Principal Equipamiento Electromecnico TurbinasHay tres tipos principales de turbinas hidrulicas: La rueda PeltnSu funcionamiento es a travs de un chorro de agua dirigido y regulado, incide sobre las cucharas del rodete que se encuentran uniformemente distribuidas en la periferia de la rueda. Debido a la forma de la cuchara, el agua se desva sin choque, cediendo toda su energa cintica, para caer finalmente en la parte inferior y salir de la mquina. La regulacin se logra por medio de una aguja colocada dentro de la tobera.Es te tipo de turbina se emplea para saltos grandes y presiones elevadas.

Turbina Peltn.

Turbina FrancisSe emplean para saltos medianos, ya que son de reaccin. Estas turbinas en vez de toberas, tienen una corona distribuidora del agua.Esta corona rodea por completo al rodete. Para lograr que el agua entre radialmente al rodete desde la corona distribuidora existe una cmara espiral o caracol que se encarga de la adecuada dosificacin en cada punto de entrada del agua.

Turbina FrancisEn el siguiente esquema podemos apreciar la forma general de un rodete y el importante hecho de que el agua entre en una direccin y salga en otra a 90. Turbina KaplanEl agua slo circula en direccin axial por los elementos del rodete; tienen labes mviles para adecuarse al estado de la carga.Aseguran un buen rendimiento an con bajas velocidades de rotacin.

Fig. 18. Turbina Kaplan.

Diseo preliminar

En este captulo se dan frmulas para calcular las principales dimensiones de un rotor en los casos de turbinas Pelton, Francis y Kaplan.

Conviene recordar que el diseo de una turbina es el resultado de un proceso iterativo en el que se tienen en cuenta mltiples criterios: lmites de cavitacin, velocidad de rotacin, velocidad especfica, altura de salto etc.

Esto implica que, una vez acabado el diseo preliminar es necesario comprobar que este cumpla con todos los criterios mencionados.

El primer paso del diseo, sea cual sea el tipo de turbina, es la eleccin de la velocidad de rotacin.

Turbinas Pelton

Conocida a priori la velocidad n de giro del rotor, su dimetro se deducir de las siguientes ecuaciones:

En donde n es la velocidad de rotacin en rps y nch es el nmero de toberas.

D1 se define como el dimetro del crculo que describe la lnea del eje de las toberas.

B2 es la anchura de la cazoleta, que es funcin del caudal y del nmero de toberas y De es el dimetro de la tobera.

En general la relacin D1/B2 es siempre superior a 2,7. Si no fuese as habra que recalcular las ecuaciones con menor velocidad de rotacin o con mayor nmero de toberas.

El caudal es funcin de la apertura de la tobera Cp si tiene una sola tobera ser el caudal total y se puede estimar por la siguiente formula:

Figura 6.23En la figura 6.23 se da el valor Kv para cada valor de la apertura relativa a = Cp/Dc Turbinas Francis

Las turbinas Francis cubren un amplio espectro de velocidades especficas, desde 0,05 para las lentas de gran altura de salto hasta 0,33 para las de baja altura de salto.

La figura 6.24 muestra la seccin transversal de un rodete Francis en la que se indican los dimetros de referencia D1, D2 y D3.

Figura 6.24: Seccin transversal de un rodete Francis

Los trabajos de Siervo y Leva y de Lugaresi y Massa, basados en el estudio estadstico de ms de doscientas turbinas en funcionamiento, hacen posible el realizar un diseo preliminar de la turbina Francis. Como sucede con todos los trabajos estadsticos, sus resultados no permiten un diseo final, especialmente en lo que respecta al criterio de cavitacin.

El dimetro de salida D3 se calcula en principio con la frmula 6.20

El dimetro D1 se calcula con la frmula 6.21

El dimetro de entrada D2 viene dado, para QE > 0,164 por 6.22

Para QE < 0,164 se puede admitir que D1 = D2

Turbinas Kaplan

Las turbinas Kaplan tienen velocidades especficas mucho ms altas que las Pelton y lasKaplan.

Figura 6.25: Seccin transversal de una Kaplan

En la fase preliminar del proyecto, el dimetro exterior De puede calcularse con la frmula 6.23.

El dimetro Di del eje del rodete se calcula por la frmula 6.24.

Criterios para la seleccin de la turbina.

El tipo, geometra y dimensiones de la turbina estn condicionados, fundamentalmente, por los siguientes criterios:

Altura de salto neta Horquilla de caudales a turbinar Velocidad de rotacin Problemas de cavitacin Velocidad de embalamiento Costo

El salto bruto es la distancia vertical, medida entre los niveles de la lmina de agua en la toma y en el canal de descarga, en las turbinas de reaccin, o el eje de toberas en las de turbinas de accin.

Conocido el salto bruto, para calcular el neto, basta deducir las prdidas de carga, a lo largo de su recorrido.

En la Tabla 6.4 se especifica, para cada tipo de turbina, la horquilla de valores de salto neto dentro con la que puede trabajar. Obsrvese que hay evidentes solapamientos, de modo que para una determinada altura de salto pueden emplearse varios tipos de turbina.

Tabla 6.4: horquilla de salto en metros

Caudal

Un valor aislado del caudal no tiene ninguna significacin. Lo que interesa es el rgimen de caudales representado por la curva de caudales clasificados (CCC) obtenida de los datos procedentes de la estacin de aforos o de los estudios hidrolgicos.

No todo el caudal representado en una CCC puede utilizarse para producir energa elctrica. Fundamentalmente hay que descartar el caudal ecolgico que tiene que transitar todo el ao por el cauce cortocircuitado.

El caudal de diseo y el salto neto determinan el tipo de turbinas utilizables en el sitio escogido: aquellas en las que el punto representado por el salto y el caudal cae dentro de su envolvente operacional. La figura 6.26 se ha elaborado integrando los datos de varios fabricantes europeos. Cualquier turbina dentro de cuya envolvente caiga dicho punto, podr ser utilizada en el aprovechamiento en cuestin. La eleccin final ser el resultado de un proceso iterativo, que balancee la produccin anual de energa, el costo de adquisicin y mantenimiento de la turbina, y su fiabilidad.

Como una turbina solo puede admitir caudales comprendidos entre el mximo y el mnimo tcnico por debajo del cual su funcionamiento es inestable puede resultar ventajoso utilizar varias turbinas pequeas en sustitucin de una ms grande.

Las turbinas se arrancaran secuencialmente, de tal forma que todas ellas salvo una, trabajaran a plena carga, con un rendimiento ptimo. Utilizando dos o tres turbinas pequeas, su peso y volumen unitarios sern ms pequeos y por ende ms fcil de transportar y montar.

Dividiendo el caudal entre dos o ms turbinas, estas trabajarn a mayor velocidad con lo que puede ser posible prescindir del multiplicador. Por otra parte, en el espectro de saltos de altura media con fuertes variaciones de caudal, una Pelton de varias toberas, con una velocidad de rotacin baja, puede resultar ms econmica que una Francis, Un argumento semejante puede utilizarse, en saltos de baja altura, a la Kaplan y la Francis.

La eleccin final entre una o ms unidades o entre un tipo de turbina u otro, ser el resultado de un clculo iterativo que tenga en cuenta el coste de inversin y la produccin anual.

Tabla 6.5: Sensibilidad a variaciones de salto y caudal

Figura 6.26 Envolvente operativa de 3 tipos de turbinas Velocidad especfica

La velocidad especfica constituye un excelente criterio de seleccin, ms preciso sin duda que el ms convencional y conocido de las envolventes operacionales que acabamos de mencionar.

Por ejemplo, si queremos generar energa elctrica en un aprovechamiento con un salto neto de 100 metros, utilizando una turbina de 800 kW directamente acoplada a un generador estndar de 1500 rpm, empezaremos por calcular la velocidad especfica y obtenemos QE = 0,135.

Con esta velocidad especfica, la nica eleccin posible es una turbina Francis. Si, por el contrario admitimos la instalacin de un multiplicador con una relacin de hasta 1:3, la turbina podra girar entre 500 y 1.500 rpm, con lo que su velocidad especfica podra situarse entre 0.045 y 0,135 rpm. De esta forma la eleccin podra recaer, adems de en la Francis, en una turbina Turgo, una turbina de flujo cruzado o una Pelton de dos toberas.

Si queremos instalar una turbina directamente acoplada a un generador de 1.000 rpm, en un salto de 400 m y disponemos de un caudal de 0,42 m3/s, comenzaremos calculando la velocidad especfica; QE = 0,022.

Con estos parmetros la eleccin recaera en una Pelton de una tobera, con un dimetroD1=0,846 m de acuerdo con la ecuacin 6.18. Si el caudal variase sustancialmente a lo largo del ao, podra escogerse una Pelton de dos o ms toberas, que es menos sensible a las variaciones del caudal.

Como se indic ms arriba, la turbina Pelton viene definida por la relacin D1/B2 ms que por la velocidad especfica. Para ello resulta necesario efectuar ensayos con modelos a escala en laboratorio.

Cavitacin

Cuando la presin ejercida sobre un lquido en movimiento, desciende por debajo de su presin de vaporizacin, ste se evapora formando gran nmero de pequeas burbujas, que al ser arrastradas a zonas de mayor presin, terminan por estallar. La formacin de estas burbujas y su subsiguiente estallido, es lo que constituye la cavitacin.

La experiencia demuestra que el estallido de esas burbujas genera impulsos de presin muy elevados, que van acompaados de fuertes ruidos (una turbina en cavitacin suena como si a travs de ella pasasen montones de grava), y que la accin repetitiva de esos impulsos produce una especie de corrosin difusa, formando picaduras en el metal. Con el tiempo esas picaduras, degeneran en verdaderas grietas con arrancamiento de metal.

Las elevadas temperaturas generadas por esos impulsos y la presencia frecuente de gases ricos en oxgeno, agravan la corrosin. Un alabe sometido a cavitacin aparece al cabo de cierto tiempo lleno de cavidades, lo que obliga a sustituirlo o, si an se est a tiempo, a repararlo recargndolo por soldadura.

Para evitarla habr que realizar ensayos de laboratorio, para definir el perfil correcto de los alabes y determinar el campo de operatividad de la turbina.

La cavitacin viene caracterizada por un coeficiente (coeficiente de Thoma), definido como:

En la que NPSE, energa neta de succin positiva, est definida como:

En la que:

Patm = presin atmosfrica [Pa]Pv = presin del vapor de agua [Pa] = densidad especfica del agua[kg/m3]g = aceleracin debida a la gravedad [m/s2]V = velocidad media de salida [m/s]Hn = altura de salto neta [m]HS = altura de succin [m]Para evitar la cavitacin, la turbina debe instalarse a una altura al menos igual a HS definida por la ecuacin 6.27:

Un valor positivo de HS significa que el rotor de la turbina estar situado por encima del nivel del agua en el canal de retorno y uno negativo que est situado bajo el agua.

Como primera aproximacin se puede considerar que V = 2 m/s. El sigma de una turbina es una funcin de su velocidad especfica y el proyectista deber solicitarla del fabricante, que la obtendr a partir de ensayos en laboratorio con modelos reducidos.

De todos modos, De Servio y Lugaresi, basndose en los citados estudios estadsticos, establecieron para las turbinas Francis y Kaplan, la siguiente correlacin entre y velocidad especfica:

Conviene subrayar que la altura de instalacin vara sensiblemente con la altitud de la central, desde aproximadamente 1,01 bar al nivel del mar hasta 0,65 bar a 3.000 m sobre el nivel del mar. As una turbina Francis con una velocidad especfica de 0,150, trabajando en un salto de 100 m de altura neta (con una = 0,090), con la central a nivel del mar, requerir una altura HS:

Mientras que si la central estuviera situada a 1.000 m de altitud HS sera:

Lo que exigira una excavacin.

Figura 6.27; Lmites de cavitacin ( vs QE)

La ecuacin 6.30 muestra la concordancia entre velocidad especfica y sigma de cavitacin:

Conviene advertir que se pueden producir fenmenos de cavitacin en el borde interior de las cazoletas de la Pelton, si no estn bien diseadas o si, en el proceso de fabricacin no se han respetado los resultados de los ensayos en laboratorio. Velocidad de rotacin

Segn la ecuacin 6.5, la velocidad de rotacin de una turbina es funcin de su velocidad especfica, de su potencia y de la altura del aprovechamiento.

En los pequeos aprovechamientos suelen emplearse generadores estndar, por lo que hay que seleccionar la turbina de forma que, bien sea acoplada directamente o a travs de un multiplicador, se alcance una velocidad de sincronismo.

Tabla 6.6: velocidad de sincronismo de los generadores

Velocidad de embalamiento.

Cuando, trabajando a plena potencia hidrulica, desaparece sbitamente la carga exterior, bien sea por corte del interruptor o por fallo en la excitacin del alternador, la turbina aumenta su velocidad hasta alcanzar lo que se conoce como velocidad de embalamiento. Esa velocidad vara con el tipo de turbina, el ngulo de apertura del distribuidor y la altura de salto. La tabla 6.8 muestra la relacin entre la velocidad de embalamiento y la normal de rotacin.

Tabla 6.7 Relacin entre velocidad de rotacin y de embalamiento

Hay que tener en cuenta que al aumentar la velocidad de embalamiento, se encarecen el multiplicador y el generador, que habrn de disearse para poder resistir las fuerzas de aceleracin centrfuga correspondientes.

Rendimiento de las turbinas

El rendimiento se define como la relacin entre la potencia mecnica transmitida al eje de la turbina y la potencia hidrulica correspondiente al caudal y salto nominales, tal como se define en la ecuacin 6.1.

Hay que hacer notar que en las turbinas de accin (Pelton y Turgo), la altura de salto se mide hasta el punto de impacto del chorro que, para evitar que el rodete quede sumergido en pocas de riadas, estar siempre por encima del nivel de la lmina de agua en el canal de descarga, con lo que se pierde una cierta altura con respecto a las turbinas de reaccin, en las que, como veremos, el plano de referencia es la propia lmina de agua.

Dadas las prdidas que tienen lugar en el conjunto de la turbina de reaccin, el rodete solo utiliza una altura Hu, inferior al salto neto Hn, tal y como se define en la figura6.28.

Estas prdidas son esencialmente prdidas de friccin y tienen lugar en la cmara espiral, en los alabes directores y del rodete, y sobre todo en el tubo de aspiracin o difusor. El difusor tiene como misin recuperar el mayor porcentaje posible de la prdida de energa cintica correspondiente a la velocidad del agua al salir del rodete.

Figura 6.28: Vista esquemtica de prdidas en un aprovechamiento

Su funcin es especialmente crtica en los rodetes de alta velocidad especfica, en los que las prdidas por este concepto podran llegar a alcanzar el 50% del salto (mientras que en las Francis lentas apenas representan el 3%-4%). La columna de agua que acciona la turbina equivale al salto neto menos la presin equivalente a la energa cintica disipada en el tubo de aspiracin, cuantificada por la expresin Ve 2/2g (siendo Ve la velocidad media a la salida del tubo de aspiracin).

La figura 6.29 indica cmo evoluciona el rendimiento de una turbina con diferentes caudales, al variar este en relacin con el de diseo, y la tabla 6.9 da el rendimiento tpico mximo garantizado por los fabricantes, para varios tipos de turbinas. Para estimar el rendimiento global del equipo, este rendimiento deber ser multiplicado por los rendimientos del multiplicador (si ha lugar) y del generador.

Figura 6.29: Rendimientos en funcin del caudal de diseo

Tabla 6.8: Rendimientos tpicos de pequeas turbinas

Para asegurarse de que la turbina que se compra va a funcionar correctamente, conviene exigir una garanta del fabricante, basada en los resultados obtenidos con turbinas homologas en laboratorio. La figura 6.30 ilustra los resultados de dos turbinas, en la misma aplicacin: una basada en ensayos de laboratorio y otra sin garantas.

Figura 6.30: Resultados de la medida de rendimientos en dos turbinas