Introducción a las Turbinas Hidráulicas

La turbina hidráulica es una máquina rotativa que transforma la energía del agua en energía mecánica. Su funcionamiento se basa en el impacto o la reacción del flujo de agua sobre sus componentes. Dependiendo del caudal y de la energía cinética de esta, se han desarrollado distintos tipos de turbinas con el objetivo de obtener el máximo rendimiento energético.

Definición General de Turbina Hidráulica

En la figura adjunta se muestra el esquema general de una turbina hidráulica. Estas turbinas se encuentran acopladas a los generadores, que son los encargados de producir la energía eléctrica.

Clasificación de las Turbinas Hidráulicas

Las turbinas hidráulicas se clasifican principalmente en dos grandes categorías, según el principio de transferencia de energía del agua al rodete:

Turbinas de Impulso o Acción

Son aquellas en las que la energía de presión o potencial del agua se convierte completamente en energía cinética antes de que el agua incida sobre una porción limitada de la periferia del elemento rotativo (rodete), sin que haya un cambio posterior de presión. El agua impacta sobre los álabes a presión atmosférica.

• Ejemplos: Pelton, Laval, Curtis.

Turbinas de Reacción

En estas turbinas, la conversión inicial de energía presión-velocidad se realiza solo parcialmente antes de la entrada al rodete. El agua entra en el elemento rotativo por toda la periferia y el flujo pasa por todos los espacios libres, experimentando un cambio de presión a medida que atraviesa el rodete.

• Ejemplos: Francis, Dériaz, Hélice, Kaplan.

Grado de Reacción

El grado de reacción para una turbina se define como la relación entre la altura de presión absorbida por el rodete y la altura total absorbida por el rodete.

Tipos Específicos de Turbinas Hidráulicas

Turbina Pelton

Las turbinas Pelton son las más adecuadas para grandes alturas de caída, siendo las únicas máquinas capaces de funcionar con alturas superiores a 1700 m. Son notables por su suavidad de giro y su buen funcionamiento a carga parcial.

Su principio de funcionamiento se basa en:

• La tobera lanza a la atmósfera un chorro de alta velocidad que incide sobre una serie de cucharas o álabes montados en la periferia de una rueda.
• El par ejercido por el impacto y la desviación del chorro provoca el giro de la rueda.
• Una vez transmitida su energía a la rueda, el agua sale de los álabes a velocidad relativamente baja y es dirigida hacia el canal de desagüe.
• Por tanto, la turbina debe estar colocada a suficiente altura sobre el nivel máximo de crecida para asegurar el derrame libre.
• En la turbina Pelton actual, la energía cinética del agua, en forma de chorro libre, se genera en una tobera colocada al final de la tubería a presión.
• La tobera está provista de una aguja de cierre para regular el caudal, constituyendo en conjunto el órgano de alimentación y de regulación de la turbina.
• La turbina Pelton encuentra justa aplicación en aquellos aprovechamientos hidráulicos donde la ponderación de la carga es importante respecto al caudal.
• Entre las turbinas Pelton más grandes instaladas hasta el momento se encuentran las de Mont-Cenis (Alpes franceses) de 272 000 hp cada una, bajo 870 m de carga.
• Este sistema de montaje encuentra aplicación en aquellos casos donde se tienen aguas sucias que producen deterioros o notable acción abrasiva.

Turbinas Pelton de Eje Vertical

En este tipo de turbinas Pelton, el número de chorros por rueda se reduce generalmente a uno o dos, por resultar complicada la instalación en un plano vertical de las tuberías de alimentación y las agujas de inyección.

Turbinas Pelton de Eje Horizontal

Con el eje horizontal se hace también posible instalar turbinas gemelas para un solo generador colocado entre ambas, contrarrestando empujes axiales. En este tipo de turbinas Pelton se facilita la colocación del sistema de alimentación en un plano horizontal, lo que permite aumentar el número de chorros por rueda (4 a 6); con esto se puede incrementar el caudal y tener mayor potencia por unidad.

Además, presenta las siguientes ventajas:

• Se acorta la longitud del eje turbina-generador.
• Se amenguan las excavaciones.
• Se puede disminuir el diámetro de rueda y aumentar la velocidad de giro.
• Se reduce el peso de la turbina por unidad de potencia.

Su aplicación es conveniente en aquellos casos donde se tienen aguas limpias que no produzcan gran efecto abrasivo sobre los álabes e inyectores, debido a que la inspección y las reparaciones con este montaje se hacen más difíciles.

Clasificación Adicional de Turbinas Pelton

Por otra parte, las turbinas Pelton se clasifican también en sencillas (un rodete y un chorro) y múltiples. Se denominan Pelton doble, triple, etc., según el número de chorros. El álabe tiene la forma de doble cuchara, con una arista diametral sobre la que incide el agua, produciéndose una desviación simétrica en dirección axial, buscando un equilibrio dinámico de la máquina en esa dirección.

Turbina Francis

Las turbinas Francis se emplean actualmente para alturas de 30 m a 460 m. Como esta gama de alturas es la más frecuente, la máquina Francis tiene una gran superioridad numérica sobre los demás tipos.

El agua se dirige (con una apreciable componente tangencial de la velocidad) hacia el rodete por medio de una carcasa en espiral (caracol) y un cierto número de álabes de perfil aerodinámico (álabes directores) igualmente espaciados en la periferia.

Estos álabes directores son orientables, de modo que pueden abrir o cerrar completamente el paso del agua hacia el rodete, controlándose el grado de abertura desde el mando de la turbina a través de un mecanismo de enlace. Su misión es guiar el flujo hacia el rodete con el mínimo grado de turbulencia, así como regular el caudal y, por tanto, la potencia suministrada.

Al ser convergentes los álabes directores, la energía cinética a la entrada del rodete es mayor que en la tubería, y la cota de presión correspondiente será menor. En su recorrido a través del rodete, el agua experimenta otra caída de presión, hasta que finalmente sale por el centro a baja presión y con escasa o ninguna componente tangencial de la velocidad.

Ventajas de las Turbinas Francis

• Su óptimo diseño hidráulico garantiza un alto rendimiento.
• Su diseño reforzado proporciona una vida útil de muchas décadas en servicio continuo.
• La alta velocidad de giro permite pequeñas dimensiones.
• La aplicación de modernos materiales reduce el mantenimiento de las piezas móviles al mínimo.
• La turbina Francis se instala en todo lugar donde se dé un flujo de agua relativamente constante y donde se exige un alto rendimiento.
• Su eficiencia es aproximadamente un 8% por encima de la turbina de flujo cruzado, pero tiene la desventaja de no poder operar con grandes variaciones del caudal de agua.

Aplicaciones de las Turbinas Francis

• Las grandes turbinas Francis se diseñan de forma individual para cada emplazamiento, a efectos de lograr la máxima eficiencia posible, habitualmente más del 90%. Son muy costosas de diseñar, fabricar e instalar, pero pueden funcionar durante décadas.
• Además de la producción de electricidad, pueden usarse para el bombeo y almacenamiento hidroeléctrico, donde un embalse superior se llena mediante la turbina (en este caso funcionando como bomba) durante los períodos de baja demanda eléctrica, y luego se usa como turbina para generar energía durante los períodos de alta demanda eléctrica.
• Se fabrican microturbinas Francis económicas para la producción individual de energía para saltos mínimos de 3 metros.

Turbina Kaplan

A diferencia de otros tipos de turbinas, la turbina Kaplan permite ajustar tanto los álabes del rotor como los álabes de guía. Esto le confiere una gran adaptabilidad a diferentes niveles de caudal.

Características principales:

• Se puede adaptar la turbina a diferentes niveles del caudal.
• Necesita un gran volumen de agua para su funcionamiento.
• Los ejes son de orientación horizontal o vertical.