Turbinas hidráulicas, selección y aplicación
Introducción
¡Hola!
Me siento muy feliz al saber que sigues aprovechando este curso, espero que lo sigas disfrutando, por lo tanto te invito a comenzar nuestra quinta clase con el tema Turbinas Hidráulicas, selección y aplicación.
Una turbina hidráulica es una máquina que transforma la energía de un fluido ya sea energía cinética o potencial, normalmente agua, en energía mecánica de rotación. La energía del agua puede ser por la caída en un salto de agua o por la propia corriente de agua.
Normalmente esta energía de rotación se utiliza para transformarla en energía eléctrica, mediante el acoplamiento de la turbina a un generador en las centrales hidráulicas. La caída del agua y/o el paso del agua por ella hace girar la turbina y el eje de la turbina, que está acoplado al generador, hace que este último gire produciendo energía eléctrica. Las turbinas hidráulicas tienen un rendimiento muy alto que incluso puede llegar a ser del orden del 90%.
La energía potencial del agua se transforma en energía de presión y en energía cinética. Tal energía puede transformarse en trabajo cuando el agua golpea un objeto tal que la dirección del flujo del agua cambie y el objeto se mueva como resultado de la acción del agua. La magnitud de la velocidad del agua se reduce debido a la fricción que se presenta por el flujo del agua a través de la superficie del objeto, y la energía entregada por el agua se transforma también en trabajo útil.
Si se utiliza una máquina adecuada, la energía existente en el agua que fluye o en el agua almacenada en un nivel apropiado, puede convertirse en potencia mecánica, que puede utilizarse para muchas aplicaciones o usos.
Por lo anterior te invito a que durante el desarrollo de la presente clase tengas un pensamiento crítico y reflexivo en cada uno de los temas que veremos, de la misma manera están programadas varias actividades que se llevarán a cabo a lo largo de nuestro curso.
Sin más por el momento te reitero la bienvenida a esta clase digital y mis mejores deseos para poder completar con éxito nuestro temario.
¡Comencemos la sesión!
Desarrollo del tema
Tipos de turbina y características
Clasificación
Turbina hidráulica
Tiene, básicamente, 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; una turbomáquina mono celular se compone de tres órganos diferentes que el fluido va atravesando sucesivamente, el distribuidor, el rodete y el difusor.
El distribuidor y el difusor (tubo de aspiración), forman parte del estator de la máquina, es decir, son órganos fijos; así como el rodete está siempre presente, el distribuidor y el difusor pueden ser en determinadas turbinas, inexistentes.
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, (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. Es también un órgano que transforma la energía de presión en energía de velocidad; en las turbinas hélico-centrípetas y en las axiales está precedido de una cámara espiral (voluta) que conduce el agua desde la sección de entrada, asegurando un reparto simétrico de la misma en la superficie de entrada del distribuidor.
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. Atendiendo a que la presión varíe o no en el rodete, las turbinas se clasifican en:
- Turbinas de acción o impulsión.
- Turbinas de reacción o sobrepresión.
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 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.
El difusor o tubo de aspiración, 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, permitiendo recuperar parte de la energía cinética a la salida del rodete para lo cual debe ensancharse; si por razones de explotación el rodete está instalado a una cierta altura por encima del canal de fuga, un simple difusor cilíndrico permite su recuperación, que de otra forma se perdería. Si la turbina no posee tubo de aspiración, se la llama de escape libre.
En las turbinas de acción, el empuje y la acción del agua coinciden, mientras que, en las turbinas de reacción, el empuje y la acción del agua son opuestos. Este empuje es consecuencia de la diferencia de velocidades entre la entrada y la salida del agua en el rodete, según la proyección de la misma sobre la perpendicular al eje de giro.
Atendiendo a la dirección de entrada del agua en las turbinas, éstas pueden clasificarse en:
- Axiales.
- Radiales. {centrípetas y centrífugas}
- Mixtas.
- Tangenciales.
En las axiales, (Kaplan) 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.
De acuerdo con la disposición del giro pueden ser de eje horizontal o vertical.
Selección del tipo de turbina hidráulica
Se determina la capacidad por instalar en un aprovechamiento hidroeléctrico y se conoce el número de unidades conveniente, se requiere especificar la potencia de diseño o potencia por turbina Pt, la carga Hd y el gasto Qd.
- Pt en kW
- Hd en metros
- Qd gasto o caudal en m3/seg
Se seleccionará de acuerdo con el caudal y la altura de la caída de agua.
Turbina Pelton
Es una turbina de acción o de chorro, tangencial y normalmente de eje horizontal. Se utiliza en saltos de agua de gran altura (superiores a 200 m) y con pequeños caudales de agua (hasta 10 metros cúbicos por segundo). El distribuidor está formado por una o varias entradas de agua al rodete. Los álabes que están situados sobre la periferia del rodete tienen forma de cuchara. La fuerza del impulso del agua es la responsable del giro de la turbina.
Turbina Francis
Es una turbina de reacción, radial-axial, normalmente de eje vertical, aunque pueden ser horizontal, se utiliza en saltos de altura intermedia (hasta los 200m) y con caudales muy variados de agua, entre 2 y 200 metros cúbicos por segundo. El distribuidor está compuesto de aletas móviles para regular el caudal de agua que conduce al rodete. El agua procedente de la tubería forzada entra perpendicularmente al eje de la turbina y sale paralela a él.
Turbina Kaplan
La turbina Kaplan es de reacción pura, radial-axial, y normalmente de eje vertical. Las características técnicas y de construcción son muy parecidas en ambos tipos (Francis y Kaplan). Se utiliza en saltos de pequeña altura de agua (hasta 50m) y con caudales que suelen superar los 15 metros cúbicos por segundo. Para mucho caudal de agua a poca altura esta turbina es la mejor opción, además pueden variar el ángulo de sus palas durante su funcionamiento.
Te invito a ver el siguiente recurso para mejorar tu aprendizaje:
Conclusión
A manera de conclusión podemos decir que existen diferentes tipos de turbinas, y que la correcta selección de cada una de ellas depende de varios factores como la altura del tipo de la cortina, el tipo de central en general, etc.
Las turbinas hidráulicas son elementos principales dentro de una central hidroeléctrica, por tal motivo es de suma importancia la correcta selección y mantenimiento de ella, junto con el generador son el alma de la central generadora de energía eléctrica.
Es así como se concluye pues con esta quinta sesión. ¡Felicitaciones por tu esfuerzo y dedicación! No olvides realizar y mandar en tiempo y forma tu tarea, hasta luego.
Fuentes de información
- Klempner, G., & Kerszenbaum, I. (2008). Handbook of Large turbo-generators, operation and maintenance. (2a ed.). Wiley-IEEE Press.
- Nag. P. K. (2002). Power Plant Engineering. (2a ed.).Tata McGraw Hill Education.
- Drbal, L., Westra, K., & Boston, P. (Eds). (1996). Power Plant Engineering. Springer EE. UU.