TURBINAS HIDRÁULICAS

TURBINA HIDRÁULICA

Es una turbomáquina, que absorbe energía de una corriente fluida y la restituye en energía mecánica.

COMPONENTES PRINCIPALES Una turbina hidráulica se compone de

tres órganos diferentes que el fluido va atravesando sucesivamente, el distribuidor, el rodete y el difusor.

El 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.

COMPONENTES PRINCIPALES

El rodete: Es el elemento esencial de la turbina,

estando provisto de álabes en los que tiene lugar el intercambio de energía entre el agua y la máquina.

Difusor Es un conducto por el que desagua el

agua, generalmente con ensanchamiento progresivo, recto o acodado, que sale del rodete y la conduce hasta el canal de fuga.

RENDIMIENTO DE UNA TURBINA HIDRÁULICA

Se ve afectada por las pérdidas de energía.

Rozamiento del agua en el distribuidor. Pérdidas en el rodete producidas por el

choque de entrada en el tubo de aspiración. Distancia que hay entre el distribuidor y el

rodete por donde se escapa una parte del agua.

Resistencias pasivas en los cojinetes, gorrones, etc.

Velocidad de salida del agua

POTENCIA DE UNA TURBINA

viene dada por la siguiente expresión:

Donde: = Cabeza neta de diseño = Caudal nominal () = Eficiencia de la turbina

VELOCIDAD ESPECÍFICA

Viene dada por la siguiente expresión:

Donde: = Velocidad específica = Velocidad Sincrónica (rpm) = Potencia de la turbina (kW) = Cabeza neta de diseño

ENERGÍA UTILIZADA POR LA TURBINA

La ley de Bernoulli para un flujo de agua sin fricción establece que la energía total de una masa de agua permanece constante cuando el agua fluye.

Donde: = Energía entregada por el agua

entre dos puntos (kg-m) = Energía total en el punto 1 = Energía total en el punto 2

CLASIFICACIÓN DE LAS TURBINAS HIDRÁULICAS

Según su funcionamiento: Turbinas de acción o de impulso

Turbinas de reacción

CLASIFICACIÓN DE LAS TURBINAS HIDRÁULICAS

Según la dirección de entrada:

Axiales. (Turbinas Kaplan) Radiales (centrípetas y centrífugas).

(Turbinas Francis) Mixtas. Tangenciales. (Turbinas Pelton)

CLASIFICACIÓN DE LAS TURBINAS HIDRÁULICAS

Según el modo de admisión del líquido: Turbina de admisión parcial

Turbina de admisión total

Según el número específico de revoluciones :

Turbina lenta Turbina normal Turbina rápida Turbina extra rápida

TURBINAS DE ACCIÓN

El rodete trabaja a presión constante y puesto que la turbina no tiene tubo de aspiración se cumple que las presiones son iguales a la presión atmosférica, la altura de velocidad disminuye ya que una gran parte se convierte en energía útil en el eje.

TURBINAS DE REACCIÓN

El agua sale del distribuidor y entra al rodete con cierta presión manométrica positiva, a su paso pierde dicha presión llegando a ser nula e incluso negativa, son turbinas de admisión total.

TURBINAS PELTON

Es utilizada en saltos de gran altura (alrededor de 200 m y mayores), y caudales relativamente pequeños (hasta 10 m3/s aproximadamente).

Son de buen rendimiento para amplios márgenes de variación del caudal (entre 30 % y 100 % del caudal máximo).

DIMENSIONAMIENTO DE LA TURBINA PELTON

Se inicia determinando la velocidad específica por chorro, que se define como:

COEFICIENTE DE VELOCIDAD PERIFÉRICA

Es la relación existente entre la velocidad angular y la velocidad tangencial, está dada por:

Donde: D2=Diámetro Pelton n= Velocidad sincrónica

DISTRIBUIDOR

Está constituido por uno o varios equipos de inyección de agua.

Cada uno de dichos equipos tiene como misión dirigir convenientemente un chorro de agua cilíndrico y de sección uniforme sobre el rotor.

ROTOR O RODETE

Es la pieza clave donde se transforma la energía hidráulica del agua en energía mecánica. Esencialmente consta de los siguientes elementos:

Rueda motriz Cangilones

CANGILONES

También denominados álabes, cucharas o palas. Están diseñados para recibir el empuje directo del chorro de agua.

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LA TURBINA PELTON

La arista del cangilón corta al chorro de agua, seccionándolo en dos láminas de fluido, simétricas y teóricamente del mismo caudal.

Las formas cóncavas de los cangilones hacen cambiar la dirección del chorro de agua, saliendo éste, ya sin energía apreciable, por los bordes laterales, sin ninguna incidencia posterior sobre los cangilones sucesivos.

La aguja, gobernada por el regulador de velocidad, cierra más o menos el orificio de salida de la tobera, consiguiendo modificar el caudal de agua que fluye por ésta.

VENTAJAS

Más robustas. Menos peligro de erosión de los alabes. Reparaciones más sencillas. Regulación de presión y velocidad más

fácil. Mejores rendimientos a cargas

parciales. Infraestructura más sencilla. Gira con alta velocidad

DESVENTAJAS

Altura mínima para su funcionamiento: 20 Metros.

Costo de instalación inicial. El impacto ambiental es grande en

caso de grandes centrales hidroeléctricas.

Requiere de múltiples inyectores para grandes caudales.

TURBINA FRANCIS Son conocidas como turbinas de

sobrepresión De admisión total También se conocen como

turbinas radiales-axiales y turbinas de reacción

CLASIFICACIÓN

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 extra rápidas. Apropiadas a saltos de pequeña altura (inferiores a 20 m).

DIMENSIONAMIENTO DE UNA TURBINA FRANCIS

Mediante la relación entre la velocidad específica y la cabeza neta de diseño, obtenemos la siguiente expresión:

CÁMARA ESPIRAL DE UNA TURBINA FRANCIS

Esto se conoce como el caracol de la turbina, en el que, debido a su diseño, se consigue que el agua circule con velocidad aparentemente constante y sin formar torbellinos, evitándose pérdidas de carga.

DISTRIBUIDOREl distribuidor está formado por un

determinado número de palas móviles, cuyo conjunto constituye un anillo que está situado concéntricamente entre el pre-distribuidor y la turbina.

Los elementos componentes del distribuidor son:

Palas directrices Equipo de accionamiento Servomotores Anillo de distribución Bielas

ROTOR Está unido rígidamente al eje de la

turbina y perfectamente concéntrica con el distribuidor.

Un componente importante del rotor es el Difusor también denominado cono deflector o cono de dispersión.

Su función consiste en dirigir el agua que sale a través de los álabes del rotor, evitando choques entre sí y contra los propios álabes, a fin de evitar torbellinos y otros efectos hidráulicos perjudiciales.

Tubo de aspiración

Consiste en un conducto, normalmente acodado, que une la turbina con el canal de desagüe, tiene como misión recuperar al máximo la energía cinética del agua a la salida del rotor.

DIMENSIONES DEL RODETE

A partir de la ecuación del coeficiente de velocidad periférica, se despeja el diámetro de salida de la siguiente manera:

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LA

TURBINA FRANCIS La energía de presión del agua , se convierte en energía cinética en su recorrido por la tubería de descarga, la cámara espiral, el pre-distribuidor y el distribuidor. En tales condiciones, provoca el giro del rotor, al discurrir a través de los álabes de la turbina. A la salida del rotor, el tubo de aspiración produce una depresión o succión, es en este conducto donde nuevamente la energía cinética es convertida en energía de presión.

TURBINAS KAPLAN

Son turbinas de admisión total y clasificadas como turbinas de reacción. Se emplean en saltos de pequeña altura. alrededor de 50 m y menores alturas.

Debido a su singular diseño, permiten desarrollar elevadas velocidades específicas, obteniéndose buenos rendimientos, incluso dentro de extensos límites de variación de caudal.

ROTOR DE UNA TURBINA KAPLAN

Se asemeja a la hélice de barco, está formado por un número determinado de palas o álabes, de dos a cuatro para saltos de pequeña altura y de cinco a nueve cuando los saltos son mayores, por supuesto dentro del campo de aplicación de las turbinas Kaplan.

En las turbinas Kaplan, todas y cada una de las palas del rotor están dotadas de libertad de movimiento.

Las turbinas Kaplan, son también conocidas como turbinas de doble regulación.

ROTOR DE UNA TURBINA KAPLAN

En los rotores Kaplan, el interior del núcleo está lleno de aceite a fin de producir la estanqueidad para evitar el paso de agua a través de los ejes de las palas. Una de las características fundamentales de las turbinas Kaplan constituye el hecho que las palas del rotor están situadas a una cota más baja que la cota del distribuidor, de modo que el flujo del agua incide sobre las palas en su parte posterior en dirección paralela al eje de la turbina.

PARÁMETROS PARA EL DISEÑO DEL ROTOR

EXPRESIÓN DE ENERGÍA TRANSFERIDA

Expresando la energía transferida bajo la forma de componentes energéticas, en la turbina axial tiene la forma.

En esta ultima ecuación desaparece el término de acción centrípeta, ya que la velocidad de arrastre conserva el mismo valor a la salida que a la entrada, pues no hay traslación radial del agua durante el paso de ésta por el rotar, sino solamente axial, lo que justifica su nombre.