CT 3411 Clase 4 Turbinas Hidráulicas Francis pdf

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(1)Turbinas Hidráulicas Turbomáquinas Hidráulicas CT-3411 Prof. Jesús De Andrade Prof. Miguel Asuaje.

(2) Turbina Francis Descripción, Clasificación, Dimensionamiento y Curvas Características.

(3) Turbina Francis Características Generales Turbina de reacción. Flujo radial centrípeto Saltos netos entre 20 y 700 m. Rango de nS: 50 a 420 η ≥ 90% Pmáx. = 820 MW. D = 9,70 m (Gran Coulee III 1974) EE.UU.. Construcción: similar a la de una bomba centrífuga. Empleo de tubo de aspiración Peligro de cavitación (en la entrada y en la salida de los álabes)  Alabes del aparato distribuidor ajustables.         . 3.

(4) Turbina Francis Campo de Aplicación. 4.

(5) Turbina Francis Evolución de las Turbinas. 5.

(6) Turbina Francis Evolución de los Generadores Eléctricos. 6.

(7) Turbina Francis Evolución de los Generadores Eléctricos. 7.

(8) Descripción TF.

(9) Turbina Francis Principales partes:. 7. 1.- Cojinete empuje axial 2.-Servomotor 3.- Rodete 4.- Cojinete radial 5.- alabes 6.- Caja espiral y 7.- Generador. 9.

(10) Turbina Francis Principales partes:. Caja Espiral o Voluta. Distribuidor Predistribuidor Rodete. Q Tubería de Aspiración. 10.

(11) Turbina Francis Principales partes:. A water turbine watching at the Grand Coulee Dam 11.

(12) Turbina Francis Caja espiral. Ducto alimentador en forma de caracol, que circunda al rotor. De la carcasa el agua pasa al aparato distribuidor guiada por una serie de álabes fijos (álabes del predistribuidor).. 12.

(13) Turbina Francis Distribuidor Conjunto de paletas directrices dispuestas de forma circular. Se utilizan para regular el caudal de agua que llega de la cámara espiral y que ha de entrar en el rodete. Transforma parcialmente la energía de presión en energía cinética.. Predistribuidor (alabes Fijos). Distribuidor tipo Fink. En el distribuidor tipo Fink el conjunto de directrices del distribuidor se acciona por medio de un anillo móvil, al que están unidas todas las paletas directrices. 13.

(14) Turbina Francis Rodete Elemento en el cual se realiza la transformación de energía hidráulica a mecánica. Conformado por el cubo, la corona y los álabes.. 14.

(15) Turbina Francis Sellos (Juntas Laberínticas) Anillos de Desgaste: La función de los anillos de desgaste es la de tener elementos poco costosos y fáciles de remover en aquellas partes en donde la presencia de desgaste es prácticamente eminente, debido a las pequeñas holguras entre el rodete y la carcasa. De esta manera, en lugar de cambiar el impulsor o la carcasa, basta con cambiar los anillos. Se construyen generalmente de aceros templados o bronce.. 15.

(16) Turbina Francis. Tubo de aspiración acodado. La forma puede ser cónica (tubo Moody) o acodada (sección cónico(1)- elíptica(2)- cuadrangular(3)). La forma acodada permite colocar el rodete más cercano al nivel aguas abajo para máquinas de nS alto. 16.

(17) Turbina Francis Funciones del Tubo de Aspiración  Conducir al flujo, después de haber cedido su energía en el rodete al canal de salida.  Recuperar la altura estática de aspiración. Para recuperar esta altura estática bastaría un tubo de aspiración cilíndrico, el cual crea una succión a la salida del rodete.  Recuperar la altura dinámica de la corriente a la salida del rodete. Para ello el tubo de aspiración ha de ser troncocónico.. 17.

(18) Turbina Francis Hn. H1 H2. HS. z2. V12 2g. P ( 1 g. P z1 ) ( atm g. V22 2g. z2 ). z4. (a). (b). p2 g. V22 2g. h34. V32 2g. Hn. z2 P3 g. H1 H2. (b ) n. H. p3 g. (a) n. H. z3. V32 2g Patm g. z3. h23 z4. P1 ( g. V12 2g. Patm z1 ) ( g. V22 2g. V32 2g. HS h23. V32 2g. z4. h23 ). 18.

(19) Turbina Francis Patm. 1. vacío. P2. 2. Patm. HS 4. 3. Tubo de Aspiración Cónico 19.

(20) Turbina Francis Empuje Axial. 20.

(21) Turbina Francis Pérdidas de fricción. Fricción de Disco. 21.

(22) Turbina Francis Fugas. Holguras. 22.

(23) Turbina Francis Pérdidas Hidráulicas P [%]. Tubo Aspiración. Caja Espiral. Potencia en el eje. H [m]. 23.

(24) Turbina Francis Desprendimiento Q/Qn=1.3. k. k. Q/Qn=1.5. 24.

(25) Clasificación TF.

(26) Turbina Francis Según la disposición del eje TF de eje vertical:  Superficie mínima requerida por la central.  Se evita el peligro de cavitación, causada por una depresión excesiva a la salida del rodete.  Se evita la complicación adicional de la estructura en grandes potencias requerida para el soporte de la pesada caja espiral de una turbina horizontal.  Un solo cojinete de empuje puede soportar toda la disposición horizontal del rotor y del empuje hidráulico.  En general, el rendimiento de la turbina de eje vertical es más elevado. Esto es debido a que las T de eje horizontal requieren un codo adicional a la salida del rotor. 26.

(27) Turbina Francis Según la disposición del eje TF de eje horizontal: Mayor accesibilidad al rodete.. 27.

(28) Turbina Francis Según la disposición del eje TF de eje horizontal:. 28.

(29) Turbina Francis Según el nS T. Francis Lentas. nS. rpm CV m5 4. 60 - 125. Normales. 125 - 300. Rápidas. 300 - 420. Expresas. > 420. 29.

(30) Estudio de las Turbinas Francis Triángulos de velocidad Velocidad específica de giro.

(31) Turbina Francis Triángulo de velocidades VU1 α1. U1. VU2. β1. V1. Vm1. W1. Ht Condición de diseño:. α2 V2. U2 β2 W2. Vm2. 1 U1VU1 U2 VU2 g 2. 90. . Ht. 1 U1VU1 g 31.

(32) Turbina Francis Velocidad específica de giro nS. 90 . 2. Pm. g Q H. nS. Q. D22 Vm 2 4. 60 21/4 g 5/4. tg. K U1. 2. Vm2 U2. K U2. tg. 2. D2 D1. 32.

(33) Turbina Francis Velocidad específica de giro nS β2 g ρ A η. nS. = = = = =. 14o 9,81 m/s2 997 kg/m3 735,3 0,90. 386 K U1. 0,65. D2 D1. K U2. 1,14. D1 D2. D2 D1 K U1 , K U2. D2 D1. nS 33.

(34) Turbina Francis Coeficiente de velocidad: KU1 VU1 tg. H. VU1. h. U1 VM1ctg 1. 1. Ht. 1 U1VU1 g. U1 1 tg 1.ctg. U1 1 tg 1.ctg. VU1. VM1 VU1. U1. h. H g (1 tg. 1. 1. ctg 1 ). 1. 34.

(35) Turbina Francis U1 2gH. K U1. h. 2. (1 tg. 1. ctg 1 ). Coeficiente de velocidad: KVU1 K VU1 H. h. VU1 2gH 1 U1VU1 g. h. 2. K U1 K VU1. 35.

(36) Turbina Francis Valores del coeficiente KU1 T. Francis normal (125 < nS < 300) 1. ctg. 90 o 1. nS = 160. 0. 88% g. U1. 9,81m/s 2. 1. W1. U1 VU1. KU1 = 0,66. 2,94 H U1. V1cos. V1. 1 36.

(37) Turbina Francis Valores del coeficiente KU1 T. Francis rápida (300 < nS < 420) 1. ctg. 45o 1. nS = 300. 1 U1. 88% 9,81 m/s 2. g 1. U1. 35. 1. o. 3,9 H. KU1 = 0,88. V1. β1 W1. 37.

(38) Turbina Francis Valores del coeficiente KU1 T. Francis expresas ( nS > 420). 1mín. 25. nS = 420. o. U1. 88% g U1. 9,81 m/s 2 5 H. 1. KU1 = 1,13. V1. β1 W1. 38.

(39) Turbina Francis Valores del coeficiente KU1 T. Francis lentas ( 60 < nS < 125) GR. 0. U1. 1 V1 cos 2. nS = 100. 1. U1. o o : (90 135 ) 1. β1. 1. 88% g U1. 9,81 m/s 2,1 H. W1. V1. 2. KU1 = 0,47. (. 1máx.. 135o ) 39.

(40) Turbina Francis Velocidad específica de giro nS. 2. 90. . 12o < β2 < 22o 35 < U2 < 43 m/s. H. 2. ,U2. U2 V2 = Vm2. β2 W2 40.

(41) Turbina Francis Grado de Reacción GR GR. GR. HP Ht. Ht. 1 V12 V22 1 2 U1VU1. Hd Ht. 1. Hd Ht. 1 VU21 Vm21 Vm2 2 1 2 U1VU1. 41.

(42) Turbina Francis Grado de Reacción GR VU1. GR. U1 VM1ctg 1,. tg. VM1 VU1. 1. 1 1 tg2 1 1 2 1 tg 1 ctg. 1. 2. U22 2 tg U12. 90. 2. tg. (1 tg. 2. 1. VM2 U2. ctg 1 ). 42.

(43) Turbina Francis Grado de Reacción GR 1. GR. 1 1. 20. 2. 90. 0.9. 75° 0.8. 2. 0.7. U2 U1. 0.6 0.5 GR. 1. 12 0,80. 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1. 0. 0. 0 0. 30. 60. 90 1. 120. 150. 180 180. β1. 43.

(44) Turbinas Francis CAVITACION.

(45) Turbina Francis Cavitación P. Líquido Ebullición Cavitación. Vapor. T. 45.

(46) Turbina Francis Cavitación Línea de energía. V12 2g. hP. Línea piezométrica. p1. HB. Hn VS2 2g. Turbina. Tubo de Aspiración. HS. VS 46.

(47) Turbina Francis Altura de succión HS 0. HS. z1 z 0. z1. 47.

(48) Turbina Francis Cavitación. z=0. 1. z1. HS. 2. 0. x. HX. zx. z0. zx. HS. z1 z 0. z1. HS. Pto. crítico. HX 3. 48.

(49) Turbina Francis El punto x representa el punto del rodete en el cual la presión es mínima ya que WX = Wmáx. Para que no exista cavitación. Px > PV Aplicando la ecuación de Bernoulli entre los puntos x y 2 para el movimiento relativo, y entre los puntos 2, 3 y 0 para el movimiento absoluto se tiene: 49.

(50) Turbina Francis x. 2. (1). PX. 2. 3. ( 2) 3 (3 ). P2. (mov. relativo) WX2 U2X 2g V22 2g. Z2. zX. P3. P2. V32 2g. 0 P3. W22 U22 2g. z3. z2. h X2. h23. ≈0. V32 2g. Z3. P0. V02 2g. Z0. h30 50.

(51) Turbina Francis V32 h30 2g Entonces :. P3. Z3. Patm. ≈0. PX. HS. Patm. zX. Zx. V22. PX. V32 2g. Patm. W22. WX2 2g. HS (. V22. U2X U22 2g. V32 2g. WX2. h X2. W22 2g. h23. h X3 ) 51.

(52) Turbina Francis PX. PV. Patm. 0. NPSHD NPSHR. Patm V22. HS. V32 2g. PV. HS. (. V22. V32 2g. WX2. W22 2g. PV WX2. W22 2g. NPSHD. NPSHR. 2. W22 2g. NPSHR. h X3 donde:. V22 2g. h X3 ) 0. h X3 2. V22 2g. 1 (D2 D3 )4 2 Wmáx. 1 2 W2. 52.

(53) Turbina Francis Número de Thoma INST. C. NPSH D H NPSH R H B. B HS HV H. Patm. 10. INST. C. A 900. donde:  A - m.s.n.m.  B – Altura Barométrica en m.c.a. 53.

(54) Turbina Francis Definición de la Altura de Succión Q11. cte. N11. cte. 1%. INST. FS. Margen de seguridad. C 0. Factor de seguridad: FS = 1,1....1,3. C1%. i. INST. 54.

(55) Turbina Francis Cavitación en la entrada. Cavitación en la descarga. 56.

(56) Turbina Francis Cavitación. H Hn. Pestática. Q Qn 1. 2. 3. 4.. Límite de cavitación en el borde de ataque, lado de succión. Límite de cavitación en el borde de ataque, lado de presión. Límite de cavitación remolinos ínter alabe. Limite de cavitación remolino de descarga.. 57.

(57) Turbina Francis Limites de Cavitación. 3. 1. 4 1. 2. 3. 4.. Límite de cavitación en el borde de ataque, lado de succión. Límite de cavitación en el borde de ataque, lado de presión. Límite de cavitación remolinos ínter alabe. Limite de cavitación remolino de descarga.. 58.

(58) Turbina Francis Zonas expuestas a la erosión por cavitación. 59.

(59) Turbina Francis. 60.

(60) Turbina Francis Valores del número de Thoma Crítico c. c. a. b. Pm (gH)5 4. 61.

(61) Turbina Francis. 62.

(62) Turbina Francis Regulación del punto de funcionamiento.

(63) Turbina Francis Regulación de Potencia. U V```. W``` V`` V`. VM```. VM``. VM `. W`` W`. Regulación Cuantitativa Aparato Distribuidor Regulable. 64.

(64) Turbina Francis Triángulos de Velocidad a diferentes caudales de operación: U1. U2. ¼ Qn = 100% Adm. V1. ½. W1. ¾. ¼. V2. ½ 1 W2. 1. ¾. U1. Qn = 75% Admisión. U2. ¼ V1. V2. W2. ½ W1. 1. ¼. ½. ¾. ¾ 1. 65.

(65) Turbina Francis Qn = 75% Admisión. máx.. Qn = 100% Adm.. 1. H cte n cte. ¾ ½ ¼. ¼. ½. ¾. 1. Q Qmáx.. 66.

(66) Turbina Francis Para diferentes aperturas. H. A=50% A=75% A=25% A=100%. f. H. Potmáx. Q Condición de diseño del rodete corresponde a la 75% de apertura del distribuidor.

(67) Turbina Francis Formación de la Antorcha de Cavitación Caudal parcial Q < Qn. Vórtice a Carga Parcial. 68.

(68) Turbina Francis Formación de la Antorcha de Cavitación Caudal parcial Q < Qn. 69.

(69) Pulsaciones de Presión ω. Baja Presión. ω. Distribución angular de Presiones 71.

(70) Pulsaciones de Presión. 72.

(71) Turbina Francis Formación de la Antorcha de Cavitación Caudal Q > Qn. Vórtice a Sobre Carga. 74.

(72) Turbina Francis Rango de Operación de una Turbina Francis. CARGA PARCIAL Operación Temporal. BEP. OPERACIÓN CONTINUA. SOBRE CARGA Operación Temporal. OPERACIÓN CONTINUA PREFERIBLE. 75.

(73) Turbina Francis Curvas Características.

(74) Turbina Francis Diagramas topográficos Q11. P11. N11. nS. 250. N11. nS. 100 77.

(75) Turbina Francis Q11. nS. 260. η = cte.. Q11(l/s) vs. N11. N11 78.

(76) Turbina Francis P11. σ = cte.. nS. 100. η = cte. x = cte.. Diagrama de Topográfico P11 (CV) vs. N11. N11 79.

(77) Turbinas Francis Dimensionamiento.

(78) Método analítico Partiendo de los datos: PH y H se calcula Q asumiendo una eficiencia η ~ 90%. Para la condición de diseño 2 = 90 se tiene: U 2. QN D22 4. V2. tg. V2 = Vm2. W2. n D2 60. U2. 2. V2 U2. β2. D2. QN. 3. 0,75 Qmáx. 240 QN 2 n tg 2. 12. 2. 22 81.

(79) Método analítico Para β2 = 14 se tiene:. D2. 4,6. 3. m3 Q s n rpm. QN n. n. 3.600 NPP. [rpm]. Se escoge la velocidad de giro n sincrónica mas cercana, teniendo en cuenta que: D2 10 m De lo contrario, se aumentan el número de grupos NG hasta que se satisfaga la condición anterior. La velocidad específica de giro nS viene determinada por: nS. n Pm NG H5 4. 82.

(80) Método Empírico Un segundo método, consiste en emplear los coeficiente de velocidad óptimos de una turbina Francis de acuerdo a su del nS característico. El nS característico se puede calcular a partir del valor de la altura neta del salto, a partir de la expresión siguiente:. 3.469 H0,636. nS. Con este valor de nS se cálcula la velocidad de giro n sincrónica mas próxima (aprox. por defecto): n. nS H5 4 Pm. n0. 3.600 NPP. nS 83.

(81) Método Empírico Con el valor de nS calculado así, se determinan los coeficientes KU1 y KU2, las dimensiones principales del rodete se calculan de la manera siguiente:. D1. D2. 60 K U1. 2g. H n0. 60 K U2. 2g. H n0. D2. 10 m. 84.

(82) Turbina Francis 700. H [m] 600. nS. 3469 H0,636. rpm CV m5 4. 500. 400. 300. 200. 100. 0 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. 350. 400. 450. nS 85.

(83) Turbina Francis Coeficientes de velocidad óptimos (ηmáx..) en función de nS: nS KU1 KU2 D1/D2 b0/D2 50. 0,58. 0,38. 1,53. 0,07. 100. 0,66. 0,51. 1,30. 0,14. 150. 0,72. 0,63. 1,14. 0,20. 200. 0,75. 0,76. 0,99. 0,26. 250. 0,84. 0,88. 0,95. 0,33. 300. 0,90. 1,00. 0,90. 0,38. 350. 0,98. 1,11. 0,88. 0,40. 400. 1,07. 1,22. 0,88. 0,40. 450. 1,20. 1,33. 0,91. 0,40. 500. 1,37. 1,43. 0,95. 0,40. 86.

(84) Turbina Francis Coeficientes de velocidad óptimos. 1.8 1.6. KU1, KU2, b1/D2,D1/D2. 1.4 1.2 Ku1 Ku2 b1/D2 D1/D2. 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0. 100. 200. 300. 400. 500. 600. nS. 87.

(85) Método Estadístico Dimensionamiento de una TP según Siervo Notación: D1: diámetro medio entrada D2: diámetro externo entrada D3: diámetro característico B: altura barométrica Hn: altura neta nominal Hv: altura vaporización KU1: coef. de velocidad entrada. n: velocidad de giro sincrónica nS: velocidad de giro específica Pm: Potencia mecánica. [m] [m] [m] [m] [m] [m] [rpm] [Kw.]. 88.

(86) Método Estadístico Cálculo de la velocidad especifica de giro nS: Año de diseño. ns. 1960 - 1964. 2.959 Hn0.625. 1965 - 1969. 3.250 Hn0.625. 1970 - 1975. 3.470 Hn0.625. Velocidad específica de giro:. nS. rpm kW m5 4 89.

(87) Método Estadístico n. nS. Pm H5 4. Se debe verificar que el ns determinado coincida con una velocidad de sincronismo en el criterio general de diseño. De lo contrario, se recalcula nS con la velocidad de giro sincrónica más cercana. Número de THOMA:. C. INST. 7,54 10. 5. n1.41 S. B HS HV Hn 90.

(88) Método Estadístico Dimensiones del rodete K U3. 0,31 2,50 10 Hn n. 3. ns. D1 D3. D3. 84,5 K U3. D2 D3. 1 0,96 0,00038 ns. H1 D3 H2 D3 H2 D3. 0,4. 94,5 ns. H2. 0,094 0,0025 ns 0,05. 42 (50 ns. ns. 110). 1 (110 3,16 0,00013 ns. ns. 350). D1 D2 D3 91.

(89) Método Estadístico A D3. 19,56 1,2 nS. B D3. 54,8 1,1 nS. C D3. 1,32. 49,25 nS. D D3. 1,50. 48,8 nS. E D3. 0,98. 63,60 nS. G D3. 0,89. 96,5 nS. Dimensiones Caja Espiral: A. B. C. F D3 H D3. 1. 131,4 nS. 0,79. 81,75 nS. H G F D. E 92.

(90) Método Estadístico Dimensiones Caja Espiral:. L. I D3. 0,1 0,00065 nS. L D3. 0,88 0,00049 nS. M D3. 0,60 0,000015 nS. M. 93.

(91) Método Estadístico Tubo de aspiración N D3. 1,54. O D3. 140,7 0,83 nS. P D3. 1,37 0,00056 nS. Q D3. 22,6 nS. R D3. 0,58 1,6. 203,5 nS. 0,0013 nS. 94.

(92) Método Estadístico Tubo de aspiración S D3. nS - 9,28 + 0,25 nS. T D3. 1,50 0,00019 nS. U D3. 0,51 0,0007 nS. V D3 Z D3. 0,10. 53,7 nS. 2,63. 33,8 nS. 95.

(93) Turbinas Francis FIN.

(94)