Una turbina hidráulica es una máquina que convierte la energía potencial del agua en energía mecánica. Al usar esta máquina para accionar un generador, la energía del agua se puede convertir en
Electricidad. Este es el grupo electrógeno hidroeléctrico.
Las turbinas hidráulicas modernas se pueden dividir en dos categorías según el principio de flujo del agua y las características estructurales.
Otro tipo de turbina que utiliza tanto la energía cinética como la energía potencial del agua se denomina turbina de impacto.
Contraataque
El agua extraída del embalse aguas arriba fluye primero hacia la cámara de desviación de agua (voluta) y luego fluye hacia el canal curvo del álabe del rotor a través del álabe guía.
El flujo de agua produce una fuerza de reacción sobre las palas, lo que hace girar el impulsor. En ese momento, la energía del agua se convierte en energía mecánica, y el agua que sale del rotor se descarga a través del tubo de aspiración.
Río abajo.
La turbina de impacto incluye principalmente flujo Francis, flujo oblicuo y flujo axial. La principal diferencia radica en la estructura del rotor.
(1) El riel Francis generalmente se compone de 12 a 20 aspas retorcidas aerodinámicas y componentes principales como la corona de la rueda y el anillo inferior.
Este tipo de turbina, con entrada de agua y salida axial, tiene una amplia gama de alturas de agua aplicables, un volumen pequeño y un bajo costo, y se utiliza ampliamente en zonas con altas alturas de agua.
El flujo axial se divide en tipo hélice y tipo rotatorio. El primero tiene una pala fija, mientras que el segundo tiene una pala giratoria. El rodete de flujo axial generalmente se compone de 3 a 8 palas, cuerpo del rodete, cono de drenaje y otros componentes principales. La capacidad de paso de agua de este tipo de turbina es mayor que la del flujo Francis. Para la turbina de paletas, debido a que la pala puede cambiar su posición con la carga, tiene una alta eficiencia en el rango de grandes cambios de carga. El rendimiento anticavitación y la resistencia de la turbina son peores que los de la turbina de flujo mixto, y la estructura también es más compleja. Generalmente, es adecuada para el rango de altura de agua baja y media de 10.
(2) La función de la cámara de desviación de agua es hacer que el agua fluya uniformemente hacia el mecanismo de guía de agua, reducir la pérdida de energía del mecanismo de guía de agua y mejorar la rueda de agua.
eficiencia de la máquina. Para turbinas grandes y medianas con una altura de columna de agua superior, se suele utilizar una voluta metálica de sección circular.
(3) El mecanismo de guía de agua generalmente está dispuesto de manera uniforme alrededor del rodete, con un cierto número de paletas guía aerodinámicas y sus mecanismos de rotación, etc.
La función de la composición es guiar el flujo de agua hacia el rotor de manera uniforme y, ajustando la apertura de la paleta guía, cambiar el desbordamiento de la turbina para adaptarlo a las necesidades.
Los requisitos de ajuste y cambio de carga del generador también pueden desempeñar la función de estanqueidad del agua cuando todos ellos están cerrados.
(4) Tubo de aspiración: Dado que parte de la energía restante en el flujo de agua a la salida del rodete no se utiliza, la función del tubo de aspiración es recuperar la
Parte de la energía y drena el agua aguas abajo. Las turbinas pequeñas generalmente usan tubos de tiro de cono recto, que tienen alta eficiencia, pero las turbinas grandes y medianas son
Las tuberías de agua no se pueden excavar a mucha profundidad, por lo que se utilizan tuberías de tiro con codos.
Además, la turbina de impacto incluye turbinas tubulares, turbinas de flujo oblicuo, turbinas de bomba reversibles, etc.
Turbina de impacto:
Este tipo de turbina utiliza la fuerza de impacto del flujo de agua a alta velocidad para hacerla girar, y el tipo más común es el de tipo áncora.
Las turbinas de cangilones se utilizan generalmente en las centrales hidroeléctricas de gran altura mencionadas anteriormente. Sus componentes principales incluyen acueductos, boquillas y aspersores.
Las turbinas de agujas, las ruedas hidráulicas y las volutas, etc., están equipadas con numerosos cubos de agua sólidos en forma de cuchara en el borde exterior de la rueda hidráulica. La eficiencia de esta turbina varía con la carga.
El cambio es pequeño, pero la capacidad de paso de agua está limitada por la boquilla, que es mucho menor que el flujo axial radial. Para mejorar la capacidad de paso de agua, aumente la salida y
Para mejorar la eficiencia, la turbina de cubos de agua a gran escala se ha modificado, pasando de un eje horizontal a un eje vertical, y se ha evolucionado de una sola boquilla a una de múltiples boquillas.
3. Introducción a la estructura de la turbina de reacción
La parte enterrada, que incluye la voluta, el anillo del asiento, el tubo de aspiración, etc., está enterrada en la base de hormigón. Forma parte de los sistemas de desviación y desbordamiento de agua de la unidad.
Voluta
La voluta se divide en voluta de hormigón y voluta metálica. Las unidades con una altura de caída de agua inferior a 40 metros suelen utilizar volutas de hormigón. Para turbinas con una altura de caída de agua superior a 40 metros, se suelen utilizar volutas metálicas debido a la necesidad de mayor resistencia. La voluta metálica presenta las ventajas de una alta resistencia, un procesamiento sencillo, una construcción civil simple y una fácil conexión con la tubería forzada de derivación de agua de la central eléctrica.
Existen dos tipos de volutas metálicas: soldadas y fundidas.
Para turbinas de impacto de tamaño mediano y grande con una altura de caída de agua de entre 40 y 200 metros, se suelen utilizar volutas soldadas de chapa de acero. Para facilitar la soldadura, la voluta se divide a menudo en varias secciones cónicas circulares. La sección final, al reducirse su tamaño, adquiere forma ovalada para soldarla con el anillo de asiento. Cada segmento cónico se forma mediante laminación con una máquina laminadora de chapa.
En las turbinas Francis pequeñas, se suelen utilizar volutas de hierro fundido que se funden en una sola pieza. Para turbinas de gran altura de caída y gran capacidad, se suele utilizar una voluta de acero fundido, en la que la voluta y el anillo de asiento se funden en una sola pieza.
La parte inferior de la voluta está equipada con una válvula de drenaje para evacuar el agua acumulada durante el mantenimiento.
Anillo de asiento
El anillo de asiento es la parte fundamental de la turbina de impacto. Además de soportar la presión del agua, también soporta el peso de toda la unidad y del hormigón de la sección de la unidad, por lo que requiere suficiente resistencia y rigidez. El mecanismo básico del anillo de asiento consta de un anillo superior, un anillo inferior y una aleta guía fija. La aleta guía fija sirve de soporte al anillo de asiento, transmite la carga axial y actúa como superficie de flujo. Asimismo, es una pieza de referencia fundamental en el montaje de los componentes principales de la turbina y es una de las primeras piezas en instalarse. Por lo tanto, debe tener suficiente resistencia y rigidez, además de un buen rendimiento hidráulico.
El anillo del asiento es a la vez una pieza de soporte de carga y una pieza de paso, por lo que la superficie de paso tiene una forma aerodinámica para garantizar una mínima pérdida hidráulica.
El anillo de asiento generalmente presenta tres formas estructurales: de pilar único, semiintegral e integral. En las turbinas Francis, se suele utilizar un anillo de asiento de estructura integral.
Tubo de tiro y anillo de cimentación
El tubo de aspiración forma parte del conducto de flujo de la turbina y puede ser recto, cónico o curvo. Generalmente, se utiliza un tubo de aspiración curvo en turbinas de tamaño grande y mediano. El anillo de cimentación es la pieza fundamental que conecta el anillo de asiento de la turbina Francis con la sección de entrada del tubo de aspiración y está empotrado en el hormigón. El anillo inferior del rodete gira dentro de este anillo.
Estructura de guía de agua
La función del mecanismo de guía de agua de la turbina hidráulica es formar y cambiar el volumen de circulación del flujo de agua que ingresa al rotor. Se adopta un control rotativo de paletas multiguía de buen rendimiento para asegurar que el flujo de agua ingrese uniformemente a lo largo de la circunferencia con una pequeña pérdida de energía bajo diferentes caudales. Asegura que la turbina tenga buenas características hidráulicas, ajusta el flujo para cambiar la salida de la unidad, sella el flujo de agua y detiene la rotación de la unidad durante la parada normal y accidental. Los mecanismos de guía de agua de gran y mediano tamaño se pueden dividir en cilíndricos, cónicos (turbinas de tipo bulbo y de flujo oblicuo) y radiales (turbinas de penetración total) según la posición del eje de las paletas guía. El mecanismo de guía de agua se compone principalmente de paletas guía, mecanismos de operación de paletas guía, componentes anulares, manguitos de eje, sellos y otros componentes.
Estructura del dispositivo de paletas guía.
Los componentes anulares del mecanismo de guiado de agua incluyen un anillo inferior, una tapa superior, una tapa de soporte, un anillo de control, un soporte de cojinete, un soporte de cojinete de empuje, etc. Estos componentes están sometidos a fuerzas complejas y requieren una fabricación muy exigente.
Anillo inferior
El anillo inferior es una pieza anular plana fijada al anillo del asiento, la mayoría de las cuales son de construcción fundida y soldada. Debido a las limitaciones de las condiciones de transporte en unidades grandes, puede dividirse en dos mitades o una combinación de más pétalos. Para centrales eléctricas con desgaste por sedimentos, se toman ciertas medidas antidesgaste en la superficie del flujo. Actualmente, las placas antidesgaste se instalan principalmente en las caras de los extremos, y la mayoría de ellas utilizan acero inoxidable 0Cr13Ni5Mn. Si el anillo inferior y las caras de los extremos superior e inferior del álabe guía están sellados con goma, debe haber una ranura de cola o una ranura de sellado de goma tipo placa de presión en el anillo inferior. Nuestra fábrica utiliza principalmente placas de sellado de latón. El orificio del eje del álabe guía en el anillo inferior debe ser concéntrico con la tapa superior. La tapa superior y el anillo inferior a menudo se utilizan para el mismo mandrinado en unidades medianas y pequeñas. Las unidades grandes ahora se mandrinan directamente con una máquina mandrinadora CNC en nuestra fábrica.
Bucle de control
El anillo de control es una pieza anular que transmite la fuerza del relé y hace girar la paleta guía a través del mecanismo de transmisión.
Paleta guía
Actualmente, los álabes directores suelen tener dos formas estándar: simétrica y asimétrica. Los álabes directores simétricos se utilizan generalmente en turbinas de flujo axial de alta velocidad específica con ángulo de envoltura de la voluta incompleto; los álabes directores asimétricos se utilizan generalmente en volutas con ángulo de envoltura completo y funcionan con turbinas de flujo axial de baja velocidad específica con una gran apertura, así como en turbinas Francis de alta y media velocidad específica. Los álabes directores (cilíndricos) se funden generalmente en una sola pieza, y también se utilizan estructuras fundidas y soldadas en unidades de gran tamaño.
La paleta guía es una parte importante del mecanismo de guía de agua, que desempeña un papel clave en la formación y modificación del volumen de circulación de agua que ingresa al rodete. La paleta guía se divide en dos partes: el cuerpo de la paleta guía y el diámetro del eje de la paleta guía. Generalmente, se utiliza fundición completa, y las unidades de gran tamaño también utilizan soldadura de fundición. Los materiales suelen ser ZG30 y ZG20MnSi. Para garantizar la rotación flexible de la paleta guía, los ejes superior, medio e inferior de la paleta guía deben ser concéntricos, la oscilación radial no debe ser mayor que la mitad de la tolerancia del diámetro del eje central, y el error admisible de la cara final de la paleta guía con respecto a la perpendicularidad al eje no debe exceder 0,15/1000. El perfil de la superficie de flujo de la paleta guía afecta directamente al volumen de circulación de agua que ingresa al rodete. La cabeza y la cola de la paleta guía generalmente están hechas de acero inoxidable para mejorar la resistencia a la cavitación.
Manguito de paleta guía y dispositivo de empuje de paleta guía
El manguito del álabe guía es un componente que fija el diámetro del eje central al álabe guía, y su estructura está relacionada con el material, el sello y la altura de la tapa superior. Generalmente tiene forma de cilindro integral, y en unidades grandes, suele estar segmentado, lo que permite un ajuste muy preciso de la holgura.
El dispositivo de empuje de la paleta guía impide que esta se eleve por la presión del agua. Cuando la paleta guía supera su propio peso, se eleva, choca con la tapa superior y ejerce una fuerza sobre la biela. La placa de empuje suele ser de bronce de aluminio.
Sello de la aleta guía
La paleta guía tiene tres funciones de sellado: una es reducir la pérdida de energía, otra es reducir las fugas de aire durante la operación de modulación de fase, y la tercera es reducir la cavitación. Los sellos de la paleta guía se dividen en sellos de elevación y sellos de extremo.
En la parte media e inferior del diámetro del eje de la paleta guía hay juntas de estanqueidad. Al sellar el diámetro del eje, se garantiza un sellado hermético de la presión del agua entre el anillo de sellado y el eje de la paleta guía. Por lo tanto, la funda cuenta con orificios de drenaje. El sellado de la parte inferior del diámetro del eje tiene como función principal evitar la entrada de sedimentos y el desgaste del mismo.
Existen diversos tipos de mecanismos de transmisión de paletas guía, siendo dos de los más comunes. Uno es el de tipo horquilla, que ofrece una buena resistencia y es adecuado para unidades de tamaño grande y mediano. El otro es el de tipo asa, que se caracteriza por una estructura sencilla y es más apropiado para unidades de tamaño pequeño y mediano.
El mecanismo de transmisión con asa de oreja se compone principalmente de brazo guía, placa de conexión, chaveta dividida, pasador de seguridad, manguito del eje, tapa del extremo, asa de oreja, pasador de biela del manguito giratorio, etc. La fuerza no es buena, pero la estructura es simple, por lo que es más adecuado para unidades pequeñas y medianas.
Mecanismo de transmisión de horquilla
El mecanismo de transmisión de la horquilla se compone principalmente de brazo guía, placa de conexión, cabezal de horquilla, pasador del cabezal de horquilla, tornillo de conexión, tuerca, chaveta, pasador de seguridad, manguito del eje, tapa del extremo y anillo de compensación, etc.
El brazo y la paleta guía están conectados mediante una chaveta dividida para transmitir directamente el par de funcionamiento. El brazo cuenta con una tapa en el extremo, y la paleta guía queda suspendida de dicha tapa mediante un tornillo de ajuste. Gracias al uso de la chaveta dividida, la paleta guía se mueve verticalmente al ajustar la holgura entre las caras superior e inferior del cuerpo de la paleta guía, sin afectar la posición de las demás piezas de transmisión.
En el mecanismo de transmisión de la horquilla, el brazo de la paleta guía y la placa de conexión están equipados con pasadores de seguridad. Si las paletas guía se atascan debido a objetos extraños, la fuerza de accionamiento de las piezas de transmisión correspondientes aumentará bruscamente. Cuando la tensión se incrementa 1,5 veces, los pasadores de seguridad se romperán primero, protegiendo así las demás piezas de transmisión de posibles daños.
Además, en la conexión entre la placa de conexión o el anillo de control y el cabezal de la horquilla, para mantener el tornillo de conexión horizontal, se puede instalar un anillo de compensación para su ajuste. Las roscas en ambos extremos del tornillo de conexión son de rosca izquierda y derecha respectivamente, de modo que la longitud de la biela y la apertura de la paleta guía se pueden ajustar durante la instalación.
Pieza giratoria
La parte giratoria se compone principalmente de un rotor, un eje principal, un cojinete y un dispositivo de sellado. El rotor se ensambla y suelda mediante la corona superior, el anillo inferior y las palas. La mayoría de los ejes principales de las turbinas son de fundición. Existen diversos tipos de cojinetes guía. Según las condiciones de funcionamiento de la central eléctrica, se utilizan varios tipos de cojinetes, como los de lubricación por agua, lubricación por aceite ligero y lubricación por aceite seco. Generalmente, la central eléctrica suele utilizar cojinetes cilíndricos o de bloque con lubricación por aceite ligero.
Corredor Francis
El riel Francis consta de una corona superior, álabes y un anillo inferior. La corona superior suele estar equipada con un anillo antifugas para reducir las pérdidas de agua y un dispositivo de alivio de presión para disminuir el empuje axial del agua. El anillo inferior también está equipado con un dispositivo antifugas.
Cuchillas de rodadura axial
El álabe del rotor de flujo axial (componente principal para la conversión de energía) se compone de dos partes: el cuerpo y el pivote. Se funden por separado y, tras el procesamiento, se les añaden piezas mecánicas como tornillos y pasadores. (Generalmente, el diámetro del rotor supera los 5 metros). El material de fabricación suele ser ZG30 y ZG20MnSi. El número de álabes del rotor suele ser de 4, 5, 6 u 8.
Cuerpo de corredor
El cuerpo del rodillo está equipado con todas las palas y el mecanismo de operación. La parte superior se conecta al eje principal, y la parte inferior al cono de drenaje, que presenta una forma compleja. Generalmente, el cuerpo del rodillo está fabricado en ZG30 y ZG20MnSi. Su forma suele ser esférica para reducir la pérdida de volumen. La estructura específica del cuerpo del rodillo depende de la posición de disposición del relé y de la forma del mecanismo de operación. En su conexión con el eje principal, el tornillo de acoplamiento solo soporta la fuerza axial, mientras que el par de torsión es soportado por los pasadores cilíndricos distribuidos radialmente en la superficie de unión.
Mecanismo de funcionamiento
Mecanismo recto con bastidor de operación:
1. Cuando el ángulo de la cuchilla está en la posición central, el brazo está horizontal y la biela está vertical.
2. El brazo giratorio y la cuchilla utilizan pasadores cilíndricos para transmitir el par, y la posición radial se fija mediante el anillo de retención.
3. La biela se divide en biela interior y exterior, y la fuerza se distribuye uniformemente.
4. El bastidor de operación cuenta con una manija de oreja que facilita el ajuste durante el montaje. El extremo de la manija de oreja y el bastidor de operación están limitados por un pasador de tope para evitar que la biela se atasque al fijar la manija.
5. El bastidor de operación tiene forma de “I”. La mayoría se utilizan en unidades pequeñas y medianas con 4 a 6 cuchillas.
Mecanismo de articulación recta sin bastidor de operación: 1. Se elimina el bastidor de operación y la biela y el brazo giratorio son accionados directamente por el pistón del relé. en unidades grandes.
Mecanismo de articulación oblicua con bastidor de operación: 1. Cuando el ángulo de rotación de la pala está en la posición central, el brazo giratorio y la biela tienen un gran ángulo de inclinación. 2. Se incrementa la carrera del relé y en el corredor con más palas.
Sala de corredores
La cámara del rotor es una estructura soldada de placas de acero, y las partes centrales propensas a la cavitación están hechas de acero inoxidable para mejorar la resistencia a la cavitación. La cámara del rotor tiene la rigidez suficiente para cumplir con el requisito de holgura uniforme entre las palas del rotor y la cámara durante el funcionamiento de la unidad. Nuestra fábrica ha desarrollado un método de procesamiento completo en el proceso de fabricación: A. Procesamiento en torno vertical CNC. B. Procesamiento mediante método de perfilado. La sección cónica recta del tubo de aspiración está revestida con placas de acero, formadas en la fábrica y ensambladas en el sitio.
Fecha de publicación: 26 de septiembre de 2022
