capÍtulo iii turbinas hidrÁulicas 3.1 definiciÓn...

TURBINAS HIDRÁULICAS

85

CAPÍTULO III


3.1 DEFINICIÓN

“La turbina hidráulica es una turbo máquina motora, y por tanto

esencialmente es una bomba roto dinámica que trabaja a la inversa”1. Así

como una bomba absorbe energía mecánica y restituye energía al fluido;

una turbina absorbe energía del fluido y restituye energía mecánica.

Una turbina hidráulica según el grado de reacción se clasifica en dos

grupos: turbinas de acción y turbinas de reacción. El grado de reacción de

una turbina Gr se define así:

Altura de presión absorbida por el rodete

Gr =

Altura total absorbida por el rodete

Cuando el grado de reacción es cero, la turbina se llama de acción. Si el

grado de reacción es distinto de cero, la turbina se llama de reacción.

En una turbina de acción, la presión del agua no varía en los álabes. El

rodete no esta inundado, se encuentra a la presión atmosférica. Las turbinas

de acción son de admisión parcial.

En una turbina de reacción, la presión a la entrada del rodete es superior a

la atmosférica y a la salida inferior, el rodete está inundado. Las turbinas de

reacción son de admisión total.

3.2 RUEDA HIDRÁULICA

El tipo de turbina hidráulica más antiguo y simple es la rueda hidráulica,

usada por primera vez en Grecia y empleada durante siglos para moler

cereales. Constaba de un eje vertical con un conjunto de aspas o palas

radiales sumergidas parcialmente en una corriente de agua a gran

velocidad, que generaba una potencia de 0.5 caballos de vapor (CV).

1 MATAIX CARLOS, Mecánica de los Fluidos y Máquinas Hidráulicas Pág.418

CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

86

Hacia el siglo II d. C. se empezó

a utilizar en las zonas

montañosas la rueda hidráulica

de empuje superior, donde el

agua se vertía sobre las palas

desde arriba, aumentando su

potencia hasta los 50 CV.

3.3 TURBINA FRANCIS

En 1826 Benoit Fourneyron desarrolló una turbina de flujo externo de alta

eficiencia (80%). El agua era dirigida tangencialmente a través del rodete

de la turbina provocando su giro. Alrededor de 1820 Jean V. Poncelet

diseñó una turbina de flujo interno que usaba los mismos principios, y S. B.

Howd obtuvo en 1838 una patente en los EE.UU. para un diseño similar.

En 1848 James B. Francis mejoró estos diseños y desarrolló una turbina

con el 90% de eficiencia. Aplicó principios y métodos de prueba científicos

para producir la turbina más eficiente elaborada hasta la fecha. Más

importante, sus métodos matemáticos y gráficos de cálculo mejoraron el

estado del arte en lo referente al diseño e ingeniería de turbinas. Sus

métodos analíticos permitieron diseños seguros de turbinas de alta

eficiencia.

La Francis es una turbina de reacción de flujo radial axial. Lleva este

nombre en honor del Ing. James Bichano Francis (1815-1892), trabaja con

cargas de 30 a 550 metros y caudales de 200 a 10 m3/seg, es la más

generalizada del mundo. De acuerdo con la ponderación de la carga sobre

el caudal o viceversa, se originan particulares características de la máquina,

que dan lugar a dos tipos, no siempre definidos, la Francis pura y la Francis

mixta.

En la Francis puramente radial (Figs. 3.1 y 3.2), prácticamente toda la

transferencia energética de fluido a rotor se efectúa mientras el agua pasa a

través de los álabes, casi todo el tiempo en dirección radial y de afuera

hacia adentro, con un aprovechamiento máximo de la acción centrípeta,

http://es.wikipedia.org/wiki/1826




http://es.wikipedia.org/wiki/Estado_del_arte


87

para lo cual se procura siempre dar al agua un recorrido radial

relativamente largo.

Fig. 3.1 Turbina Francis Pura

Fig. 3.2 Rodete de Turbina Francis Pura (Chojlla)

Se justifica el uso de la Francis pura en los saltos de agua con cargas

relativamente grandes y caudales relativamente reducidos.

En la Francis mixta (Fig.3.3), el agua recorre los álabes en dirección radial

y de afuera hacia adentro sólo en una parte de los mismos, terminando el

agua su recorrido en dirección axial en cuya fase trabaja como turbina

axial. La ponderación de la acción radial y de la axial puede establecerse en

forma gradual según las exigencias de la carga y el caudal disponible. La


88

Francis mixta tiene aplicación en saltos de agua de cargas medianas y bajas,

con caudales medianos y relativamente grandes.

Fig. 3.3 Turbina Francis Mixta

3.2.1 ÓRGANOS PRINCIPALES DE LA TURBINA FRANCIS

En el orden de paso del agua son: el caracol, el distribuidor, el rodete

móvil, y el tubo de desfogue.

La carcasa, caja espiral o caracol (Fig. 3.4), es un ducto alimentador, de

sección circular y diámetro decreciente, que circunda el rotor, procurando

el fluido necesario para la operación de la turbina.

Fig. 3.4 Caracol


89

El distribuidor lo constituye una serie de álabes directores en forma de

persiana circular (Fig. 3.5), cuyo paso se puede modificar con la ayuda de

un servomotor, lo que permite imponer al fluido la dirección de ataque

exigida por el rodete móvil y además regular el gasto de acuerdo con la

potencia pedida a la turbina, desde valores máximos hasta un valor cero. En

el distribuidor se transforma parcialmente la energía de presión en energía

cinética.

El rodete móvil o rotor está conformado por los propios álabes, los cuales

están engastados en un plato perpendicular al eje de la máquina, de cuyo

plato arranca siguiendo la dirección axial, tomando en forma progresiva un

alabeo y abriéndose hacia la dirección radial, con lo que el conjunto

presenta forma abocardada, tanto más acentuada cuanto mayor sea la

acción axial exigida a la turbina.

Los alabes se ciñen por su extremo final a un zuncho en forma de anillo.

Fig. 3.5Distribuidor de una turbina Francis (Yanacachi)

El tubo de desfogue o difusor da salida al agua de la tubería y al mismo

tiempo procura una ganancia en carga estática hasta el valor de la presión

atmosférica, debido a su forma divergente. Se tiene así a la salida del rotor


90

una presión más baja que la atmosférica y, por tanto, una gradiente de

presión dinámica más alta a través del rodete. Su forma puede ser

simplemente cónica (tubo Moddy) o más compleja cuando es acodada

(cónico, elíptica, cuadrangular), esta última permite colocar el rodete móvil

más próximo al nivel de aguas abajo, exigencia que se tiene especialmente

en las máquinas de velocidad específica alta (Francis mixtas).

Fig. 3.10 Descripción general de una turbina Francis

Fig. 3.11Esquema general de turbina Francis con tubo de salida a contrapresión


91

3.22 GRADO DE REACCIÓN

El grado de reacción cuantifica la proporción de carga estática aprovechada

sobre la carga efectiva total, viene dado por la expresión:

2 2 2 2

1 2 2 1

2 2 2 2 2 2

1 2 1 2 2 1

2 2

2 2 2

r r

R

r r

U U V V

g gG

V V U U V V

g g g

2 2 2 2

1 2 2 1

2 2 2 2 2 2

1 2 1 2 2 1

r rR

r r

U U V VG

V V U U V V

En la turbina Francis el grado de reacción está siempre comprendido entre

cero y uno y, por lo general, próximo a un medio. Para la Francis pura la

velocidad específica es baja y relativamente es bajo el grado de reacción.

La carga dinámica es alta por ser relativamente alta la carga en este tipo de

turbinas, dando lugar a velocidades absolutas de entrada altas, ya que estas

son proporcionales a la carga. En la Francis mixta sucede lo contrario, las

cargas son proporcionalmente más bajas, las velocidades específicas más

altas y el grado de reacción más alto.2

3.2.3 DIAGRAMAS DE VELOCIDADES A LA ENTRADA Y

SALIDA DEL ROTOR

En la figura 3.12 se muestra el diagrama de velocidades mencionado.

La ecuación de Euler de la transferencia es:

1 1 2 2

1U UE U V U V

g

La velocidad relativa a la entrada Vr1 queda definida por el vector V1 de la

velocidad absoluta y el vector U1 de la velocidad de arrastre, de acuerdo

con la ecuación vectorial:

111 rVUV

2 POLO ENCINAS MANUEL, Turbomáquinas Hidráulicas, Edit. Limusa 1975


92

A la salida del agua del rotor, la velocidad V2 conviene que sea radial o casi

radial, para evitar circulación del fluido innecesaria y pérdidas de energía.

Para ello los valores de la velocidad de arrastre U2 y la relativa Vr2 que

condiciona el álabe deben ser de la magnitud y dirección que exige la

ecuación vectorial.

Fig. 3.12 Diagrama de velocidades a la entrada y salida del rotor de una turbina

Francis.

222 rVUV

Esto se logra con un diseño adecuado del álabe que ha de girar a una

velocidad determinada.

Las dimensiones de D1 y D2 se relacionan con la carga y con la velocidad

de giro a través de los coeficientes 1 y 2 de la velocidad tangencial para

condiciones a la entrada y salida del rotor o sea:

1 11

2 2

U ND

gH gH


93

2 22

2 2

U ND

gH gH

Valores de estos coeficientes son obtenidos en función de la velocidad

específica los mismos que se dan en la Fig. 3.13. Estos coeficientes son

muy importantes por que permiten la determinación de los diámetros

buscados.

1 2

1 1

0.5 0,5

0 100 200 300 400 500 0 100 200 300 400

500

(Fig 3.13)Valores de 1 en función de NS Valores de 2 en función de NS

El distribuidor de las turbinas de reacción está constituido por una serie de

álabes pivotantes que circunda el rotor y que tiene las siguientes funciones:

Regula el gasto según las exigencias de la potencia, convierte parcialmente

la energía estática en dinámica para que así el líquido pueda atacar los

álabes del rotor y tenga lugar una transferencia energética, dirige la

velocidad absoluta del fluido V1 según las exigencias del gasto según una

dirección determinada 1 que da lugar a una componente radial Vr1 de

acuerdo con las exigencias del gasto, y a una Vu1 tangencial necesaria para

la transferencia de energía del agua al rotor. El ángulo 1 es menor en las

francis puras y mayor en las mixtas.

En la Fig. 3.14 se muestran los diagramas de velocidades a la entrada y

salida del rotor considerando variaciones en el ángulo de ataque a los

álabes por efectos de regulación.


94

Fig. 3.14 Modificación de los diagramas a la entrada y salida del rotor, con la

regulación

Si la demanda de energía se reduce, el generador debe disminuir la

producción disminuyendo la potencia de la turbina, es entonces cuando

entra en servicio el gobernador que mediante un servomotor mueve el

distribuidor de la turbina actuando de modo que reduce el ángulo 1 a un

nuevo valor '1 con lo cual se modifica la velocidad absoluta V1 en

dirección (aunque no en magnitud, pues esta depende de H que permanece

constante) dando lugar a una reducción de la componente radial V'R1 y, por

tanto, a una reducción del gasto y por ende de la potencia de la turbina. La

velocidad de giro del grupo turbina generador se conserva, esto es, U1

permanece constante. Pero, como puede observarse en el gráfico de la

dirección de V'r1 ya no responde al ángulo del álabe 1 sino, a un ángulo

inferior, con lo que se produce una separación del agua del contorno del

álabe dando lugar a turbulencias y a pérdidas de energía que reducen el

rendimiento. Este efecto se hace tanto más notable en las turbinas de

reacción de alta velocidad específica con álabes fijos, como la Francis

mixta y la de Hélice.

Si trabajando con potencia parcial se produce separación, operando con

sobrecargas se originan choques contra el álabe, que dan lugar a

vibraciones perjudiciales, en la figura se advierte que al exigir más potencia

a la turbina por alguna sobrecarga del generador, el gasto de agua debe

aumentarse, o lo que es igual, la velocidad radial debe aumentar a un valor

V"R1; lo cual se logra aumentando el ángulo del distribuidor a un valor "1,

con objeto de variar la dirección de la velocidad absoluta de entrada a un

valor V"1. Al permanecer U1 constante, la velocidad relativa viene dirigida

ahora bajo un ángulo mayor que ß1, produciendo un choque del agua


95

contra el álabe y dando lugar a una reducción del rendimiento. Las

sobrecargas toleradas en la turbina Francis son del orden del 15 al 20 %

sobre las condiciones de diseño.

A la salida los efectos son menos nocivos que a la entrada, pues como se

trata de velocidades subsónicas, el álabe manda al agua y la velocidad

relativa sale siempre en la misma dirección. Sin embargo, como U2

permanece constante para cualquier gasto y la velocidad radial varía su

magnitud en la misma proporción que el gasto, al ser VR1 = VR2 = VR,

resulta que la velocidad absoluta de salida V2 se sale de la dirección radial

que de ordinario tiene en las condiciones de diseño, apareciendo valores

sensibles de Vu2, que modifican la transferencia de energía; aunque lo

más perjudicial son los efectos de recirculación del agua, que perturban la

descarga y reducen la recuperación de energía en el ducto de desfogue,

disminuyendo el rendimiento global de la turbina.

3.2.4 TUBO DE DESFOGUE

Sirve para la descarga del agua de una turbina de reacción hasta el socaz,

satisface además una función muy importante como órgano de recuperación

de energía, debido a su forma divergente, produce una desaceleración del

agua que sale de la turbina, su altura física debe ser menor que el de la

columna de agua real equivalente a la presión atmosférica, para impedir

que la vena líquida se rompa en el ducto.

Para la turbina Francis veloz y la Kaplan se utiliza con preferencia la

instalación con eje vertical, debido a que mejora el rendimiento y la

regularidad del flujo, y en la posibilidad de obtener mayor recuperación de

energía cinética a la salida del rodete. También influye favorablemente en

el fenómeno de cavitación, que queda aminorado por el hecho de ser

posible la colocación del rodete a muy pequeña altura sobre el nivel del

agua del socaz y en algún caso bajo el nivel del mismo, como es necesario

para las turbinas de alta revolución específica.

3.3 TURBINAS KAPLAN La Kaplan es una turbina hélice de álabes

ajustables (Figs. 3.15 y 3.16), de manera que la incidencia del agua en el

borde de ataque del álabe pueda producirse en las condiciones de máxima

acción, cualesquiera sean los requisitos del caudal y la carga.

Las turbinas hélice que tienen álabe fijo justifican su instalación en los

casos en que las variaciones de potencia no sean considerables. Victor


96

Kaplan (1876-1934) concibió la idea de corregir el paso de los álabes

automáticamente con las variaciones de potencia.

Una técnica constructiva de las turbinas hidráulicas poco desarrollada a

comienzo de siglo, hacía concebir la idea de Kaplan como irrealizable.

Pero, con el avance del siglo avanzaba el desarrollo tecnológico y la idea de

Kaplan fue imponiéndose en el mundo entero. La turbina Kaplan encuentra

aplicación en una gama de cargas que varía aproximadamente de 1 a 90 m.

si se incluyen a las turbinas tubulares o de bulbo, que también son de hélice

con paso variable.

Fig. 3.15 Alabes ajustables Fig.3.16 Alabes Directores

Fig. 3.17 Alabes de una turbina Kaplan


97

3.3.1 ÓRGANOS PRINCIPALES DE UNA TURBINA KAPLAN

Al igual que en la Francis son: el caracol, distribuidor, rodete móvil y tubo

de desfogue; las funciones de éstos órganos son las mismas que se

describieron para la turbina Francis.

La cámara de alimentación suele ser de concreto en muchos casos, debido a

la gran capacidad de gasto que admite la turbina Kaplan. La sección

toroidal puede ser circular o rectangular como el mostrado en la figura 3.18

El distribuidor, que sigue a la cámara de alimentación, regula el gasto y

además imprime al agua el giro necesario para el ataque adecuado del agua

a los álabes. Los álabes del distribuidor se ajustan automáticamente de

acuerdo a las necesidades de la potencia.

El rotor de la turbina, de forma de hélice, está constituido por un robusto

cubo, cuyo diámetro es del orden del 40 al 50 % del diámetro total al

extremo de los álabes, en el cual van empotrados los mismos. Los álabes

del rotor tienen perfil de ala de avión y desarrollo helicoidal. El perfil de ala

permite obtener una acción útil del agua sobre el álabe en el movimiento

que aquella tiene respecto a éste, la forma helicoidal o alabeo se justifica,

en virtud de que la velocidad relativa del flujo varía en dirección y

magnitud con la distancia al eje de giro, debido a que la velocidad de

arrastre (U1 = w R1), se modifica en magnitud con el radio. El tubo de

desfogue es casi siempre acodado y semejante al de una turbina francis.

Fig. 3.18 Corte

longitudinal de una

turbina Kaplan con

sección toroidal

rectangular

3.3.2 ENERGIA TRANSFERIDA

De fluido a rotor tiene la expresión:


98

1 1 2 2

1U UE U V U V

g

3.3.3 GRADO DE REACCION

Queda expresado por:

2 2

1 2

2 2

2 1

1

1R

r r

GV V

V V

3.3.4 FACTOR DE UTILIZACIÓN

Se define por: 2 2

1 2

2 2 2

2 1 2

2R

V VE

V V G VE

g

3.3.5 DIAGRAMA DE VELOCIDADES A LA ENTRADA Y SALIDA

DEL ROTOR

La figura 3.19 muestra el álabe de una turbina Kaplan en sección normal a

la dirección radial. El agua procedente de la cámara de alimentación y

guiada por los álabes del distribuidor, gira en vórtices libres en la zona

existente entre el distribuidor y el rotor, hasta alcanzar a este último,

atacando el álabe con una velocidad absoluta V1, que es variable en

magnitud y dirección para cada punto del borde de ataque del álabe. Si la

velocidad tangencial del álabe en ese punto es U, la velocidad relativa del

fluido respecto al álabe será Vr1, cerrando el trío vectorial correspondiente a

la ecuación vectorial.

11 rVUV

La Vr1 debe incidir sobre el álabe de forma que se logre una máxima acción

del agua, evitando separación o choques, que reduzcan el rendimiento. El

ángulo de incidencia se fija por la velocidad media relativa Vmr y la

cuerda.


99

Fig. 3.19 Diagramas de velocidades a la entrada y salida del álabe de una turbina

kaplan.

La magnitud de la componente axial a la entrada Va generalmente se

conserva a la salida de las máquinas axiales. La velocidad absoluta a la

salida V2 se procura que sea axial o con una componente giratoria mínima,

a fin de tener un buen desfogue y para reducir su magnitud, aumentando el

coeficiente de utilización. Como la velocidad tangencial del álabe U es la

misma pues los dos puntos de entrada y salida están a la misma distancia

del eje se tendrá que diseñar el borde de fuga de forma que la componente

relativa Vr2 cierre el triángulo vectorial correspondiente a la ecuación

22 rVUV

Ya que en velocidades subsónicas, como es el caso del agua en las turbinas

hidráulicas, el álabe manda al fluido en la salida y la Vr2 saldrá tangente al

álabe.

La curvatura del álabe definida por el ángulo para Va constante, hace que

V2 < V1 y Vr2 > Vr1, con el fin de tener un aprovechamiento de la carga

dinámica y de la carga estática del agua.

El diseño de los álabes suele hacerse para el 80% de la capacidad del gasto

de la turbina, ya que en estas condiciones se favorece el rendimiento global

del álabe en las diferentes condiciones de carga parcial o sobrecarga. Para


100

las condiciones de diseño la apertura del ángulo del distribuidor suele ser

de 45º, pudiendo variar entre 20º y 50º en términos generales.

El alabeo de los bordes de ataque y de fuga se define por los valores de los

ángulos ß1 y ß2 a lo largo de dichos bordes.

Fig. 3.14 Diagramas de velocidades a la entrada y a la salida

1 2

1

tan ; tana a

u

V V

U V U

Siendo

;a

QV U ND

A

La componente giratoria Vu1 se calcula en cada punto de la zona de vórtices

libres, que precede al rotor, aplicando el principio de conservación del

momento de la cantidad de movimiento.

En la sección de salida del distribuidor se puede conocer la componente de

giro Vua y el radio Ro. El momento de la cantidad de movimiento sobre la

unidad de masa será Vuo Ro, que será constante en toda la zona de vórtices

libres, pues no hay momento exterior en esta zona. Por lo tanto si se

designa por el subíndice 1 la sección de ataque del agua al rotor se tendrá:

Vuo Ro = Vu1 R1 = Constante

Donde R1 puede variar del cubo al extremo del álabe y en consecuencia Vu1

varía también, pero en forma opuesta a R1, para conservar el valor

constante del producto. Como Va es constante, resulta que tan ß1 varía con

U y con Vu1, o lo que es igual con el radio.

En el borde de fuga el cambio de tan ß1 varía con U = ND el cual tiene

valores diferentes a distintos diámetros, para una misma velocidad de giro.


101

3.3.6 DIÁMETRO DE LA HÉLICE

En la turbina axial el diámetro es único, cuyo valor se fija por la

experiencia a través de fórmulas empíricas, entre ellas la siguiente

68 HPD

H

3.3.7 VELOCIDAD DE GIRO

Viene dada por 3

4950 HN

HP

La relación entre la altura del distribuidor y el diámetro de la hélice B/D es

del orden de 0,4.

3.4 TURBINAS BULBO, TUBULARES Y DE POZO PARA CARGAS

MÍNIMAS Y GRANDES CAUDALES

Buscando condiciones económicas favorables para el aprovechamiento de

energía del agua, los ingenieros han fijado siempre su atención en los saltos

de mediana y gran altura. Se han desarrollado así potentes turbinas,

tratando de concentrar cada día, mayor potencia en una sola unidad; lo que

ha obligado necesariamente, a proyectar máquinas de grandes dimensiones.

Se menospreciaban los aprovechamientos de pequeñas cargas 5, 10 y hasta

15 metros por resultar incosteables con el empleo de turbinas

convencionales Francis e incluso Hélice o Kaplan, debido

fundamentalmente, a las profundas y costosas excavaciones.

Pero la creciente demanda de energía estaba obligando a pensar en toda

clase de aprovechamientos. Si las máquinas convencionales no satisfacían,

sería necesario idear otros tipos. Es así como aparecieron, en los pasados

años, las turbinas bulbo, las tubulares y las de pozo, que permitían

aprovechar caídas de 1 a 15 metros.

La particularidad fundamental en todas ellas, es que el eje se ha dispuesto

en la dirección horizontal o casi horizontal, a fin de reducir las dimensiones

en vertical y, por tanto, las excavaciones; circunstancia ésta que se presenta

en la turbina Kaplan de eje vertical, a la cual podría recurrirse en los casos

de pequeñas cargas.


102

En estos nuevos tipos, desaparece la cámara espiral o caracol,

practicándose la alimentación directamente desde el embalse por medio de

un tubo de aspiración rectilíneo, que manda el agua sobre el rotor de la

turbina a través de unas paletas directoras. El rotor tipo hélice con álabes

fijos o ajustables, tiene su eje en la misma dirección del ducto, facilitando

el paso de grandes caudales de agua, la descarga se logra por una

continuidad del mismo ducto, en forma análoga al desfogue de una turbina

de reacción convencional. Sólo en el tipo de turbina tubular se hace

necesario un cambio en la dirección del ducto en la descarga para dar salida

al eje del generador.

En la TURBINA TUBULAR (Fig 3.20), en efecto, el generador va

instalado al exterior, fuera del ducto del paso del agua. Esto reduce el costo

del generador, que puede ser así de tipo convencional, aunque presente

algunos problemas de vibración en el sellado de la flecha, por mayor

longitud de vibración y de desfogue.

Fig.3.20 Turbina Tubular

En la TURBINA DE TIPO BULBO (Fig.3.21), el generador está

encerrado en un recinto metálico estanco, que generalmente precede al

rotor, apareciendo el conjunto como una pera o bulbo, de donde deriva su

nombre. Para el acceso al generador, así como para el paso de las

conducciones y servicios, se dispone de un ducto o chimenea que comunica

con el exterior. Este sistema es ligeramente más costoso, pues requiere el

empleo de generadores de diseño especial, pero tiene la ventaja de que se

facilita el desfogue, incrementándose la energía recuperada en el mismo.


103

En el TIPO POZO, (Fig. 3.22) el generador se independiza del rotor de la

turbina por medio de muros de concreto, manteniéndolo en el mismo eje de

la turbina o desplazándolo transversalmente.

Fig. 3.21 Turbina tipo Bulbo

En este último caso la transmisión de la potencia se efectúa por medio de

un multiplicador, pudiéndose hacer uso de generadores más económicos.

La obra de fábrica es un poco más complicada y por ello su uso es más

limitado.El rendimiento de este tipo de turbinas es tan satisfactorio o

superior al de una turbina Kaplan, particularmente en aquellos casos en los

que se disponen álabes ajustables en el rotor y en los portillos de acceso del

agua al rotor. Además el ducto rectilíneo de alimentación y de desfogue

reduce al mínimo las pérdidas de energía en el flujo. La curva de

rendimiento se mantiene así casi plana, a un nivel aproximado del 90%,

para diferentes valores de potencia.

Fig. 322 Turbina tipo pozo


104

3.5 TURBINA DE FLUJO CRUZADO (CROSS FLOW)

Fig. 3.23 Turbina de flujo cruzado (Cross Flow)

Fig. 3.24 Turbina de

Flujo Cruzado


105

La turbina Cross Flow es de construcción simple, esto le da, la

característica muy importante de poder ser construida sin mucha

tecnología. Las dos partes principales de una turbina Cross Flow son el

rotor o rodeta y el conjunto de elementos que conforman la carcasa, ambas

piezas se hacen con lámina de acero soldada y requieren cierto fresado, lo

único que se necesita es un equipo de soldar y un taller de máquinas como

los que se utilizan para reparar maquinaria agrícola y piezas automotrices.

La eficiencia de la turbina Cross Flow (Fig. 3.25) es del 80% y mayor, y

por ende es apropiada para pequeñas centrales generadoras hidroeléctricas.

La regulación del flujo y el control del regulador central del boquerel, se

realiza mediante un mecanismo de cierre, en la forma de una compuerta.

Los reguladores son costosos, pero resultan indispensables para hacer

funcionar un generador de corriente alterna.

Fig.3.25 Rendimiento de la turbina de Flujo Cruzado

Para caídas elevadas la turbina Cross Flow se conecta a una tubería de

carga con una válvula de entrada a la turbina. Esto requiere de un tipo de

disposición diferente que el empleado para caídas bajas.


106

La turbina es única por que sus anchuras de boquerel y del rotor pueden

ajustarse a las condiciones de caída e índices de flujo. Su adaptabilidad,

simplicidad y bajo costo hacen que sea la más apropiada de todas las

turbinas hidráulicas para pequeños sistemas de generación. Puede aplicarse

a caídas de 1 a 200 metros y caudales de 0,02 a 8 m3/seg.

Funciona eficientemente con cargas bajas de agua y su rendimiento es

superior al de una turbina Francis. Cuando dividimos la paleta de la turbina

en tres partes iguales, podemos hacer funcionar hasta con un 10% del factor

de carga, y producir mayor energía en Kw que en las otras turbinas.

La rueda de la turbina de flujo cruzado no puede funcionar dentro del agua

y debe colocarse tomando de 1 a 3 metros del eje de la turbina hasta el

nivel del agua del canal de descarga. El flujo de agua de la turbina Cross

Flow se muestra en la Fig. 3.26

Fig. 3.26 Flujo de agua

El agua es accionada dos veces en las paletas de la rueda, la transferencia

de energía es de 72% en la primera acción y 28% en la segunda. El flujo de

agua cruza la rueda, de ahí proviene el nombre de Cross Flow (fluir a

través).


107

3.6 TURBINA TIPO PELTON Las turbinas de impulso o

acción tienen la

peculiaridad de aprovechar

solamente la energía

cinética del fluido; no

existe pues, gradiente de

presión entre la entrada y la

salida de la máquina. El

grado de reacción es cero.

En la turbina Pelton la

energía cinética del agua,

en forma de chorro libre, se Fig.3.27 Alabe de Turbina Pelton

genera en una tobera colocada al final de la tubería de presión. La tobera

está provista de una aguja de cierre para regular el gasto, constituyendo el

conjunto el órgano de regulación y alimentación de la turbina.

Fig. 3.28 Ruedas Pelton

El álabe tiene la forma de doble cuchara Figs.3.28 y 3.29, con una arista

diametral sobre la que incide el agua, produciéndose una desviación

simétrica en dirección axial, buscando un equilibrio dinámico en esta

dirección por ser el ataque del agua en sentido tangencial; por tener el


108

fluido un recorrido axial en su paso por el álabe, se clasifica entre las

máquinas de tipo axial.

Fig. 3.29 Ruedas de una Turbina Pelton (Propiedad Taller Ing. Mecánica)

Fig.3.30 Turbina Pelton de 4 chorros y eje vertical.

Las turbinas pueden tener eje horizontal o vertical; en la disposición de

EJE HORIZONTAL el número de chorros por rueda se reduce


109

generalmente a uno o dos, por resultar complicada la instalación en un

plano vertical de las tuberías de alimentación y las agujas de inyección. La

rueda queda sin embargo más accesible para su inspección, lo mismo que

los inyectores. Encuentra así aplicación si se tienen aguas sucias que

producen deterioros o notable acción abrasiva, con esta disposición se hace

posible instalar turbinas gemelas.

La disposición con EJE VERTICAL permite aumentar el número de

chorros por rueda a cuatro o seis pudiendo incrementarse el caudal y tener

mayor potencia por unidad, las excavaciones disminuyen pero la inspección

y reparaciones se hacen más difíciles por lo que se recomienda su uso con

aguas limpias, con eje vertical se permiten mayores potencias. (Fig. 3.30).3

3.6.1 CARACTERÍSTICAS DEL RODETE

El rodete Pelton está constituido por un disco de acero con álabes

periféricos en forma de doble cuchara, estos pueden estar fundidos con el

disco en una sola pieza, o individualmente sujetándose después al disco por

medio de bulones.

El material de los álabes, debe resistir la fatiga, la corrosión y la erosión,

utilizándose para tal efecto; grafito laminar, acero, carbono aliado con

níquel, aceros con cromo o aceros austeno ferríticos, materiales que

3 POLO ENCINAS MANUEL, Turbomáquinas hidráulicas Edit. Limusa 1974 Pag. 197

Fig. 3.31Ruedas Pelton de cuatro y

seis Chorros


110

presentan gran resistencia a la cavitación y abrasión. El material del disco

de la rueda es de acero fundido o forjado.

El NÚMERO DE ÁLABES suele ser de 17 a 26 por rueda, para alta

velocidad específica el número de álabes es menor, en cambio, si la

velocidad específica es alta es que el gasto es grande, lo que exige álabes

mayores, y por tanto, caben menos en la misma periferia de la rueda. Dicho

número se calcula mediante la expresión:

Donde Na es el número de álabes; D el diámetro de la rueda y d el diámetro

del chorro.

La arista media del álabe no es completamente radial, sino que está

ligeramente inclinada con relación a la dirección del chorro.

El ancho de los álabes b está comprendido entre 3,5 y 4 veces el diámetro

del chorro.

El ancho axial de la carcaza cerca de la tobera no debe ser menor que 15 d,

de otra manera el agua rechazada impediría el movimiento de los álabes

(cangilones).

3.5.2 FORMA Y DIMENSIONES DE LOS ÁLABES

Las dimensiones del álabe son

proporcionales al diámetro del

chorro; este a su vez es función del

diámetro de la rueda y la velocidad

específica. El valor de d (diámetro

del chorro) está entre el 5% y 12%

aproximadamente del valor de D

(diámetro de la rueda), según el

autor Manuel Polo Encinas, de

acuerdo a Viejo Zubicaray el valor

D/d no debe ser menor Fig. 3.32 Ángulo del álabe

152d

DNa


111

a 12, excepcionalmente puede llegar a 7. Sin contradecir a ambos autores

podría tomarse el valor de 9 para efectos de solucionar problemas

posteriores.

Se toma como diámetro de la turbina Pelton el diámetro de un círculo que

pasa por el centro del álabe y es tangente a la línea de centros de la tobera.

El ángulo que forman las dos caras interiores del álabe, (Fig. 3.32) debe ser

el mínimo posible, pero, para no debilitar demasiado el mismo, los

constructores recomiendan que sea del orden de 200. El ángulo de salida ß

debe estar entre 8 y 12 grados en la parte media del álabe, ya que de

reducirse se presenta el peligro de recirculación y de choque del agua

contra la cara posterior del álabe siguiente.

Como la energía cinética del agua del chorro decrece con la distancia al

orificio de salida, conviene colocar los inyectores lo mas cerca posible del

rodete, para lo cual se produce en los álabes una entalladura en la parte

periférica, la que además impide que el agua salpique por el borde de la

cuchara e incluso que la ataque por la parte posterior.

3.6.3 DIAGRAMAS DE VELOCIDADES Y ENERGIA

TRANSFERIDA EN FUNCION DE

En la figura 3.33 se presenta el corte de un álabe de una turbina Pelton, en

él se tienen: Vr1 velocidad relativa, U1 Velocidad tangencial del álabe y V1

Velocidad absoluta, donde:

V1 = U1 + Vr1

Fig.3.33 Diagramas vectoriales a la entrada y salida de una turbina Pelton.


112

A la salida, la dirección de la velocidad relativa esta definida por el ángulo

(se toma como promedio 165º ; = 180º- ). Ya que se trata de una

máquina axial, la ecuación vectorial es:

3.7 TURBINA TURGO

La turbina Turgo es una turbina hidráulica de impulso diseñada para saltos

de desnivel medio. Fig. 3.34

Fig. 3.34 Turbina Turgo

Fue desarrollada por la compañía Gilkes en 1919 a partir de una

modificación de la turbina Pelton; la Turgo tiene varias ventajas sobre la

turbina Francis y la Pelton en determinadas aplicaciones.

222 rVUV

)º180cos(222 ru VUV

http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_hidr%C3%A1ulica

http://www.gilkes.com/home.htm


http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Pelton

http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Francis


113

En primer lugar, el rodete es más barato de fabricar que el de una Pelton.

En segundo lugar no necesita una carcasa hermética como la Francis. En

tercer lugar tiene una velocidad específica más elevada y puede manejar un

mayor flujo para el mismo diámetro que una turbina Pelton, conllevando

por tanto una reducción del costo del generador y de la instalación.

Las Turgo operan en un rango de desniveles en el que se solapan las

turbinas Francis y Pelton. Aunque existen muchas grandes instalaciones

con turbinas Turgo, estas son más populares para pequeñas instalaciones

hidráulicas en donde el bajo coste es primordial.

La turbina Turgo es una turbina de tipo impulso. El agua no cambia de

presión cuando pasa a través de los álabes de la turbina. La energía

potencial del agua se convierte en energía cinética en la tobera de entrada o

inyector. El chorro de agua a alta velocidad es dirigido contra los álabes de

la turbina que lo desvían e invierten el flujo. El impulso resultante hace

girar el rodete de la turbina, comunicando la energía al eje de la turbina.

Después de todo esto el agua sale con muy poca energía. Los rodetes de

una turbina Turgo pueden tener un rendimiento por encima del 90%.

El rodete de una Turgo se parece a un rodete Pelton partido por la mitad.

Para la misma potencia, el rodete Turgo tiene la mitad del diámetro que el

de un rodete Pelton y dobla la velocidad específica. El turgo puede manejar

un mayor flujo de agua que el pelton debido a que el agua que sale no

interfiere con las paletas adyacentes.

La velocidad específica de los rodetes Turgo se encuentra situada entre la

de las turbinas Francis y Pelton. Se pueden usar una o varias toberas o

inyectores. Incrementando el número de inyectores se incrementa la

velocidad específica del rodete en la raíz cuadrada del número de chorros

(cuatro chorros rinden dos veces la velocidad específica de un chorro para

la misma turbina).

3.8 ELECCIÓN DEL TIPO DE TURBINA

La turbina más adecuada debe ser elegida en función de las características

técnicas y económicas que hagan que un tipo determinado resulte en

ventaja frente a otros. La velocidad específica para una turbina dada es una

función del caudal que pasa por ella, según el cual presentará diferentes

características.

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_potencial

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_potencial

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_cin%C3%A9tica

http://es.wikipedia.org/wiki/Tobera


114

Se puede elegir la turbina más apropiada en función de los valores

específicos que se obtienen al estudiar el funcionamiento de una turbina en

diferentes condiciones de servicio, por ejemplo, variando H, Q, etc., o

comparando el funcionamiento de turbinas análogas unas con otras. Estos

valores se han introducido rápidamente en todas las explotaciones y son

aplicadas en la práctica por que dan clara idea sobre la aplicación de los

tipos y formas de turbinas, de esta forma se va obteniendo un caudal

específico, una potencia específica y una velocidad específica, datos que

permiten recurrir a tablas o gráficos para definir el tipo de turbina más

apropiado. La velocidad específica se calcula con la expresión:

54

s

N CVN

H

La velocidad específica de una serie homóloga de turbinas se define como

la velocidad de una máquina de la serie de tal tamaño que produce una

potencia unidad con una altura unidad.

3.9 REGULADORES AUTOMÁTICOS DE TURBINAS4

Fig. 3.35 Gobernador

4 ZOPPETI, Centrales Hidroeléctricas Edit. Gustavo Gili 1974 Pag.147 y siguientes


115

Cuando se produce una variación de carga en la turbina, es decir, cuando se

modifica el par resistente que actúa sobre la misma, según se trate de un

aumento o disminución de dicho par, la turbina reducirá o aumentará el

número de revoluciones con que estuviese en funcionamiento antes de

producirse la variación de carga. Es preciso, por consiguiente, adaptar el

trabajo motor al resistente graduando convenientemente la entrada de agua,

para que subiendo o bajando el caudal utilizado se disponga en cada

momento de la potencia requerida y con ello se obtendrá salvo ligera

variación, el número de revoluciones de funcionamiento normal de la

turbina.

Para la regulación de las turbinas se utiliza el regulador centrífugo

(Fig. 3.36) que recoge las variaciones de velocidad producidas y cuyo

desplazamiento del manguito puede actuar sobre el mecanismo de apertura

y cierre de la entrada de agua. En los reguladores que actúan por la fuerza

centrífuga, cuanto mayor es el número de revoluciones, más elevada es la

posición del manguito, y por ello este, en su movimiento vertical, arrastra el

mecanismo que actuará sobre la regulación del agua que penetra en la

turbina. Cuando a una situación cada vez más elevada del manguito

corresponde mayor número de revoluciones de la máquina se llaman

REGULADORES ESTÁTICOS.

Los mecanismos de cierre

de las turbinas, exigen la

actuación de esfuerzos muy

superiores a los que pueden

obtenerse con un regulador

centrífugo, y por ello, este

actúa sobre un ligero

mecanismo de la

distribución de un

servomotor, que se mueve

a su vez por aceite a

presión suministrado por

una bomba.

Fig. 3.36 Regulador centrífugo.

Para obtener una regulación estable, es necesario que el efecto del

regulador sea tal que reaccione lo más rápidamente posible al presentarse el

efecto perturbador.


116

Esto tiene lugar únicamente con el sistema de regulación estática, por que

el trabajo absorbido o cedido durante la maniobra, tiene el efecto de reducir

el desequilibrio de potencia y por ello de reaccionar contra la causa

perturbadora.

El conjunto de la instalación reguladora (Fig. 3.37) está formado por una

bomba rotativa que envía aceite a presión a una válvula distribuidora. Esta

válvula es movida por un péndulo centrífugo y, según sea en éste el número

de revoluciones, la válvula se moverá en uno u otro sentido, enviando el

aceite recibido de la bomba a una u otra cara del émbolo de un servomotor

que actúa sobre el distribuidor de la turbina abriendo o cerrando la entrada

de agua. En la figura, la palanca a,b,c tiene un extremo sobre el collar del

péndulo y el otro en un punto fijo c. El punto b intermedio por apropiada

articulación, une la palanca con el vástago de la válvula distribuidora a

palanca a-b-c, tiene el punto de giro c fijo, y al aumentar las revoluciones

del péndulo centrífugo a, tomará aquella una posición inclinada, la válvula

distribuidora se desplazará y permitirá el ingreso del aceite a presión en la

parte izquierda del cilindro del servomotor (y por el movimiento de este el

cierre de la turbina) con lo cual las revoluciones disminuirán, volviendo a

ocupar nuevamente la palanca la posición a-b-c y la válvula su posición

media, a la que corresponde igual número de revoluciones de la máquina, y

después de haber efectuado el cierre del distribuidor de la turbina a la

proporción necesaria para equilibrar los trabajos motor y resistente.

Fig. 3.37 Esquema de funcionamiento del regulador de velocidad de una turbina.


117

Con tal sistema la regulación es isodrómica, (la velocidad permanece

constante para cualquier potencia) por que existe una sola posición de a que

asegure la posición media de la válvula distribuidora. pero con esta

distribución no es posible obtener una buena regulación por que la válvula ,

al bajar, sobrepasa su posición media, es decir, el manguito del tacómetro

baja con más rapidez de la necesaria cuando tiene lugar el cierre por

paralización del émbolo del servomotor. Entonces pasa el aceite a la parte

derecha del cilindro volviendo a abrir la turbina y repitiéndose el juego de

forma que la turbina no alcanza la posición de equilibrio estable.

En el gráfico se muestra también las variaciones de potencia ( P) y de

velocidad ( V) en relación con el tiempo (abcisas). Se observa en ella, que

el paso de uno a otro régimen se efectúa con variaciones de velocidad

persistentes y por ello, el regulador es incapaz de alcanzar de modo estable

el nuevo estado de régimen. Este inconveniente se evita supeditando la

situación del punto de giro c al movimiento de avance o retroceso del

émbolo M. En estas condiciones, el punto de giro c tendrá una altura que

dependerá del grado de apertura de la turbina, y como es natural, ésta ya no

podrá funcionar al mismo número de revoluciones desde vacío a plena

carga, porque, como se comprende, para que la válvula ocupe su posición

media, con lo cual el émbolo queda parado, a diferente altura de c

corresponde también diferente altura del collar del péndulo a, y puesto que

este es estático, su número de revoluciones será diferente y, por tanto,

también lo será la velocidad de la turbina.

Fig. 3.38 Esquemas de un regulador con retorno rígido externo (Izquierda) y con

retorno rígido interno (Derecha)


118

La disposición empleada con tal objeto es la de la Fig. 3.38. Como se

aprecia en la figura la varilla c-d por intermedio de la cuña A1 A2 montada

en el vástago del movimiento del servomotor, hace que se desplace el punto

de giro c para cada posición del émbolo del servomotor, y para que b ocupe

su posición normal se comprende que el punto a del collar deberá estar más

bajo al abrir el distribuidor que al cerrar éste.

La varilla c-d y el mecanismo que acciona, constituyen el dispositivo de

retorno, con el cual la regulación se efectúa en perfectas condiciones. Con

el sistema de regulación estático y con estatismo positivo, las oscilaciones

de velocidad van gradualmente amortiguándose, apreciándose el mismo en

el diagrama del centro. Por efecto del dispositivo de retorno, a la fase

inicial (t0 a t1) sigue la fase de sobreregulación (t1 a t2) que se detiene antes

de retornar a la velocidad inicial, por cuanto con un grado de apertura

menor se obtiene velocidad de régimen mayor y por ello las oscilaciones se

amortiguan, tanto más rápidamente cuanto mayor es el estatismo.

Este sistema, que tiene elevada estaticidad, no se presta a las exigencias de

los reguladores de corriente alterna, que por la regularidad del servicio

exigen una frecuencia invariable, o lo que es lo mismo, una velocidad

constante. Estos reguladores van provistos de órganos estabilizadores de la

velocidad que permiten obtener una elevada estaticidad al comenzar la

regulación que se reduce a cero al terminar la regulación.

En la práctica se utilizan los reguladores (Fig.3.39) con estabilización

acelerométrica (izquierda) y la estabilización por medio de freno de

catarata (derecha).

Fig. 3.39 Esquemas de un regulador con estabilización acelero-taquimétrica

(Izquierda) y con estabilización por intervención elástica (Derecha).


119

En la figura de la izquierda, se utiliza además del tacómetro, un aparato

sensible a la aceleración angular cuya acción es concordante con la del

tacómetro durante la primera fase de la regulación (t0 a t1) y es contraria

durante la fase de contraregulación (t1 a t2). El aparato acelerométrico

puede ser aplicado al punto de giro c de la palanca de maniobra, o también,

con un solo aparato que comprende asimismo el tacómetro, denominado

péndulo acelerotaquimétrico. La acción acelerométrica es máxima al

iniciarse la regulación, cuando la taquimétrica está prácticamente inactiva,

y el afecto antagonista de la misma, es tanto más enérgico, cuanto más

elevada es la variación de carga; este sistema es muy eficaz para obtener

una rápida estabilización.

En el sistema de la derecha, se inserta una varilla del dispositivo de retorno,

un freno-catarata contrastado por un muelle helicoidal; este freno no

interviene durante la fase inicial, por lo cual el punto c está obligado a

seguir el movimiento a que da origen el de la cuña, venciendo de este modo

la acción antagonista del muelle. Seguidamente el aceite de la catarata

trasvasa a través de la llave r que presenta una resistencia y que puede

graduarse, y el émbolo del freno de catarata se mueve hasta el momento en

que el muelle antagonista recobra su posición de equilibrio, es decir,

cuando el punto c alcanza nuevamente su posición inicial correspondiente a

la velocidad de régimen. La acción de este dispositivo de retorno, flexible,

es constantemente reactiva, esto es, en sentido contrario de la taquimétrica,

y depende del tipo de maniobra que tenga lugar. En el diagrama del centro

se observa que las variaciones de velocidad en forma de oscilaciones, con

este sistema son fuertemente amortiguadas.

3.10 REGULADOR DE TURBINAS FRANCIS.- La Fig. 3.40 representa

un corte del regulador donde aparecen numerados los elementos que lo

componen:

Está formado por un carter 1 que contiene aceite y sobre el cual se halla la

bomba 2 movida desde el eje de la turbina por la polea 3. La bomba envía

el aceite a presión a la válvula de distribución 4, que por apropiados

conductos, establece la comunicación con los dos cilindros 5 y 6 del

servomotor. Dentro de estos cilindros se mueven los émbolos 7, que actúan

sobre el árbol de regulación 8, por medio de una manivela 9. La válvula de

distribución 4 se desplaza en el sentido del cierre de la turbina obligada por

un muelle 10, y en el sentido de la apertura por un servomotor a presión de


120

aceite 11, alimentado por una pequeña bomba 12, arrastrada por el árbol

vertical del taquímetro 13. Este árbol es a su vez accionado por el engranaje

14 y la polea 15 que recibe por correa el movimiento, desde el árbol de la

turbina. El esfuerzo del muelle 10, viene en parte compensado por el

contrapeso 40.

Fig. 3.40 Regulador automático de velocidad de una turbina Francis

En la válvula de distribución se encuentran insertas dos válvulas de

seguridad 16 y 17; la más grande 16, comunica con la cámara central, la

cual recibe directamente el aceite de la bomba 2; la otra 17, comunica con

el conducto de aceite a presión de la pequeña bomba 12. Estas dos válvulas

de seguridad pueden abrirse por las manivelas 18 y 19 respectivamente, y

en este caso, las bombas, grande y pequeña no pueden generar presión.

Las oscilaciones pendulares de continuo cierre y apertura de la turbina se

evitan por medio del freno de aceite catarata 20, cuyo cilindro esta unido a

una biela 42, a la palanca fijada sobre el árbol de regulación 8. El émbolo

de dicho freno se encuentra a su vez articulado en la palanca 21 del péndulo

y por intermedio de un muelle; el paso del aceite a través del émbolo del


121

freno compensador se regula por medio de una aguja roscada y que gira

cuando se actúa sobre su cabeza 22.

3.11 REGULADORES DE LAS TURBINAS PELTON

En esta clase de turbinas, la regulación de la velocidad se efectúa por medio

de una aguja 5 (Fig.3.41), la cual avanza o retrocede en el orificio de salida

de la tobera y reduce o aumenta la sección de paso, por lo cual el caudal

que impele la rueda en forma de chorro disminuye o crece y lo mismo

ocurre a la potencia del salto, en el supuesto natural de que la altura de

aquel permanezca constante; pero los fenómenos debidos al cierre del

distribuidor dependen del tiempo empleado en esta operación, por lo que

conviene que este sea largo para evitar las sobrepresiones debidas al golpe

de ariete; sin embargo, la duración del cierre lleva consigo un aumento de

la velocidad en el rotor del alternador y esto representa un inconveniente.

Con este fin se utiliza la doble regulación, que consiste en desviar parte o la

totalidad del chorro hacia el socaz y esto con suficiente rapidez para

impedir la aceleración excesiva de las masas giratorias: realizado lo cual se

va cerrando la aguja con mayor lentitud.

El deflector o desviador 20, que se manda directamente desde el regulador

de velocidad, desvía el chorro de agua 2, del rodete 3, en un tiempo muy

reducido y de forma que este no reciba energía. Esta desviación del chorro

tiene lugar, hasta tanto que la aguja 5 haya tomado la posición

correspondiente al nuevo estado. El tiempo invertido en esta operación

debe ser el menor posible y compatible con el necesario para que el golpe

de ariete no dé origen a mayor sobrepresión que la de antemano fijada.

El émbolo del servomotor 100, actúa de modo que sólo en la apertura

recibe la presión del aceite, y el cierre tiene lugar por el resorte 101.

Cuando se produce en la turbina una reducción de la carga, el aceite sale de

la cámara 102 y el émbolo 100, obligado por el resorte, se desplaza hacia la

derecha.

Con ello por medio de la palanca 103 y el vástago 26, el deflector penetra

en el chorro 2, e interrumpe total o parcialmente la transmisión de energía

del rodete 3.


122

Fig. 3.41 Regulador Doble de Pelton

El movimiento de giro de la palanca 103, se transmite por el vástago 104 y

la rueda de levas 107, la cual gira a su vez por el punto 106 y acciona la

válvula de distribución 24, que abandona su posición media. De esta


123

manera puede salir el aceite de la cámara 108 (del émbolo de la aguja) y a

través de la válvula de distribución 24, evacuándose aquel por el conducto

109 que enlaza con la válvula 24. El resorte impele a la aguja hacia la

posición de cierre y con ello disminuye la potencia generada por la turbina.

Con el movimiento de la aguja 5, se desplaza la palanca de retorno 21, y

gira la rueda de levas 27, por el punto 107. De este modo la válvula de

distribución 24 vuelve a su posición media e interrumpe la entrada de aceite

en la cámara 108.

El resorte 105 que evita la deformación del varillaje es presionado cuando

la válvula de distribución 24 llega a su posición final, y el vástago 104 se

acorta si la palanca 105 sigue su movimiento giratorio.

3.12 REGULADORES PARA TURBINAS KAPLAN

La regulación de estas turbinas exige que las palas del rodete puedan

moverse para recibir la inclinación conveniente para tal objeto. Por otra

parte, también es necesario, como en las turbinas Francis, abrir o cerrar el

distribuidor para aumentar o disminuir el caudal que pasa por el rodete y

cede a la turbina su energía potencial. El regulador deberá actuar por

consiguiente sobre las palas del distribuidor y sobre los álabes del rodete.

El movimiento del distribuidor (Fig.3.42) se realiza por medio de los ejes

de regulación 230 y 230ª y por la barra 250, que mueven el anillo y con él

las palas distribuidoras. Estos ejes y barras son movidos por el servomotor

del regulador. Por lo que respecta al movimiento de los álabes del rodete, el

aceite es enviado por la distribución del regulador, mediante apropiadas

tuberías, a una caperuza dispuesta en la parte superior del eje vertical que

es hueco, y en el cual se hallan dos cámaras 441 y 442, la primera del lado

de apertura y la segunda del lado de cierre. En el propio árbol citado y

debajo del alternador se halla situado el servomotor para movimiento de las

palas del rodete y cuyo mecanismo de giro de los álabes se acciona por la

barra 46. Los números 421 y 422 representan respectivamente los cilindros

de apertura y de cierre.

Se trata pues de una regulación doble y con ella se logra el objeto

perseguido.


124

Fig. 3.42 Regulador para turbina Kaplan

En las instalaciones de poca importancia puede efectuarse la regulación

actuando solamente sobre los álabes del rodete.


125

3.13 REGULADORES ELÉCTRICOS PARA LAS TURBINAS En reguladores de turbinas, los grandes caudales necesarios al

funcionamiento de éstas llevan consigo ciertas dificultades en sus

respectivos reguladores, ya que los órganos de estabilización deben cumplir

condiciones especiales. Por otra parte, la regulación frecuencia-potencia,

cuya importancia va aumentando a medida que se desarrolla la

interconexión de centrales, tiene para los reguladores nuevas exigencias.

Fig. 3.43 Reguladores eléctricos para turbinas.

En la actualidad se emplean los péndulos movidos por medio de un motor

síncrono, que es alimentado por un alternador especial. El conjunto motor

alternador forma como un árbol eléctrico; por ello el péndulo accionado

eléctricamente es en realidad un frecuencímetro y de aquí nació la idea de

medir directamente la frecuencia por medios puramente eléctricos.

La casa Brown-Boveri ha construido (Fig. 3.43) recientemente un

regulador eléctrico para turbinas, que puede ser utilizado lo mismo como

regulador de estatismo transitorio que como regulador acelero-

taquimétrico. Lo que se sustituye pues, es el péndulo, permaneciendo igual

el resto del regulador mecánico. Se evita con ello la transmisión eléctrica o


126

mecánica, y se cumplen todas las exigencias que precisa la instalación de

centrales.

Los reguladores eléctricos se hallan dotados de gran sensibilidad y

permiten el funcionamiento en paralelo de varias máquinas con estatismo

reducido. Funcionan correctamente con la regulación frecuencia potencia.

No se gastan ni envejecen elementos importantes y trabajan con toda

seguridad.

El regulador eléctrico de estatismo transitorio está representado

esquemáticamente en la figura 3.43 (izquierda) en ella son: 1 turbina, 2

alternador, 3 alternador piloto, 4 armario para el aparellaje, 5a bobina

móvil, 5b amplificador hidráulico, 6 válvula de distribución piloto, 7

servomotor, 8 válvula de distribución de mando, 9 servomotor principal, 10

válvula de cierre para el paso del agua al rodete, 11 dispositivo de ajuste de

la frecuencia, 12 dispositivo de ajuste de la carga, 13 variómetro para el

circuito proporcional, 14 variómetro para el estatismo, 15 variómetro para

el estatismo transitorio, y 16 condensador diferenciador.

En este regulador eléctrico la velocidad viene representada por una

magnitud proporcional a la frecuencia del alternador piloto y medida en un

circuito sensible a la potencia. Después de la amplificación la magnitud

medida alimenta un arrollamiento de la bobina móvil 5a, del regulador, la

cual acciona el dispositivo piloto del amplificador hidráulico 5b, que actúa

a su vez sobre la válvula piloto 6. En lugar del retorno mecánico transitorio,

de los reguladores ordinarios, existe un variómetro 15, colocado a la salida

del servomotor 7. Este variómetro suministra una tensión proporcional a la

posición que ocupa. Desde que el servomotor 7 se mueve, aparece en el

circuito del condensador una corriente transitoria que se anula y crea por

ello un retorno transitorio.

Para el dispositivo de retorno permanente, existe igualmente un variómetro

14, sobre el servomotor principal. La tensión de salida en este variómetro

se compara con la tensión suministrada por el variómetro 12, que sirve para

el ajuste de la carga. La diferencia de estas dos tensiones viene aplicada a

otro arrollamiento de la bobina móvil.

La figura 3.43 (derecha) muestra esquemáticamente la estructura del

regulador acelero taquimétrico y en ella los números de los diversos

elementos, tienen la misma significación que los de la figura 44. Por no


127

emplearse para la medida de la aceleración ningún dispositivo mecánico, la

acción acelerométrica se puede manifestar de modo irreprochable, aun para

lentas variaciones de frecuencia. Una limitación de esta acción como para

el retorno transitorio, no es necesaria en este caso. Para la estabilización, la

frecuencia del alternador piloto puede diferenciarse, antes que se transmita

al arrollamiento del amplificador situado en el armario de aparellaje 4.

En la actualidad se han desarrollado reguladores electrónicos que; bajo los

mismos principios expuestos anteriormente efectúan las labores de

regulación con bastante eficiencia.

3.14 CAVITACIÓN 4 Durante el periodo experimental de las turbinas Hélice y Kaplan se

encontró que al aumentar la velocidad específica de la turbina se producían

fenómenos en un principio inexplicables que se hacían patentes, aun en el

caso de turbinas de menor velocidad específica, pero a las cuales se hacía

trabajar con grandes cargas y considerable altura de aspiración.

La forma como se manifestaban tales fenómenos consistía en una reducción

de la potencia y, por tanto, de la eficiencia de la turbina, así como en

vibraciones y fuertes ruidos provocados por golpes en el interior del tubo.

Después de muchas dificultades y experiencias infructuosas se encontró

que todo era debido a la formación de hoyos o cavidades que tenían lugar

sobre la cara inferior de los álabes o aspas del rodete móvil. Dichas

cavidades dieron origen al nombre con el cual se conoce el fenómeno antes

dicho, llamado fenómeno de cavitación; la formación de cavidades en el

seno del líquido, definidas por burbujas de vapor dentro de la masa líquida

y producidas por una vaporización local a causa de ciertas condiciones

dinámicas, como la alta velocidad específica y consecuentemente la

reducción de la presión local hasta el valor de la tensión del vapor a la

temperatura actual del líquido, se producen en general, en todo punto en el

que se produzca una aceleración local suficiente para reducir la presión al

valor de vaporización.

La cavitación disminuye el rendimiento hidráulico, pero el efecto mas

grave es la erosión de los álabes, que se acentúa más y más una vez

4 VIEJO Z.–ALONSO R. Energía Hidroeléctrica 1997 Limusa México. Pag 282


128

iniciada, obligando a revisiones periódicas de la máquina y reparación de la

parte afectada.

Una burbuja de vapor formada por una reducción local de la presión,

eventualmente se destruye cuando es arrastrada a una zona de más alta

presión y este colapso instantáneo de la burbuja produce una onda de

presión que se transmite a través del líquido, alcanzando la superficie del

material del álabe. Nótese además, que la mayor velocidad relativa se tiene

precisamente en la proximidad de los contornos. Asociada con la alta

presión de impacto se tiene una temperatura local elevada, la combinación

de las cuales puede ser suficiente para deteriorar el material. La acción

química se ha querido señalar como causa del ataque metálico, pero aunque

puede ser un factor que contribuye a la erosión del álabe, se ha observado

que los efectos de cavitación se presentan en materiales neutros como

plomo y vidrio.

La cavitación es esencialmente un proceso inestable, ya que la onda de

presión debida al colapso de la burbuja eleva momentáneamente el nivel de

la presión local, con lo que la cavitación cesa. El ciclo se repite y la

frecuencia puede ser muy alta (hasta por encima de 25000 ciclos por

segundo). Se entiende que bajo tales condiciones de fluctuación, el líquido

es sacudido y empujado hacia los poros del metal, produciendo

compresiones locales que sobrepasan la resistencia del material y dañan las

áreas afectadas.

Fig. 3.44

Regulador de

Watt

(Choquetanga)

capÍtulo iii turbinas hidrÁulicas 3.1 definiciÓn...

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