Unidad 5 Obra civil de la Energía Hidráulica

Obra civil de las centrales hidráulicas

Llegado a este punto ya tenemos en conocimiento como funcionan las centrales hidroeléctricas, sus distintas variedades dependiendo de las posibilidades y necesidades, y también una noción de los cálculos previos para calcular su potencia. Entonces llega el momento de hablar de la parte estructural de las represas que ya vimos en la unidad  2 y 4. 

Nosotros nos centraremos en las obras civiles exclusivamente de represas hídricas para la generación de electricidad.

Partes de una represa

Embalse

Conocemos como embalse al volumen de agua retenido por la presas y las contenciones a su  alrededor.     

Dique

El dique es una pared artificial o natural que detiene al cuerpo de agua, es parte de la represa y aveces suele utilizarse como sinónimo de la misma, pero debe tenerse en cuenta que no lo es.

Como vimos antes estas paredes pueden tener diferentes formas dependiendo de la fuerza que ejerce el agua, la solidez del terreno y los materiales de construcción. En el caso de los diques para generación de electricidad los materiales más utilizados son el hormigón y el hormigón armado.

Dique con aliviadero o vertedero.

• El vaso: es la parte del valle que, inundándose, contiene el agua embalsada.

• La cerrada o boquilla: es el punto concreto del terreno donde se construye la presa.

• La presa o cortina: propiamente dicha, cuyas funciones básicas son, por un lado garantizar la estabilidad de toda la construcción, soportando un empuje hidrostático del agua, y por otro no permitir la filtración del agua. A su vez, en la presa se distingue:

• Los paramentos, caras o taludes: son las dos superficies más o menos verticales principales que limitan el cuerpo de la presa, el interior o de aguas arriba, que está en contacto con el agua, y el exterior o de aguas abajo.

• La coronación o coronamiento: es la superficie que delimita la presa superiormente.

• Los estribos o empotramientos: son los laterales del muro que están en contacto con la cerrada contra la que se apoya.

• La cimentación: es la parte de la estructura de la presa, a través de la cual se transmiten las cargas al terreno, tanto las producidas por la presión hidrostática como las del peso propio de la estructura.

• El aliviadero o vertedero: es la estructura hidráulica por la que rebosa el agua excedente cuando la presa ya está llena.

• Las compuertas: son los dispositivos mecánicos destinados a regular el caudal de agua a través de la presa.

• El desagüe de fondo o descargador de fondo: permite mantener el denominado caudal ecológico aguas abajo de la presa y vaciar la presa en caso de ser necesario (por ejemplo, durante emergencias por posible fallo de la presa).

• Las tomas: son utilizadas para extraer agua de la presa para un cierto uso, como puede ser abastecimiento a una central hidroeléctrica o a una ciudad.

• Las esclusas: permiten la navegación "a través" de la presa.

• La escala o escalera de peces: permite la migración de los peces en sentido ascendente de la corriente (en algunos casos se instalan ascensores para peces).

Conducciones Hidraulicas

Dentro de un sistema de abastecimiento de agua, se llama conducción, al conjunto integrado por tuberías y dispositivos de control que permiten el transporte del agua - en condiciones adecuadas de calidad, cantidad y presión- desde la fuente de abastecimiento, hasta el sitio donde será distribuida. Para tener un buen funcionamiento de la línea de conducción es conveniente realizar el diseño adecuado de dichas estructuras, teniendo en cuenta las consideraciones necesarias para reducir al mínimo los riesgos de falla. la línea de conducción debe seguir en lo posible el perfil del terreno y debe ubicarse de manera que pueda inspeccionarse fácilmente. Esto puede diseñarse por gravedad o bombeo.

La toma de agua constituye el elemento que toma el agua retenida por el azud o la presa y, a través de un canal de derivación, que puede ser a cielo abierto o enterrado, lo conduce a la cámara de carga.

Existe una gran variedad de tipos de tomas, las cuales, generalmente, cuentan con elementos rejilla para evitar la entrada de elementos sólidos y peces, así como de compuertas para cerrar la entrada de agua cuando se necesite.

En algunos casos la camara de carga coincide con la toma de agua y consiste en un depósito en el que, por arrancar la tubería forzada, su diseño es más crítico que el de las tomas de agua. Normalmente, esta cámara solo tiene capacidad para poder arrancar la turbina sin que se produzcan interrupciones.

La tubería forzada es el elemento encargado de conducir el agua desde la cámara de carga hasta la turbina. Dicha tubería puede instalarse enterrada o sobre el terreno.

Los materiales pueden ser muy variados en su fabricación dependiendo del salto y el diámetro.

Sea cual fuese el material seleccionado, la tubería debe soportar la presión de la columna de agua y las sobrepresiones que derivan del golpe de ariete cuando se produzca una parada brusca de la turbina.

Golpe de Ariete

El golpe de ariete es un fenómeno que se produce en una tubería como consecuencia de la fluctuación del caudal que circula por ella, y que da lugar a una variación de la presión interna en la tubería , por encima  y por debajo de la presión de trabajo. Un caso típico es el que sucede en las centrales hidráulicas , cuando se anula la carga del generador mecánicamente acoplado a la misma.

Debido al principio de conservación de energía , cuando se cierra bruscamente la salida de agua de la tubería, la disminución de la energía cinética que se produce en el fluido se transforma en trabajo de compresión del mismo y en trabajo para dilatar la tubería por la que este circula. Esto origina una sobrepresión que se transmite desde la válvula hacia el  embalse. Cuando toda el agua que circulaba por la tubería se ha detenido, deja de existir la presión que la comprimía y, por tanto, esta tiende a expandirse y la tubería tiende a contraerse para recuperar sus dimensiones normales. Esto crea una onda de presión en sentido contrario.

Los efectos del golpe de ariete pueden minimizarse mediante las instalaciones de chimeneas de equilibrio en las cuales se amortiguan las variaciones de presión.

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Cavitación

Se denomina cavitación a la formación de bolsas localizadas de vapor dentro de un líquido, las cuales, generalmente, se presentan en las proximidades de las superficies sólidas que limitan. La cavitación es causada por una reducción hidrodinámica de la presión que da lugar a una vaporización local del líquido. Una forma de la acción dinámica del movimiento, que da lugar a depresiones locales, deriva de la conversión de la presión en energía cinética.

Entre los aspectos negativos de la cavitación pueden señalarse los ruidos, vibraciones, desgaste de materiales, etc.

La cavitación es un factor decisivo en el caso de las turbinas hidráulicas, ya que delimita el tamaño mínimo de la máquina y la velocidad máxima de giro de la misma.