CT-3411 Clase 5 Turbinas Hidráulicas Kaplan

CT-3411 Clase 5 Turbinas Hidráulicas Kaplan

Turbinas Hidráulicas
Turbomáquinas Hidráulicas
CT-3411
Prof. Jesus De Andrade
Prof. Miguel Asuaje
1
Turbina Kaplan
Descripción,
Clasificación, Dimensionamiento y
Curvas Características
2
Turbina Kaplan
Características Generales









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.
3
Turbina Kaplan
Rotor
D
Estator
Turbina Kaplan de diámetro
D = 9,5 m Central Yacyretá,
Argentina
4
Turbina Kaplan
Campo de Aplicación
5
Turbina Bulbo
6
TK de pozo
7
TK tipo S
8
Turbina Bulbo
Campo de Aplicación
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
Cubierta
Eje Superior
Rotor
Ménsula Inferior
Estator
Eje Principal
Frenos y Gatos
Enfriador Aire/Agua
Caja Semiespiral
Paletas Directrices
Cojinete Guía
Rodete
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
máximo igual a 20 m
6,8 m. Diámetro externo
19
Turbina Kaplan
Central Hidroeléctrica
El Oviachic (México)
Hn
Q
P
n
=
=
=
=
47,7
26
11050
300 rpm
35,5 m
30 m3/s
9480 kW
20
Turbina Kaplan
Central Hidroeléctrica Ottmarsheim
21
Turbina Kaplan
Central Hidroeléctrica de La Torre (Italia)
22
Turbina Kaplan
Comparación
Turbina 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 dirección
del flujo, el cual presenta un Borde de Ataque (BA)
redondeado y Borde Fuga (BF) aguzado.
Esqueleto
BF
BA

(cuerda)
26
Ala
fmax
b

27
Perfil aislado portante
Z
F
ángulo de ataque
ángulo de pérdidas
FZ
P
dA
V∞
X
FX
Centroide
Centro de presiones
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:
dFZ
P b dA cos
dFX
P b dA sen
donde “b” es la envergadura del ala estudiada
29
Distribución de Velocidades
Efecto de la curvatura:
2.5
2.5
V/V0
V/V0
2
2
1.5
1.5
1
1
0.5
0.5
0
10
20
30
= 10°,
40
50
60
70
80
= 10°, k = 0,9
90
100
x/L
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
x/L
= 10°,
= 20°, k = 0,9
30
Distribución de Velocidades
Efecto de la ángulo de ataque:
V/V0
V/V0
3
3
2.5
2.5
2
2
1.5
1.5
1
1
0.5
0.5
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
x/L
= 10°,
= 10°, k = 0,9
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
x/L
= 20°,
= 10°, k = 0,9
31
Distribución de Velocidades
Efecto del espesor relativo:
C/C0
C/C0
3
3
2.5
2.5
2
2
1.5
1.5
1
1
0.5
0.5
0
10
20
= 10°,
30
40
50
60
70
80
90
100
= 10°, k = 0,95
x/L
0
10
20
30
= 10°,
40
50
60
70
80
90
100
x/L
= 10°, k = 0,90
32
Distribución de Velocidades
Efecto del espesor relativo:
V/V0
V/V0
3
3
2.5
2.5
2
2
1.5
1.5
1
1
0.5
0.5
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
x/L
x/L
= 10°,
= 10°, k = 0,90
= 10°,
= 10°, k = 0,85
33
Coeficientes
Coeficiente de sustentación:
Coeficiente de arrastre:
Coeficiente de Momento:
(Referido al centroide)
Fineza Aerodinámica:
CZ
FZ 
V2 2
CX
FX 
V2 2
CM
M 2
V2 2
ctg
CZ
CX
34
Perfiles en rejilla
1. Tipos de Rejillas Planas :
V2
V1
V1
V2
Rejilla de Difusión
Rejilla de Aceleración
43
Turbina Kaplan
Transferencia de Energía
50
Turbina Kaplan
a
b
c
c
1
b
a
1
U
VR
0
U1
U2
A1
2
2
Vm1
Vm
Dc
Dm
De
U
A2
(D2e Dc2 )
4
Vm2
Vm
Dc
De
Dm
Dc
De
2
51
Turbina Kaplan
Triángulo de velocidades para D = Dm
VU1
α2 = 90°
α∞ α1
β∞
U
β2
β1
W1
V2
W2
V∞
Vm
W ∞ V1
V
VU
Vm
VU
VU1 VU2
2
Vm
Vm
Ht
1
U VU1
g
VU1
2
0
Ht
Condición de diseño:
U
VU1 VU2
g
2
90

52
Rejilla plana móvil
W∞
U
c

FU
i
FZ
FX
Faxia
F
l
t
t
Dm
z
Dm
i
c
53
Turbina Kaplan
Potencia:
Pot
F
z FU U
z F U sen
FZ
cos
2
FZ
CZ
W
 b
2
z b CZ 
Pot
b
Empuje axial:
z F U sen(
De Dc
2
Faxial
z CZ
)
W2
sen(
U
2
cos
)
(envergadura del alabe)
W2
cos(
 b
2
cos
)
54
Turbina Kaplan
Caudal:
Q
A
A Vm
4
(D2e Dc2 )
b
De Dc
2
t
Dm
z
Dm b
Q
z t b Vm
55
Turbina Kaplan
Altura H transferida a la turbina:
Ht
Pot
g Q
Ht
z b CZ
W2
sen(

U
2
cos
g z t b Vm
1
 W 2 U sen(
CZ
2g
t
Vm
cos
)
)
Ec. Fundamental de las TBMH axiales
56
Turbina Kaplan
Eficiencia Hidráulica:
0
h
H
Ht
H
1

CZ
W
2g
t
sen(
sen
)
cos
h
U
Vm
W
sen
cos
1
sen
sen
cos
tg
1
tg
57
Turbina Kaplan
Eficiencia Hidráulica:
ηh
h
tg
1
tg
100
90
ε=1
ε = 2,5
ε=4
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
β∞
58
Turbina Kaplan
Velocidad específica de giro nS
Pm
nS
g Q H
A
Q
60 21/4 g5/4
A
4
K U1m
2
e
2
D (1
(1-
2
) Vm
) K U2e
tg
tg
2
2
Vm
U2e
De
Dm
59
Turbina Kaplan
Velocidad específica de giro nS
β2
g
ρ
A
η
=
=
=
=
=
14o
9,81 m/s2
997 kg/m3
735,3
0,90
nS
386 K U1
K U1 , K U2
(1
De
,
Dm
2
) K U2e
De
Dm
nS
60
Turbina Kaplan
Cavitación
61
Turbina Kaplan
Zonas de erosión
H
Hn
Borde de ataque
extradós
intradós
Q
Qn
1
2
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.
3
62
Turbina Kaplan
Cavitación (vórtice en el extremo del alabe)
63
Turbina Kaplan
Valores del número de Thoma Crítico
c
c
a
b
Pm
(gH)5 4
64
Turbina Kaplan
Valores del número de Thoma Crítico
c
nS
0,0304
100
1,737
65
Turbina Kaplan
Operación
66
Turbina Kaplan
Principio de la Doble Regulación TK
Triángulos en el rodete
67
Turbina Kaplan
Principio de la Doble Regulación TK
VU1
U
α1
¼
i
β1
c
cte.
Vm
½
W1
V1
¾
1
U
¼
V2
β2
Vm
½
¾
W2
1
68
Turbina Kaplan
n cte
H cte
Doble Regulación TK
η
C
Q
69
Turbina Kaplan
Curvas Características
70
Construcción del Diagrama Topográfico
nS = 450
71
Diagrama Topográfico
nS = 500
n
N11
135
n
Q11
1,20
72
Diagrama Topográfico
nS = 400
73
Turbina Kaplan
Dimensionamiento
74
Dimensionamiento Estadístico
Cálculo del número específico de revoluciones según
Siervo:
Año de diseño
1960-1964
ns
2096 Hn0.489
0.489
1965-1969
2195 Hn
1970-1975
2419 Hn0.489
rpm Kw
m5 4
nS
Calculo del número de Thoma:
ins
c
B HS HV
Hn
6,35 10
5
n1s.46
75
Dimensionamiento del Rodete
KU
DM
Dm
DM
0,79 1,61 10 3 ns
Hn
84,5.K U
n
94,5
0,25
ns
Hm
DM
6,94 n
H1
DM
0,38 5,17 10
Ht
-0.403
s
Hm
5
ns
H1
Dm
DM
76
Dimensionamiento Caja Espiral
0,40 ns
D1
DM
1,59 5,74 10
B1
DM
1,26 3,79 10 4 ns
D2
DM
1
1,58 9,05 10
B2
DM
1
0,76 8,92 10
E1
DM
1,21 2,71 * 10
C1
DM
1,46 3,24 10
E2
DM
1
1,48 2,11 * 10
C2
DM
1
0,55 1,48 10
F1
DM
1,21
F2
DM
1,62 3,18 10
A
DM
5
4
5
ns
ns
ns
4
ns
5
ns
4
ns
5
ns
72,17
ns
5
ns
77
Dimensionamiento Caja Espiral
G1
DM
G2
DM
H1
DM
H2
DM
1,29
41,63
ns
1,36
7,79
ns
1,13
31,86
ns
1,19
4,69
ns
I1
DM
0,45
31,80
ns
I2
DM
0,44
21,4
ns
L1
DM
0,74 8,7 10
L2
DM
1,44 +
M1
DM
1
2,06 1,20 10
M2
DM
1,03 +
4
ns
105,29
ns
3
ns
136,28
ns
78
Dimensionamiento Caja Espiral
Espesor de la caja espiral:
Material
acero
concreto
Espesor
B1 C1
B2 C2
A1
2
3,76 DM
3,04 DM
79
Tubo de Aspiración
Ht
DM
0,24 7,82 10
N
DM
2,00 2,14.10
6
ns
O
DM
1,40 1,67 10
5
ns
P
DM
1,26
16,35
ns
Q
DM
0,66
18,40
ns
R
DM
1,25 7,98 10
5
ns
S
DM
4,26
T
DM
1,20 5,12 10
4
ns
Z
DM
2,58
5
ns
201,51
ns
102,66
ns
80
Turbinas Kaplan
Instalaciones en Venezuela
81
Bajo Caroní
Central Caruachi
Turbinas
Número
12
Hn
35,6 m
Pot. nominal
180 MW
n
94,74 rpm
Pot. central
2160 MW
D = 9,0 m
82
Bajo Caroní
Central Caruachi
83
Bajo Caroní
Central Macagua II.
TURBINAS
Número
Tipo
Elevación anillo distribuidor
Caída neta nominal
Caída neta máxima
Velocidad nominal
Velocidad de embalamiento
Velocidad específica
Caudal nominal
Capacidad nominal
Capacidad máxima
Casa de Máquinas 3
2
Kaplan
24 m.s.n.m.
22.6 m
23 m
94.74 rpm
230 rpm
564
415 m3/s
86 MW
88,2 MW
84
Flujo en el Rotor
Simulación CFD
del Rotor
85
Turbinas Kaplan
FIN
86