Calidad y Eficiencia Pelton

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en este documento se describe el funcionamiento profundo de las turbinas peltom

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Jet calidad y eficiencia Pelton

T. Staubli, A. Abgottspon, P. Weibel C. Bissel, E. Parkinson

Hochschule Luzern - Technik y Architektur ANDRITZ HydroTechnikumstrasse 21 Rue des deux Gares 6

CH-6048 Horw CH-1800 Vevey

J. Leduc, F. Leboeuf

Laboratoire de Mchanique des fluides et d'acoustiqueEcole Centrale de Lyon36 avenue Guy-de-Collongue

P.-69134 cully

abstracto

El documento ofrece una breve descripcin de los contenidos y objetivos de un proyecto de investigacin sobre chorros de turbinas Pelton realizadas por la Escuela Superior de Lucerna y la Ecole Centrale de Lyon en colaboracin con ANDRITZ Hydro. Efectos gov-sejo de la calidad de los chorros de agua en las plantas Pelton se discuten, tales como: la dispersin de chorro, que se define por el wid-forta- del chorro con la distancia desde la boquilla e incluye la mezcla de agua del aire en la superficie del chorro, el chorro de-desviacin, que se define por la desviacin de la lnea central chorros desde el eje terico, la deformacin se describe por la falta de redondez del chorro, la rotacin del chorro, el nivel de turbulencia, flujos secundarios que conducen a rayas en el chorro, el aire atrapado burbujas provocando expansiones repentinos en la superficie de chorro y, finalmente, gotitas o salpicaduras wa-ter incide sobre el chorro libre en la carcasa de la turbina.

Con estudios de caso de las plantas de energa el potencial de mejora de la eficiencia se seal. La combinacin de la medicin de la eficiencia termodinmica, la visualizacin de flujo y simulaciones CFD permitido en los casos investigados buena interpretacin. Las imgenes tomadas del chorro en las plantas de energa permite la evaluacin cuantitativa del dimetro del chorro y su dispersin y, finalmente, la desviacin. Una relacin clara del aumento de la dispersin de chorro y la eficiencia de-arrugada se pudo encontrar. Adems, se encontr una correlacin directa de curvas aguas arriba y la dispersin de chorro. Este efecto es inducida por flujos secundarios.

1. Importancia de la calidad del jet de turbinas Pelton

Turbinas Pelton pertenecen a la clase de las turbinas de accin. La energa cintica del chorro se reduce a un mnimo cuando pasa a travs de los cubos del corredor. Esta desaceleracin se produce dentro de una corta distancia dentro de los cubos. Las presiones necesarias para la desaceleracin en coche el corredor y efecto la par del eje para el funcionamiento de la turbina. El orden de magnitud de la desaceleracin puede ser tpicamente de 10 000 m / s2 o 1.000 veces la aceleracin debida a la gravedad.

La larga experiencia en el desarrollo de turbinas Pelton condujo a una optimizacin de este proceso y la mxima efi - CIES cerca de 92% y en condiciones favorables, incluso mayores eficiencias se alcanzan. Condicin necesaria para este tipo de eficiencias altas es un chorro de alta calidad que incide sobre los cubos Pelton. La calidad de chorro se puede describir con la uniformidad de la distribucin de velocidad en el chorro, la ausencia de flujos secundarios y la compacidad del chorro. Villacorta [1] fue el primero en medir distribuciones de velocidad dentro de la nave y para investigar el chorro de dis-dispersin con los experimentos de laboratorio y pruebas de campo. Recientemente distribuciones de presin dentro de los cubos se ana-lyzed por Perrig [2]

Parque de maquinaria hidrulica de Suiza abarca ms de 196 turbinas Pelton con poder de ms de 5 MW instalados en un total de 107 centrales hidroelctricas. Alrededor del 70 por ciento de energa hidroelctrica generada en plantas con capacidad de almacenamiento se produce con turbinas Pelton, mquinas que tambin son especialmente adecuados para el pico de potencia gen-racin (regulacin de la red). Con respecto a la generacin hidroelctrica total de en turbinas Pelton Suiza tener un porcentaje de aproximadamente el 40 por ciento.

92 de las 107 plantas de energa suiza Pelton hidroelctricas fueron construidas antes de 1970. Muchos de ellos lo hicieron someterse a una restaur c-renova- mientras tanto - en su mayora nico corredor y el sistema de control de repuesto. Con el fin de minimizar el invertir - Ment costos, carcasas y los inyectores de las turbinas no son por lo general sustituye. Por lo tanto, se puede afirmar que en la mayora de las plantas, la calidad de chorro corresponde al estado de la tcnica en el diseo Pelton, antes de Villacorta [1] escribi su tesis en 1972.

Antes de iniciar el proyecto, que se describe a continuacin, fuertes indicios se encontr que en un gran nmero de plantas Pelton, las ganancias de eficiencia en el orden de 0,5 a 1 por ciento podran lograrse mediante la mejora de la calidad de chorro como se describe en el caso estudios de Staubli [3, 4] y Peron [5].

El estado del arte de los procedimientos actuales para los proyectos de rehabilitacin Pelton centradas no slo en el corredor y un sistema de control, sino tambin en la calidad del chorro es descrita por Parkinson [6]2. El proyecto y sus temas

Con el fin de consolidar el conocimiento existente sobre las propiedades de chorro, para adquirir nuevos conocimientos y para encontrar formas de predecir la calidad de los aviones, un proyecto de investigacin fue iniciada por ANDRITZ Hydro, en colaboracin con la Escuela Superior de Lucerna, Suiza, y la Ecole Centrale de Lyon, Francia. La financiacin externa de las ac-actividades de investigacin fue proporcionado por Swisselectric-Investigacin.

El proyecto abarca los paquetes de trabajo con las pruebas de campo, mediciones de laboratorio, CFD y estudios tericos. El marco terico mostr ser bastante complejo, ya que no slo Froude, Weber y Reynolds nm-bros locales tienen influencia sobre las propiedades de chorro, sino tambin de toda la historia de flujo ascendente. En el flujo de aguas arriba, flujo de segunda dary debido a curvas, bifurcaciones y elementos dentro del flujo (por ejemplo servomotores internos o externos para el funcionamiento de la aguja dentro del inyector) apenas decae debido al alto nmero de Reynolds generalmente ocurren en las centrales hidroelctricas. Estos flujos secundarios influyen en la topologa de la jet y conducen a la deformacin (superficie),-cin Devia (eje del chorro) y la rotacin de las deformaciones del jet. Flujo secundaria tambin causa un aumento de la dispersin del dimetro del chorro. Las ms cercanas son los elementos a la salida de la boquilla, por ejemplo, la aguja y la boca pieza, la ms importante es su influencia en el desarrollo de chorro se convierte. Viejos diseos de inyectores a menudo muestran ngulos ag y la pieza boca ms pequeos en comparacin con los diseos ms recientes, un indicador de que la calidad de chorro podra no ser ptima.La dinmica de fluidos computacional (CFD) muestra ser una herramienta valiosa para la prediccin de las perturbaciones del flujo y de segunda - fluye dary. Con los modelos de superficie libre incluso desviaciones a reaccin y deformaciones de la superficie se pueden predecir. Durante el proyecto, una serie de plantas de energa fueron analizados mediante simulacin CFD.

Inestabilidad aguas arriba del flujo refleja en la superficie del chorro. Tal inestabilidad puede ser de naturaleza estocstica, por ejemplo, debido a la turbulencia del flujo generado en la tubera de carga o debido a fenmenos deterministas como propagaciones de ondas de presin o formaciones de vrtices peridicos en cavidades, bifurcaciones o estructuras de soporte (vrtices de Karman).

Figura 1: Definicin de dispersin y desviacin

La dispersin de chorro se define por el incremento del dimetro de chorro con la distancia desde la boquilla. Incluido en la definicin del dimetro del chorro es la mezcla de agua del aire que rodea el ncleo del chorro. La desviacin se define por la diferencia de la lnea central de chorro desde el eje terico.Una vez que el chorro ha salido de la boquilla, ms efectos pueden influir negativamente en el chorro y su dispersin, tales como: las gotas de agua o ventilados centrifugadas a partir de los recortes de cubo, las salpicaduras de agua se desve dentro de la carcasa o de deflectores en el chorro. Tambin se puede producir interferencias con otros aviones o inyectores. Por otra parte, las burbujas de aire a alta presin con el tiempo pueden encerrar en el agua en sentido contrario. Cuando la expansin despus de la salida de la boquilla que esto dar lugar a una especie de explosiones observadas en la superficie del chorro. Durante el proceso de arranque de las turbinas Pelton tales encerrados aire y las explosiones resultantes son bastante comunes. El efecto de una mayor cantidad de aire se puede escuchar fcilmente fuera de la caja durante la creacin de empresas. Durante el funcionamiento normal este ruido desaparece.

3. Las plantas Pelton investigadosEn las plantas de energa de Suiza figuran en el cuadro 1, se realizaron mediciones de la eficiencia termodinmica y visualizaciones de chorro durante el proyecto. La dispersin de chorro y la desviacin podran determinarse cuantitativamente a partir de la visualizacin en la mayora de los casos. Se observ clara correlacin entre la eficiencia de la turbina y la calidad del chorro.

DIAMETRO DEL CHORRO

HIDROELECTRICATIPOPOTENCAIDESCARGAALTURA (at

(HPP)nominal and 100%

needle openings)

[MW][m3/s][m][mm]

Sedruntwin horizontal turbines,51.610.1588182

2-nozzles each

Rabiusa-Realtahorizontal,133498147

2-nozzles

Soazzahorizontal,407704195

2-nozzles

Table 1: Main data of the investigated power plants

Tabla 1: Principales datos de las centrales investigados

La instalacin de equipos para la visualizacin prototipo es delicada ya que la mejor posicionamiento de la cmara y la instrumentacin iluminacin no se puede encontrar en la base de ensayo y error sino que debe basarse en la experiencia debido a la