INTRODUCCIÓN A LAS MÁQUINAS HIDRÁULICAS

Prof. Jesús DE ANDRADE

Prof. Miguel ASUAJE

Máquinas Hidráulicas

Motores Hidráulicos

Ruedas y Turbinas

Máquinas que transforman energía hidráulica en energía mecánica

Ruedas (Motores gravimétricos.) Energía potencial.

Turbinas

Clasificación

H Z Z1 2

12

2

2

2

121 zz2g

VVPPH

Máquinas Hidráulicas

Se clasifican en:

Máquina que transforma energía hidráulica en energía mecánica

Rueda Hidráulica (Motores gravimétricos)

Motores hidráulicos

Turbinas

Motor cuyo intercambio de energía se realiza de potencial a mecánica.

H Z Z1 2

12

2

2

2

121

2g

VVH ZZ

PPEl intercambio de energía

se realiza de forma de

presión y velocidad a

energía mecánica

Máquinas Volumétricas. (CONVERSIÓN III)

Ruedas Hidráulicas

Ruedas Hidráulicas

Motor cuyo intercambio de energía se realiza depotencial a mecánicaEn las ruedas, la energía de velocidad y la de presión son

despreciables frente a la energía potencial

Alimentación superior

Alimentación lateral

Alimentación Inferior

D/H ~ 1 η ≤ 75% n = 5…..8 r.p.m.

Ruedas Hidráulicas

Rueda de impulso

Rueda de Rio (14 A.C.)

D/H ~ 1 η ≤ 75% n = 5…..8 r.p.m.

U1 = U2 = U

β1 + β2 =

180°

2 = 90°

Ruedas Hidráulicas

Rueda de impulso

g.HV1

H Z Z1 2

g.Hb.aQ

Donde:

a altura del canal que lleva el agua hasta la turbina

b ancho del canal que lleva el agua hasta la turbina

Ruedas Hidráulicas

Ruedas de Río

Río Horontes; Hamah - Siria

Ruedas HidráulicasVentajas de las Ruedas:

Water wheels for electricity generation. In the previous section itwas shown that ‘modern’ water wheels have a surprisingly highefficiency for a wide range of flows. This has the great advantagethat power can be generated even from low flow volumes withoutcomplex control elements as they are e.g. required for Kaplanturbines. The power/speed curves were also quite flat, indicatingthat speed control is not very critical as long as the wheeloperates approximately at design speed. The slow speed of waterwheels means that gear boxes with transmission ratios ofapproximately 1:100 have to be employed. Although such gearboxes are available and do not cause significant energy losses (2-3%), they constitute a significant part of the costs (25-30% forundershot, 40-45% for overshot wheels) of a water wheelinstallation. The development o fa slow speed multipolargenerator which could be driven directly with a belt drive wouldconstitute a major advance in this field.

Ruedas HidráulicasDesventajas de las Ruedas:

La baja velocidad de giro (6-10 rpm) conduce alempleo de elevada relación de transmisión para elaccionamiento de generadores de electricidad (CA) a600- 1500 rpm.

Producción de un golpeteo ruidoso, a baja frecuencia,que puede ser molesto a las personas.

Escaso de conocimiento en la ingeniería para sudiseño y construcción.

Si la rueda es instalada fija a un lado del río, lapotencia en el eje de la rueda fluctúa al cambiar elnivel del río.

Cuando es instalada sobre una barcaza, el descensodel nivel del río puede ocasionar que la rueda golpeecontra el fondo del río y se ocasione daño a losalabes.

Ruedas HidráulicasDesempeño de las Ruedas:

Ruedas Hidráulicas

Diagrama de Selección

Turbinas

Ruedas

RAS

H [m]

Q [m3/s]

RAI

RAS – Rueda de Alimentación

Superior

RAI – Rueda de Alimentación

inferior

Turbinas Hidráulicas

Turbomáquina motriz que convierte energía hidráulica en energía mecánica

Creación del momento Cinético a la entrada:

Energía transferida Ht

cteVrVrM U00C0

Vu

V0

r0

r

Caja Espiral

Ecuación de Euler:

2U21U1t VUVUg

1H

Energía transferida Ht

g2

W

g2

W

g2

U

g2

U

g2

V

g2

VH

2

1

2

2

2

2

2

1

2

2

2

1t

Bajo la forma de

componentes energéticas:

Rodete

β1

β2

U1Nacen del aprovechamiento del agua en las ruedas hidráulicas. La energía es transferida al rotor en forma de presión o velocidad.

1

1

11m1U ctgA

QctgVV 2

2

222m22U ctgA

QUctgVUV

g

UQctg

A

Uctg

A

U

g

1H

2

22

2

21

1

1t

V1

U2U1

W1 V2 W2

Vm1 Vm2

VU1 VU2

α1 β1α2 β2

Energía transferida Ht

ht ZHH

2

Ac

2

f

2

22

2

21

1

1 )QQ(kQkg

UQctg

A

Uctg

A

U

g

1H

Cfh ZZZ

2

ff QkZ

Pérdidas Hidráulicas:

Altura neta:

Pérdidas por fricción y choque:

Altura neta H

2

AcC )QQ(kZ

Eficiencia Hidráulica:

Eficiencias

H

ZH

H

H hth

Eficiencia Volumétrica:Q

QQ

Q

Q fRv

QR

Q

Qf’

Qf’’≈ 0

fff

fR

QQQ

QQQ

≈ 0

Eficiencia Mecánica:

fricciónm

m

int

mm

PP

P

P

P

Eficiencia Global:mvh

H

m

P

P

discocojinetes/sellos frfrfricción

fricciónmint

PPP

PPP

Eficiencias

Curvas Características

H vs. Q, vs. Q y P vs. Q

@ n y 1 constantes

Salida Ortogonal:

Altura neta H

2

2

222m22U ctgA

QUctgVUV

2222 0 tgAUQV dU

2

2

21

1

1

2

20

t0

ctgA

Uctg

A

U

UQ

0HQ

Caudal mínimo de operación como turbina:

0 50 100 150 200 250 300 350 400 45040

20

0

20

40

60

80

100

120

140122.809

36.219

0

Z h Q( )

Z f Q( )

Z c Q( )

H t Q 40( )

H Q2 40( )

407.0390

Q 0 Q a

Q Q Q Q Q2

Curva H vs. Q

H

Q

n = cte.

1 = cte.H

Ht

Zh

Qo Qd

g

U2

2

Pérdidas Hidráulicas

0 50 100 150 200 250 300 350 400 4500

5

10

15

20

25

30

35

4037.217

0

Z f Q( )

Z c Q( )

Z h Q( )

4070

Q n Q a

Q

Zh

Q

Qn Qa Zh

Zc

Zf

n = cte.

1 = cte.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

2.719 103

500

0

T Q 40( )

106

4070

Q 0 Q a

Q

Torque vs. QT

Q

Q0Qa

Zonade Motorización

(T < 0)

n = cte.

1 = cte.

0 50 100 150 200 250 300 350 40020

0

20

40

60

80

100100

20

0

P H Q 40( )

4000

Q 0 Q a

Q

Potencia vs. QPH

Q

Q0 Qa

Zonade

Motorización

n = cte.

1 = cte.

Curva Característica General de Explotación

n = cte.

0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300

350301.217

0

H Q0 5( )

H Q1 10( )

H Q2 15( )

H Q3 30( )

H Q4 45( )

665.4980

Q

Q0 Q1 Q2 Q3 Q4

X = 20% X = 40% X = 60% X = 80% X = 100%

η = 80%

η = 60%

η = 40%

η = 40%

η = 60%

H

Q

Hn 90%

Qn

Máxima potencia

Punto de Operación

T

1

2

HB

Punto de Operación

12Turb21 hHHH

Ec. Bernoulli entre 1 y 2:

salidaforzadatuberia12hhh

HHTurb

salidaforzadatuberia21Turb hhzzH

(Altura neta)

Punto de Operación

SistemaTurb

2

BTurb

HH

kQHH

21B

2

salidaforzadatuberia

zzH

Q~hh

2

BSistema kQHH

n = cte.

0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300

350301.217

0

H Q0 5( )

H Q1 10( )

H Q2 15( )

H Q3 30( )

H Q4 45( )

665.4980

Q

Q0 Q1 Q2 Q3 Q4

X = 20% X = 40% X = 60% X = 80% X = 100%

H

Q

HB

Punto de Operación

HSist.

Pto. Operación

para diferentes aperturas

HTurb.

Grado de Reacción

2

1

2

2

2

2

2

1

2

2

2

1

2

1

2

2

2

2

2

1

t

p

RWWUUVV

WWUU

H

HG

0 Turbina de acción (p1 = p2)

(0-1) Turbina de reacción (p1 > p2)

)WWUU(g2

1H 2

1

2

2

2

2

2

1p

)VV(g2

1H 2

2

2

1dAltura dinámica:

Grado de Reacción:

Altura de presión:

GR =

pdt HHHAltura total:

Factor de Utilización

g2

VHH

2

2udisp

g2

V 2

2

2

1

2

2

2

2

2

1

2

1

2

1

2

2

2

2

2

1

2

2

2

1

disp

t

WWUUV

WWUUVV

H

H

Hútil: Energía útil

Hdisp: Energía disponible

Energía necesaria para descargar el flujo de la turbina

tútil HH

Coeficientes Característicos

H

DnN11

HD

QQ

211

HHD

PP

2

m11

45

m

sH

Pnn

Número específico de revoluciones:

Caudal especifico:

Potencia específica:

Velocidad específica de giro referida

a la potencia:

Coeficientes Característicos

Para el cálculo de los coeficientes antes mencionados

se emplean las siguientes unidades:

Sistema Métrico Sistema Inglés

[n] = RPM [n] = RPM

[Q] = m3/s [Q] = GPM

[H] = m [H] = pies

[Pm] = CV [Pm] = HP

nS .... Número especifico de revoluciones en sistema métrico.

NS .... Número especifico de revoluciones en sistema ingles.

SS N44,4n

Clasificación de las turbinas

Según el grado de reacción:

Acción: GR = 0, P1 = P2

Reacción GR = 1, P1 > P2

Según la admisión:

Admisión parcial Chorro tangencial

Admisión total: Todo el rodete inmerso en el agua

Según la dirección del flujo:

Radiales

Diagonales

Axiales

Tangenciales

Clasificación de las turbinas

5/4

m

sH

Pnn

.

Según la posición del eje:

Vertical

Horizontal

Inclinado

Según la velocidad específica de giro:

Lentas

Normales

Rápidas

Expresas

Tipo ns H [m]

Pelton 1 - 60 50 - 2000

Banki 40 - 240 1 - 200

Francis 50 - 450 20 - 800

Deriaz 250 - 500 40 - 250

Kaplan 350 - 600 5 - 80

Bulbo 500 - 1000 1 - 15

Straflow (axial

concéntrica)

900 - 2000 1 - 10

Clasificación de las Turbinas Hidráulicas (Gr)

Turbinas Acción

Reacción

Banki- MichelHbruta= 1 a 100 m

PeltonHbruta= 100 a 2000 m

FrancisHbruta= 25 a 700 m

DeriazHbruta= 40 a 200 m

KaplanHbruta= 10 a 70 m

BulboHbruta= 2 a 25 m

StrafloHbruta= 1 a 10 m

Turbinas de Acción

Turbina Pelton

De Eje Vertical De Eje Horizontal

Turbinas de Acción

Turbina Banki

Turbinas de Reacción

Turbina Francis

Caja Espiral o Voluta

PredistribuidorRodete

Q

Distribuidor

Tubería de Aspiración

Rotor: Es una turbina Radial

Turbinas de Reacción

Turbina DeriazRotor: Es una turbina diagonal

Álabes regulables

Turbinas de Reacción

Turbina Kaplan

Rotor tiene entrada axial. La entrada a la turbina es Radial

Turbinas de Reacción

Turbina Bulbo

Rotor tiene entrada axial y salida axial. Modificación de la Kaplan

Diagrama de Conchas o Curvas de Nivel

Q11 Caudal reducido

P11 Potencia reducida

N11 Número de revoluciones reducido

Curvas de Nivel

Q11

N11 N11

P11

=Ns

x= mm

Selección de Turbinas

H [m]

Q [lt/s]

Selección de Turbinas

Potencia [kW]

Alt

ura [

m]

Selección de Turbinas

Selección de Turbinas