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• Carlos Aguilar

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INSTITUTO TECNOLOGICO DE ORIZABA

TEMA: TURBINAS HIDRAULICAS Y CENTRALES HIDROELECTRICAS.

MATERI A: MAQUINAS DE FLUIDOS INCOMPRESIBLES.

CATEDRATICO: ING. RODOLFO PEREZ MORENO

PRESENTA: AGUILAR VIVEROS JUAN CARLOS DOMINGUEZ PEREZ NARCISO LOPEZ DE JESUS DAVID. RIVAS VELASQUEZ CHRISTIAN

UNIDAD VI. TURBINAS HIDRAULICAS Y CENTRALES HIDROELECTRICAS.

6.1. Características generales y funcionamiento.

6.2. Turbinas de acción y de reacción.

6.3. Triángulo de velocidades.

6.4. Altura neta. Pérdidas, potencias y rendimientos.

6.5. Tubo de aspiración. Cavitación.

6.6. Centrales Hidroeléctricas.

Características generales y funcionamiento.

La turbina hidráulica se define como una turbo maquina motora que absorbe energía de un fluido y la restituye en energía mecánica. Clasificación de las turbinas hidráulicas:

FUNCIONAMIENTO: Una turbina hidráulica es accionada por el agua en movimiento, una vez que ésta es debidamente encauzada hacia el elemento de turbina denominado distribuidor, el cual, circularmente, distribuye, regula y dirige un caudal de agua que tiende a incidir, con m ayor o menor amplitud, hacia el centro del círculo descrito, sobre un rotor o rueda móvil conocida con el nombre de rodete, que, conjuntamente con el eje en el que está montado, ha de estar perfectamente equilibrado dinámica y estáticamente De lo expuesto se deduce cómo la energía del agua, originalmente la mayoría de los casos en forma de energía potencial de tipo gravitatorio, se convierte en energía cinética al pasar sucesivamente par el distribuidor y el rodete, debido a la diferencia de nivel existent e entre la entrada y la salida de conducción en consecuencia, se provocan cambios en la magnitud y dirección de la velocidad del fluido, lo que hace que se produzcan fuerzas tangenciales en el rodete, generándose así energía mecánica al girar éste.

El rendimiento de las instalaciones con turbinas hidráulicas, siempre es elevado, pudiendo llegar desahogadamente al 90 % o más, después de

tener en cuenta todas las pérdidas hidráulicas por choque, de caudal, de fricción en el generador, mecánicas, etc.

Los problemas de regulación de velocidad son importantes, principalmente a causa de las grandes masas de agua que entran en juego, con sus aceleraciones positivas y negativas, que se transforman en ondas de presión. La continuidad de las columnas de agua trans mite a las ondas, produciéndose fuertes choques o golpe de ariete que es necesario evitar o por lo menos controlar.

CENTRALES HIDROELECTRICAS Una central hidroeléctrica es una instalación que permite aprovechar las masas de agua en movimiento que circulan por los ríos para transformarlas en energía eléctrica, utilizando turbinas acopladas a los alternadores. Tipo de Centrales Hidroeléctricas: Central Hidroeléctrica de Pasada. Central Hidroeléctrica con Embalse de Reserva. Centrales Hidroeléctricas de Bombe o.

Presa COMPONENTES DE UNA

Aliviaderos

CENTRAL HIDROELECTRICA

Tomas de agua Casa de máquinas Turbinas Hidráulicas

Turbinas de acción y de reacción. Una turbomáquina elemental o monocelular tiene, básicamente, una serie de álabes fijos, (distribuidor), y otra de álabes móviles, (rueda, rodete, rotor). La asociación de un órgano fijo y una rueda móvil constituye una célula; una turbomáquina monocelular se compone de tr es órganos diferentes que el fluido va atravesando sucesivamente, el distribuidor, el rodete y el difusor. El distribuidor y el difusor (tubo de aspiración), forman parte del estator de la máquina, es decir, son órganos fijos; así como el rodete está siempre presente, el distribuidor y el difusor pueden ser en determinadas turbinas, inexistentes. El distribuidor es un órgano fijo cuya misión es dirigir el agua, desde la sección de entrada de la máquina hacia la entrada en el rodete, distribuyéndola alrededo r del mismo, (turbinas de admisión total), o a una parte, (turbinas de admisión parcial), es decir, permite regular el agua que entra en la turbina, desde cerrar el paso totalmente, caudal cero, hasta lograr el caudal máximo. Es también un órgano que tran sforma la energía de presión en energía de velocidad; en las turbinas héli co-centrípetas y en las axiales está precedido de una cámara espiral (voluta) que conduce el agua desde la sección de entrada, asegurando un reparto simétrico de la misma en la superficie de entrada del distribuidor. El rodete es el elemento esencial de la turbina, estando provisto de álabes en los que tiene lugar el intercambio de energía entre el agua y la máquina. Atendiendo a que la presión varíe o no en el rodete, las turbinas se clasifican en:  Turbinas de acción o impulsión.  Turbinas de reacción o sobrepresión. En las turbinas de acción el agua sale del distribuidor a la presión atmosférica, y llega al rodete con la misma presión; en estas turbinas, toda la energía potencial del salto se transmite al rodete en forma de energía cinética.

En las turbinas de reacción el agua sale del distribuidor con una cierta presión que va disminuyendo a medida que el agua atraviesa los álabes del rodete, de forma que, a la salida, la presión puede ser nula o incluso negativa; en estas turbinas el agua circula a presión en el distribuidor y en el rodete y, por lo tanto, la energía potencial del salto se transforma, una parte, en energía cinética, y la otra, en energía de presión. El difusor o tubo de aspiración, es un conducto por el que desagua el agua, generalmente con ensanchamie nto progresivo, recto o acodado, que sale del rodete y la conduce hasta el canal de fuga, permitiendo recuperar parte de la energía cinética a la salida del rodete para lo cual debe ensancharse; si por razones de explotación el rodete está instalado a una cierta altura por encima del canal de fuga, un simple difusor cilíndrico permite su recuperación, que de otra forma se perdería. Si la turbina no posee tubo de aspiración, se la llama de escape libre En las turbinas de acción, el empuje y la acción del agua, coinciden, mientras que en las turbinas de reacción, el empuje y la acción del agua son opuestos. Este empuje es consecuencia de la diferencia de velocidades entre la entrada y la salida del agua en el rodete, según la proyección de la misma sobre la perpendicular al eje de giro. Atendiendo a la dirección de entrada del agua en las turbinas, éstas pueden clasificarse en: a) b) c) d)

Axiales Radiales (centrípetas y centrífugas) Mixtas Tangenciales

En las axiales, (Kaplan, hélice, Bulbo), el agua entra paralelamente al eje, tal como se muestra en la Fig I.3a. En las radiales, el agua entra perpendicularmente al eje, Fig I.3.b, siendo centrífugas cuando el agua vaya de dentro hacia afuera, y centrípetas, cuando el agua vaya de afuera hacia adentro, (Francis). En las mixtas se tiene una combinación de las anteriores. En las tangenciales, el agua entra lateral o tangencial mente (Pelton) contra las palas, cangilones o cucharas de la rueda, Fig I.3.c.

DESCRIPCIÓN HIDRÁULICAS

SUMARI A

DE

ALGUNOS

TIPOS

DE

TURBINAS

TURBINAS DE REACCIÓN Turbina Fourneyron (1833), Fig I.4, en la que el rodete se mueve dentro del agua. Es una turbina radial centrífuga, lo que supone un gran diámetro de rodete; en la actualidad no se construye. Turbina Heuschel-Jonval, Fig I.5, axial, y con tubo de aspiración; el rodete es prácticamente inaccesible; en la actualidad no se construye.

Turbina Francis (1849), Fig I.6; es radial centrípeta, con tubo de aspiración; el rodete es de fácil acceso, por lo que es muy práctica. Es fácilmente regulable y funciona a un elevado numero de revoluciones; es el tipo más empleado, y se utiliza en saltos variables, desde 0,5 m hasta 180 m; pueden ser, lentas, normales, rápidas y extrarápidas. Turbina Kaplan (1912), Fig I.7; las palas del rodete tienen forma de hélice; se emplea en saltos de pequeña altura, obteniéndose con ella elevados rendimientos, siendo las palas orientables lo que implica paso variable. Si las palas son fijas, se denominan turbinas hélice.

TURBINAS DE ACCIÓN. - Estas turbinas se empezaron a utilizar antes que las de reac ción; entre ellas se tienen:

Turbina Zuppinger (1846), con rueda tangencial de cucharas. Turbina Pelton, Fig I.8, es tangencial, y la más utilizada para grandes saltos.

Turbina Schw amkrug, (1850), radial y centrífuga, Fig I.9 Turbina Girard, (1863), Fig I.10, axial, con el rodete fuera del agua; mientras el cauce no subía de nivel, trabajaba como una de acción normal, mientras que si el nivel subía y el rodete quedaba sumergido, trabajaba como una de reacción, aunque no en las mejores condicio nes; en la actualidad no se utiliza.

Turbina Michel, o Banki, Fig I.11; el agua pasa dos veces por los álabes del rodete, construido en forma de tambor; se utiliza para pequeños y grandes saltos.

PROBLEMAS DE TURBINAS HIDRAULICAS

Triángulo de velocidades El término triangulo de velocidades se refiere por tres vectores los cuales son:

al triángulo formado



La velocidad absoluta del fluido



La velocidad relativa del fluido respecto al rotor



La velocidad lineal del rotor

Estos tres vectores forman un triángulo ya que la suma en un mismo punto es igual a en ese punto por leyes del movimiento relativo de la mecánica clásica (transformación de Galileo o composición de velocidades). El ángulo entre los vectores y es denotado los vectores y es denotado .

y el ángulo entre

Altura neta. Pérdidas, potencias y rendimientos.

El aprovechamiento de las fuerzas naturales fue constante preocupación de la humanidad que vio en ellas un medio de aliviar el trabajo muscular con el ahorro consiguiente de las energías del hombre, quien de este modo podría realizar cantidades de trabajos importantes que hubieran precisado abundante mano de obra. Refiriéndonos a las caídas de las masas de agua, producidas por los desniveles existentes en los cauces por los que aquellas discurren, fueron de antiguo utilizadas para producir energía mecánica por medio de ruedas de paletas y de cajones que, aunque eran artefactos rudimentarios, tenían adecuadas aplicaciones, entre otras, para elevar agua en los ri egos, para mover molinos harineros, también movidos por rodeznos, para el trabajo de batanes, etc. Una masa de agua de peso P(kg) al caer desde una altura de H metros, produce un trabajo P x H (kgm), que, estimado en caballo de vapor (CV) vale: . Desde lue go esta energía no es toda útil porque existen pérdidas en la misma con el funcionamiento del receptor y por ello, los antiguos artefactos solamente aprovechaban una reducida fracción de la producida por la caída del agua. A medida que la técnica fue progr esando, se perfeccionaron los aparatos para aprovechar el salto de agua en su producción de energía y con ellos se logró que se perdiese de esta la menor cantidad posible. Anteriormente y con artefactos primitivos se llegaba a perder hasta 70% de la energía potencial, mientras que en la actualidad las turbinas modernas permiten rendimiento del 85 al 91%.

Tubo de aspiración Cavitación. TUBO DE ASPIRACION Transforma energía, recupera la energía cinética del agua a la salida del rodete al crear una depresión. La f orma constructiva depende de ns. Para turbinas de eje vertical y pequeños valores de ns el tubo puede ser una simple tubería acodada, de sección creciente. Los tubos de aspiración acodados presentan ventajas sobre los rectos:

son

muy comunes,

ya

que

Se reduce la prof undidad de las fundaciones, por consiguiente los trabajos civiles y el costo de la obra. Dependiendo de instalaciones, puede existir un dispositivo de obturación, generalmente a base de ataguías, a fin de poder llevar a efecto revisiones en el grupo.

CAVITACION Formación dentro del agua de espacios huecos o cavidades llenas de gas o vapor, producidas por una vaporización local debida a acciones dinámicas. Se debe a reducciones de presión dentro del seno de los líquidos, cuando se mueven a grandes velocidades, manteniendo la temperatura ambiente, favoreciéndose la vaporización. El fenómeno de cavitación reduce la velocidad a que pueden funcionar las máquina s hidráulicas, disminuyendo su rendimiento, por la acumulación de bu -n.n.. .rbujas de vapor que perturban la afluencia normal del agua. Además de producir ruidos y vibraciones, es causa de una rápida y constante erosión de las superficies en contacto con el líquido, aun cuando éstas sean de hormigón, hierro fundido, aleaciones especiales, etc. Cuando en el interior de un líquido se forman burbujas de cavitación, alcanzan su máximo tamaño en un espacio de tiempo brevísimo (aproximadamente 2 ms) debido a fue rtes disminuciones de presión.

Luego rompen al ser arrastradas a una zona de mayor presión, durante un tiempo igualmente breve. Las partículas de líquido se precipitan hacia el centro de la burbuja y superficies sólidas sobre las que estaba la burbuja.

La proyección de partículas se realiza sin impedimento y a velocidades muy altas. El fenómeno se repite con una frecuencia de 25000 ciclos por segundo e incluso mayor.

Las tensiones superficiales producidas por estas acciones, son del orden de 1.000 atm ósferas, valor lo suficientemente elevado como para producir grietas, por fatiga del material, en relativamente poco tiempo.

Centrales Hidroeléctricas. Una central hidroeléctrica es una instalación donde se transforma la energía potencial (asociada a la a ltura) y cinética (asociada al movimiento) en energía eléctrica. El agua cae desde la presa hasta unas turbinas que se encuentran en su base. Al recibir la fuerza del agua las turbinas comienzan a girar. Las turbinas están conectadas a unos generadores, q ue al girar, producen electricidad. La electricidad viaja desde los generadores hasta unos transformadores, donde se eleva la tensión para poder transportar la electricidad hasta los centros de consumo.

Clasificación de las centrales Según el tipo de embalse las centrales se clasifican en: Centrales de agua fluyente Una central de pasada o agua fluyente es aquella en que no existe una acumulación apreciable de agua "corriente arriba" de las turbinas. En una central de este tipo las turbinas deben acep tar el caudal disponible del río "como viene", con sus variaciones de estación en estación, o si ello es imposible el agua sobrante se pierde por rebosamiento. En ocasiones un embalse relativamente impedir esa pérdida por rebosamiento.

pequeño

bastará

para

El agua o se utiliza en las turbinas o se derrama por el aliviadero de la central. Son las más frecuentes y entre ellas se encuentran las centrales de más potencia. Son centrales de llanura. La central se instala en el curso mismo del río o en un canal de sviado, como puede verse en la después de interceptar el mismo por un dique de contención. Se pueden su clasificar en centrales con reserva (diaria o semanal) o sin reserva. En las primeras se ensancha algo el curso del río para la acumulación del agua. Centrales con embalse En este tipo de proyecto se embalsa un volumen considerable de líquido "aguas arriba" de las turbinas mediante la construcción de una o más presas que forman lagos artificiales. El embalse permite graduar la cantidad de agua que pasa p or las turbinas. Del volumen embalsado depende la cantidad que puede hacerse pasar por las turbinas. Con embalse de reserva puede producirse energía eléctrica durante todo el año aunque el río se seque por completo durante algunos meses, cosa que sería imposible en un proyecto de pasada.

Las centrales con almacenamiento de reserva exigen por lo general una inversión de capital mayor que las de pasada, pero en la mayoría de los casos permiten usar toda la energía posible y producir kilovatios -hora más baratos.

Centrales Hidroeléctricas de Bombeo Las centrales de bombeo son un tipo especial de centrales hidroeléctricas que posibilitan un empleo más racional de los recursos hidraúlicos de un país. Disponen de dos embalses situados a diferente nivel. Cuando la demanda de energía eléctrica alcanza su máximo nivel a lo largo del día, las centrales de bombeo f uncionan como una central convencional generando energía. Al caer el agua, almacenada en el embalse superior, hace girar el rodete de la turbina asociada a un alternador. Después el agua queda almacenada en el embalse inferior. Durante las horas del día en la que la demanda de energía es menor el agua es bombeada al embalse superior para que pueda hace rel ciclo productivo nuevamente. Para ello la central d ispone de grupos de motores -bomba o, alternativamente, sus turbinas son reversibles de manera que puedan funcionar como bombas y los alternadores como motores.

Principales componentes de una Central Hidroeléctrica 

La Presa El primer elemento que encontramos en una central hidroeléctrica es la presa o azud, que se encarga de atajar el río y remansar las aguas. Con estas construcciones se logra un determinado nivel del agua antes de la contención, y otro nivel diferente después de la misma. Ese desn ivel se aprovecha para producir energía.

Las presas pueden clasificarse por el material empleado en su construcción en:

Presa de tierra

Presa de hormigón

Las presas de hormigón son las más utilizadas y se puede a su vez clasificar en:

De gravedad: Como se muestra en la figura tienen un peso adecuado para contrarrestar el momento de vuelco que produce el agua

De bóveda: Necesita menos materiales que las de gravedad y se suelen utilizar en gargantas estrechas. En estas la presión provocada por el agua se transmite integramente a las laderas por el efecto del arco.



Los Aliviaderos Los aliviaderos son elementos vitales de la presa que tienen como misión liberar parte del agua detenida sin que esta pase por la sala de máquinas. Se encuentran en la pared principal de la presa y pueden ser de fondo o de superficie. La misisón de los aliviaderos es la de liberar, si es preciso, grandes cantidades de agua o atender necesidades de riego. Para evitar que el agua pueda producir desperfectos al caer

desde gran altura, los aliviaderos se diseñan para que la mayoría del líquido se pierda en una cuenca que se encuentra a pie de presa, llamada de amortiguación. Para conseguir que el agua salga por los aliviaderos existen grandes compuertas, de acero que se pueden abrir o cerrar a voluntad, según la demanda de la situación. 

Tomas de agua

Las tomas de agua son construcciones adecuadas que permiten recoger el líquido para lleverlo hasta las máquinas por medios de canales o tuberias. Las tomas de agua de las que parten varios conductos hacia las tuberias, se hallan en la pared anterior de la presa que entra en contacto con el agua embalsada. Estas tomas además de unas compuertas para regular la cantidad de agua que llega a las turbinas, poseen unas rejilla s metálicas que impiden que elementos extraños como troncos, ramas, etc. puedan llegar a los álabes y producir desperfectos. El canal de derivación se utiliza para conducir agua desde la presa hasta las turbinas de la central. Generalmente es necesario hacer la entrada a las turbinas con conducción forzada siendo por ello preciso que exista una cámara de presión donde

termina el canal y comienza la turbina. Es bastante normal evitar el canal y aplicar directamente las tuberias f orzadas a las tomas de agua de las presas. Debido a las variaciones de carga del alternador o a condiciones imprevistas se utilizan las chimeneas de equilibrio que evitan las sobrepresiones en las tuberias forzadas y álabes de las turbinas. A estas sobrepresiones se les denomina "golpe de ariete". Cuando la carga de trabajo de la turbina disminuye bruscamente se produce una sobrepresión positiva, ya que el regulador automático de la turbina cierra la admisión de agua. La chimenea de equilibrio consiste en un pozo vertical situado lo más cerca posible de las turbinas. Cuando existe una sobrepresión de agua esta encuentra menos resistencia para penetrar al pozo que a la cámara de presión de las turbinas haciendo que suba el nivel de la chimenea de equilibrio. En el caso de depresión ocurrirá lo contrario y el nivel bajará. Con esto se consigue evitar el golpe de ariete. Actúa de este modo la chimenea de equilibrio como un muelle hidraúlico o un condensador eléctrico,

es decir, absorbiendo devolviendo energ ía.

y

Las estructuras forzadas o de presión, suelen ser de acero con refuerzos regulares a lo largo de su longitud o de cemnto armado, reforzado con espiras de hierro que deben estar ancladas al terreno mediante solera adecuadas.



Casa de máquinas Es la construcción en donde se ubican las máquinas (turbinas, alternadores, etc.) y los elementos de regulación y comando. En la figura siguiente tenemos el corte esque mático de una central de caudal elevado y baja caida. La presa comprende en su misma estructura a la casa de máquinas. Se observa en la figura que la disposición es compacta, y que la entrada de agua a la trubina se hace por medio de una cámara construida en la misma presa. Las compuertas de entrada y salida se emplean para poder dejar sin agua la zona de las máquinas en caso de reparación o desmontajes.

1. Embalse 2. Presa de contención 3. Entrada de agua a las máquinas (toma), con reja 4. Conducto de entrada del agua 5. Compuertas planas de entrada, en posición "izadas". 6. Turbina hidraúlica 7. Alternador 8. Directrices para regulación de la entrada de agua a turbina 9. Puente de grua de la sal de máquinas. 10. Salida de agua (tubo de aspiración 11. Compuertas planas de salida, en posición "izadas" 12. Puente grúa para maniobrar compuertas salida. 13. Puente grúa para maniobrar compuertas de entrada.

En la figura siguiente mostramos el croquis de una central de baja caida y alto caudal, como la anterior, pero con grupos generadores denominados "a bulbo", que están totalmente sumergidos en funcionamiento.

14. Embalse 15. Conducto de entrada de agua 16. Compuertas de entrada "izadas" 17. Conjunto de bulbo con la turbina y el alternador 18. Puente grúa de las sala de máquina 19. Mecanismo de izaje de las compuertas de salida 20. Compuerta de salida "izada" 21. Conducto de salida

En la figura que sigue se muestra el corte esquemático de una central de caudal mediano y salto también mediano, con la sala de máquinas al pie de la presa.

El agua in gresa por las tomas practicadas en el mismo dique, y es llevada hasta las turbinas por medio de conductos metálicos embutidos en el dique. 22. Embalse 23. Toma de agua 24. Conducto metálico embutido en la presa 25. Compuertas de entrada en posición de izada 26. Válvulas de entrada de agua a turbinas 27. Turbina 28. Alternador 29. Puente grúa de la central 30. Compuerta de

salidas "izada" 31. Puente grúa para izada de la compuerta de salida 32. Conducto de salida

En la figura siguiente tenemos el esquema de una central de alta presión y bajo caudal. Este tipo de sala de máquinas se construye alejadas de la presa. El agua llega por medio de una tuberia a presión desde la toma, por lo regular alejada de la centra l, y en el trayecto suele haber una chimenea de equilibrio. La alta presión del agua que se presenta en estos casos obliga a colocar válvulas para la regulación y cierre , capaces de soportar el golpe de ariete. Conducto forzado desde la chimenea de equilibrio Válvula de regulación y cierre Puente grúa de sala de válvulas Turbina Alternador Puente grúa de la sala de máquinas Compuertas de salida, en posición "izadas" Puente grúa para las compuertas de salida Conducto de salida