Filosofia de las turbinas hidraulicas
La turbina hidráulica es una rueda que gira debido al choque del agua con ella. Dependiendo del caudal de agua y de la energía cinética de ésta, se han desarrollado distintos tipos de turbinas, con el fin de obtener el máximo rendimiento
Turbinas
Definición: En la figura adjunta se muestra el esquema general de una turbina hidráulica. Estas turbinas se encuentran acopladas a los generadores, que serán los que generarán la energía eléctrica.
Tipos de turbinas hidráulicas:
Clasificación de las turbinas:
Turbinas de Impulso o Acción:
Pelton, Laval, Curtis.
Turbinas de Reacción:
Francis, Dériaz, Hélice, Kaplan.
Clasificación de las turbinas:
El grado de reacción para una turbina se define como la razón entre la altura de presión absorbida por el rodete y la altura total absorbida por el rodete
Turbinas de impulsión o acción:
Actualmente se le llama a aquella en la que la energía de presión o potencial del agua se convierte en energía cinética antes de que esta agua incida sobre una limitada porción periférica de un elemento rotativo, sin que haya un cambio posterior de presión.
.-Las actuales máquinas de impulsión son casi todas del tipo Pelton, siendo las convenientes para grandes alturas.
Turbinas de reacción
La conversión inicial presión- velocidad se realiza sólo parcialmente, de forma que el agua entra en el elemento rotativo por toda la periferia y el flujo pasa por todos los espacios libres.
Las modernas turbinas de reacción son del tipo Francis o bien de hélice, utilizándose para alturas medias y bajas respectivamente A diferencia de las bombas, la mayoría de las turbinas han de funcionar a potencia distinta de la normal durante considerables períodos de tiempo, haciéndose frente a las variaciones de carga, mediante la regulación de la cantidad de agua, pero manteniendo constante la velocidad de sincronismo.
Turbinas Pelton:
Posee las mejores características para grandes alturas, y desde luego es la única máquina capaz de funcionar con alturas superiores a 1.700 [m]. Son notables su suavidad de giro y su buen funcionamiento a carga parcial
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La tobera lanza a la atmósfera un chorro de alta velocidad que incide sobre una serie de cucharas o álabes montados en la periferia de una rueda.
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El par ejercido por el impacto y la desviación del chorro provoca el giro de la rueda. Una vez transmitida su energía a la rueda, el agua sale de los álabes a velocidad relativamente baja y es dirigida hacia el canal de desagüe..- Por tanto, la turbina ha de estar colocada a suficiente altura sobre el nivel máximo de crecida para asegurar el derrame libre
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En la turbina Pelton actual, la energía cinética del agua, en forma de chorro libre, se genera en una tobera colocada al final de la tubería a presión
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La tobera está provista de una aguja de cierre para regular el gasto, constituyendo en conjunto, el órgano de alimentación y de regulación de la turbina
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La turbina Pelton encuentra justa aplicación, en aquellos aprovechamientos hidráulicos donde la ponderación de la carga es importante respecto al caudal
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Entre las turbinas Pelton mas grandes instaladas hasta el momento se encuentran las de Mont- Cenis (Alpes franceses) de 272000 [hp] cada una, bajo 870 [m] de carga.
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Este sistema de montaje encuentra aplicación en aquellos casos donde se tienen aguas sucias que producen deterioros o notable acción abrasiva
Turbinas pelton eje vertical:
En este tipo de turbinas Pelton el número de chorros por rueda se reduce generalmente a uno o dos, por resultar complicada la instalación en un plano vertical de las tuberías de alimentación y las agujas de inyección
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Con el eje horizontal se hace también posible instalar turbinas gemelas para un solo generador colocado entre ambas, contrarrestando empujes axiales
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En este tipo de turbinas Pelton se facilita la colocación del sistema de alimentación en un plano horizontal, lo que permite aumentar el número de chorros por rueda (4 a 6); con esto se puede incrementar el caudal y tener mayor potencia por unidad
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Se acorta la longitud del eje turbina- generador; se amenguan las excavaciones; se puede disminuir el diámetro de rueda y aumentar la velocidad de giro, se reduce en fin el peso de la turbina por unidad de potencia
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Su aplicación es conveniente en aquellos casos donde se tienen aguas limpias que no produzcan gran efecto abrasivo sobre los alabes e inyectores, debido a que la inspección y las reparaciones con este montaje se hacen más difíciles.
Por otra parte, las turbinas Pelton se clasifican también en sencillas (un rodete y un chorro) y múltiples. Las turbinas Pelton se multiplican por el número de chorros, llamándose Pelton doble, triple, etc.
El álabe tiene la forma de doble cuchara, con una arista diametral sobre la que incide el agua produciéndose una desviación simétrica en dirección axial, buscando un equilibrio dinámico de la máquina en esa dirección.
Turbinas Francis:
Actualmente se emplean para alturas de 30 [m] a 460 [m], y como esta gama de alturas es la más frecuente, la máquina Francis tiene una gran superioridad numérica sobre los demás tipos.
El agua se dirige (con una apreciable componente tangencial de la velocidad) hacia el rodete por medio de una carcasa en espiral (caracol) y un cierto número de álabes de perfil aerodinámico (álabes directores) igualmente espaciados en la periferia.
Estos álabes directores son orientables, de modo que pueden abrir o cerrar completamente el paso del agua hacia el rodete, controlándose el grado de abertura desde el mando de la turbina a través de un mecanismo de enlace. Su misión es guiar el flujo hacia el rodete con el mínimo grado de turbulencia, así como regular el caudal y, por tanto, la potencia suministrada.
Al ser convergentes los álabes directores, la energía cinética a la entrada del rodete es mayor que en la tubería, y la costa de presión correspondiente será menor.
En su recorrido a través del rodete, el agua experimenta otra caída de presión, hasta que finalmente sale por el centro a baja presión y con escasa o ninguna componente tangencial de la velocidad.
Ventajas Turbinas Francis:
Su óptimo diseño hidráulico garantiza un alto rendimiento/Su diseño reforzado da una vida útil de muchas décadas en servicio continuo/Alta velocidad de giro permite pequeñas dimensiones/ La aplicación de modernos materiales reduce el mantenimiento de las piezas móviles al mínimo/La turbina Francis es instalada en todo lugar donde se dé un flujo de agua relativamente constante y donde se exige un alto rendimiento/ Su eficiencia es aproximadamente de 8 % por encima de la turbina de Flujo Cruzado, pero tiene la desventaja de no poder operar con grandes variaciones del caudal de agua.
Aplicaciones Turbinas Francis:
Las grandes turbinas Francis se diseñan de forma individual para cada emplazamiento, a efectos de lograr la máxima eficiencia posible, habitualmente más del 90%. Son muy costosas de diseñar, fabricar e instalar, pero pueden funcionar durante décadas./Además de la producción de electricidad, pueden usarse para el bombeo y almacenamiento hidroeléctrico, donde un embalse superior se llena mediante la turbina (en este caso funcionando como bomba) durante los períodos de baja demanda eléctrica, y luego se usa como turbina para generar energía durante los períodos de alta demanda eléctrica/Se fabrican micro turbinas Francis baratas para la producción individual de energía para saltos mínimos de 3 metros.
Turbinas kaplan:
La diferencia de los otros tipos de turbinas, es que esta se puede ajustar ambas alabes (los del rotor y los alavés de guía)./Se puede adaptar la turbina a diferentes niveles del caudal. /necesita mucho agua para su funcionamiento/Los ejes son de orientación horizontal ó vertical