TURBINAS HIDRÁULICAS

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 Hidráulica en energía eléctrica, por esto es de vital importancia saber elegir la turbina adecuada para cada sistema hidroeléctrico.

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.

TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS.

1) TURBINA PELTON.

Las turbinas Pelton, se conocen como turbinas de presión por ser ésta constante en la zona del rodete, de chorro libre, de impulsión, o de admisión parcial por ser atacada por el agua sólo una parte de la periferia del rodete. Así mismo entran en la clasificación de turbinas tangenciales y turbinas de acción.

Su utilización es idónea en saltos de gran altura (alrededor de 200 m y mayores), y caudales relativamente pequeños (hasta 10 m3/s aproximadamente). Pueden ser instaladas con el eje en posición vertical u horizontal, siendo esta última disposición la más adecuada, la cual servirá de referencia para hacer las descripciones necesarias.

• CARACTERISTICAS:

Ø   Eje vertical y horizontal.

Ø Número de inyectores 1 a 4. Conjunto formado por válvula de entrada, turbina y generador asíncrono.

Ø El rodete o rueda PELTON esta constituido por un disco de acero con álabes, como ya se ha dicho, de doble cuchara ubicada en la periferia de la rueda. Estos álabes puedes estar fundidos con la misma rueda o unidos individualmente por medio de bulones o pernos.

Ø Rodete en cobre-aluminio o inox.

Ø Inyectores en inox.

Ø El Número de álabes suele ser de 17 a 26 por rueda, todo esto dependiendo de la velocidad específica; Cuando se necesita una velocidad alta el número de álabes es pequeño debido a que a mayor velocidad específica, mayor caudal lo que exige álabes mas grandes y con esto caben menos en cada rueda.

• COMPONENTES: En la imagen siguiente se observan los componentes de una turbina Pelton de eje horizontal, con dos equipos de inyección.
  A continuación se realiza  una amplia descripción de cada uno de ellos.

a) Distribuidor de una turbina Pelton: Está constituido por uno o varios equipos de inyección de agua. Cada uno de dichos equipos, formado por determinados elementos mecánicos, tiene como misión dirigir, convenientemente, un chorro de agua, cilíndrico y de sección uniforme, que se proyecta sobre el rodete.

b) Cámara de distribución: Consiste en la prolongación de la tubería forzada, acoplada a ésta mediante brida de unión, posteriormente a la situación de la válvula de entrada a turbina, según la trayectoria normal del agua.

c) Inyector: Es el elemento mecánico destinado a dirigir y regular el chorro de agua. 

d) Equipo de regulación de velocidad: Está constituido por un conjunto de dispositivos   electro-mecánicos, a base de servomecanismos, palancas y bielas. 

e) Rodete de una turbina Pelton: Es la pieza clave donde se transforma la energía          hidráulica del agua, en su forma cinética, en energía mecánica o, dicho de otra manera, en  trabajo según la forma de movimiento de rotación. 

Ø  Rueda motriz: Está unida rígidamente al eje, montada en el mismo por medio de chavetas y anclajes adecuados. Su periferia está mecanizada apropiadamente para ser soporte de los denominados cangilones.

Ø  Cangilones: También llamados álabes, cucharas o palas. Son piezas de bronce o de acero especial para evitar, dentro de lo posible, las corrosiones y cavitaciones.

f) Carcasa de una turbina Pelton: Es la envoltura metálica que cubre los inyectores, rodete y otros elementos mecánicos de la turbina. Su misión consiste en evitar que el agua salpique al exterior cuando, después de incidir sobre los cangilones, abandona a éstos.

    Dispone de un equipo de sellado, en las zonas de salida del eje, a fin de eliminar fugas de agua. Puede estar formado por un laberinto metálico dotado de drenajes, o bien por juntas de estanqueidad, prensaestopas, etc. 

g) Cámara de descarga de una turbina Pelton: Se entiende como tal la zona por donde cae el agua libremente hacia el desagüe, después de haber movido al rodete. También se conoce como tubería de descarga. 

h) Sistema hidráulico de frenado de una turbina Pelton: Consiste en un circuito de agua derivado de la cámara de distribución. El agua, proyectada a gran velocidad sobre la zona convexa de los cangilones, favorece el rápido frenado del rodete, cuando las circunstancias lo exigen.

i) Eje de una turbina Pelton: Rígidamente unido al rodete, y situado adecuadamente sobre cojinetes debidamente lubricados, transmite el movimiento de rotación al eje del alternador.

2) TURBINAS FRANCIS.

Son conocidas como turbinas de sobrepresión por ser variable la presión en las zonas del rodete, o de admisión total ya que éste se encuentra sometido a la influencia directa del agua en toda su periferia. También se conocen como turbinas radiales-axiales y turbinas de reacción.

Las turbinas Francis, son de rendimiento óptimo, pero solamente entre unos determinados márgenes (para 60 % y 100 % del caudal máximo), siendo una de las razones por la que se disponen varias unidades en cada central, al objeto de que ninguna trabaje, individualmente, por debajo de valores del 60 % de la carga total. 

• CARACTERISTICAS:

*Están formadas por una espiral que va a alimentar al rodete.

*Se utilizan para caídas medianas.

*Tienen un distribuidor que orienta el agua hacia el rodete.

*Asemejan una bomba centrífuga.

*El agua no está a la presión atmosférica. 

*Descargan a contra presión.

*Generalmente están provistas de una válvula mariposa como medida de prevención.

• COMPONENTES:

a) Cámara espiral de una turbina Francis: Está constituida por la unión sucesiva de una serie de virolas tronco-cónicas, cuyos ejes respectivos forman una espiral. Desde el acoplamiento con la tubería forzada, donde el diámetro interior de la virola correspondiente alcanza su valor máximo, la sección interior, circular en la mayoría de los casos, va decreciendo paulatinamente hasta la virola que realiza el cierre de la cámara sobre sí misma, cuyo diámetro interior se reduce considerablemente. Esta disposición 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. 

   En la zona periférica interna y concéntrica con el eje de la turbina se encuentra una abertura circular formando un anillo, cuyos extremos están enlazados paralelamente al eje de la turbina por una sucesión de palas fijas equidistantes una de otra, a través del cual fluirá el agua, esta zona es denominada pre-distribuidor de la turbina.

b) Distribuidor de una turbina Francis: El 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. Su función es la de distribuir y regular, eventualmente cortar totalmente, el caudal de agua que fluye hacia el rotor.

• Palas directriceso álabes directrices : son las palas móviles, cada una de ellas al unísono con las demás pueden orientarse dentro de ciertos límites, al girar su eje pasando de la posición de cierre total a la de máxima apertura.

• Equipo de accionamiento de palas directrices: Se trata de un conjunto de dispositivos mecánicos, a base de servomecanismos, palancas y bielas, que constituyen el equipo de regulación de la turbina, gobernado por el regulador de velocidad. 

• Servomotores: Normalmente son dos, cada uno de los cuales, accionado por aceite a presión según órdenes recibidas del regulador, desplaza una gran biela, en sentido inverso una respecto de la otra, a modo de brazos de un par de fuerzas, proporcionando un movimiento de giro alternativo a un aro móvil, llamado anillo o volante de distribución, concéntrico con el eje de la turbina.

• Anillo de distribución: Con sus movimientos, en sentido de apertura o cierre total o parcial, hace girar a todas y cada una de las palas directrices, por medio de palancas de unión entre éste y la parte superior de cada uno de los ejes respectivos de aquellas.

• Bielas y bieletas: La conexión entre la bieleta correspondiente, ligada al anillo, y el eje de la pala directriz respectiva, se realiza mediante una biela formada, en ocasiones, por dos piezas superpuestas adecuadamente, o disposición similar, en cuyo caso, el punto común de enlace entre las mismas puede ser un bulón que, además, hace la función de fusible mecánico.

c) Rodete de una turbina francis: Se trata de la pieza fundamental mediante la cual se obtiene la energía mecánica deseada. Está unido rígidamente al eje de la turbina y perfectamente concéntrica con el distribuidor. Consta de un núcleo central alrededor del cual se encuentra dispuesto determinado número de palas de superficie alabeada equidistantemente repartidas y fijadas al núcleo.

Forma una pieza única hecha por fundición o soldadura sin uniones ni fijaciones accesorias
Las palas están unidas por su parte  externa inferior a un anillo que hace cuerpo con las mismas. En su extremo superior van unidas a otro anillo el cual va sujeto al eje de la turbina. La longitud y mayor o menor inclinación respecto al eje de la turbina de las palas o álabes del rotor dependen del caudal, de la altura del salto y de la velocidad específica. 

Experimentalmente, se ha establecido que el número de álabes del rotor debe de ser diferente al de álabes del distribuidor, en caso contrario se producirían vibraciones al coincidir los espacios de ambos conjuntos.

d) Tubo de aspiración de una turbina Francis: Recibe otros nombres, tales como hidrocono, difusor, etc. Consiste en una conducción, normalmente acodada, que une la turbina propiamente dicha con el canal de desagüe. Tiene como misión recuperar al máximo la energía cinética del agua a la salida del rodete o, dicho de otra forma, aprovechar el salto existente entre la superficie libre del agua y la salida del rodete. 

e) Cojinete guía de una turbina Francis:  Está situado lo más cerca posible del rodete, sobre la tapa superior de turbina, inmediatamente por encima del cierre estanco o sellado del eje. Consta de un anillo dividido radialmente en dos mitades o bien de una serie de segmentos, que asientan con perfecto ajuste sobre el eje. Las superficies en contacto con éste, están recubiertas de metal blanco, antifricción (aleación a base de estaño, antimonio, cobre, plomo, cadmio, etc., en distintos porcentajes), y suelen tener tallados, vertical o diagonalmente, unos canales sobre la superficie de contacto con el eje, para favorecer la circulación de aceite y así lograr su autolubricación. 

f) Cojinete de empuje: Este elemento, conocido también como soporte de suspensión, pivote, rangua o quicio, característico y necesario en todos los grupos de eje vertical, hemos de considerado como un componente propio de dichos grupos en sí y no de las turbinas hidráulicas que responden a tales condiciones de instalación. 

3) TURBINAS KAPLAN.

Las turbinas tipo 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), con caudales medios y grandes (aproximadamente de 15 m3/s en adelante). Debido a su singular diseño, permiten desarrollar elevadas velocidades específicas, obteniéndose buenos rendimientos, incluso dentro de extensos límites de variación de caudal.

• CARACTERISTICAS:

* Se utilizan para caídas baja

* El rodete recuerda la forma de una hélice de barco.

* El ángulo de inclinación de las palas del rodete es regulable.

* Se utilizan para gastos muy grandes.

* La regulación se efectúa por medio de un distribuidor como en las Francis y además con el ángulo de inclinación de las palas en el rodete.

• COMPONENTES: Algunos componentes de una turbina kaplan son:
  Ø  Cámara espiral
  Ø  Distribuidor
  
  Ø  Rotor o rodete
  Ø  Tubo de aspiración.
  Ø  Eje
  Ø  Equipo de sellado
  Ø  Cojinete guía
  Ø  Cojinete de empuje

El único componente de las turbinas kaplan, que podría considerarse como distinto al de las turbinas Francis, es el rotor o rodete.

Rotor De Una Turbina Kaplan

Se asemeja a la hélice de barco, esta formado por un numero determinado de palas o álabes, de 2 a 4 para saltos de pequeña altura y de 5 e 9 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, pudiendo orientarse dentro de ciertos límites sobre sus asientos respectivos situados en el núcleo, llamado también cubo del rodete, adoptando posiciones de mayor o menor inclinación respecto al eje de la turbina según órdenes recibidas del regulador de velocidad.

Las turbinas Kaplan, son también conocidas como turbinas de doble regulación, por intervenir en el proceso de regulación tanto las palas del distribuidor, como sobre las palas del rotor dependiendo de las condiciones de carga y del salto existente. Con este procedimiento se consiguen elevados rendimientos, incluso para cargas bajas y variables, así como en el caso de fluctuaciones importantes del caudal.

Se distinguen tres sistemas de gobierno de las palas del rotor, dependiendo de la ubicación del servomotor de accionamiento en las distintas zonas del eje del grupo turbina-generador.

Así se tiene:

Ø  Servomotor en cabeza: el servomotor está instalado en el extremo superior del eje, en la zona del generador.

Ø  Servomotor intermedio: en este caso está situado en la zona de acoplamiento de los ejes de la turbina y del generador.

Ø  Servomotor en núcleo: está alojado en el propio núcleo del rotor. 

En algunas turbinas kaplan las palas del rotor se pueden orientar con mecanismos accionados por motores eléctricos y reductores de velocidad ubicados en el interior del eje. 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.