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Curso:
TURBINAS
HIDRÁULICAS
(ACH03)
I
Objetivo General: Reconocer el principio de funcionamiento
y los elementos que constituyen una turbina hidráulica.
Gestores de Contenidos : Álvaro Neva Rodríguez y
Horacio Charry López
UNIDAD IV
TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS
Objetivo: Conocer los tipos de turbinas hidráulicas,
los fundamentos teóricos de su funcionamiento y
sus elementos constructivos.
Lección 9
Turbina Pelton.
TEORÍA, CARACTERÍSTICAS, FUNCIONAMIENTO, COMPONENTES
DE LA TURBINA PELTON.
TEORÍA Y CARACTERÍSTICAS
La rueda Pelton, debe su nombre al ingeniero estadounidense Lester
Allen Pelton, quien la inventó en 1879 mientras trabajaba en California;
obtuvo su primera patente en 1880.
Una historia dice que Pelton inventó su rueda, cuando se fijó en cómo el
agua salpicaba fuera de las fosas nasales de una vaca, mientras esta
bebía de un chorro de agua.
Otra historia indica que se inspiró en una noria en la que el árbol se
había aflojado mientras estaba trabajando en él. El chorro de agua
golpeó el borde de la paleta de la noria e invirtió su dirección (en lugar
de llenar la paleta). Pelton observó un incremento en la velocidad de la
desalineada rueda.
Noria de agua, Camboya
Se empezó a aplicar durante la segunda mitad del siglo XIX, en
instalaciones donde la presión del agua era equivalente a una columna
de agua de entre 90 y 900 m.
Como se mencionó anteriormente, las Pelton son turbinas, en las
cuales toda la energía a la entrada de la turbina se transforma en
energía cinética. Dado que la acción de la rueda Pelton depende del
impulso del chorro sobre ella, en lugar de la reacción del agua en
expansión, este tipo de turbina se denomina turbina de acción; es la
más eficiente en aplicaciones donde se cuenta con un gran desnivel de
agua y se han utilizado normalmente en alturas hasta de 1.700 metros;
son notables su suavidad de giro y su buen funcionamiento a carga
parcial. Debido a que casi toda la energía se extrae en la primera etapa
de la turbina, normalmente la turbina tiene una sola rueda.
COMPONENTES
Las partes que conforman una turbina Pelton son:
1. Rueda o rodete; es el elemento básico, constituido por un disco
circular de gran tamaño (cubo), que lleva en su periferia cierto
número de alabes o paletas (normalmente hasta 20/22), perfilados
en forma de doble cuchara con una arista central. Aunque por lo
general en la mayoría de rodetes, las paletas y el cubo del rodete
son de acero martensítico fundido en una sola pieza, en los últimos
años se está implementando la fabricación mediante solución de
disco forjado y depósito de soldadura robotizada. Lo anterior permite
que la zona crítica de la raíz de las cucharas sea en material forjado,
con mejores características mecánicas que la solución tradicional de
acero fundido.
2. La tobera o inyector, que lanza y dirige el chorro de agua que incide
sobre las cucharas del rodete. Cada tobera esta provista de un
obturador cónico de aguja, desplazable axialmente para variar la
apertura de la salida y por lo tanto para regular el caudal,
constituyendo en conjunto, el órgano de alimentación y de
regulación de la turbina.
3. El distribuidor; es una tubería de diámetros decrecientes que rodea
la rueda en forma tangencial, donde se montan una o mas toberas
(normalmente hasta 6), según el caudal necesario.
4. Deflector; tiene como finalidad cuando se requiera, desviar el chorro
para evitar que al no incidir sobre las cucharas, se embale la turbina,
sin tener que cerrar bruscamente la válvula de aguja, maniobra que
podría producir un golpe de ariete.
Fabricación rodete Pelton con disco forjado y
depósito de soldadura robotizada
Componentes esenciales de la turbina Pelton
5. Eje o árbol; es el elemento donde se encuentra montado el rodete y
es el encargado de transmitir la rotación y/o el par motor al
generador eléctrico. Este eje puede estar en posición vertical u
horizontal.
Los componentes de la turbina están contenidos en una caja de chapa
metálica o carcasa que puede ir empotrada en concreto con su
respectiva puerta de inspección.
FUNCIONAMIENTO
La tobera o inyector lanza a la atmósfera un chorro de agua a alta
velocidad, que incide directamente contra la serie de paletas en forma
de cuchara que tiene el rodete. Cada paleta invierte el flujo de agua,
disminuyendo su energía, el impulso resultante del par ejercido por el
impacto y la desviación del chorro hace girar la turbina.
Las paletas se montan por pares para mantener equilibradas las
fuerzas en la rueda. El agua sale de las cucharas a velocidades muy
bajas (idealmente a velocidad cero) y es dirigida hacia el canal de
desagüe; por tanto, la turbina ha de estar colocada a suficiente altura
(de 2 a 4 metros) sobre el nivel máximo de dicho desagüe, para
asegurar tanto el libre giro de la rueda en el aire como una descarga
libre.
Las paletas tienen una forma especial que permiten que el chorro de agua
no incida sobre cada una de ellas hasta el momento en que la fuerza sea
máxima.
El valor máximo de caudal por tobera es del orden de 10 a 11 m3/seg y la
velocidad del chorro que sale de las toberas está entre 70 y 140 m/seg.
Debido a la baja velocidad de salida del agua de las cucharas, la carcasa
que rodea al rodete no tiene que resistir ninguna presión.
El eje de las toberas está siempre situado en el plano meridiano del
rodete.
Las turbinas Pelton puede formarse en la siguiente forma:
1
1
2
1
rodete
rodete
rodetes
rodete
1 chorro eje horizontal
2 chorros eje horizontal
2 chorros c/u eje horizontal
4-5-6 chorros eje vertical
Impacto del chorro en la paleta de doble
cuchara de una rueda Pelton
Las turbinas mas grandes instaladas hasta el momento se encuentran en
la Central Bieudron (Complejo Grande Dixence, Suiza), que tiene las
características siguientes:
•Tres (3) turbinas tipo Pelton eje vertical, de 5 chorros.
•Altura neta 1874 m y potencia unitaria de 423 MW (record mundial en
turbinas de este tipo).
•Diámetro rodete 3993 mm.
•Velocidad de rotación 428,6 rpm.
Paletas en forma de doble cuchara de una rueda Pelton
Detalle del interior de una turbina Pelton
Rueda de una turbina de la central hidráulica de la
central de Sharavathi (India) con una caída de 440 m,
potencia 104,5 MW y velocidad de giro 300 rpm.
Rodete Pelton fabricado con disco forjado y
depósito de soldadura robotizada.
Lección 10
Turbina Francis.
TEORÍA, CARACTERÍSTICAS, FUNCIONAMIENTO, COMPONENTES DE
LA TURBINA FRANCIS.
TEORÍA Y CARACTERÍSTICAS
Anterior al desarrollo de esta turbina, Benoit Fourneyron, un alumno de
Burdin en la Escuela de Minería de Saint Étienne, diseñó y construyó
ruedas que alcanzaban velocidades de rotación de 60 rpm (revoluciones
por minuto) o más y que proporcionaban hasta 50 CV en las factorías
metalúrgicas francesas. Finalmente Fourneyron construyó turbinas que
trabajaban a 2.300 rpm, desarrollando 60 CV y un rendimiento de más del
80%.
A pesar de esta eficiencia excepcional para la época, la turbina de
Fourneyron tenía algunos inconvenientes causados por el flujo centrífugo
del agua que la atravesaba. Esto provocaba problemas si se reducía el flujo
de agua o su carga.
El ingeniero estadounidense nacido en Gran Bretaña James B.
Francis diseñó una turbina en la que el flujo se producía hacia el
interior. La llamada turbina de reacción o turbina Francis se convirtió
en la turbina hidráulica más utilizada con presiones de agua, o alturas
de caída, equivalentes a una columna de agua de 10 a 100 m.
Como se mencionó anteriormente, las turbinas Francis están
caracterizadas por una entrada de agua en el rodete en sentido radial
centrípeto y por una descarga axial. En estas turbinas hay soluciones
con el rodete sumergido y no sumergido.
COMPONENTES
Las partes que conforman una turbina Francis son:
1. Caracol. También llamado cámara espiral, es una tubería de
diámetro decreciente que inicia a la salida de la tubería de
conducción y que rodea el distribuidor fijo donde termina; tiene por
objeto hacer que la alimentación de agua a este distribuidor fijo se
haga a presión constante y por lo tanto la sección se va
reduciendo, a medida que el gasto que pasa es menor.
Se usa una velocidad de entrada al caracol relativamente baja que
va entre 2 y 5 m/seg. Si se usa el criterio que la velocidad en el
caracol sea uniforme, tendremos que las secciones irán
disminuyendo en forma gradual y el diámetro en cualquier
sección será proporcional a la raíz cuadrada del gasto que pasa
por ella; las velocidades máximas del agua son del orden de 8
a 9 m/s.
Sin embargo, la experiencia muestra que es más ventajoso
disminuir menos rápidamente las secciones admitiendo una
pérdida de carga constante a lo largo del caracol.
El caracol está construido en chapas de acero soldadas
comúnmente llamadas virolas y puede ser empotrado en
concreto, lo que es común para grandes tamaños de turbinas;
en las que también por lo general se dispone de una puerta de
inspección.
2. Distribuidor fijo. Es una pieza que va colocada al final del
caracol; está provisto de una serie de alabes fijos en sentido
radial y dirige el flujo de agua en el mismo sentido hacia el
distribuidor móvil.
3. Distribuidor móvil. Rodea el rodete y está constituido por cierto
número de alabes móviles o directrices, solidarios entre sí por
Caracol turbina Francis
un anillo rígido de regulación, comandado por el regulador de
velocidad y que mueve simultáneamente todos los alabes,
variando en aumento o disminución las luces o espacios para la
entrada de agua y de esta forma variar también el caudal de
agua hacia el rodete. La cantidad de alabes son generalmente
números divisibles fácilmente tales como 12, 16, 18, 20, 24; sin
embargo, no debe ser múltiplo del número de paletas de la
rueda.
4. Rueda o rodete. Es la parte donde la energía hidráulica se
transforma en energía mecánica; está constituido por una
corona superior en forma de cono y una corona inferior en
forma de banda también llamada llanta, entre las cuales se
hallan cierto número de paletas o palas perfiladas
adecuadamente, de forma que reciben el agua en dirección
radial y la orientan axialmente.
Las formas constructivas y las características de funcionamiento
para el rodete Francis varían notablemente dependiendo del
caudal y la caída o salto: Para saltos elevados y valores de
caudal no muy importantes la forma del rodete a la entrada es
muy achatada; en condiciones opuestas, el rodete es mas alto a
la entrada, las palas mas cortas y anchas, de tal manera que el
recorrido del agua tiene una característica mas axial.
Desde el punto de vista constructivo, los rodetes Francis pueden ser
fabricados de una sola pieza de fundición de acero o bien que cada
pala esté soldada a las coronas. En las turbinas modernas estos
rodetes son en acero inoxidable martensítico.
5. Tubo de aspiración. También llamado difusor, se encuentra aguas
abajo del rodete; esta parte típica de las turbinas a reacción dirige las
aguas que salen del rodete al canal de descarga. Este ducto debe ser
perfilado cuidadosamente, para permitir la mayor recuperación posible
de la energía cinética aún notable, que tiene el agua a la salida de la
rueda, ya que el objetivo de este difusor es recuperar bajo la forma de
energía de presión la energía cinética que posee el agua a la salida del
rodete. Este tubo de aspiración para turbinas de tamaño considerable,
cuenta con una puerta de inspección.
6. Eje o árbol; es el elemento donde se encuentra montado el rodete y es
el encargado de transmitir la rotación y/o el par motor al generador
eléctrico. Este eje puede estar en posición vertical u horizontal.
Para dar estanqueidad al exterior y cerrar la máquina, estas turbinas
cuentan con dos tapas, una superior y una inferior para eje vertical y
laterales para eje horizontal.
Componentes de turbinas Francis
Principales componentes de una turbina Francis
FUNCIONAMIENTO
En estas turbinas el agua se desplaza encauzada en la conducción
forzada, entra al caracol donde se reparte uniformemente hacia el
distribuidor fijo que lo direcciona radialmente hacia el distribuidor móvil,
donde se regula su caudal y continúa su paso al rodete al que cede su
energía, se descarga del mismo en sentido axial hacia el tubo de
aspiración o difusor, que finalmente entrega esta agua al canal de
descarga; todo el anterior ciclo se cumple sin que el agua entre en ningún
momento en contacto con la atmósfera; sin embargo, cabe recordar que
estas turbinas tienen sistemas de aireación natural (presión atmosférica)
al rodete.
En estas turbinas a reacción, la presión y velocidad del agua a la entrada
del rodete son mayores que cero y la expansión del agua mientras fluye a
través de los espacios entre las palas, hace que progresivamente su
presión disminuya y que su velocidad aumente también en la misma
forma, esta velocidad del agua además de cambiar de magnitud también
cambia de sentido; todo lo anterior como ya se mencionó, produce una
fuerza neta o reacción, con una componente tangencial que pone la rueda
en movimiento.
En este tipo de turbinas el paso de agua a través del rodete y
parcialmente filtrado a través de los intersticios de las coronas superior
e inferior (sellos del rodete) ejerce una carga axial sobre el rodete, que
se denomina empuje hidráulico.
La conformación de las secciones a la salida del rodete y la salida del
difusor, debe ser tal que la presión en la primera sea lo mas baja
posible, incluso inferior a la atmosférica, para tener el mejor rendimiento
de la turbina. Sin embargo, esto hace que puede presentarse la
cavitación producida cada vez que la presión del agua baja del valor de
saturación, formando una burbuja de vapor que posteriormente se
colapsa.
Lo anterior puede producir un pitting en la superficie debido a las
implosiones y un ruido que es típico. Hay materiales que son menos
afectados por la cavitación que otros, de aquí que sean más usados en
la fabricación de piezas de turbinas.
Un valor muy importante a tener en cuenta para el diseño de estas
turbinas cuando el rodete está sumergido, es la distancia que hay entre
el nivel de la descarga y el nivel de la línea de centro del rodete; esto es
lo que se conoce como sumergencia.
Las turbinas Francis pueden ser de eje vertical o eje horizontal, siendo
mas utilizadas las primeras.
Rodete Francis de la Central Ralco
Las potencias máximas hasta hoy alcanzadas por las turbinas Francis
llegan a 750 MW, instaladas en Gran Coule, Estados Unidos.
En la actualidad la mayor central hidroeléctrica del mundo es Itaipú,
entre Paraguay y Brasil, donde se utilizan 18 turbinas tipo Francis de
700 megavatios (MW) de potencia cada una, que consiguen un total de
12.600 MW.
Vista inferior rodete Francis Central Itaipú
Central Hidroeléctrica de Itaipu
Lección 11
Turbina Kaplan.
TEORÍA, CARACTERÍSTICAS, FUNCIONAMIENTO, COMPONENTES
DE LA TURBINA FRANCIS.
TEORÍA Y CARACTERÍSTICAS
El aumento de las necesidades de energía hidroeléctrica durante los
albores del siglo XX puso de manifiesto la necesidad de turbinas que
pudieran aprovechar caídas de agua de 3 a 9 m, que se podrían utilizar
en muchos ríos construyendo pequeños embalses de agua. En 1913, el
ingeniero austriaco Viktor Kaplan planteó por primera vez la turbina de
hélice. Kaplan mejoró la turbina haciendo que las palas pudieran pivotar
sobre su eje. Estas turbinas se escogen para saltos bajos y caudales
grandes y el flujo del agua a través del rodete es muy axial.
COMPONENTES
Los componentes de una turbina Kaplan son fundamentalmente los
mismos que los de las turbinas Francis. En las tres figuras siguientes se
muestra un comparativo de los componentes de estos dos tipos de
turbinas.
En el rodete de las turbinas Kaplan, en forma de hélice, las palas que
usualmente son cuatro o cinco, se montan alrededor de un cubo central
sólido y grueso; estas palas pueden ser giradas valiéndose de
mecanismos que caben en dicho cubo, agregándose los elementos y
mecanismos necesarios para el accionamiento de las palas del rodete.
Normalmente el material de las palas del rodete es acero inoxidable
martensítico.
FUNCIONAMIENTO
En estas turbinas la entrada de agua puede ser un canal abierto, se
encausa en la conducción, entra al caracol donde se reparte
uniformemente hacia el distribuidor fijo que lo direcciona hacia el
distribuidor móvil, donde se regula su caudal y continúa su paso axial al
rodete donde cede su energía, se descarga del mismo en sentido axial
hacia el tubo de aspiración o difusor, que finalmente entrega esta agua al
canal de descarga; todo el anterior ciclo se cumple sin que el agua entre
en ningún momento en contacto con la atmósfera.
En la turbina Kaplan que es de reacción, los distintos ángulos de las palas
del rodete aumentan el rendimiento ajustando el ángulo al volumen de la
caída de agua, de esta manera al poder variar la configuración de la
máquinas, se obtiene el rendimiento máximo en cada condición de
funcionamiento; por lo anterior las turbinas Kaplan son aptas
especialmente para plantas de bajo salto, en las que hay variaciones
notable de este salto y/o caudal.
Hasta hoy la máxima potencia alcanzada por las Kaplan es del orden de
los 200 MW, en plantas de Brasil.
Corte transversal de una planta con turbina Kaplan
Turbina Kaplan de la Central Sauzalito en Chile
Has Finalizado la
UNIDAD 4
Tipos de turbinas Hidráulicos
Actividades
1.
Identifica los componentes, características y modo de
funcionamiento de la turbina Pelton.
2.
Identifica los componentes, características y modo de
funcionamiento de la turbina Francis.
3.
Identifica los componentes, características y modo de
funcionamiento de la turbina Kaplan.
4.
Identifica el o los tipos de turbina que hay en tu central, enumera
los tipos de turbina que conoces; lleva esto al foro.