Turbina hidraulikoen errendimendua

Turbina hidraulikoa eta sorgailu elektrikoa, mozketan ikusia. A = sorgailua; 1 = estatorea; 2 = errotorea; B = turbina; 3 = balbula erregulagarriak; 4 = turbinaren paletak; 5 = uraren fluxua; 6 = turbinaren eta sorgailuaren errotazio-ardatza

Turbina hidrauliko batek altuera aldaketa bortitza izaten duen jariakin baten energia potentziala energia errotazionala bihurtzen du, ondoren energia hau beste zereginetan erabiltzeko; elektrizitatearen sorkuntza batez ere. Jariakina edozein izan daiteke baino normalean ura izaten da. Hala izanda turbina hidraulikoek energia hidroelektrikoarekin erlazionatuak izan ohi dira.

Turbina baten errendimendua, edo eraginkortasuna, turbina horrek sortutako energiaren eta eskura dagoen energiaren arteko zatidura da.  Makina guztietan gertatzen den bezala, turbinen funtzionamenduan energia-galerak eta ezegonkortasun fenomenoak gertatzen dira, eta horiek ekipo osoaren errendimendua baldintzatzen dute.

Turbinaren galerak

' zatitan bana ditzakegu turbinaren galerak, alde batetik kanpo galerak daude, turbinaren sarbide eta irteera hodietan gertatzen direnak. Bestalde, barne galerak badaude ere, turbinaren barruan gauzatzen direnak eta lehenak baino eragin handiagoa dutenak errendimenduan. Errendimendu totala hurrengo errendimenduen arteko biderketa da:

$$\eta _{Totala}=\eta _{man}\cdot \eta _{bol}\cdot \eta _{mek}\cdot \eta _{elekt}$$

Kanpo galerak

Galera manometrikoak izan ohi dira, hau da, jariakinak hodiarekin kontaktuan egoteak sortzen duen marruskadura indarrak eta hodien pareten inperfekzioak jariakinaren energia potentziala txikiagotzen duena.

Barne galerak

Hiru talde nagusietan bana ditzakegu galerak

• Galera manometrikoak: Marruskadurek eta talkek eragindakoak, jariakinak turbinari eman ahal dion energia txikitzen du. Errendimendu manometrikoa errodeteak erabilitako energia hidraulikoa eta turbinak eskainitakoaren arteko erlazioa da. Hauek turbinaren paretetan, banagailuetan eta alabeetan ematen dira.

$$\eta _{man}={\frac {H_{EULER}}{H_{n}}}={\frac {u_{1}\cdot c_{1n}-u_{2}\cdot c_{2n}}{g\cdot H_{n}}}$$

Non:

• η_man: Errendimendu manometrikoa
• H_EULER: Eulerren altuera
• H_n :Benetazko altuera
• u eta c: Abiadura triangeluko balioak
• g: Grabitate indarra

• Galera bolumetrikoak: Ihes txikiek eragindakoak, turbinaren prestazioak murrizten dituzte, errodeteak diseinatutako kaudala baino balio txikiagoa jasotzean. Halakoak banatzailea eta errodetearen artean gertatu ohi dira. Hala definitzen da:

$$\eta _{vol}={\frac {Q-Q_{galdu}}{Q}}$$

Non:

• η_vol: Errendimendu bolumetrikoa
• Q: Emaria
• Q_Galdu : Galdutako emaria

• Galera mekanikoak: Marruskadura mekanikoaren ondoriozko galerak transmisio-organoetan, hala nola kojinete eta piboteetan ardatzera komunikatutako energia gutxitzen dute. Hau da, gurpilak energia mekaniko bihurtzen duen energia hidraulikoa ez da guztiz aprobetxagarria makinaren ardatzean (balazta-potentzia). Orduan, errendimendu mekanikoa turbinaren ardatzean entregatutako energiaren eta errodeteak xurgatutako energia hidraulikoaren arteko erlazio gisa definitzen da.

$$\eta _{mek}={\frac {H_{Ardatza}}{H_{EULER}}}$$

• η_man: Errendimendu manometrikoa
• H_Ardatza :Ardatzeko altuera
• H_EULER: Eulerren altuera

Sorgailuaren galerak

Alternadore baten eskema

Makina elektriko birakariek eskaintzen duten irteerako potentzia hornitzen zaien elikadura-potentzia baino txikiagoa da, hornitutako potentzia deritzona. Irteerako potentziaren eta emandako potentziaren arteko aldea galerak dira. Hona hemen formula:

$$P_{Hornitutakoa}-P_{Irteera}=Galerak$$

Sorgailu elektriko baten irteera-potentzia entregatzen duen potentzia elektrikoa da, hau da, potentzia erabilgarria. Hornitutako potentzia sarrera-potentzia mekanikoa da: makinak elektrizitatea sortu ahal izateko xurgatzen duen potentzia mekanikoa. Makina elektriko birakari baten barruan, hauek dira galerarik esanguratsuenak:

• Galera mekanikoak: Pieza mugikorren arteko marruskadurak eta harilkatuen barneko aireztapenak edo hozteak eragindakoak.
• Galera elektrikoak edo kobrearen galerak: Zirkuitu elektrikoan eta bere konexioetan gertatzen dira eta Joule efektuaren ondorio dira.
• Galera magnetikoak edo burdinaren galerak: Eremu magnetikoetan gertatzen diren aldaketen eta maiztasunaren araberakoak dira.

Irteerako potentziaren (potentzia erabilgarria ere esaten zaio) eta hornitutako potentziaren (potentzia osoa edo xurgatua ere esaten zaio) arteko zatidura efizientzia da.

$$\eta _{Elekt}={\frac {P_{Erabilgarria}}{P_{Totala}}}$$

Ezegonkortasun fenomenoak

Kabitazioa

Kabitazio efektuak sortutako burbuilen arrastoa

Hutseko kabitazioa edo xurgapenak efektu hidrodinamikoak dira, uraren barruan lurrun-barrunbeak sortzen direnean edo egoera likidoan dagoen beste edozein fluido sortzen denean, non presio-diferentziei erantzuten dieten indarrek eragiten duten; adibidez, fluidoa ertz zorrotz batetik abiadura handian igarotzen denean, fluidoa deskonprimitzen da Bernoulliren konstantea kontserbatzearen ondorioz. Gerta daiteke likidoaren lurrun-presiora iristea, eta, horrela, likidoa osatzen duten molekulak berehala aldatzen dira lurrun-egoerara, burbuilak edo, hobeto esanda, barrunbeak sortuz. Sortutako burbuilek presio handiagoko guneetara bidaiatzen dute eta inplosionatu egiten dute (lurruna egoera likidora itzultzen da bat-batean, burbuilak bat-batean "zanpatuz"), talkan arrakala dezakeen gainazal solidoan energia handiko gas-hilarria sortuz.

Kabitazio efektu honek ezegonkortasunak sor ditzake alabeetan, eta horren ondorioz ardatzean, turbinaren eraginkortasuna murrizten

Higadura

Higatutako Francis turbina

Higadura material baten azaleraren masa galera da, atxikiduraz, urraketaz, partikula txikien erosioz, korrosioz eta materialaren nekeaz.

Turbina hidraulikoen gainazal bustiek eromenari kalte egiteko joera ere badute, zeta, harea eta korrosioa fluxu agresiboetatik eramanez. Kalteak problematikoak dira batez ere zetaren higadura, korrosioa eta kabitazioa batera gertatzen direnean (efektu sinergikoak). Zetazko edukiera muturrekoa duten aplikazioetan diseinu hidraulikoak eraginkortasuna sakrifika dezake zilar-erosioaren immunitate partzialaren alde (gainazalak birzirkulatzea eta lingote korrikalarien lodiera, adibidez).

Altzairu orbangabea, karbonozko altzairua baino askoz erresistentzia handiagoa duena kabitazio eta erosioari, eremu sentikorretan erabiltzen da.

Bibrazioak

Ikusi daiteke nola bi uhinen arteko gehiketa (gorria eta urdina) anplitudea handitzen duen, fenomeno horri erresonantzia deritzo

Abiadura espezifikoa handitzeko, errendimendu ekonomiko handiago bat lortzeko, arazo operatiboetara eraman dezakete ihes-bibrazioak, ihes-balbulak eta banalerroak. Hauek bereziki problematikoak dira haien maiztasun behartua sistema mekaniko, hidrauliko edo elektrikoaren beste edozein lekuren berezko maiztasunarekin bat datorrenean. Gainera, neurri batean, operazio-erreakzio turbinek hodi bidezko presio-oszilazio proiektuak jasaten dituzte, eta horiek energia biraketa onartezinak eragin ditzakete. Presio baxuko eremuei edo konpresoreek elikatutako indarrei berez aitortu zaien airea eraginkorra izan daiteke karga zatien eragiketaren ondorioz oszilazioak sendatzeko.

Errendimendua neurtzeko metodoak

Sailakuntzak modeloetan

Konplexutasun handiko obra, eta oso garestia, izan daiteke frogak zuzenki turbinan egiteak, beraz konponente berrien sailkakuntzak modelo batean egiten dira. Eta ondoren antzekotasun legeak aplikatuz benetako turbinaren ezaugarriak kalkula daiteke, errendimendua barne, kurba karakteristikoak erabiltzen.

Antzekotasun legeak hondorengo hauek dira:

• Emaria proportzionalki txikitzen da ardatzaren errotazio abiadura txikitzean.

Turbina baten modeloa

$${\frac {Q_{1}}{Q_{2}}}={\frac {N_{1}}{N_{2}}}$$

• Igotzeko altuera ardatzaren biraketa-abiaduraren karratuarekiko proportzionala da.

$${\frac {H_{1}}{H_{2}}}={\frac {N_{1}^{2}}{N_{2}^{2}}}$$

• Potentzia ardatzaren biraketa-abiaduraren kuboarekiko proportzionala da.

$${\frac {P_{1}}{P_{2}}}={\frac {N_{1}^{3}}{N_{2}^{3}}}$$

Non:

• Q: Emaria
• H: Turbinaketa altuera
• P: Potentzia
• N: Biraketa abiadura

Sailakuntzak prototipoetan

Prototipoaren gaineko saiakuntzak eginez. Kasu honetan benetako turbina bat erabiltzen da, normalean ekoizleak egindakoa bereziki frogak egiteko esperotako emaitzak ematen dituela ziurtatzeko. Saiakuntza mota hori egiteko, arau hauetako batek ezarritako irizpideak jarraitu ohi dira:

• IEC 60041 Field acceptance tests to determinar the hydraulic performance of hydraulic turbines, storage pumps and pump turbines.
• ASME PTC 18 Hydraulic turbines. Codes testaren performancea.

Errendimentuaren garrantzia

Turbina hidrauliko baten instalazioa

Turbina hidrauliko baten errendimenduaren ezaguera oso garrantzitsua da bi arrazoi nagusiengatik.

Alde batetik, arlo ekonomikoa dago, turbina talde bat edo gehiago dituen zentral hidroelektriko baten errendimendua ezagutzeak hura hobeto ustiatzea dakar, eskura dagoen uraren aprobetxamendua optimizatuz.

Bestetik, turbinaren funtzionamendua egokia dela egiaztatzeko, adibidez ziurtatuz ekoizleak eskainitako kontratu-bermeak betetzen direla, eta bermatutako potentzia errendimendua zigortu gabe lortzen dela, hau da, zehaztutakoa baino handiagoa ez den emari turbinatu baten bidez. Handiagoa izatekotan instalazioaren optimizazioa baloratu dezakegu tamaina handiagoko turbina bat ipiniz. Hala ere, turbinaren piezaren bat aldatzen denean errendimenduan izandako aldaketak baloratzea. Aurretik adierazitako kabitazio, bibrazio eta erosioaren efektuak kontrolatzea. Hala nola turbinatutako jariakin bolumena, konprobatzeko sarrera eta irteerako emarien artean desberdintasunik dagoen.

Aurreko atalean izendatutako konprobaketaren bat emaitza ez egokia izatekotan hura zuzentzeko beharrezkoak diren lanak, mantenimendu prebentiboa, egitea problema okerrera jo baino lehen. Horrela diru kantitate gutxiagoak inbertitu izan beharko dugu etorkizunean.

Kanpo estekak

• Datuak: Q109331973