UNIDAD VI TURBINAS HIDRAULICAS

UNIDAD VI TURBINAS HIDRAULICAS

 

La función de una planta hidroeléctrica es utilizar la energía potencial del agua almacenada en un lago, a una elevación más alta y convertirla, primero en energía mecánica y luego en eléctrica. Este proceso toma en consideración varios factores entre los cuales uno de los más importantes es la caída de agua (head). Este factor es decisivo al momento de escoger el tipo de turbina hidráulica que se instala en la planta.

 

La turbina hidráulica es la encargada de transformar la energía mecánica en energía eléctrica, por esto es de vital importancia saber elegir la turbina adecuada para cada sistema hidroeléctrico.

 

6.1 CLASIFICACION

 

Las turbinas se pueden clasificar de varias maneras estas son:

 

1.      Según la dirección en que entra el agua:

 

·        Turbinas axiales: el agua entra en el rodete en la dirección del eje.

·        Turbinas radiales: el agua entra en sentido radial, no obstante el agua puede salir en cualquier dirección.

 

2.      Deacuerdo al modo de obrar del agua:

 

·        Turbinas de chorro o de acción simple o directa.

·        Turbinas de sobrepresión o de reacción.

 

3.      Según la dirección del eje:

 

·        Horizontales.

·        Verticales.

 

Hay otras clasificaciones, según las condiciones de construcción, no obstante la clasificación más importante es la que las separa de acuerdo al modo de obrar el agua, estas son de reacción o de chorro.

 

Aunque hay muchas turbinas que entran en estas clasificaciones las más importantes son las turbinas Pelton, Francis y Kaplan. Una caída alta (entre 800 a 2000 pies) requiere una turbina para alta presión, de impulso o tipo Pelton. Si la caída es intermedia (entre 200 y 800 pies), entonces se escoge una turbina de reacción tipo Francis. Para caídas bajas (menores de 200 pies) se utiliza un tipo de turbina de reacción tipo Kaplan.

 

 

6.2 PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE TURBINAS DE ACCION

 

Las turbinas de acción transforman la energía de presión del vapor en velocidad en las toberas y el impulso del vapor a velocidad es el que mueve el rotor.

 

En las turbinas de acción, el vapor pasa a través de las boquillas y alcanza las palas. Éstas absorben una parte de la energía cinética del vapor en expansión, lo que hace girar la rueda y con ella el eje al que está unida. La turbina está diseñada de forma que el vapor que entra por un extremo de la misma se expande a través de una serie de boquillas hasta que ha perdido la mayor parte de su energía interna.

 

Las turbinas de acción habituales tienen varias etapas, en las que la presión va disminuyendo de forma escalonada en cada una de ellas. El objetivo de los escalonamientos en la turbina de vapor es  disminuir la velocidad del rodete conservando una velocidad de los álabes próxima al valor óptimo con relación a la velocidad del chorro de vapor, con lo que se consigue aumentar la eficiencia.

 

 

 

6.3 PRINCIPIOS DE FUNCIONAMENTO DE TURBINAS DE REACCION

 

En las turbinas de reacción, hay diferente presión a ambos lados de las ruedas de los álabes y esto es lo que impulsa el rotor. Mientras discurre el vapor entre los álabes móviles, disminuye su presión puesto que el espacio entre álabes es variable.

 

En ellas se produce un efecto parecido al que sustenta a los aviones. En las dos caras del ala de un avión hay una diferencia de presión, debido a la forma de la misma, que induce una diferencia de velocidades y que dan como consecuencia la diferencia de presiones antedicha.

 

La mayor parte de las veces los modelos son mixtos constando, primero de una rueda de acción, seguido de otras de reacción. Por lo general, las turbinas pequeñas son de acción y las grandes de reacción o mixtas.

Generalmente, las turbinas de reacción tienen mejor rendimiento.

 

 

 

 

6.4 SELECCION Y APLICACION

 

Uno de los principales criterios que se deben manejar a la hora de seleccionar el tipo de turbina a utilizar en una central, es la velocidad específica (N_s) cuyo valor exacto se obtiene a partir de la siguiente ecuación:

 

 

Donde:             

 

n_e son revoluciones por minuto, N es la potencia del eje o potencia al freno y h es la altura neta o altura del salto. Estos son los valores para el rendimiento máximo.       

 

La velocidad específica N_s es el número de revoluciones que daría una turbina semejante a la que se trata de buscar y que entrega una potencia de un caballo, al ser instalada en un salto de altura unitaria. Esta velocidad específica, rige el estudio comparativo de la velocidad de las turbinas, y es la base para su clasificación. Se emplea en la elección de la turbina más adecuada, para un caudal y altura conocidos, en los anteproyectos de instalaciones hidráulicas, consiguiendo una normalización en la construcción de rodetes de turbinas. Los valores de esta velocidad específica para los actuales tipos de turbinas que hoy en día se construyen con mayor frecuencia (Pelton, Francis, Hélices y Kaplan) figuran en el siguiente cuadro: 

            

Velocidad específica Ns	Tipo de Turbina
De 5 a 30	Pelton con un inyector
De 30 a 50	Pelton con varios inyectores
De 50 a 100	Francis lenta
De 100 a 200	Francis normal
De 200 a 300	Francis rápida
De 300 a 500	Francis doble gemela rápida o express
Más de 500	Kaplan o hélice

 

 

Tal como se mencionó anteriormente N_s sirve para clasificar las turbinas según su tipo. De hecho, N_s se podría denominar más bien característica, tipo o algún nombre similar, puesto que indica el tipo de turbina.

 

Al analizar la ecuación 1 se comprueba que a grandes alturas, para una velocidad y una potencia de salida dadas, se requiere una máquina de velocidad específica baja como una rueda de impulso. En cambio, una turbina de flujo axial con una alta Ns, es la indicada para pequeñas alturas. Sin embargo, una turbina de impulso puede ser adecuada para una instalación de poca altura si el caudal (o la potencia requerida) es pequeño, pero, a menudo, en estas condiciones el tamaño necesario de la rueda de impulso llega a ser exagerado.



Además, de esta ecuación se observa que la velocidad específica de una turbina depende del número de revoluciones por minuto; cantidad que tiene un límite, y además debe tenerse en cuenta que para cada altura o salto existe un cierto número de revoluciones con el que el rendimiento es máximo. También depende de la potencia N a desarrollar, función a su vez del caudal Q de que pueda disponer, y de la altura h del salto. Fijada la potencia y el caudal aprovechable, el valor de la velocidad específica indica el tipo de turbina más adecuado.

 

Hasta el momento, las ruedas de impulso se han utilizado para alturas tan bajas como 50 pies cuando la capacidad es pequeña, pero es más frecuente que se utilicen para alturas mayores de 500 o 1.000 pies, pues normalmente operan con una economía máxima si la carga es mayor que 900 pies. La altura límite para turbinas Francis es cercana a 1.500 pies debido a la posibilidad de cavitación y a la dificultad para construir revestimientos con el fin de soportar altas presiones; pero por lo general, suelen alcanzarse cargas de 900 pies con este tipo de turbinas. Para cargas de menos de 100 pies suelen usarse turbinas de hélice.

 

En ocasiones, una rutina de gran importancia dentro del proceso de selección de turbinas hidráulicas, es la comparación de éstas. Para comparar dos turbinas, se refieren a un salto cuya altura es la unidad (un metro), llamada salto típico, y cuyo caudal es  la unidad (un metro cúbico por segundo). En este estudio comparativo de turbinas hay ciertas magnitudes referidas a ese salto típico denominadas características, constantes unitarias, de una turbina o valores específicos; características que, comparando las turbinas, son de suma aplicación práctica, ya que al indicar las condiciones de funcionamiento sometidas a la acción de un mismo salto, dan muy clara y aproximada idea del adecuado empleo en cada caso de los diferentes tipos de turbina utilizados actualmente para anteproyectos de instalaciones hidráulicas con estos tipos normales.