Investigación de máquinas hidráulicas

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  • 1. UNIVERSIDAD TÉCNICA DE MANABÍ FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS, FÍSICAS Y QUÍMICAS ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA TRABAJO DE INVESTIGACIÓN DE MÁQUINAS HIDRÁULICASMARÍA BELÉN CEVALLOS GILER QUINTO “C”
  • 2. Órgano fundamental de una Central hidroeléctrica. Son lasturbomáquinas que transforman la energía hidráulica enmecánica.
  • 3. Reciben agua con una gran cantidad de movimiento y hacen quedisminuya, para así generar una fuerza propulsora y con ella unpar motor, que hace girar al generador, mediante el cual seproduce la energía eléctrica.
  • 4. Tipos de Turbinas De De acción reacción Turbina Turbina Pelton FrancisHélice Kaplan Bulbo Deriaz Straflo
  • 5.  Es el cociente entre la altura de presión y la altura total que absorbe la turbina Si σ=0 la turbina se denomina de acción Si σ>0 la turbina se denomina de reacción
  • 6. El agua mueve el rodete exclusivamente conenergía cinética. Es decir las turbinas Pelton.
  • 7. Se emplean en centrales hidroeléctricas cuyosalto sea grande y el caudal relativamentepequeño, es decir en aquellos casos en que larelación caudal- altura es reducida.
  • 8. El inyector: es una tobera de forma apropiada aguiar el chorro de agua sobre las álabes o palas delrodete,de esta forma la energía de presión que elagua posee a su entrada se convierte totalmente enenergía cinética.
  • 9. Consta de un cierto número de alabes o palas enforma de concha y dispuestas en la periferia de undisco sujeto al eje. El chorro formado a la salida decada inyector incide sobre los álabes, convirtiendo laenergía cinética del agua en energía mecánica.
  • 10.  Utilizan energía cinética y de presión para mover el rodete. A este grupo corresponden las turbinas: Francis, Hélice, Kaplan, Deriaz, Bulbo y Straflo.
  • 11. Las centrales hidroeléctricas con turbinas dereacción están ubicadas en el cauce medio oterminal de los ríos, incluso en su propiadesembocadura, como es el caso de las centralesmareomotrices, que aprovechan tanto el propiocaudal del río, como el flujo y reflujo de las mareas.
  • 12.  El distribuidor en este caso rodea todo el rodete, llegando el agua por la totalidad de la periferia de éste, siendo por tanto la admisión del agua total.
  • 13. El rodete, único órgano transformador deenergía hidráulica en mecánica en esencia estáformado por el cubo, unido al eje, y una serie dealabes dispuestos en la periferia de aquél.
  • 14.  El agua a la salida del rodete penetra en un tubo llamado tubo difusor, generándose a su entrada una depresión, cuya misión fundamental es aumentar la energía hidráulica absorbida por el rodete. El tubo difusor desemboca en el canal de desagüe, que devuelve el agua al cauce natural.
  • 15. Consta fundamentalmente del distribuidor (inyector) y de larueda (rodete). Puede ser de un, dos, cuatro o seis chorros.
  • 16. Son rigurosamente centrípetas, permite el uso de un tubo para conducir el aguaa la salida del receptor.El campo de aplicación es muy extenso, pueden emplearse en saltos de distintasalturas dentro de una amplia gama de caudales (entre 2 y 200 m3/saproximadamente).
  • 17.  Tienen la posibilidad de reorientar los álabes. Se emplean en saltos de pequeña altura (alrededor de 50 m. y menores), con caudales medios y grandes (aproximadamente de 15 m3/s en adelante).
  • 18.  El receptor toma la forma de hélice de propulsión.
  • 19.  Los álabes del receptor están articulados y pueden variar el ángulo de inclinación de las mismas. Por la forma inclinada de sus álabes pueden ser consideradas como turbinas diagonales.
  • 20.  Máquinas Hidráulicas : son aquellas que utilizan como medio intercambiador de energía un fluido que se comporta como incompresible: bomba hidráulica, ventilador turbina hidráulica, aerogenerador etc.
  • 21.  Máquinas motoras:  Máquinas generadoras: la transforman la energía del energía mecánica se fluido en movimiento de las transforma en hidráulica, por máquinas por ejemplo ejemplo bombas y turbinas hidráulicas y ventiladores. eólicas, motores hidráulicos.
  • 22. Turbomáquinas: disponen de un órgano fundamentalque gira sobre su eje, donde se produce el intercambiode energía, que recibe el nombre de rodete o impulsor.Estas máquinas se denominan también rotodinámicas.
  • 23.  Consiguen de forma diversa, mediante succión, atrapar el líquido en un pequeño recinto y cerrado éste, lo desplazan hacia otro punto de la máquina sometido a presión donde lo depositan. Estas máquinas son reversibles.
  • 24. Las máquinas de desplazamiento positivo, sedividen a su vez en máquinas alternativas yrotativas, según que el órgano intercambiadorde energía se desplace alternativamente o girealrededor de un eje.
  • 25.  Existen numerosos tipos de bombas rotativas de difícil clasificación. Entre las principales tenemos: BOMBAS DE ENGRANES Engranes externos Engranes internos Son bombas en las cuales hay uno o más engranes para efectuar la acción de bombeo. Es característico que uno de los engranes sea capaz de conducir a los otros.
  • 26. Bomba de tornillo dobleTienen de uno a tres tornillos que giran en una caja fija. Existeun gran número de diseños apropiados para variasaplicaciones.
  • 27. PALETAS DESLIZANTES PALETAS FLEXIBLESUsan paletas que presionan contra Su bombeo manejala carcaza por la fuerza centrífuga productos livianos, viscosos,del motor sensibles al esfuerzo de corte y con partículas.
  • 28.  Las superficies radiales del rotor tienen forma redondeada que permiten que los rotores estén continuamente en contacto entre sí, a medida que giran.
  • 29. El fluido se bombea entre los espacios de lassuperficies del pistón; no hay contacto realentre las superficies del pistón.
  • 30.  Herramienta muy útil para el análisis de fluidos que fluyen a través de tubos con diámetro variable.
  • 31. Su forma diferencial es: donde ρ es la densidad t el tiempo la velocidad del fluido. Es una de las tres ecuaciones de Euler
  • 32. Intercambian energía hidráulica en mecánica, o a la inversa,gracias a la variación de la cantidad de movimiento que seproduce al pasar el fluido de manera continua por los conductosde su órgano fundamental, que gira sobre su eje, denominadorodete.
  • 33.  El rodete es la parte fundamental de la máquina, de tal manera que en ciertos casos se hace la abstracción de considerarlo como único elemento de aquella. Su parte fundamental por son los álabes
  • 34.  El rodete es el único lugar de la máquina donde se produce la transformación energética fundamental de la máquina, es decir donde la energía hidráulica se convierte en mecánica, o a la inversa.
  • 35. Cubo LlantaConductos por donde discurre el flujo Álabes
  • 36.  Turbomáquinas axiales: la trayectoria del fluido es fundamentalmente paralelo al eje de rotación. Trabajan con caudales grandes y alturas pequeñas (gran relación caudal / altura)
  • 37. La trayectoria que sigue el fluido es principalmentenormal al eje de rotación. Trabajan con caudalesrelativamente pequeños y alturas relativamentegrandes,(relación caudal / altura reducida)
  • 38.  Flujo diagonal al eje de rotación. Trabajan con relaciones caudal/ altura intermedias
  • 39. Altura neta (Hn).Es la energía, lógicamente hidráulica, puesta a disposición de la turbina. Es frecuente denominar a la altura salto Altura efectiva (He)Es la energía mecánica obtenida por la turbina, se denomina también altura útil (Hu). Altura Real (Hr) Es la energía mecánica recibida por el generador eléctrico.
  • 40. Caudal útil(Qu) es aquélque atraviesa el rodete. Caudal total o turbinable (Qt) es el caudal que recibe laCaudal perdido turbina.(Qp) es aquella parte del caudal total que no atraviesa el Qt = Qu + Qp rodete.
  • 41. Potencia neta (Pn)Potencia hidráulica puesta a la disposición de la turbina. Pn= ρ g Qt Hn Potencia efectiva (Pe) Potencia mecánica producida por la turbina también se denomina útil. Pe = ρ g Qu He Potencia real (Pr)Potencia mecánica recibida por el generador. También se denomina potencia al freno o al eje. Pr = ρ g Qu Hr
  • 42. Pérdidas hidráulicas o manométricas (hfh o hfm).Pérdidas de energía producidas al atravesar el fluido la turbina por rozamiento y cambios de sección y dirección en los conductos. Pérdidas orgánicas o mecánicas (hfo). Son las pérdidas mecánicas existentes en los elementos mecánicos de la máquina. Pérdidas volumétricas (Qp). Se trata del caudal perdido y no aprovechado.
  • 43. Rendimiento manométrico o hidráulico (ηm o ηm).Evalúa el comportamiento hidráulico de la turbina. ηm = He/Hn Rendimiento orgánico o mecánico (ηo).Evalúa el comportamiento mecánico de la turbina. ηo = Hr/He
  • 44. Rendimiento volumétrico (ηv). Contempla las pérdidas volumétricas. ηv= Qu/Qt Rendimiento global (ηg).Es el producto de los tres rendimientos anteriores. ηg = ηm η o ηv
  • 45.  Una central hidroeléctrica es aquella que utiliza energía hidráulica para la generación de energía eléctrica.
  • 46. La energía hidráulica que posee el agua en sus cursosnaturales, las turbinas hidráulicas la transforman enenergía mecánica y los generadores, por último, enenergía eléctrica.
  • 47. La naturaleza presenta magníficos saltosnaturales, que con ligeras transformaciones y singrandes costos, pueden aprovecharse para construiruna central hidroeléctrica.
  • 48.  Elevando la cota natural del agua mediante una presa dispuesta en el cauce natural Por medio de la derivación del cauce natural del río por un canal de menor pendiente que aquel, hasta obtener entre ambos la diferencia de niveles que se crea conveniente.
  • 49.  Se encarga de atajar el río y remansar las aguas. Se logra un determinado nivel del agua antes de la contención, y otro nivel diferente después de la misma.
  • 50.  Se utiliza para llevar el agua desde la presa hasta las turbinas de la central. En muchos casos se evita el canal y se aplica directamente las tuberías forzadas a las tomas de agua.
  • 51. DEPÓSITO DE CARGA El depósito de carga regula el caudal a tiempo corto, para responder a las variaciones de las necesidades de agua de las turbinas TUBERÍA FORZADAEn la tubería forzada se produce la transformación de energía hidráulica de posición enenergía hidráulica de velocidad y presión, fundamentalmente esta última.
  • 52.  En la sala de máquinas la energía hidráulica de velocidad y presión se transformará sucesivamente en energía mecánica en las turbinas hidráulicas y en eléctrica en los generadores eléctricos. CANAL DE DESAGÜE El canal de desagüe devuelve el agua al río. También puede aprovecharse simultáneamente un río con sus afluentes e incluso ríos distintos.
  • 53. Por la forma de utilizar el agua del río De aguaDe agua fluyente embalsada El proviene de grandesNo cuentan prácticamente lagos, o pantanos con reserva de agua, artificiales, conocidos como oscilando el caudal embalses, conseguidos suministrado según las mediante la construcción estaciones del año. de presas.
  • 54. De agua embalsada De regulación De bombeo Son centrales con posibilidad dealmacenar volúmenes de agua en Centrales que acumulan el embalse, que representan mediante bombeo, es decir se períodos mas o menos pueden comparar a los prolongados, de aportes acumuladores de energía potencial de caudales medios anuales.
  • 55. De alta • El valor del salto hidráulico es superior a los 200 m, siendo los caudales relativamente pequeñospresión ≅ 20 m 3/s. Están en zonas altas de montaña.De media • Las que disponen de saltos hidráulicos entre 200 y 20 m, desaguando caudales de hasta 200 m 3/s. presión Dependen de embalses relativamente grandesDe baja • Asentadas en valles amplios de baja montaña. El salto es inferior a 20 m y los caudales puedenpresión superar los 300 m3/s.
  • 56. Energía eléctrica, que apoya el desarrollo económico ymejorar la calidad de la vida en el área servida.Requiere mucha mano de obra y ofrecenoportunidades de empleo.Los caminos y otras infraestructuras pueden dar a lospobladores mayor acceso a los mercados, escuelas,cuidado de salud y otros servicios sociales.
  • 57. Proporciona una alternativa para la quema de los combustiblesfósiles, o la energía nuclear, que permite satisfacer la demandade energía sin producir agua caliente, emisionesatmosféricas, ceniza, desechos radioactivos ni emisiones deCO2.Si el reservorio es una instalación de usos múltiples, los otrosbeneficios pueden incluir el control de las inundaciones y laprovisión de un suministro de agua más confiable y de más altacalidad para riego, y uso doméstico e industrialPueden crear pesca en el reservorio y posibilidades paraproducción agrícola en el área del reservorio que pueden másque compensar las pérdidas sufridas por estos sectores debidoa su construcción.
  • 58. Los costos de capital por kilovatioinstalado son con frecuencia muy altos.La construcción lleva, por lo común,largo tiempo en comparación con la delas centrales termoeléctricasLa disponibilidad de energía puedefluctuar de estación en estación y de añoen año.
  • 59. Instalación empleada para la generación de energía eléctrica a partir de laenergía liberada en forma de calor, normalmente mediante la combustión decombustibles fósiles (petróleo, gas natural, carbón). Este calor es empleado porun ciclo termodinámico convencional para mover un alternador y producirenergía eléctrica. Libera dióxido de carbono.
  • 60.  Emplean la combustión del carbón, petróleo (aceite) o gas natural para generar la energía eléctrica. Son consideradas las centrales más económicas y rentables, por lo que su utilización está muy extendida en el mundo económicamente avanzado y en el mundo en vías de desarrollo, a pesar de que estén siendo criticadas debido a su elevado impacto medioambiental.
  • 61.  Las calderas tienen quemadores adecuados para el tipo de combustible que usan y una cámara de combustión rodeada de un tubo muy largo que da muchas vueltas en la caldera para que el agua se sobrecaliente, y por lo tanto y de unas temperaturas que oscilan entre los 300 y 400 grados centígrados.
  • 62.  Son la parte más importante de la central ya que son las encargadas de mover el generador para producir la electricidad. Están diseñadas para soportar una temperatura de unos 600º C y una presión de unos 350 bares.
  • 63.  Es el encargado de condensar el vapor que se encarga de mover la turbina para que pueda volver a ser utilizado
  • 64.  Se encargan de mantener baja la temperatura del condensador, garantizando el correcto funcionamiento de la central. El agua que refrigera el condensador es enfriada en las torres de enfriamiento al entrar en contacto con el aire frío que circula a través de ellas.
  • 65.  Las altas chimeneas que se encuentran en la caldera se encargan de expulsar a la atmósfera los gases producidos durante la combustión. Posen filtros que evitan que las cenizas salgan directamente a la atmósfera. Además tienen una gran altura para evitar contaminar las zonas de los alrededores a la central.
  • 66.  Es el encargado de producir la electricidad. OTRAS PARTES DE LA CENTRAL TÉRMICA Son todas las tuberías y bombas que transportan todo el agua a través de toda la central y los potentes ventiladores que introducen aire en la caldera para facilitar la combustión.
  • 67.  Es aquella donde se genera electricidad mediante la utilización conjunta de dos máquinas generadoras: a) Un turbogrupo de gas b) Un turbogrupo de vapor
  • 68. Cada una de estas turbinas está acoplada a su correspondiente alternadorpara generar energía eléctrica.Normalmente durante el proceso de partida de estas centrales solo funcionala turbina de gas; a este modo de operación se lo llama ciclo abierto.Consiguen rendimientos muy superiores, del orden del 55%.
  • 69.  La emisión de residuos a la atmósfera y los propios procesos de combustión que se producen en las centrales térmicas tienen una incidencia importante sobre el medio ambiente. El problema de la contaminación es máximo en el caso de las centrales termoeléctricas convencionales que utilizan como combustible carbón. Además, la combustión del carbón tiene como consecuencia la emisión de partículas y ácidos de azufre que contaminan en gran medida la atmosfera.
  • 70.  En las de fueloil los niveles de emisión de estos contaminantes son menores, aunque ha de tenerse en cuenta la emisión de óxidos de azufre y hollines ácidos, prácticamente nulos en las plantas de gas. Las centrales de gas natural pueden funcionar con el llamado ciclo combinado, que permite rendimientos mayores (de hasta un poco más del 50%), lo que todavía haría las centrales que funcionan con este combustible menos contaminantes.
  • 71. Son las centrales más baratas deconstruir), especialmente las de carbón, debido a lasimplicidad de construcción y la energía generada deforma masiva.Producen mucha energía.Las cenizas producidas se pueden utilizar para laconstrucción.
  • 72. El uso de combustibles fósiles genera emisiones degases de efecto invernadero y de lluvia ácida a laatmósfera, junto a partículas volantes que puedencontener metales pesados.Al ser los combustibles fósiles una fuente de energíafinita, su uso está limitado a la duración de las reservasy/o su rentabilidad económica.Afectan negativamente a los ecosistemas fluvialesdebido a los vertidos de agua caliente en estos.• Sus emisiones térmicas y de vapor pueden alterar el microclima local.