22. Turbomquinas hidrulicas Turbinas

22.1. DEFINICION La turbina hidrulica es una turbomquina motora, y por tanto esencialmente es una bomba rotodinmica que trabaja a la inversa. As como una bomba absorbe energa mecnica y restituye energa al Huido, una turbina absorbe energa del Huido y restituye energa mecnica. Tericamente, suministrando energa hidrulica a la mquina, e invirtiendo el flujo, una bomba podra trabajar como turbina. Prcticamente, el rendimiento sera muy bajo, y a veces nulo, exceptuando las mquinas especialmente diseadas para trabajar como bomba y como turbina, como es el caso de la mquina doble bomba- turbina de las centrales de bombeo (Sec. 21.4.1).

22.2. ELEMENTOS CONSTITUTIVOS Los elementos constitutivos de una turbina son anlogos a los de una bomba: pero dispuestos en orden inverso. (Vase la Fig. 21-4: los nmeros entre parntesis se refieren a esta figura): Canal de llegada (lmina libre) o tubera forzada (flujo a presin, n. I). Corresponde a la tubera de impulsin en una bomba. Al final de la tubera forzada se instala una vlvula (compuerta, mariposa, etc.), que no aparece en la figura y detrs de la vlvula est la entrada en la tubera (seccin E en la figura). Caja espiral (n. 2). Transforma presin en velocidad: en una bomba, velocidad en presin. Distribuidor. Corresponde a la corona directriz en una bomba; pero en una turbina transforma presin en velocidad y acta como tobera; en una bomba, por el contrario, acta como difusor. Rodete. A las bombas centrifugas con flujo en el rodete hacia el exterior corresponde el tipo de turbinas centrpetas, con flujo en el rodete hacia el interior. Tubo de aspiracin (n. 3). Corresponde a la tubera de aspiracin de una bomba. En una turbina es el rgano de desage, pero se llama tubo de aspiracin porque crea una aspiracin o depresin a la salida del rodete; mientras que en las bombas constituye la tubera de admisin, y crea tambin una depresin a la entrada del rodete. Las turbinas de aecin, como veremos (Sec. 22.4.1), carecen de tubo de aspiracin: en ellas el agua sale del rodete directamente al canal de salida.460%

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MECANICA DE FLUIDOS Y MAQUINAS HIDRAULICAS

22.3. CLASIFICACION DE LAS TURBINAS HIDRAULICAS 22.3.1. Clasificacin segn el grado de reaccin Las turbinas hidrulicas, segn el grado de reaccin, se clasifican en dos grupos: turbinas de accin y turbinas de reaccin. Esta clasificacin se funda en el concepto de grado de reaccin estudiado en la Sec. 18.6: si el grado de reaccin es 0, la turbina se llama (Je accin. Si el grado de reaccin es distinto de 0, la turbina se llama de reaccin. Como se vio en la Sec. 18.6, el grado de reaccin de una bomba i:n se define as: altura de presin comunicada por el rodete H altura total comunicada por el rodete Anlogamente, el grado de reaccin de una turbina, t, se define asi: altura r

de presin absorbida por el rodete 11 altura total absorbida por el rodete

*

La Fig. 22.2, que se explica en la Sec. 22.4.1, representa una instalacin con turbina de accin. La presin del agua no varia en los labes. El rodete no est inundado. Se encuentra a la presin atmosfrica. Las turbinas de accin son de admisin parcial. Por el contrario, la Fig. 21-4 representa una instalacin con turbina de reaccin. La presin a la entrada del rodete es superior a la atmosfrica y a la salida inferior. El rodete est inundado. Las turbinas de reaccin son de admisin total. La Fig. 22-1 a es un esquema relacionado con una turbina de accin como la de la Fig. 22-2, y la Fig. 22-1 b un esquema relacionado con una turbina de reaccin, como la de la Fig. 21-4. En ambos esquemas se emplean los subndices siguientes, que se refieren a las secciones caractersticas de la turbina: E entrada de la turbina 0entrada del distribuidor 1entrada del rodete 2salida del rodete S salida de la turbina En una turbina de accin el rodete trabaja a presin constante, luego /?, = p2. Adems esta turbina no tiene tubo de aspiracin: la salida del rodete (2) coin-

%

II RBOMAQU1NAS HIDRAULICAS: TURBINAS

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- P,:P* - 0

Tubera forzad

P*PX -

m.

o ,PmJP,K J^P+iPKk

(

(Distribuidor Roate

) En las turbinas de reaccin la presin relativa a la entrada del rodete es mayor que 0. Hay un salto de presin en el rodete tanto mayor cuanto mayor sea el grado de reaccin..

Tuberia

forzada

TDistribuidor .

Y\ ! yP.'Pg - h1^/ v

cidc con la salida de la turbina (S). Luego px = p2= Ps Pamb (donde pamb presin atmosfrica).

=

Rodete

Tubo e Mpiracin

una turbina de reaccin pv > p2. La salida de la turbina se encuentra en el nivel de aguas abajo. Adems, gracias al tubo de aspiracin, que realiza, como veremos, una succin: p2 < pumh. Finalmente, a la salida. ps = pamh.P PK < 0

En

Estudiemos con ms detenimiento estos esquemas en que se ha trazado la curva de altura de presin a lo largo de la turbina: Turbina de accin (Fig. 22-1 a) Tubera forzada: la altura de presin aumenta a costa de la altura geodsica, que disminuye. La altura de velocidad permanece constante, si la seccin de la tubera es constante. Distribuidor: la altura de presin baja a cero (presin relativa) o sea a la altura de presin ambiente (presin absoluta). La altura de velocidad aumenta porque el distribuidor transforma la energa de presin en energa cintica. El aumento de esta ltima es un poco menor que la disminucin de la primera por las prdidas. Rodete: la altura de presin permanece constante. Todo el rodete se encuentra a la presin atmosfrica. La altura de velocidad disminuye, porque la energa cintica del chorro se va transformando en energa til en el eje. En estas turbinas no hay tubo de aspiracin. Turbina de reaccin (Fig. 22-1 b) Tubera forzada: igual que en las turbinas de accin. Si no hay tubera forzada, sino que el agua llega a la turbina por un canal en lmina libre, la altura de presin permanece constante (presin atmosfrica).

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Distribuidor: la altura. de presin disminuye; pero no tanto como en las turbinas de accin: > La altura de velocidad aumenta. Pg f>X Rodete: la altura de presin sigue disminuyendo hasta un valor menor que en las turbinas de accin: < ^^ (presin relativa a la salida del rodete, pg Pg negativa). La altura de velocidad disminuye tambin: el rodete transforma energa de presin y cintica en energa til en el eje. Tubo de aspiracin: la energa de presin aumenta desde un valor negativo hasta 0 (presin baromtrica). Gracias al tubo de aspiracin el salto de presin en el rodete ha sido mayor. 22.3.2. Tipos actuales Antes de 1900 las turbinas hidrulicas ms empleadas fueron las de Four- neyron, Jonval y Fontaine. Su rendimiento era bajo, sobre todo a cargas reducidas y su velocidad pequea. A comienzo de siglo se emplearon mucho en Europa las turbinas Girard y la centrpeta de accin. En la actualidad prcticamente las nicas turbinas que se construyen son las que figuran en el cuadro siguiente (1).c/ i < REACCION Z 5 ACCIO N Slo se construyen prcticamente de flujo tangencia! y son las turbinas Pelton ) rodete Pelton lento (/i, = 2.7): se adapta a caudales muy pequeos y alturas de salto elevadas.

10 Rodete (vanse Figs. 22-3 a y b). 11Alabes o cucharas (vanse Figs. 22-5 y 22-6). 12Freno de la turbina por chorro de agua. El pequeo chorro, de 25 mm de dimetro en este caso, acta sobre el dorso de los labes y frena el rodete. Sin l, el rodete seguira girando por inercia cada vez ms lentamente, con perjuicio de la lubricacin y deterioro de los cojinetes. 13Blindaje. Protege la infraestructura contra el efecto destructor del chorro desviado. A veces se utilizan con el mismo fin bloques de granito. 14Destructor de energa. Evita tambin las erosiones en la infraestructura.(2) La turbina Pelln doble puede eonslruirse tambin eon un solo rodete y dos inyectores, siendo el nmero de inyectores el que multiplica la turbina.

) forma de la cuchara (corte longitudinal o meridional): d es el dimetro del chorro acotado tambin en la figura (