La clasificación fundamental de una turbina y el análisis interno de turbinas de acción y de reacción.
I.- TIPOS DE TURBINAS HIDRAULICAS
- La rueda Pelton
- La turbina Francis
- La de hélice o turbina Kaplan
El tipo más conveniente dependerá en cada caso del salto de agua y de la potencia de la turbina.
- La rueda Pelton conviene para saltos grandes.
- La turbina Francis para saltos medianos.
- La turbina de hélice o turbina Kaplan para saltos pequeños.
II.- TURBINA PELTON
Las turbinas Francis espiral
Clasificacion de las turbinas Francis
La tendencia a la construcción de turbinas cada vez más rápidas, para velocidades específicas ns mayores de 450, conduce a las turbinas hélice y Kaplan, ya que en las turbinas Francis con ns del orden de 400, el agua no se puede guiar y conducir con precisión.
Se llaman así cuando la transformación de la energía potencial en energía cinética se produce en los órganos fijos anteriores al rodete (inyectores o toberas). En consecuencia el rodete solo recibe energía cinética. La presión a la entrada y salida de las cucharas (o alabes) es la misma e igual a la atmosférica.
I.- TIPOS DE TURBINAS HIDRAULICAS
Hay tres tipos principales de turbinas hidráulicas:
- La rueda Pelton
- La turbina Francis
- La de hélice o turbina Kaplan
El tipo más conveniente dependerá en cada caso del salto de agua y de la potencia de la turbina.
En términos generales:
- La rueda Pelton conviene para saltos grandes.
- La turbina Francis para saltos medianos.
- La turbina de hélice o turbina Kaplan para saltos pequeños.
II.- TURBINA PELTON
La turbina Pelton fue inventada por Lester A. Pelton. Esta turbina se define como una turbina de acción, de flujo tangencial y de admisión parcial. Opera más eficientemente en condiciones de grandes saltos, bajos caudales y cargas parciales.
Tipos de Turbinas Pelton
Microturbinas Pelton
Se usan en zonas rurales aisladas donde se aprovechan los recursos hidroenergéticos que existen en pequeños ríos o quebradas para transformarlos en energía mecánica o eléctrica. Para hacer posible este proceso se tiene que hacer un grupo de obras así como obtener equipos especiales, estos se dividen normalmente en tres grupos: obras civiles, equipo electromecánico y redes eléctricas.
Miniturbinas Pelton
Según las normas europeas las minicentrales hidroeléctricas son aquellas que están comprendidas en el rango de 100kW a 1000Kw de potencia. Según la organización Latinoamericana de Energía clasifica en el rango de 50kW a 500kW. Los modelos desarrollados por ITDG cubren el rango de 50kW a 1000kW.
Picoturbinas Pelton
La aparición de picocentrales hidroeléctricas y consecuentemente de picoturbinas, tiene apenas una década. El rango de picocentrales está por debajo de los 10kW. Las picoturbinas se aprovechan por los recursos hidráulicos existentes en quebradas muy pequeñas, manantiales u otras fuentes donde existen algunos chorros de agua y alguna pequeña caída que podría transformarse n energía mecánica o eléctrica. Las picoturbinas se diseñan en la actualidad como pequeños bloques compactos, donde en una sola unidad se incluyen todas sus partes. Se caracteriza principalmente por su pequeño tamaño, su ver satilidad y por su facilidad para el transporte e instalación.
III.- TURBINA FRANCIS
La turbina Francis es en la actualidad, la turbina hidráulica típica de reacción de flujo radial, lleva este nombre en honor al ingeniero James Bichano Francis , fue encargado de realizar proyectos hidráulicos utilizando turbinas centrípetas, esto es con recorrido radial del agua de afuera hacia dentro, para un debido aprovechamiento de la acción centrípeta.
La Turbina Francis presenta las siuientes caracateristicas:
Su optimo diseño hidrualico 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 moviles
Tipos de Turbinas Pelton
Las turbinas Francis de Pozo
Son principalmente utilizadas en la rehabilitación de centrales hidroeléctricas existentes, con bajas caídas de aproximadamente 1,5 m - 10 m y grandes volúmenes de agua. También para nuevas instalaciones se podría tener en cuenta la construcción de una turbina Francis de Pozo. La selección de esta turbina exige una apropiada experiencia, especialmente en el ámbito de aplicación común de la turbina Francis de Pozo con la turbina de Flujo Cruzado, con gusto le ofrecemos nuestra asesoría calificada para su proyecto específico.
Las turbinas Francis espiral
Son empleadas predominantemente en instalaciones con potencias mayores, alturas de caídas de 5 m hasta aproximadamente 250 m y donde no varía mucho el caudal de agua. Por sus elevados números de revoluciones se puede lograr casi siempre la velocidad síncrona de un generador, lo que permite un acople directo entre la turbina y el generador. Cuando la turbina Francis espiral compite con la turbina Pelton se debe analizar con mucho cuidado varios aspectos adicionales (como la velocidad de giro, materiales en suspensión en el agua, variaciones en la oferta hídrica, etc.).
Clasificacion de las turbinas Francis
Turbina Francis radial
Turbina Francis radial - Axial (flujo dual)
IV.- TURBINA KAPLAN
La importancia de las turbinas Hélice y Kaplan en pequeños saltos con grandes caudales, las hacen idóneas tanto en posición horizontal como vertical; por su similitud con las turbinas Bulbo, empleadas tanto en centrales maremotrices como en algunas minicentrales hidráulicas, presentamos este somero estudio que permite comprender su funcionamiento y campos de aplicación.
La tendencia a la construcción de turbinas cada vez más rápidas, para velocidades específicas ns mayores de 450, conduce a las turbinas hélice y Kaplan, ya que en las turbinas Francis con ns del orden de 400, el agua no se puede guiar y conducir con precisión.
El rodete está compuesto por unas pocas palas, que le confieren forma de hélice de barco; cuando éstas sean fijas, se llama turbina hélice, mientras que si son orientables se denominan turbinas Kaplan; en ambos casos las turbinas funcionan con un único sentido de giro de rotación; son pues turbinas irreversibles.
Si además de tener las palas orientables, las turbinas funcionan en los dos sentidos de rotación (turbinas reversibles), y asimismo pueden actuar como bombas hélice accionadas por el propio generador, se las denomina turbinas Bulbo.
En lo que sigue, vamos a exponer una teoría relativa al cálculo de turbinas Kaplan, que se puede aplicar directamente a las turbinas hélice y Bulbo.
Es axial y tangencial (giro).
Radiales: El desplazamiento en el rodete es perpendicular al eje. No tiene componente axial.
Mixtas: Tiene componente Axial, radial y tangencial.En la actualidad, las turbinas que dominan el campo en las centrales hidroeléctricas son:· Pelton (de acción)
El rendimiento de todas ellas supera el 90%. Podemos comparar sus rendimientos en función con el porcentaje del caudal nominal para las que fueron diseñadas.
La potencia de la instalación vendrá determinada por la altura del salto y por el caudal del que se disponga en dicho salto, esto es, podemos conseguir potencia o por la altura o por el caudal, como podemos comprobar:
Para todas las turbinas hidráulicas que son geométricamente semejantes se mantiene constante la relación entre la potencia de salida y la altura del salto, a esta constante, que diferencia a una familia de turbinas con otras se les llama velocidad especifica ns.
La velocidad especifica ns de las turbinas es el parámetro clave para fijar el tipo de turbina y su diseño, viene expresada por la siguiente ecuación:Las velocidades especificas ns pueden abarcar desde ns= 10 hasta ns=1150. Para una potencia Pe y un número de revoluciones n, los saltos de alta presión nos llevan a una velocidad especifica ns baja. Por el contrario, los saltos de baja presión (baja altura) nos conducen a velocidades especificas nsaltas. En función de la altura del salto y la velocidad especifica de la turbina podemos clasificar el uso de los distintos tipos de turbinas:
En el gráfico podemos comprobar como la potencia en una turbina Pelton se consigue más por la altura que por el caudal. La altura de los saltos característicos para estas turbinas varían entre los 100 y 2000 metros . Su velocidad especifica ns resulta baja entre 10 y 30 con un solo inyector.Las turbinas Francis, siguen en utilización a las Pelton. Han evolucionado desde un paso del flujo a través del rodete casi radial a un paso casi axial, adaptándose bien a alturas de entre 30 y 550 metros a una gran variedad de caudales. Sus velocidades especificas están entre ns 75 y 400.Las turbinas hélice son una prolongación de las Francis en las que el flujo a su paso por el rodete es totalmente axial. En las turbinas hélice los alabes del rodete son fijos, en cambio en la Kaplan estos cambian automáticamente de posición, buscando que el agua entre tangente a los mismos sea cual fuere la demanda de carga de la central. La turbina Kaplan se adapta de pequeñas alturas y grandes caudales. Las alturas varían entre los 4 y 90 metros y su velocidad especifica ns esta comprendida entre los 300 y 900.Finalmente, la demanda creciente de energía obliga al diseño de toda clase de aprovechamiento (menores alturas y mayores caudales, aparece entonces la turbina bulbo, capaz de aprovechar saltos de entre 1 u 15 metros de altura. Con ella el campo de aplicación de las turbinas aumenta hasta ns1150.Podemos ver en la siguiente figura una TURBINA DE PELTON
Podemos ver en la siguiente figura una TURBINA DE FRANCIS
La tecnología de las principales instalaciones se ha mantenido igual durante el siglo XX. Las turbinas pueden ser de varios tipos, según los tipos de centrales: Pelton (saltos grandes y caudales pequeños), Francis (salto más reducido y mayor caudal), Kaplan (salto muy pequeño y caudal muy grande) y de hélice. Las centrales dependen de un gran embalse de agua contenido por una presa. El caudal de agua se controla y se puede mantener casi constante. El agua se transporta por unos conductos o tuberías forzadas, controlados con válvulas para adecuar el flujo de agua por las turbinas con respecto a la demanda de electricidad. El agua sale por los canales de descarga.
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