Turbinas Hidráulicas

Turbomáquinas Hidráulicas

CT-3411Prof. Jesus De Andrade

Prof. Miguel Asuaje

1

Turbina Kaplan

Descripción,

Clasificación, Dimensionamiento y

Curvas Características

2

Turbina Kaplan

Turbina de reacción.

Flujo axial U = U1 = U2, VR = 0

Saltos netos entre 4 y 80 m (rango competitivo hasta 20 m).

Rango de nS: 350 a 600

η ≥ 90%

Pmáx. = 180 MW. (Central Caruachi) Venezuela.

Peligro de cavitación

Problemas de transporte por su gran tamaño.

Máxima capacidad de regulación de carga Doble regulación

alabes del aparato distribuidor y rodete ajustables.

Características Generales

3

Turbina Kaplan

Turbina Kaplan de diámetroD = 9,5 m Central Yacyretá,ArgentinaD

4

EstatorRotor

Campo de Aplicación

Turbina Kaplan

5

Turbina Bulbo

6

TK de pozo

7

TK tipo S

8

Campo de Aplicación

Turbina Bulbo

9

Descripción TK

10

Turbina Kaplan

1. Concrete front spiral

casing

2. Membrane thrust

bearing

3. Thrust bearing

support head cover

4. Embedded head

cover

5. Rotating vat bearing

6. Bearing guide with

supporting cross-head

of the shell type

7. Blade

11

Turbina Kaplan

Estator

Cubierta

Enfriador Aire/Agua

Frenos y Gatos

Eje Superior

Rotor

Ménsula Inferior

Rodete

Caja Semiespiral

Eje Principal

Paletas Directrices

Cojinete Guía

Paletas Fijas

TK Doble Regulación

Regulación simultanea de

la posición de los alabes

del aparato distribuidor y

del rodete

13

Turbina Bulbo

1. Bulb nose

2. Access arm to the upstream

compartment

3. Removable cover for generator

dismantling

4. Oil distribution head

5. Generator

6. Upper stay vane for access to

downstream compartment

7. Upstream thrust and counter

thrust bearing

8. Lower stay vane

9. Downstream bearing

10. Adjustable distributor

11. Blade

12. Turbine pit

14

Turbina Bulbo

15

Turbina Bulbo

16

Turbina Straflo

Straflo ≡ Straight Flow

(Turbina Axial concéntrica)

17

Rodetes Turbina Kaplan

18

Caja espiral Turbina Kaplan

Diámetro tubería admisión 6,8 m. Diámetro externo máximo igual a 20 m

19

Central Hidroeléctrica

El Oviachic (México)

Turbina Kaplan

Hn = 47,7 35,5 m

Q = 26 30 m3/s

P = 11050 9480 kW

n = 300 rpm

20

Central Hidroeléctrica Ottmarsheim

Turbina Kaplan

21

Central Hidroeléctrica de La Torre (Italia)

Turbina Kaplan

22

Turbina Kaplan

ComparaciónTurbina Kaplan

vs. Turbina Bulbo

23

Turbina Straflo

24

Perfil Portante

Perfil Aislado y en Rejilla

25

Perfil Aerodinámico

Perfil: Es un contorno cerrado, largado en la direccióndel flujo, el cual presenta un Borde de Ataque (BA)redondeado y Borde Fuga (BF) aguzado.

BA BF

Esqueleto

(cuerda)

26

b

fmax

Ala

27

Perfil aislado portante

ángulo de pérdidas

Z

X

V∞

FZ

FX

Centro de presiones

P

dA

Fángulo de ataque

Centroide

28

Perfil aislado portante

Las fuerzas de sustentación y de arrastre se calculan por

integración del esfuerzo ejercido sobre la superficie del

perfil por la distribución de presiones. Para un diferencial

de área las fuerzas en la dirección OZ y OX se expresan

por:

sendAbPdF

cosdAbPdF

X

Z

donde “b” es la envergadura del ala estudiada

29

Distribución de Velocidades

Efecto de la curvatura:

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0.5

1

1.5

2

2.5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0.5

1

1.5

2

2.5

= 10°, = 10°, k = 0,9 = 10°, = 20°, k = 0,9

V/V0 V/V0

x/L x/L

30

Efecto de la ángulo de ataque:

= 10°, = 10°, k = 0,9 = 20°, = 10°, k = 0,9

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0.5

1

1.5

2

2.5

3

V/V0

x/L

V/V0

x/L

Distribución de Velocidades

31

Efecto del espesor relativo:

= 10°, = 10°, k = 0,90

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0.5

1

1.5

2

2.5

3

= 10°, = 10°, k = 0,95

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0.5

1

1.5

2

2.5

3 C/C0

x/L

C/C0

x/L

Distribución de Velocidades

32

Efecto del espesor relativo:

= 10°, = 10°, k = 0,90

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0.5

1

1.5

2

2.5

3

= 10°, = 10°, k = 0,85

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0.5

1

1.5

2

2.5

3V/V0

x/L

V/V0

x/L

Distribución de Velocidades

33

Coeficientes

2V

FC

2Z

Z

2V

FC

2X

X

Coeficiente de sustentación:

Coeficiente de arrastre:

2V

MC

2

2

M

Coeficiente de Momento:

(Referido al centroide)

Fineza Aerodinámica:X

Z

C

Cctg

34

Perfiles en rejilla

1. Tipos de Rejillas Planas :

Rejilla de Difusión Rejilla de Aceleración

V1

V2

V2

V1

43

Turbina Kaplan

Transferencia de Energía

50

m2m1m

2

c

2

e21

VVV

)DD(4

AA

0VR

UUU 21

Dc

De

Vm

Dm

1

2

1

2

a b c c b a

Turbina Kaplan

e

c

D

D

2

DDD ec

m

U

51

Triángulo de velocidades para D = Dm

Turbina Kaplan

2U1Ut VVg

UH

902 1Ut VUg

1HCondición de diseño:

α2 = 90°

V1

U

W1V2

W2

Vm

VU1

α1β1β2

V∞

α∞

W∞

β∞

2

V

2

VVV 1U2U1U

U

mm VV

mU VVV

0

52

Rejilla plana móvil

ci

W∞

i

t

U

mD

FZFX

F

FU

c

z

Dt m

Faxia

l

53

)(senUFzsenUFzUFzP Uot

Potencia:

cos

FF Z

b2

WCF

2

ZZ cos

)(senU

2

WCbzP

2

Zot

Turbina Kaplan

Empuje axial:cos

)cos(b

2

WCzF

2

Zaxial

2

DDb ce

(envergadura del alabe)

54

mVAQ

Caudal:

Turbina Kaplan

z

Dt m

2

DDb ce

bD)DD(4

A m

2

c

2

e

mVbtzQ

55

Altura H transferida a la turbina:

m

2

Zot

tVbtzg

cos

)(senU

2

WCbz

Qg

PH

cos

)(sen

V

UW

tC

g2

1H

m

2

Zt

Ec. Fundamental de las TBMH axiales

Turbina Kaplan

56

Eficiencia Hidráulica:

cossen

sencos1

cossen

)(sen

H

Hth

W

VsenUW

tC

g2

1H0 m

Z

tg

tg1h

Turbina Kaplan

57

Eficiencia Hidráulica:tg

tg1h

Turbina Kaplan

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

ηh

β∞

ε = 1

ε = 2,5

ε = 4

58

m

22

e V)1(D4

Q

m

e2eU

2

mU

5/41/4

SD

DtgK)-(1K

g260

An

21

A

HQgPm

Velocidad específica de giro nS

e2

m2

U

Vtg

Turbina Kaplan

59

Velocidad específica de giro nS

S

m

e2U1U n,

D

DK,K

β2 = 14o

g = 9,81 m/s2

ρ = 997 kg/m3

A = 735,3

η = 0,90

m

eeU

2

1USD

DK)1(K386n

2

Turbina Kaplan

60

Turbina Kaplan

Cavitación

61

Turbina Kaplan

Zonas de erosión

1. Límite Cavitación en el borde de

ataque, extradós (zona D).

2. Límite Cavitación en el borde de

ataque, intradós (zona E).

3. Límite de cavitación en el cubo.

nH

H

extradós intradós

Borde de ataque

1 2 3

nQ

Q

62

Turbina Kaplan

Cavitación (vórtice en el extremo del alabe)

63

45

m

)gH(

P

b

c ac

Turbina Kaplan

Valores del número de Thoma Crítico

64

Turbina Kaplan

737,1

Sc

100

n0304,0

Valores del número de Thoma Crítico

65

Turbina Kaplan

Operación

66

67

Principio de la Doble Regulación TK

Triángulos en el rodete

Turbina Kaplan

Principio de la Doble Regulación TK

V1

U

W1

Vm

VU1

α1

¾

½

¼

1

β1

U

VmV2

W2¾

½

¼

1

β2

Turbina Kaplan

.ctei c

68

Doble Regulación TK

Turbina Kaplan

C

η

Q

cteH

cten

69

Turbina Kaplan

Curvas Características

70

nS = 450

Construcción del Diagrama Topográfico

71

Diagrama Topográfico

nS = 500

20,1Q

135N

n

11

n

11

72

nS = 400

Diagrama Topográfico

73

Turbina Kaplan

Dimensionamiento

74

Dimensionamiento Estadístico

46.1

s

5

c

n

VSins

n1035,6

H

HHB

Cálculo del número específico de revoluciones según

Siervo:

Año de diseño ns

1960-1964

1965-1969

1970-1975

Calculo del número de Thoma:

0.489

nH2096

0.489

nH2195

0.489

nH2419

45Sm

Kwrpmn

75

Dimensionamiento del Rodete

s

5

M

1

0.403-

s

M

m

sM

m

n

UM

s

3

U

n1017,50,38D

H

n94,6D

H

n

94,50,25

D

D

n

H84,5.KD

n1061,10,79K

DM

Dm

Hm

Ht

H1

76

Dimensionamiento Caja Espiral

s

5

M

2

s

4

M

1

s

5

M

2

s

4

M

1

s

M

n1048,155,0

1

D

C

n1024,31,46D

C

n1092,876,0

1

D

B

n1079,31,26D

B

n40,0D

A

s

5

M

2

sM

1

s

5

M

2

s

4

M

1

s

5

M

2

s

4

M

1

n1018,362,1D

F

n

17,721,21

D

F

n10*11,248,1

1

D

E

n10*71,21,21D

E

n1005,958,1

1

D

D

n1074,51,59D

D

77

Dimensionamiento Caja Espiral

sM

2

sM

1

sM

2

sM

1

n

4,6919,1

D

H

n

31,861,13

D

H

n

7,791,36

D

G

n

41,631,29

D

G

sM

2

s

3

M

1

sM

2

s

4

M

1

sM

2

sM

1

n

136,28+1,03

D

M

n1020,106,2

1

D

M

n

105,29+1,44

D

L

n107,874,0D

L

n

21,444,0

D

I

n

31,8045,0

D

I

78

Dimensionamiento Caja Espiral

Espesor de la caja espiral:

Material Espesor

acero

concreto

M1

11 D3,762

ACB

M22 D3,04CB

79

Tubo de Aspiración

sM

s

4

M

sM

s

5

M

sM

sM

s

5

M

s

6

M

s

5

M

t

n

102,6658,2

D

Z

n1012,520,1D

T

n

201,5126,4

D

S

n1098,725,1D

R

n

18,4066,0

D

Q

n

16,3526,1

D

P

n1067,140,1D

O

n10.14,200,2D

N

n1082,724,0D

H

80

Turbinas Kaplan

Instalaciones en Venezuela

81

Central Caruachi

Bajo Caroní

Turbinas

Número 12

Hn 35,6 m

Pot. nominal 180 MW

n 94,74 rpm

Pot. central 2160 MW

D = 9,0 m82

Central Caruachi

Bajo Caroní

83

Central Macagua II.

TURBINAS Casa de Máquinas 3Número 2Tipo KaplanElevación anillo distribuidor 24 m.s.n.m.Caída neta nominal 22.6 mCaída neta máxima 23 mVelocidad nominal 94.74 rpmVelocidad de embalamiento 230 rpmVelocidad específica 564

Caudal nominal 415 m3/sCapacidad nominal 86 MWCapacidad máxima 88,2 MW

Bajo Caroní

84

Flujo en el Rotor

Simulación CFD del Rotor

85

Turbinas Kaplan

FIN

86