Diseño de cajas espirales de sección circular para turbinas hidráulicas normalizadas

Abstract

El objetivo principal de este trabajo es realizar un diseño de cajas espirales de sección circular para turbinas hidráulicas normalizadas en función del número específico de revoluciones (nq). Para lograr el diseño normalizado de turbinas Francis se recurre al criterio propuesto por el Prof. Stefan Zarea (Q/H1/2=ctte) y se establece el diámetro de descarga del rodete según la serie R20 de los números normales (series de Renard). Con dicho criterio se cubrió todo el campo de aplicación de las turbinas Francis entre el rango de 20 a 500m de altura para velocidades de giro sincrónicas y arbitrarias, obteniéndose 15 turbinas para cada valor de diámetro de descarga lo cual conlleva a un numero relativamente pequeño de turbinas para poder cubrir todo este campo. El dimensionamiento de los órganos principales de las turbinas Francis se llevan a cabo mediante 2 métodos estadísticos que son: a) Método de dimensionamiento de Siervo y Leva, b) Método de dimensionamiento del Prof. Stefan Zarea. Para ello se usan datos recopilados en trabajos anteriores. Todas estas dimensiones se expresan como el producto del diámetro característico del rodete y el correspondiente coeficiente que vienen expresados en función del número específico de revoluciones nq que es el parámetro adimensional de mayor uso actualmente. El método por medio del cual se diseña geométricamente este órgano principal es el método geométrico del Prof. Stefan Zarea, variándose el tipo de espiral y las condiciones de borde necesarias para definir correctamente la geometría y el comportamiento mecánico de la caja espiral. Entre las variables que fueron objeto de estudio en este trabajo se encuentran las pérdidas hidráulicas, esfuerzos, distribución de velocidades y presiones; obteniéndose como resultados que las espirales con mejor comportamiento mecánico fueron las espirales de Galileo, Logarítmica y de Arquímedes con condiciones de borde de una relación de velocidades de 0,8 para un angulo de 270° para pérdidas, velocidades y presión y condiciones de borde de una relación de velocidades de 1,0 para un angulo de 320° para los esfuerzos.