia. Dichas curvas fueron denominadas curvas mínima y máxima y son representadas en la Figura 1.2. Así mismo fue considerado, de manera conservadora, la media obtenida a partir de dichas curvas, la cual es igualmente reportada sobre la misma figura. Sobre la curva de permanencia media, fue seleccionado como caudal de diseño 0,7 m3/s, valor correspondiente al 90% de permanencia. 5.0

25

f [%]

Q [m3/s] 4.0

0,7 m3/s

20

1,0 m3/s 3.0

15

1,5 m3/s 2.0

1.0

1,5 m3/s

10

1,0 m3/s 0,7 m3/s

5 Q [m 3/s]

0.0 0%

10%

20%

30%

40% 50% 60% t [días del año]

70%

80%

90%

100%

0 0

(a)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

(b)

Figura 1.2. (a) Curvas de Permanencia y (b) Frecuencia Máxima, Mínima y Media

1.1.5. Geología El reconocimiento geológico de superficie en el salto Kamoirán fue realizado en abril-2005, y sus resultados se presentan en el informe preliminar: Geología de superficie del salto Kamoirán[5]. Entre las principales conclusiones y recomendaciones del estudio se encuentran que el esquema de derivación e instalación por la margen derecha del río parece la opción más conveniente, junto a otras especificaciones sobre la excavación del canal de derivación y los volúmenes de material a remover. 1.1.6. Descripción General del Proyecto El proyecto original plantea en aprovechamiento del salto por la margen como se muestra en la Figura 1.3.

5

Figura 1.3. Esquema del aprovechamiento por la margen derecha

De forma general, los proyectos de centrales de borde de río pueden ser abordados en dos partes claramente diferenciadas según el tipo de conducción del fluido: ¾ Obras en Superficie Libre: que comprende las obras de captación y conducción del flujo libre, el diseño y especificaciones de todas las obras necesarias para la construcción y puesta marcha de las obras de captación, canal de conducción, cámara de carga y canal de reincorporación de las aguas turbinadas. ¾ Obras Mecánicas y de Conducción de Flujo a Presión: Estas obras se refieren al diseño y especificación de todos los trabajos necesarios para la construcción y puesta marcha de: tubería forzada, casa de máquinas, turbina, sistemas de control y tubería de aspiración. Detalles de la tubería forzada se pueden observar en la Figura 1.4.

Figura 1.4. Progresiva de la Tubería Forzada.

Siguiendo su trayectoria descendente por una zona de pendiente moderada, la tubería forzada de un diámetro exterior igual a 24 pulgs, tiene una longitud total de 151 m. La tubería forzada se conectará a la turbina, pasando a través de la pared de la casa de máquinas según se muestra en la Figura 1.5. 6

Anclaje

Casa de Máquinas

Tubería Forzada

Figura 1.5. Casa de máquinas, conexión tubería forzada

1.2. Cota de Instalación de la Casa de Máquinas La Casa de Máquinas, fue posicionada respecto al río de Kamoirán considerando los niveles máximos de crecida, en los cuales se estiman gastos de hasta 1,5 m3/s. Previendo estos niveles de crecida en la descarga del Salto de Kamoirán, y tomando en cuenta que los costos de dicha central deben ser minimizados, siendo indicado destacar que la solución que implica el sumergimiento de la turbina por debajo del nivel del cause aumentaría enormemente el costo en obras, se decidió elevar la cota de la casa de máquinas 4 m sobre el nivel que mantiene hoy en día el río, a fin de proteger la estructura de la Casa de Máquinas frente a posibles inundaciones durante los períodos de crecida del río. Al aumentar la cota de instalación de la Casa de Máquinas se compromete la energía natural aprovechable en el salto, más esta decisión es valida en general para el diseño de pequeñas centrales. De las obras canalización del caudal de descarga en superficie libre realizadas a la par de este trabajo de grado se pudo obtener que el desplazamiento de la Casa de Máquinas 4 m sobre el nivel de río se traduce en una altura de aspiración negativa máxima (ver Figura 2.8) de 2,6 m respecto al nivel del flujo en el canal de descarga para un caudal de 0,455 m3/s del caudal instalado. En la Figura 1.6 se representa el escenario anteriormente descrito.

7

Casa de Máquinas

Eje de la Turbina

Hsmax = 2,6 m Nivel de crecida del río Nivel Mínimo 4m

Río

Figura 1.6. Esquema de instalación de los canales para la reincorporación de las aguas turbinadas en la Minicentral de Kamoirán hacia el río.

Luego de la conducción del agua a la Casa de Máquinas, el desarrollo de la Minicentral Hidroeléctrica debe continuar con el diseño del componente fundamental para la generación de energía eléctrica, la turbina. Para la selección del tipo de turbina a usar en un aprovechamiento hidroeléctrico se deben considerar factores como altura neta, caudal, altura de succión entre otros. De los estudios presentados con anterioridad, se pueden extraer los valores de altura neta, así como caudal de la instalación. Tabla 1.1. Especificaciones para el diseño de la Turbina Hidráulica

Parámetro

Valor

Q Inst.

700 lt/s

Hb

51 m

Hn

44 m

hS máx.

2,6 m

8

CAPITULO 2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS 2.1. Centrales Hidroeléctricas Las centrales hidroeléctricas permiten el aprovechamiento de la energía potencial que se transforma luego en energía cinética, a través de un caudal, al final de una caída. Cada central hidroeléctrica constituye un proyecto distinto. La central se debe adaptar a la configuración del terreno y a las características que ofrece el salto en la naturaleza. El aprovechamiento hidráulico podrá atender una demanda de energía, la cual puede estar abastecida por líneas de transmisión interconectadas o estar completamente aislada. Si la central hidroeléctrica está aislada, como en general se encuentran las pequeñas centrales, el aprovechamiento hidroenegético deberá cubrir durante toda la vida útil del proyecto la demanda máxima proyectada (Potencia Máxima). Una vez adquiridos los derechos de explotación de un salto natural, se hace un estudio detallado del caudal instalado que han de absorber las turbinas. Este caudal no puede ser ni el caudal máximo, o caudal de crecida del río en un año lluvioso, ni el caudal mínimo de un año seco. 2.2. Definiciones Al hablar de centrales hidroeléctricas, es de importancia tener presentes las siguientes definiciones, ya que éstas serán utilizadas a lo largo de este proyecto hidráulico. ¾ Caudal instalado: es el caudal total que absorberán todas las turbinas de la futura central en su carga nominal. ¾ Se llama salto natural o altura bruta Hb, al desnivel entre la altura geodésica del nivel superior del agua (NS) y el nivel inferior (NI). [ver Figura 2.1] ¾ La Altura Neta de las TH, también llamada salto neto, es la altura puesta a disposición de la turbina y se puede expresar como la altura bruta menos las pérdidas que preceden

9

y siguen a la TH. En la sección 3.4.2 se presenta otra de las expresiones que definen a la altura neta.

Figura 2.1. Esquema de instalación de una Turbina Hidráulica para la definición de salto energético en la máquina[6]

2.2.2. Clasificación de las Pequeñas Centrales Hidroeléctricas Entre las clasificaciones más utilizadas, la clasificación según la altura de salto es la más importante porque es el salto neto más que ninguna otra característica, el que determina tanto la obra civil (presa, canal de derivación, tubería forzada) el tipo de turbina, así como la velocidad del grupo turbo-generador. De acuerdo con la potencia instalada, la Organización Latinoamericana de Energía OLADE ha clasificado las pequeñas centrales hidroeléctricas, como se muestra en el esquema de la Figura 2.2[7]: Para la construcción de una pequeña central hidroeléctrica es necesaria la elaboración de distintos estudios con el fin de identificar los posibles aprovechamientos hídricos, y seleccionar los óptimos para el diseño y construcción de una central. A tal fin, se deben realizar estudios de prefactibilidad que posibiliten la selección del aprovechamiento más viable a nivel técnico-económico; una vez selecto el aprovechamiento se profundiza en los estudios para garantizar que la alternativa es óptima, lo cual se precisa al abordar un estudio de factibilidad.

10

Potencia Según la Potencia

Microcentrales

0 – 50 kW

Minicentral

50 – 500 kW

Pequeña central

500 – 5000 kW

Pequeñas Centrales

Altura bruta [m]

Hidroeléctricas Según el Salto

Baja

Media

Alta

Micro

Hb