TURBOMAQUINAS

UNIVERSIDAD CONTINENTAL
FACULTAD DE INGENIERÍA
Escuela Profesional de Ingeniería Mecánica
Asignatura:
TURBOMAQUINAS
TEMA 11
TURBINAS HIDRÁULICAS
Ing. Edmundo Muñico Casas
NOVIEMBRE - 2017
HUANCAYO - PERÚ
EPIM-UC 2 Edmundo Muñico Casas
CAPÍTULO V
INDICE
5.1 Definición de turbinas 3

5.2 Elementos principales de una turbina 4
5.3 Clasificación de las turbinas 5
4.2.3 Salto natural 7
4.2.4 Potencia y energía 8
4.2.5 Caudal instalado 11
4.2.6 Altura neta 13
CAPITULO V
5.1 DEFINICIÓN DE TURBINAS

Una turbina hidráulica es una turbomáquina motora que
absorbe energía del fluido y restituyen energía mecánica
bajo la dinámica de la corriente de fluido y su movimiento
rotatorio del rodete.
Una turbina está definido, según Normas Internacionales
(SI), desde el punto de entrada E (brida de entrada) y el
punto S de salida de la instalación (salida del tubo de
aspiración para turbinas a reacción y salida del álabe
para turbinas de acción), como podemos observar en la
figura 5.1. Esta apreciación debe tomarse en cuenta para
todas las turbinas, tales como Fráncis, Pelton, Hélice,
Dériz y Kaplan
Fig. 5.1 Sistema de instalación de una turbina a reacción.

5.2 ELEMENTOS CONSTITUTIVOS

A) LA CARCASA O CAJA ESPIRAL
Es el elemento protector del distribuidor y rodete,
tiene la función de transformar parte de la energía de
presión en energía cinética debido a su forma de
tobera (turbinas de admisión total). Para turbinas de
admisión parcial solo de protección.
5.2 Componentes principales de una turbina hidráulica.
B) DISTRIBUIDOR
Es un órgano fijo cuya misión es dirigir el agua, desde
la sección de entrada de la máquina hacia la entrada
en el rodete, distribuyéndola alrededor del mismo
(turbinas de admisión total), o a una parte, (turbinas
de admisión parcial), es decir es un elemento
regulador del caudal. Es también un órgano que
transforma la energía de presión en energía cinética.
C) RODETE.
Es el elemento esencial de la turbina, estando
provisto de álabes en los que tiene lugar el
intercambio de energía entre el fluido y los álabes de
la máquina.
D) TUBO DIFUSOR
Es un órgano de desagüe como parte de la turbina y
tiene la forma de un difusor (solo en turbinas de
admisión total). En turbinas de acción no existe este
elemento.
5.3 CLASIFICACIÓN DE LAS TURBINAS
A) SEGÚN EL GRADO DE RACCIÓN.
a) Turbinas de acción o impulsión
Es cuando su grado de reacción es igual cero, es
decir la variación de presión es nula.
Son aquellas en donde el agua sale del
distribuidor a la presión atmosférica y llega al
rodete con la misma presión, por tanto la
transformación energética entre el fluido y el
rodete se realiza a presión atmosférica. También
se le conoce como turbinas de admisión parcial.
b) Turbinas de reacción o sobrepresión
Es cuando su grado de reacción es diferente de
cero, es decir que la presión manométrica varía en
el rodete. Son aquellas en donde el agua sale del

distribuidor con una cierta presión que va
disminuyendo a medida que el agua atraviesa los
álabes del rodete, de forma que a la salida, la
presión puede ser nula o incluso negativa; es decir
que el agua circula a presión en el distribuidor y en
el rodete, razón por el cual se le conoce como
turbinas de admisión total.
B) SEGÚN LA DIRECCIÓN DE ENTRADA DEL
AGUA
a) Tangenciales
En estas turbinas, el agua entra lateral o
tangencialmente (Pelton) contra los álabes,
cangilones o cucharas de la rueda.
Fig. 5.3 Turbina de flujo tangencia l(Pelton).

b) Radiales
Estas turbinas pueden ser centrípetas o
centrífugas. En estas turbinas el agua traspasa el
rodete en forma radial. La turbina es centrífuga
cuando el agua fluye de dentro hacia afuera y
centrípetas cuando el agua fluye de afuera hacia
dentro (Francis).
c) Mixtas o Diagonales
Son las turbinas que tirnen una combinación de
las radiales y axiales.
d) Axiales
Son aquellas turbinas en donde el agua fluye
paralelamente al eje.
Fig. 5.4 Turbinas de flujo radial, axial y diagonal.
C) SEGÚN LA DISPOSICIÓN DEL EJE DE GIRO

a) Turbinas de eje horizontal.
b) Turbinas de eje vertical.
Fig. 5.5 Turbinas de eje horizontal y vertical.
5.4 ECUACIONES FUNDAMENTALES DE UNA

TURBOMÁQUINA MOTORA
5.4.1 ALTURA DE EULER O ALTURA ÚTIL (Ht)
Es la energía entregada por el fluido al rodete en
forma de altura y está definido por la ecuación de
Euler.
a) Primera Forma
Ecuación de Euler en expresion energética:
Yt  u1c1u  u 2 c2u (5.1)
Ecuación de Euler en términos de altura está

definido por:
U 1C1u  U 2 C 2u
Ht  (5.2)
g
b) Segunda Forma
Esta ecuación se determina del triángulo de
velocidades. Dado que son vectores, se cumple
que la velocidades relativas w y u dan como

resultado la velocidad absolutas c, tanto para la
entrada y salida.
c1u u1 c2u u2
α1 β1 α2 β2
c1m c2m
c1 w1 c2 w2
Fig.5.6 Triángulo de velocidades
Relacionando las velocidades del triángulo
mediante la ley de los cosenos y reemplazando
en la ecuación (5.2) se obtiene la segunda
forma de Euler.
 u 2  u 22 w22  w12 c12  c22 

Yt   1   
2 
(5.3)
 2 2
También, la ecuación de Euler en términos de
altura es.
 u 2  u 22 w22  w12 c12  c22 
H t   1    (5.4)
 2 g 2 g 2 g 
c) Según la ecuación de energía
También la ecuación de Euler se determina
mediante la aplicación de la primera Ley de la
Termodinámica entre el punto 1 y 2, el cual está

definido por la siguiente relación:
p1  p2 c12  c22
Yt    g ( Z1  Z 2 ) (5.5)
 2
También, esta energía en términos de altura
está definida por la siguiente expresión:
p1  p2 c12  c22
Ht    Z1  Z 2 (5.6)
g . 2g
Donde:
La altura estática o de presión es:
p1  p2 u12  u 22 w22  w12
Hp    (5.7)
g. 2g 2g
La altura dinámica es:
c12  c22
Hd  (5.8)
2g
5.4.2 GRADO DE REACCION

El grado de reacción de una turbina hidráulica se
refiere al modo como trabaja el rodete y sirve para
el diseño de los álabes, y está definido por la
relación siguiente:
Hp
Gr  (5.9)
Ht
5.4.3 COEFICIENTES ÓPTIMOS DE VELOCIDAD

Para un tipo determinado de turbina, los ensayos
efectuados en el Laboratorio sobre modelos
reducidos, permiten determinar para diferentes
valores del salto neto Hn los valores de las
velocidades mediante la determinación de los
llamados coeficientes óptimos de velocidad;
para ello, se parte de las siguientes relaciones:
u  k u 2.gH n
c  k c 2.gH n
cm  k m 2.gH n (5.10)
cu   2.gH n
Lo que equivale a definir dichas velocidades

óptimas, como fracciones de la velocidad absoluta
disponible.
5.4.4 ALTURA NETA
Es la altura puesta a disposición de la turbina,
también se puede decir que es la diferencia entre
la energía que tiene el fluido a la entrada (E) y
salida (S) de la turbina, que puesta en forma de
altura se denomina altura teórica.
a) Según la pérdidas internas
La altura neta está definido por:
H n  H t  H r int (5.11)
b) Según definición de la turbina

Las normas internacionales establece que las
turbinas están definidas desde la brida de
entrada (punto E) hasta el punto de salida del
difusor (punto S).
pE  pS V 2  VS2
Hn   ZE  ZS  E (5.12)
 .g 2g
Advertencia:
1° En toda turbina, ps/g =0 y Zs = 0 (si se toma
como plano de referencia el plano de
salida.
2° En una turbina de acción:
VS2 / 2 g  C 22 / 2 g  0
3° En toda turbina VS2 / 2 g es muy pequeña y
muchas veces puede despreciarse.

4° La presión de entrada (pE/g), se calcula
leyendo convenientemente el manómetro
instalado a la entrada de la turbina y la
energía cinética se calcula midiendo el
caudal y la sección de entrada.
c) Según la instalación de la central
La ecuación de la altura neta es:
Hn = Hb – H r-ext
5.4.5 PÉRDIDAS EN LA TURBINA
a) Pérdidas hidráulicas ( Hr-int )
Son las pérdidas que disminuyen la energía
neta de la turbina y esta comprendido desde la
entrada E hasta la salida S.
b) Pérdidas volumétricas (Q)
Son aquellas pérdidas de caudal por los
intersticios de la turbina. Estas pérdidas son:
- Pérdidas volumétricas interiores ( qi ).
- Pérdidas volumétricas exteriores ( qe ).
c) Pérdida mecánicas
Son todas las pérdidas que comprenden por
rozamiento de los elementos sólidos.
5.4.6 POTENCIAS
a) Potencia de accionamiento (Pa)
Es la potencia útil llamado también potencia al
eje o freno.
 .N .M
Pa   .M  (5.13)
30
b) Potencia Interna (Pi )
Es la potencia transmitida por el fluido.
Pi  Pa  Pmr (5.14)
c) Potencia teórica (P)

Es la potencia hidráulica que el fluido le da a la
turbina, también llamado como potencia neta y
está definido por:
P = ρ.g.Q.Hn (5.15)
5.4.7 RENDIMIENTOS
a) Rendimiento hidráulico ( h )
Ht
h  (5.16)
Hn
b) Rendimiento volumétrico (v)
Q  qe  qi
v  (5.17)
Q
c) Rendimiento interno ( i )
Tiene en cuenta todas las pérdidas internas de
la turbina.
Pi
i    h .v (5.18)
P
d) Rendimiento mecánico ( m )
Pa
m  (5.19)
Pi
e) Rendimiento total (  )
Se tiene en cuenta todas pérdidas en la
bomba.
Pa
 (5.20)
P
5.4.8 NUMERO ESPECIFICO DE REVOLUCIONES
(Ns )
N . Pa
NS  (5.21)
H 5/ 4

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5.1 Definición de turbinas 3

5.1 DEFINICIÓN DE TURBINAS

Fig. 5.1 Sistema de instalación de una turbina a reacción.

5.2 ELEMENTOS CONSTITUTIVOS

5.2 Componentes principales de una turbina hidráulica.

el rodete. Son aquellas en donde el agua sale del

Fig. 5.3 Turbina de flujo tangencia l(Pelton).

Fig. 5.4 Turbinas de flujo radial, axial y diagonal.

C) SEGÚN LA DISPOSICIÓN DEL EJE DE GIRO

Fig. 5.5 Turbinas de eje horizontal y vertical.

5.4 ECUACIONES FUNDAMENTALES DE UNA

Ecuación de Euler en términos de altura está

que la velocidades relativas w y u dan como

Fig.5.6 Triángulo de velocidades

Relacionando las velocidades del triángulo

mediante la ley de los cosenos y reemplazando

en la ecuación (5.2) se obtiene la segunda

 u 2  u 22 w22  w12 c12  c22 

Termodinámica entre el punto 1 y 2, el cual está

5.4.2 GRADO DE REACCION

5.4.3 COEFICIENTES ÓPTIMOS DE VELOCIDAD

Lo que equivale a definir dichas velocidades

b) Según definición de la turbina

3° En toda turbina VS2 / 2 g es muy pequeña y

muchas veces puede despreciarse.

c) Potencia teórica (P)

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