Turbinas Hidraulicas
Un elemento esencial de una instalación hidroeléctrica es la turbina hidráulica.
La turbina hidráulica es el dispositivo encargado de convertir la energía cinética y potencial del agua en energía mecánica de rotación de un árbol, el cual se conecta al árbol de baja de una caja multiplicadora de engranajes con el propósito de elevar la revoluciones hasta la velocidad de rotación de un generador eléctrico acoplado al árbol de alta de dicha caja.
Una turbomáquina es una máquina cuyo elemento principal es un rodete (rotor giratorio) a través del cual pasa un fluido de forma continua, cambiando éste su cantidad de movimiento por acción de la máquina. Se da así una transferencia de energía entre la máquina y el fluido a través del momento del rotor sea en sentido máquina-fluido (como en el caso de una bomba hidráulica) o fluido-máquina (como en el caso de una turbina).
Las turbomáquinas se diferencian de otras máquinas térmicas en el hecho de que funcionan de manera continua y no discreta como es el caso de los compresores de émbolo, las bombas de vapor a pistón o los populares motores alternativos de pistón (todas ellas máquinas de desplazamiento volumétrico o positivo). Además, a diferencia de motores rotativos como el motor Wankel, dicho intercambio de energía se produce por un intercambio de momento debido al giro del rotor.
En cuanto al modo de funcionamiento, las turbinas se pueden clasificar en dos grupos:
Turbinas de acción y turbinas de reacción.
Las turbinas de acción aprovechan la presión dinámica debida a la velocidad del agua en el momento de su acción en la turbina, (Turbinas Ossberger o flujo cruzado, Turgo , Pelton).
Las turbinas de acción se clasifican en el grupo de las denominadas turbinas tangenciales ya que, fundamentalmente, el agua se mueve en un plano tangencial al rodete.
Las turbinas de reacción aprovechan además la presión estática al trabajar en el interior de compartimentos cerrados a presión superior a la atmosférica. ( Turbinas Francis, Kaplan)
A diferencia de las turbinas de acción donde el rodete opera al aire, en estas debe estar completamente sumergido para ser eficaz, las turbinas de reacción son turbinas de admisión total.
Turbinas Pelton
La turbina Pelton, inventada por el ingeniero estadounidense Lester Allen Pelton (1829-1908), constituye la turbina de acción más ampliamente utilizada. Consta de una rueda o rodete, que dispone en su periferia una especie de cucharas (Figura). Este tipo de turbina no presenta una gran tipología de sistemas de admisión de agua, sino que, normalmente, la admisión se realiza por la tubería forzada. El chorro de agua, dirigido y regulado por uno o varios inyectores, choca contra las cucharas en dirección tangencial al rodete y perpendicular a su eje de giro, que puede ser horizontal o vertical, provocando el movimiento de rotación del árbol de la turbina.
Como puede observarse en la Figura, el rodete, con excepción
de las cucharas que en un instante son directamente impulsadas por el chorro del
inyector, se mueve en el aire. Como el inyector dirige el chorro hacia una zona limitada del
rodete la admisión es de tipo admisión parcial. La potencia se regula controlando la cantidad
de agua que sale por el inyector o inyectores. Normalmente, con el propósito de evitar el
golpe de ariete cuando la válvula de aguja se cierra bruscamente, estas turbinas disponen de
un deflector, el cual tiene como función desviar el chorro de agua hacia el canal de descarga
(a la presión atmosférica) para que no incide sobre las cucharas y así la turbina no se acelere
o embale.
En las turbinas Pelton la función de la carcasa es evitar que el agua salpique, además de los riesgos de accidentes, ya que el agua una vez que impulsa las cucharas sale de éstas con velocidades muy bajas, por tanto, contiene escasa energía cuando cae al canal de descarga.
Debido a la forma de operar de estas turbinas, el salto aprovechable es desde la cota de agua del embalse superior hasta la altura del inyector, que lanza el chorro contra el rodete.
Este tipo de turbinas se suelen emplear en centrales hidroeléctricas que disponen de un gran salto, independientemente de la variación de caudal.
El rendimiento de las turbinas Pelton es muy alto, ya que prácticamente el 90% de la energía del agua se transforma en energía mecánica en el árbol. Además este rendimiento se mantiene en un rango de potencias superior al 80%. Son, por tanto, turbinas muy apropiadas para trabajar con cargas parciales, y en consecuencia, para regular sistemas eléctricos.
Turbina Francis
Dentro del grupo de turbinas de reacción pueden mencionarse la turbina Francis y la turbina Kaplan. A diferencia de la turbina de acción, en la cual el rodete opera al aire, en la turbina de reacción el rodete debe estar completamente sumergido para funcionar eficazmente,
Por tanto, las turbinas de reacción son turbinas de admisión total.
La turbina Francis, inventada por el ingeniero de origen inglés James Bichens Francis (1815-1892), es la turbina más comúnmente utilizada en las actuales centrales hidroeléctricas (Figura).
Este tipo de turbina, que puede presentar variedad de formas, se compone de: cámara de alimentación, pre distribuidor, distribuidor, rodete y tubo de aspiración.
Una característica de esta turbina es el hecho de que el agua cambia de dirección en su paso por la misma. El flujo entra en la turbina en dirección radial fluyendo hacia su eje, pero sale en dirección axial, por ello se dice que es una turbina de tipo radio-axial.
La entrada del agua en la turbina se produce a través de la cámara de alimentación, la cual presenta una tipología variada, aunque el tipo que lleva a cabo la admisión óptima del agua utilizando menores dimensiones y más alto rendimiento es la denominada cámara espiral.
La cámara de alimentación espiral tiene como función distribuir el agua por toda la periferia del rodete pasando por un componente estático denominado predistribuidor y un componente con álabes móviles llamado distribuidor.
La función del predistribuidor es servir de estructura soporte de la turbina y esta compuesta, normalmente, por dos anillos paralelos unidos entre sí por columnas o álabes fijos, que guían al agua en su camino hacia el rodete.
El distribuidor está constituido por un cierto número de álabes móviles situados en un
anillo concéntricamente dispuesto entre el pre-distribuidor y el rodete de la turbina.
La misión del distribuidor es la regulación del caudal que se dirige al rodete y así regular la potencia de la turbina. Asimismo, si la carga se desconecta, el distribuidor puede cerrar la entrada de caudal al rodete e impedir que la turbina se acelera. Para ello, los ejes de giro de los álabes móviles (normalmente, un número doble que el número de columnas álabes del predistribuidor) del distribuidor pueden orientarse entre límites que van desde la posición de
cierre total a la de apertura máxima.
Estos álabes móviles giran simultáneamente gracias a mecanismos biela-manivela que los conectan a un anillo de regulación, el cual puede ser exterior o interior. El giro del anillo de regulación se suele realizar mediante el empleo de servomotores.
El rodete está constituido por un conjunto de álabes que se encuentran rígidamente unidos por su parte externa inferior a un aro y por su extremo superior a otro aro que contiene al cubo, donde se conecta el árbol de la turbina que transmite la energía cinética de rotación al generador.
Todas las turbinas de reacción han de disponer de un tubo de aspiración o difusor, el cual tiene entre sus cometidos:
servir de vía de transporte del agua al canal de descarga, una vez que ésta a abandonado el rodete;
recuperar la altura estática (altura de aspiración) existente entre la salida del rodete y el nivel de agua del canal de descarga;
recuperar la mayor parte posible de la energía cinética a la salida del rodete, la cual aumenta al incrementarse la velocidad específica.
La velocidad específica de una turbina es el número de revoluciones ns (rpm) a la que tendría que girar para producir 1 kW de potencia con un salto de 1 metro.
Además, se cumple que todas las turbinas con idénticas proporciones geométricas, aunque los tamaños sean diferentes, tienen una misma velocidad específica.
Donde n ⇨ es la velocidad de sincronismo
P ⇨ la potencia de la turbina
H ⇨ la altura del salto
Tubo de aspiración
Todas las turbinas de reacción han de disponer de un tubo de aspiración o difusor, el cual tiene entre sus cometidos:
Servir de vía de transporte del agua al canal de descarga, una vez que esta abandonó el rodete
Recuperar la altura estática (altura de aspiración) existente entre la salida del rodete y el nivel de agua del canal de descarga.
Recuperar la mayor parte posible de la energía cinética a la salida del rodete.
Existen varios tipos de tubos de aspiración, entre ellos se pueden mencionar los tubos de aspiración rectos y los tubos acodados, los cuales pueden presentar secciones transversales diversas.
Desde el punto de vista del rendimiento, el tubo de aspiración recto de sección troncocónica es el más adecuado para la desaceleración del flujo de agua. Incluso, puede mejorarse si el extremo de dicho tubo tiene forma de embudo o abocinada. La presión del agua en la parte superior del tubo depende de la altura estática de aspiración y del porcentaje en que se reduce la velocidad del agua al pasar por él. Una reducción importante precisa de un tubo largo.
El inconveniente del tubo de aspiración es que para su instalación se precisa realizar una excavación, a veces importante, para conseguir una adecuada evacuación del caudal de agua. Por ello, cuando el coste de excavación lo exija pueden utilizarse tubos de aspiración acodados, aunque se sacrifique algo el rendimiento.
Las turbinas de reacción aprovechan la velocidad y la presión del agua, por tanto, aprovechan la altura del salto desde la cota de agua del embalse hasta la cota del nivel de agua del desagüe.
La turbina Francis se adapta muy bien a distintos saltos y caudales y presenta un rango de operación considerable. Estas turbinas se pueden encontrar en instalaciones con saltos
de 2 metros o en instalaciones con saltos de 200 metros.
Turbinas Kaplan
La turbina Kaplan, inventada por el ingeniero austriaco Viktor Kaplan (1876-1934),
puede ser de dos tipos: de regulación doble (verdadera Kaplan) y regulación simple o semi-Kaplan.
La turbina Kaplan (ver figura) cuenta, básicamente, con los mismos componentes que la turbina Francis, es decir, dispone de: cámara de alimentación, pre distribuidor, distribuidor, rodete y tubo de aspiración. Sin embargo, el rodete de la turbina Kaplan, a diferencia de la turbina Francis, está compuesto por una hélice cuyas palas son ajustables, lo que le proporciona un mayor rango de operación con más altos rendimientos. Por tanto, la turbina Kaplan cuenta con dos mecanismos de regulación: el distribuidor y el rodete.
https://youtu.be/ZtNOpopvO7c ( comparacion de Turbinas Vistas)
Campo de utilización y rendimientos de las turbinas
Puede concluirse de lo expuesto hasta ahora que cada tipo de turbina dispone de un rango de utilización, en función del caudal y de la altura o salto (ver figura).
Así, la turbina Kaplan es adecuada para saltos pequeños y caudales variables. Sin embargo, para saltos más elevados y menores variaciones de caudal es más apropiada la turbina Francis. La turbina Pelton es recomendable para grandes saltos, independientemente de la variación de caudal.
El rendimiento representado se define como el cociente entre la potencia mecánica transmitida al eje de la turbina y la potencia hidráulica correspondiente al caudal y salto nominales.
Para determinar el rendimiento total habría que tener en cuenta el rendimiento del multiplicador (si existiese) y el rendimiento del generador eléctrico.
Qnominal =Q realQ Diseño
La turbina Pelton muestra una curva de rendimiento bastante plana. En condiciones de
diseño el rendimiento es superior al 90% y para un caudal del 20% del nominal presenta un rendimiento superior al 80%.
La turbina Francis con cámara en espiral presenta un rendimiento superior al 90% en
condiciones de diseño.
Sin embargo, el rendimiento es inaceptable con un caudal inferior al 50% del nominal.
La turbina Kaplan de doble regulación tiene un rendimiento aceptable a partir del 20%
del caudal nominal.
La semi-Kaplan solo trabaja eficazmente a partir del 40% del caudal nominal.
Curvas características de las turbinas
Las turbinas hidráulicas no funcionan siempre en el denominado punto nominal o punto
de diseño, es decir, no siempre mantienen constantes la altura neta H, el caudal Q o las
revoluciones n. Si alguna de estas variables se modifica se producirá una variación en al
menos una de las otras variables.
Los fabricantes de turbinas hidráulicas confeccionan, a partir de ensayos experimentales
en un banco de pruebas o in situ, las curvas que relacionan diversas características de operación de sus máquinas. Estas curvas, que relacionan entre sí estas variables teniendo en cuenta el rendimiento se denominan curvas características, las cuales permitirán al seleccionador de la turbina conocer cómo se comportará la misma en condiciones de servicio variables.
En las turbinas Francis y Pelton solo cuatro variables son independientes y en la turbina Kaplan cinco.
Normalmente, se fijan tres (o cuatro, en las turbinas Kaplan) parámetros y se obtiene una función de una variable. También, es frecuente mantener constantes dos (o tres, en las turbinas Kaplan) parámetros y destinar la segunda variable independiente a describir una familia de curvas. En este contexto, se suelen presentar curvas tales como:
Curva par-velocidad de giro, para diferentes grados de admisión (Figura). Cuando la velocidad de giro aumenta el par disminuye, denominándose velocidad de embalamiento a aquella velocidad a la cual la curva corta al eje de abscisas (par nulo).
Curva potencia-velocidad de giro, para diferentes grados de admisión (Figura). Estas curvas tienen forma de parábola y cortan al eje de abscisa en dos puntos, que corresponden con la velocidad nula (turbina frenada) y la velocidad de embalamiento, respectivamente
Curva caudal-velocidad de giro, para una altura neta y un grado de admisión dados (Figura). Estas curvas (prácticamente rectas) tienen distinta pendiente dependiendo del tipo de turbina. Así, las turbinas Pelton presentan gradiente nulo, las de reacción lenta gradiente negativo y las de reacción rápida gradiente positivo.
De la misma manera es posible representar otras relaciones de variables. En la Figura se muestra, a título de ejemplo, el rendimiento total y la potencia P, en función de la altura neta H y el caudal Q, manteniendo constantes los demás parámetros.
Regulación de la turbina
La figura muestra un croquis de una central hidroeléctrica típica donde se aprecia la instalación de una turbina de reacción tipo Francis vertical. El conducto aguas arriba o tubería a presión transporta el agua desde el almacenamiento superior hasta la turbina, este caudal puede provenir del embalse o vaso de una presa, de un lago natural o de un tanque de regulación. El agua descargada por la turbina es desalojada a través de un conducto aguas abajo, llamado tubo de aspiración, que pasa en algunos casos por la cámara de oscilación hasta el desfogue. El generador eléctrico está mecánicamente acoplado a la turbina mediante la flecha, y la energía producida por éste es transportada por las líneas de transmisión a las subestaciones y de ahí a los centros de consumo. El gobernador es capaz de corregir cualquier cambio en la variación de la demanda eléctrica del sistema mediante la apertura o cierre de los álabes del distribuidor de la turbina.
La facilidad de tomar cambios rápidos de demanda de energía eléctrica y su alta eficiencia de las unidades hidroeléctricas, no dependen solo del diseño adecuado de éstas, sino también, del diseño hidráulico de la conducción, desde el embalse hasta el desfogue.
Los conductos deben diseñarse de tal manera que no se produzcan grandes cambios de velocidad. Los conductos hidráulicos desde el embalse hasta el desfogue, la turbina, el generador, el gobernador, y la línea de transmisión están relacionados y funcionan como un sistema en conjunto, de tal forma que si existe una perturbación en cualquier punto del sistema, se pueden producir alteraciones en el funcionamiento de las diferentes partes del mismo.
Durante el funcionamiento de una planta hidroeléctrica pueden ocurrir diferentes formas de operación de la turbina, provocando flujo transitorio.
Los fenómenos hidráulicos transitorios pueden ocurrir en los siguientes casos:
Puesta en marcha o arranque. Es poner en movimiento las partes rodantes de la turbina y generador, hasta alcanzar la velocidad síncrona o sincrónica de rotación. Esto también permite que la aceleración de la masa de agua contenida en los conductos del sistema la lleven a su velocidad requerida, que puede ser la de diseño.
Aumento o disminución en la demanda de energía eléctrica.
Paro normal de la unidad o paro programado.
Rechazo total de la carga eléctrica o paro imprevisto.
Este flujo transitorio que se presenta en el sistema para los casos mencionados provoca variaciones en el caudal de demanda Q, en la potencia desarrollada Pf , en la velocidad de rotación N y sobretodo en la presión manométrica pm dentro de los conductos. Las revisiones importantes que deben estudiarse en el sistema cuando se presenta flujo transitorio son:
Estabilidad y regulación de la frecuencia eléctrica.
Sobrevelocidad o variaciones excesivas de la velocidad de rotación.
Sobrepresiones y depresiones máximas en las tuberías.
Para llevar a cabo dichas revisiones las diferentes partes del sistema se agrupan en:
Conductor hidráulicos aguas arriba y aguas abajo del conjunto turbogenerador.
Turbina, flecha y generador.
Gobernador.
Velocidad Específica
Cada turbina está caracterizada por una constante que involucra variables de diseño, que se conoce como velocidad específica (Ns) , también llamada Número específico de revoluciones, teniendo el mismo valor para las turbinas geométricamente iguales y que operan en condiciones hidráulicas similares. La expresión:
Esta fórmula permite calcular la velocidad específica en el Sistema internacional.
Velocidad de Rotación Sincrónica
El rodete de la turbina va acoplado por medio de un eje (flecha) al rotor del generador (que es un motor eléctrico) y por consiguiente la velocidad de rotación del equipo turbogenerador deberá ajustarse para que sea síncrona N’ con la frecuencia de oscilación de la energía eléctrica f, consecuentemente se ajusta la velocidad específica de la turbina Ns.
En Argentina la frecuencia de la corriente eléctrica producida es f = 50 cps (ciclos por segundo o Hertz)
Transmisiones mecánicas
Si una turbina gira a la velocidad de operación del generador eléctrico los árboles de ambos se pueden conectar directamente mediante el empleo de un acoplamiento, generalmente de tipo flexible.
Sin embargo, las turbinas de baja altura de carga suelen girar a velocidades (125-400 rpm) inferiores a las que precisan los generadores estándar para funcionar (1.000-1.500 rpm), por tanto, se precisa instalar un multiplicador de velocidad entre los árboles de ambas máquinas para poder operar (Figura). El uso de un multiplicador de velocidad implica disminuir el rendimiento global entre un 2% y un 5%.
Generalmente, el multiplicador de velocidad está constituido por una caja de engranajes, aunque también se han utilizado transmisiones de correas para realizar este cometido.
Las cajas de engranajes utilizadas pueden ser de árboles paralelos o de árboles cuyos ejes se cortan. Para transmitir la potencia y el movimiento angular entre árboles paralelos se suelen emplear engranajes cilíndricos de dientes helicoidales externos.
Aunque también se emplean trenes de engranajes epicicloidales.
Cuando se desea transmitir potencia y movimiento angular entre árboles que se cortan
(normalmente forman entre sí 90º) se suelen emplean engranajes cónicos de dientes helicoidales.
Entre las desventajas del empleo de las cajas de engranajes hay que señalar el incremento
del nivel de ruido del edificio de la central.
Represa Yacyretá
Esta posee veinte turbinas tipo Kaplan de eje vertical, construidas en acero. Cada unidad tiene un peso de 278 tn, puede entregar una potencia máxima de 160 Mw/h y evacuar, como máximo, 830m³/s.
Para tener un punto de referencia, toda el agua que atraviesa las cataratas del Iguazú (que poseen la misma altura que el edificio, y cuyo caudal medio es de 1.750 m3/s), puede ser turbinada por menos de tres de las veinte turbinas instaladas. La totalidad del agua consumida por Asunción (capital del Paraguay), durante 13 días, o por la Ciudad de Buenos Aires, en dos días. alcanzaría para que las 20 turbinas funcionen apenas durante una hora.
Artículo Central Hidroeléctrica “Fausto Radici”.
