DISEÑO DE UNA TURBOMAQUINA GENERADORA DE ELECTRICIDAD

UNIVERSIDAD DE ORIENTE

NÚCLEO DE ANZOÁTEGUI

ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS

DEPARTAMENTO DE MECÁNICA

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DISEÑO DE UNA TURBOMAQUINA GENERADORA DE ELECTRICIDAD.

Realizado por:        Revisado por:

Br.                                                                                               Prof.

C.I..

Sección 0.

Barcelona, febrero de 2021.

INDICE

Memoria Descriptiva:

Se diseña una turbo-máquina generadora de electricidad partiendo de contar con una altura de carga de 3 m y un caudal de 100 L/s. Estos recursos provenientes de un rio deberán canalizarse mediante la construcción de instalaciones para la colocación adecuada de la turbina como una tubería forzada, recalcando esto el enfoque será la selección y diseño. La elección de la velocidad de giro se hace considerando el número de polos del generador, esto es obtener un valor entero, con lo cual para un número de par de polos (generador comercial) la velocidad de giro se fija en 1800 rpm.

Con los tres parámetros anteriormente conocidos se procede al cálculo de la velocidad específica de potencia, cuyo valor indica que la turbina Kaplan es la turbo-máquina ideal para las condiciones de diseño. La elección de esta turbina tiene sentido ya que su aplicación se recomienda para alturas de carga bajas y altos caudales.

MARCO TEORICO

Las turbinas son turbo-máquinas capaces de aprovechar energía mecánica de un fluido, una clasificación genérica para ellas dependen de si el tipo del fluido del que extraen la energía mantiene su densidad constante o  variable. En densidad constante se puede sub-clasificar por el tipo de fluido en turbinas: hidráulicas (agua) y eólica (aire). Los tres modelos de turbinas más conocidos son: Francis, Pelton y Kaplan.

Turbina Pelton.

Es una turbina de impulsión, es decir, que la energía aprovechada del fluido no se debe a cambios de presión estática. El fluido se envía por una tobera aceleradora de modo que la mayor parte de su energía mecánica se convierte en energía cinética. El fluido se refleja en los alabes debido al cambio de momento angular del fluido parte de la energía se transmite a la rueda convirtiéndose en energía aprovechada. Usualmente se recomiendan para alturas de carga altas y caudales bajos. Las partes principales de una turbina son:

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Figura1. Rodete de turbina Pelton.

Turbia Francis  

Son turbinas de reacción que producen grandes cambios en la presión estática del fluido, a diferencia de las de impulsión cuentan con una carcasa que rodea al rodete. Se recomienda para alturas de cargas intermedias entre las altas correspondientes a la Pelton y las bajas correspondientes a la Kaplan. Puede manejar flujos radiales y mixtos, estos flujos se categorizan por el ángulo de entrada del fluido.

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Figura 2. Turbina Francis de descarga radial.

Turbina Kaplan.  

Es una turbina de reacción y como tal produce grandes cambios de presión en el fluido, consta de una carcasa y de un rodete. Su principal característica es el tipo de flujo que maneja, un flujo axial. Se utiliza para alturas de carga bajas y caudales altos.

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Figura 3. Turbina Kaplan.

Tubería forzada: Aumenta la altura de presión a costa de la altura geodésica, que disminuye. La altura de velocidad permanece constante si la sección de la tubería es constante.

Rodete: Son ruedas que contienen alabes y es el elemento que permite la transferencia de energía del fluido a la turbina.

Tubo de aspiración: Lo presentan las turbinas de reacción. Sirve para aumentar la altura de presión a la salida de la turbina de un valor negativo hasta 0 (presión barométrica). Gracias al tubo de aspiración el salto de presión del rodete es mayor y por otro lado ayuda evitar el fenómeno de cavitación.  

Inyector: También llamada boquilla o tobera, Aumenta la energía cinetica al disminuir la altura de presión a cero, sin embargo, la disminución de una no es idéntica al aumento de la otra debido a las perdidas por fricción existentes en la boquilla.    

Potencia hidráulica.

La potencia hidráulica es aquella que energía que posee el fluido, aunque existirán perdidas y la turbina no podrá aprovecharla en su totalidad, es un parámetro importante en el diseño. Y al ser un valor ideal, se utiliza como parámetro de comparación.

    (ec. 1)[pic 5]

Dónde:

: Potencia hidráulica del agua (KWatts).  : Altura de carga neta (m).[pic 6][pic 7]

: Peso específico del agua (N/m3). : Caudal (m3/s).[pic 8][pic 9]

Velocidad Específica de Potencia.

Es un parámetro adimensional que se utiliza para seleccionar las turbinas adecuadas en unas condiciones de operación dada, en las turbinas es común utilizar la ecuación en función de la potencia. Es necesario prestar atención a las unidades utilizadas en su cálculo, ya que la velocidad de giro se suele ingresar en RPM y haciendo que las unidades no sean congruentes. Desde el punto de vista académico debería ingresarse en radianes por segundo (rad/s), sin embargo la mayoría de los autores e investigadores presentan las recomendaciones para la selección de turbina utilizando la velocidad de giro en RPM.

   (ec. 2)[pic 10]

Dónde:

: Numero de revoluciones por minuto (RPM).  : Altura de carga neta (m).[pic 11][pic 12]

: Potencia hidráulica del agua (kWatts).[pic 13]

Número de polos.

La transformación del torque producido por una turbina en energía eléctrica sucede gracias a que se acopla a un generador eléctrico, existiendo asi una interrelación entre la velocidad de giro, el número de polos del generador y la frecuencia de la electricidad producida. En Venezuela esa frecuencia es de 60 Hz.  

  (ec. 3)[pic 14]

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