Turbinas hidrauilcas

Unidad 2.- Plantas Hidroeléctricas

Iván Eduardo Alcudia García

“Unidad 2.-“Plantas Hidroeléctricas”Así como una bomba absorbe energía mecánica y restituye energía al

fluido, una turbina absorbe energía del fluido y restituye energía mecánica. Tiene una serie de álabes fijos, (distribuidor), y otra de álabes móviles,

(rueda, rodete, rotor). La asociación de un órgano fijo y una rueda móvil constituye una célula, se compone de tres órganos diferentes que el fluido va atravesando sucesivamente, el distribuidor, el rodete y el difusor.

Una turbina hidráulica es una turbomáquina motora, y por tanto esencialmente es una bomba rotodinámica que trabaja a la inversa.

Los elementos constitutivos de una turbina son análogos a los de una bomba; pero dispuestos en orden inverso:- Canal de llegada (lámina libre) o tubería forzada. Corresponde a la tubería de impulsión en una bomba. Al final de la tubería forzada se instala una válvula (compuerta, mariposa, etc.), detrás de la válvula está la entrada en la tubería.- Caja espiral. Transforma presión en velocidad; en una bomba, velocidad en presión.- Distribuidor. Corresponde a la corona directriz en una bomba; pero en una turbina transforma presión en velocidad y actúa como tobera; en una bomba, por el contrario, actúa como difusor. Su 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, permite regular el agua que entra en la turbina, desde cerrar el paso totalmente, caudal cero, hasta lograr el caudal máximo.- Rodete. A las bombas centrifugas con flujo en el rodete hacia el exterior corresponde el tipo de turbinas centrípetas, con flujo en el rodete hacia el interior. Es el elemento esencial de la turbina, estando provisto de álabes en los que tiene lugarel intercambio de energía entre el agua y la máquina.- Tubo de aspiración. Corresponde a la tubería de aspiración de una bomba. En una turbina es el órgano de desagüe, pero se llama tubo de aspiración porque crea una aspiración o depresión a la salida del rodete mientras que en las bombas constituye la tubería de admisión y crea también una depresión a la entrada del rodete.

Las turbinas hidráulicas, según el grado de reacción, se clasifican en dos grupos: turbinas de acción y turbinas de reacción.

En las turbinas de acción el agua sale del distribuidor a la presión atmosférica, y llega al rodete con la misma presión; en estas turbinas, toda la energía potencial del salto se transmite al rodete en forma de energía cinética.

En las turbinas de reacción el agua sale del distribuidor con una cierta presión que va disminuyendo a medida que el agua atraviesa los álabes del

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rodete, de forma que, a la salida, la presión puede ser nula o incluso negativa; en estas turbinas el agua circula a presión en el distribuidor y en el rodete y, por lo tanto, la energía potencial del salto se transforma, una parte, en energía cinética, y la otra, en energía de presión.

Atendiendo a la dirección de entrada del agua en las turbinas, éstas pueden clasificarse en:

a) Axiales ; b) Radiales {centrípetas y centrífugas} ; c) Mixtas ; d) Tangenciales

En las axiales, (Kaplan, hélice, Bulbo), el agua entra paralelamente al eje.En las radiales, el agua entra perpendicularmente al eje, siendo centrífugas cuando el agua vaya de dentro hacia afuera, y centrípetas, cuando el agua vaya de afuera hacia adentro,(Francis).En las mixtas se tiene una combinación de las anteriores.En las tangenciales, el agua entra lateral o tangencialmente (Pelton) contra las palas, cangilones o cucharas de la rueda

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Turbina Pelton: Son turbinas de flujo transversal, y de admisión parcial. Directamente de la evolución de los antiguos molinos de agua, y en vez de contar con álabes o palas se dice que tiene cucharas. Es tangencial, y la más utilizada para grandes saltos.Están diseñadas para trabajar con saltos de agua muy grandes, pero con caudales pequeños.

Estas son del tipo Turbina de acción. Una caída alta (entre 800 a 2000 pies) requiere una turbina para alta presión, tipo Pelton. En la turbina Pelton, el agua tiene una presión muy alta. La válvula de aguja, que se usa para controlar el flujo de agua, deja pasar un chorro de agua que choca con los álabes de la turbina transfiriéndole su energía y haciendo girar la turbina. Esta, a su vez, hace girar un generador que está acoplado al eje de la turbina para producir energía eléctrica, como medida de seguridad se usa una válvula esférica.

En las turbinas de acción o impulso no se produce variación de presión estática a través del rotor, por lo que el fluido no precisa llenar todo el espacio entre alabes. Toda la caída de presión estatica se situa en la tobera del inyector y el agua solo incide sobre los sucesivos alabes en forma de uno o varios chorros discretos con gran energía cinetica. La turbina Pelton en honor a Lester A. Pelton (1829-1908) que la patento hacia 1880. Son características de saltos con desniveles superiores a 400 m y presentan algunos elementos caracteristicos como son la valvula de aguja del inyector para regular el caudal, el deflector para desviar el chorro si la carga disminuye rápidamente, y un contrachorro para frenar la turbina rápidamente cuando sea preciso.

La tobera o inyector lanza directamente el chorro de agua contra la serie de paletas en forma de cuchara montadas alrededor del borde de una rueda, el doble de la distancia entre el eje de la rueda y el centro del chorro de agua se denomina diámetro Pelton. El agua acciona sobre las cucharas intercambiando energía con la rueda en virtud de su cambio de cantidad de movimiento, que es casi de 180°.

Las turbinas Pelton aumentan la velocidad del fluido mediante esta tobera, produciendo un chorro de agua dirigido a gran velocidad hacia las paletas.

La potencia en una turbinas Pelton se consigue más por la altura que por el caudal. La

altura de los saltos característicos para estas turbinas varía entre los 100 y 2000 metros. Su velocidad específica ns resulta baja entre 10 y 30 con un solo inyector.

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• Son de fácil operación.

• Pueden lograrse buenas eficiencias a cargas parciales.

• La producción local es posible.

• Pueden ser caras.

• Pueden tener complicados mecanismos (varios inyectores, control).

Turbina Francis: Son turbinas de flujo mixto y de reacción. Existen algunos diseños complejos que son capaces de variar el ángulo de sus álabes durante su funcionamiento. Están diseñadas para trabajar con saltos de agua medios y caudal medios. Si la caída es intermedia (entre 200 y 800 pies), entonces se escoge una turbina de reacción tipo Francis.

La turbina Francis el diseño fue de James B. Francis (1815-1892) era una turbina estrictamente de flujo radial, con bordes de entrada y de salida paralelos al eje, hoy en dia la mayor parte de los diseños bajo esta denominación son helicocentripetos (mixtos) teniendo en la salida del rotor componentes axiales y radiales de velocidad. Son características de saltos entre 40 y 500 m, por lo que son las más frecuentemente empleadas.

Es radial centrípeta, con tubo de aspiración; el rodete es de fácil acceso, por lo que es muy práctica. Es fácilmente regulable y funciona a un elevado número de revoluciones; es el tipo más empleado, y se utiliza en saltos variables, desde 0,5 m hasta 180 m; pueden ser, lentas, normales, rápidas y extra rápidas.

- Turbina Francis lenta. Para saltos de gran altura (alrededor de 200 m o más). - Turbina Francis normal. Indicada en saltos de altura media (entre 200 y 20 m) - Turbinas Francis rápidas y extrarrápidas. Apropiadas a saltos de pequeña

altura (inferiores a 20 m).

Esta turbina se caracteriza por lo siguiente:

Están formadas por una espiral que va a alimentar al rodete.

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Se utilizan para caídas medianas. Tienen un distribuidor que orienta el agua hacia el rodete. Asemejan una bomba centrífuga. El agua no está a la presión atmosférica. Descargan a contra presión. Generalmente están provistas de una válvula mariposa como medida de

prevención.

Las turbinas Francis, siguen en utilización a las Pelton. Han evolucionado desde un paso del flujo a través del rodete casi radial a un paso casi axial, adaptándose bien a alturas de entre 30 y 550 metros a una gran variedad de caudales. Sus velocidades específicas están entre ns 75 y 400.

Turbina Kaplan: son turbinas axiales, que tienen la particularidad de poder variar el ángulo de sus palas durante su funcionamiento. Están diseñadas para trabajar con saltos de agua pequeños y con grandes caudales. Estas son del tipo Turbina de reacción. Se utilizan este tipo de turbina de reacción tipo Kaplan para caídas bajas (menores de 200 pies).

Las turbinas tipo Kaplan fueron diseñado por el Dr. técnico víctor Kaplan (1876-1934) en el principio del siglo 20. A diferencia de los otros tipos de turbinas se puede ajustar ambas alabas (los del rotor y los alabas de guía) para adaptar la turbina a diferentes niveles del caudal. Los ejes son de orientación horizontal ó vertical. Se usa este tipo de turbina en plantas de presión baja y mediana. Las palas del rodete tienen forma de hélice; se emplea en saltos de pequeña altura, obteniéndose con ella elevados rendimientos, siendo las palas orientables lo que implica paso variable.

Esta se caracteriza por lo siguiente:

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Se utilizan para caídas bajas. El rodete recuerda la forma de una hélice de barco. El ángulo de inclinación de las palas del rodete es regulable. Se utilizan para gastos muy grandes. La regulación se efectúa por medio de un distribuidor como en las Francis y

además con el ángulo de inclinación de las palas en el rodete. Utilización para:

altura de caída 7-60 Metros caudal 0,7-1.000 m³/s potencia 50-180.000 Kw

La turbina Kaplan se adapta de pequeñas alturas y grandes caudales. Las alturas varían entre los 4 y 90 metros y su velocidad específica ns está comprendida entre los 300 y 900.

Estas son turbinas de admisión total, incluidas así mismo en la clasificación de turbinas de reacción. Las características constructivas y de funcionamiento, son muy similares entre ambos tipos. Se emplean en saltos de pequeña altura (alrededor de 60 m. y menores), con caudales medios y grandes (aproximadamente de 15 m3/s en adelante). Debido a su singular diseño, permiten desarrollar elevadas velocidades específicas, obteniéndose buenos rendimientos, incluso dentro de extensos límites de variación de caudal. A igualdad de potencia, las turbinas Kaplan son menos voluminosas que las turbinas Francis. Normalmente se instalan con el eje en posición vertical, si bien se prestan para ser colocadas de forma horizontal o inclinada.

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Turbina de Bulbo: Si además no existe voluta y la turbina de hélice o Kaplan esta colocada axialmente en el centro de un conducto forzado, se denominan turbinas tubulares; estas turbinas se emplean en los casos con saltos muy pequeños (entre 2 y 15 m). Esta es del tipo Turbina de reacción. Es un tipo especial de turbina capaz de aprovechar saltos de pequeño desnivel, pero de gran caudal. Estos grupos fueron concebidos en un principio para ser utilizados en cuencas fluviales de grandes caudales; posteriormente han sido empleados también por las centrales maremotrices, que como sabemos se caracterizan, por pequeñas alturas y grandes caudales.

El nacimiento oficial de estos grupos Bulbo, tiene lugar el 27 de diciembre de 1933, adquiriendo el derecho de los mismos Arno Fisher, que en 1936 inaugura los dos primeros grupos de Rostin, sobre el río Persante; la potencia de esta primera central era de 168 kW.

Además de tener las palas orientables, las turbinas funcionan en los dos sentidos de rotación (turbinas reversibles), y asimismo pueden actuar como bombas hélice accionadas por el propio generador, se las denomina turbinas Bulbo.

Existen tres tipos de turbinas Bulbo:

1.- Bulbo con alternador en el exterior: es poco utilizada porque causa vibraciones 2.- Bulbo con alternador en la periferia: utilizan las palas hélice como brazo del rotor. 3.- Bulbo con alternador en el interior: son los más usados en la actualidad ya que son reversibles mareomotrices.

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Entre las partes que constituyen a la turbina tipo bulbo son:

La turbina bulbo, capaz de aprovechar saltos de entre 1 u 15 metros de altura. Con ella el campo de aplicación de las turbinas aumenta hasta ns 1150.

La ventaja de estos grupos, en los que el agua desliza axialmente, es muy superior a los tradicionales de eje vertical. En primer lugar, se produce una mejor distribución de velocidades del agua sobre las palas, lo que permite disminuir el diámetro de las mismas, para una misma potencia en comparación con las de eje vertical; se ha comprobado que para una caída y consumo dados se obtiene la misma potencia, por ejemplo, con una rueda de 6,10 m de diámetro en deslizamiento axial, a una velocidad de 87 rpm, que con una rueda Kaplan de 7 m girando a 71 rpm.

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Turbina Hélice: son exactamente iguales a las turbinas Kaplan, pero a diferencia de estas, no son capaces de variar el ángulo de sus palas. En estas máquinas, el flujo es totalmente axial y los alabes son fijos o bien orientables para regular la carga. Se emplean cuando el salto es muy pequeño (inferior a 60 m). Este es del tipo Turbina de reacción.

El rodete está compuesto por unas pocas palas, que le confieren forma de hélice de barco; cuando éstas sean fijas, se llama turbina hélice. Son turbinas de reacción, son de flujo axial y se aplican para baja caída y gran caudal.

Las turbinas hélice son una prolongación de las Francis en las que el flujo a su paso por el rodete es totalmente axial. En las turbinas hélice los alabes del rodete son fijos, en cambio en la Kaplan estos cambian automáticamente de posición, buscando que el agua entre tangente a los mismos sea cual fuere la demanda de carga de la central.

En las turbinas tipo hélice el receptor toma la forma de hélice de propulsión El distribuidor mantiene el aspecto que tienen en las turbinas tipo Francis, si bien la distancia entre los alabes del receptor y las del distribuidor es bien mayor.

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