Turbinas de acción

Definición de turbina hidráulica. Tipo de turbinas hidráulicas: turbinas de acción y de reacciónTurbina hidráulica, se puede definir como una maquina hidráulica motora cuyo principio de funcionamiento se basa en la variación de momento de la cantidad de movimiento. Existen en la actualidad dos grandes tipos de turbinas hidráulicas:

Toda turbina hidráulica tiene un órgano principal, denominado “rodete”, que gira sobre su eje, por donde pasa el agua de manera continua y se transforma su energía hidráulica en mecánica. Además, constan de una serie de elementos situados aguas arriba del rodete que tienen la misión de introducir y dirigir el agua, a su salida de reacción se dispone de otro órgano que tiene por objeto evacuar el agua hacia el canal de desagüe.

En las turbinas Pelton el agua, al pasar a la rueda, entra en contacto con la atmósfera, transformándose toda la energía de presión en cinética, actuando sobre el rodete, únicamente de esta forma. En las turbinas Francis y en sus derivadas el agua al entrar en el rodete no toma contacto con la atmósfera, por lo que en dicho punto la energía de presión se ha transformado en cinética tan sólo de manera parcial.

Otra diferencia es que en la Pelton el agua llega a su rodete en uno o varios puntos afirmándose su admisión puntual, mientras que las Francis accede al rodete por los 360° de su periferia por lo que su admisión es total.

Una turbina Pelton se utiliza en centrales hidroeléctricas que disponen de un salto relativamente grande y un caudal pequeño, mientras que las turbinas Francis y sus derivadas se emplean con alturas relativamente menores y caudales relativamente mayores.

Las turbinas Pelton se emplean en centrales hidroeléctricas de cabeceras de ríos donde es fácil generar altura brutas importantes dadas las fuertes pendientes que llevan aquellos, pero su caudal es reducido a su cuenca vertiente.

Enrique Camacho Valencia Ing. Civil

Acción Turbina Pelton

Reacción

Turbina Francis HeliceKaplanDeriazStraflo

La turbina Pelton consta fundamentalmente del inyector, y de la rueda o rodete. El inyector tiene como misiones la introducción del agua de manera puntual y en la dirección conveniente del rodete (puede tener de 1 a 6 inyectores.

El rodete está constituido por un cubo unido al eje mediante enchavetado, con una serie de cazoletas dispuestas en su periferia. El chorro formado a la salida de cada inyector incide tangencialmente sobre las cazoletas, convirtiéndose en el rodete la energía cinética del agua en energía mecánica.

El generador eléctrico arrastrado por la turbina hidráulica transforma la energía mecánica recibida en energía eléctrica.

En las turbinas de reacción disponen como órganos más fundamentales el distribuidor, el rodete y el tubo difusor. El distribuidor tiene las mismas funciones del inyector en las turbinas Pelton, el rodete, único órgano transformador de energía hidráulica en mecánica, su diseño es diferente según el tipo de turbina, pero en esencia está formado por el cubo, unido al eje y una serie de álabes en la periferia del mismo.

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salto grandecaudal pequeño

turbina de acción

salto pequeñocaudal grande

turbinas de reacción

Turbinas de acciónTurbina Ossberger (Banki-Mitchell)

Cuyo rodete está formado por una serie de álabes dispuestos en una corona circular entre dos discos. El rodete está formado por una serie de alabes o placas alabeadas dispuestos en la periferia de un circulo, unidos mediante dos discos laterales. El agua procedente del inyector incide puntualmente sobre unos álabes del rodete atravesándolos de manera centrípeta y penetrando en la parte central del mismo, para después incidir de nuevo sobre otros álabes y atravesarlos, esta vez de manera centrífuga, yendo a parar el agua posteriormente al canal de desagüe.

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Descripción, misión y funcionamiento de los elementos de una turbina PeltonEl agua procedente de la tubería forzada llega a un pantalón donde se divide el caudal en dos partes iguales que alcanzan los inyectores desde los cuales el agua pasa a la atmósfera formando otros tantos chorros que incidiendo sobre los álabes del rodete lo hacen girar sobre su eje, transformándose así la energía hidráulica en mecánica. El rodete arrastra al generador eléctrico. Desde la rueda el agua cae directamente al canal de desagüe. El inyector cuya misión es la prolongación de la tubería forzada que termina en una tobera (ahí se transforma la energía de presión en energía cinética). La velocidad con que el chorro sale del inyector es igual a la velocidad absoluta con la que entra en los álabes del rodete.

Viene definida por la ecuación de Torricelli

c ₁=k ₁√2 gHn

Donde:

K₁: coeficiente de la velocidad absoluta (0.97-0.98) Hn: altura neta (a la bruta menos las pérdidas de carga en la tubería forzada)

La velocidad del chorro permanece casi constante con lo que la regulación del caudal ha de hacerse modificando la sección de paso en el inyector, es decir, desplazando la aguja con su punzón.

La aguja con su punzón se guía axialmente mediante unas placas radiales, unidas a un manguito y a la parte exterior del inyector, que sirven, por otra parte, para quitar al agua el efecto de rotación que le hubiera producido el codo situado inmediatamente aguas arriba. La regulación de la turbina ha de conseguir que su velocidad de giro permanezca constante independientemente de la carga que se le exija pues el generador eléctrico debe producir electricidad con una frecuencia fija.

Hay que advertir que la potencia producida por la turbina es proporcional a la altura neta y al caudal y como se ha explicado anteriormente la primera sufre una variación mínima.

Si la carga solicitada al generador y / o turbina se anula repentinamente, el rodete se embalaría, y el tacómetro actuaría como regulador desplazando la aguja hasta cerrar la sección de paso. El regulador actúa rápidamente sobre el deflector y lentamente sobre la aguja; una vez cerrado el paso de agua con el punzón el deflector vuelve a su posición primitiva.

El rodete un órgano fundamental de la turbina Pelton, formado por una serie de álabes dispuestos en la periferia de un cubo. Los alabes están formados por dos semicazoletas gemelas, siamesas y simétricas, separadas por una arista afilada.

El chorro penetra en la cazoleta por la arista que lo divide en dos partes iguales, con esta división consigue anular los empujes axiales que pudieran producirse al generarse dos fuerzas iguales y de

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sentido contrario. Por otra parte la dirección con que penetra el chorro a la cazoleta se modifica continuamente con el fin de aumentar la fuerza propulsora.

El agua al salir del rodete lleva cierta energía cinética y tiene algo de energía de posición, que han de ser contabilizadas como pérdidas en la turbina.

El rodete de la turbina Pelton se encuentra rodeado de la correspondiente carcasa, que tiene por objeto dirigir el agua hacia el canal de desagüe sin entorpecer la marcha de la rueda y servir de cierre a la máquina

Diagrama de transformación de energía de la turbina Pelton

Velocidad especifica dimensional nq en función de otras características de la turbina Pelton. Intervalo de velocidad especifica

nq=

N (Qx )1/2

H n34

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energia potencial

Va decreciendo a medida que desciende en la tubería

energia de presion

Se complementa con la anterior y va creciendo

energia cinetica

Permanece constante a lo largo de la tubería

energia de perdida

Crecerá a lo largo de la instalación

nq, ya conocido, es función de la velocidad de giro, caudal y altura neta, se trata de calcularlo en función de otras características de forma que se pueda conocer el campo de variación de dicha velocidad y deducir importantes consecuencias.

La velocidad de giro N se puede expresar en función del diámetro del rodete y de la velocidad de arrastre:

U 1=πD 1N60

=ε 1√2 gH n

Donde:

ε : coeficiente de la velocidad de arrastre D 1: diámetro nominal del rodete

De la expresión anterior se deduce:

N=60 ε 1(2gH n)

12

π D1

Por otro lado:

N= π d2

4xc1=

π d2

4xk1√2g Hn

Donde

C: es la velocidad absoluta del chorro d: diámetro x: numero de estos k: coeficiente característico de la velocidad absoluta

Sustituyendo valores y simplificando:

nq=157.67 εdD1

√K1

Para modificar nq no existe otra alternativa que variar d/D1 , ya que ξ1, y k1 tienen muy poco margen de variación.

Cuando aumenta la velocidad específica, es decir, se incrementa el caudal y disminuye la altura, crece el tamaño de las cazoletas y disminuye relativamente el diámetro del rodete y por tanto de su cubo, aumentando la relación entre el tamaño de aquella y la dimensión de éste. Obviamente entre ambos extremos existe una continua evolución.

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Consideraciones sobre las velocidades en una turbina Pelton, diagrama de velocidadesDe entre los infinitos triángulos que se pueden definir para el caso de una turbina Pelton, tanto en el tiempo como en el espacio, se va a estudiar el caso más sencillo, haciendo la abstracción de suponer que tanto el chorro como la cazoleta siguen una trayectoria rectilínea

La turbina Pelton es tangencial, por lo tanto

u=u1=u2

Triangulo de velocidades teóricosTriangulo de velocidades de entrada:

Teóricamente el agua sale del inyector de la tobera a la presión atmosférica con velocidad absoluta c1=√2g H n, es decir, no hay pérdidas de carga hidráulicas en el inyector y toda la altura

neta se transforma en energía cinética H n=c12 /2 g. El chorro tiene la misma dirección tangencial

del movimiento del rodete siendo por tanto α1= 0º

El triángulo teórico queda definido

w1=c1−u1

Triángulo de velocidades de salida:

A la salida de la cazoleta w2 = w1, si se supone que no hay rozamiento en la misma.

La velocidad absoluta a la salida c2 queda definida por la suma vectorial de la velocidad de arrastre y la velocidad relativa: c2=u2+w2

Triángulo de velocidades realesRealmente a la entrada

– c 1=k 1√2 gH n

– u1=ε1√2gH n= π D1N60

Así mismo a la salida:

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El triángulo de velocidades que se produce en una turbina Pelton es muy complejo, pues el chorro no incide sobre la cazoleta en la dirección de su marcha más que en un solo instante y por tanto el triángulo de entrada no se reduce a una recta sino que es un triángulo que se modifica continuamente.

Para simplificar la resolución se supondrá que a la entrada la dirección de la velocidad absoluta y la de arrastre es la misma y por tanto también la de la velocidad relativa, es decir su módulo será la diferencia de los módulos.

u=u1=u2

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