trabajo distribucion turbinas

5/16/2018 Trabajo Distribucion Turbinas - slidepdf.com

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INFORME

TURBINAS ELÉCTRICAS

INTEGRANTES : JUAN ABELLO PEÑA

MIGUEL VERA RODR GUEZ

MAURICIO LOPEZ VIDAL

FECHA : 04-04-2012

PROF. : SERGIO ROJAS MARAMBIO

ASIGNATURA : DISTRIBUCIÓN ELÉCTRICA



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ContenidoINTRODUCCIÓN ................................................................................................. 5

Historia .......................................................................................................... 5 Figura 1. Diferentes tipos de ruedas hidráulicas ................................................ 7 Figura 2: Turbina hidráulica propuesta por Euler ............................................... 9

DESARROLLO ................................................................................................... 12 Definición de turbina. ..................................................................................... 12

TIPOS TURBINAS EMPLEADAS EN GENERACIÓN ELÉCTRICA .................................. 13 TURBINAS EÓLICAS .......................................................................................... 15

Turbinas de eje vertical DARRIEUS ................................................................... 16 Figura 3: Turbinas de eje vertical Darrieus ..................................................... 17

Turbinas de eje horizontal ............................................................................... 17 Figura 4: turbina de eje horizontal. ............................................................... 18

TURBINAS HIDRÁULICAS ................................................................................... 19 Rueda PELTON .............................................................................................. 19

Figura 5: partes turbina PELTON ................................................................... 20 Turbina FRANCIS ........................................................................................... 20

Figura 6: principio turbina FRANCIS .............................................................. 20 Turbina KAPLAN ............................................................................................. 21

Figura 7: principio turbina KAPALAN .............................................................. 21 Turbina Fourneyron (1833) ............................................................................. 22

Figura 8 ..................................................................................................... 22 Turbina Heuschel-Jonval ................................................................................. 22

Figura 9 ..................................................................................................... 22 Turbina Schwamkrug, (1850) .......................................................................... 23

Figura 10 ................................................................................................... 23 Turbina Girard, (1863) ................................................................................... 23

PARTES DE UNA TURBINA ................................................................................. 24



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Figura 11: partes de una turbina y principio de funcionamiento ........................ 24 Figura 12: alabes turbina KAPLAN ................................................................. 25 Figura 12: hélices turbina hidroeléctrica en montaje ........................................ 26 Figura 14: Principio funcionamiento turbina PELTON. ....................................... 26

Figura 15: hélices turbina KAPLAN ................................................................ 30 Figura 16: alabes de una turbina .................................................................. 31 Figura 17: principio de una tobera ................................................................. 32 Figura 18: tobera ........................................................................................ 32 Figura 19: esquema turbinas Kaplan y Pelton en operación .............................. 33

Turbinas de vapor: ......................................................................................... 33 Figura 20: estructura turbina a vapor ............................................................ 34 Figura 21: Principio funcionamiento turbina a vapor ........................................ 34

Turbina de combustión o de gas: ..................................................................... 35 Figura 22: turbina a gas .............................................................................. 36 Figura 23: principio ciclo combinado .............................................................. 36

Turbina de expansión: .................................................................................... 38 FUNCIONAMIENTO DE UNA TURBINA .................................................................. 38

Figura 24: turbina KAPLAN ........................................................................... 40 Figura 25: cambio dirección alabes KAPLAN .................................................... 41 Figura 26: funcionamiento turbina PELTON ..................................................... 41

USOS CADA TIPO DE TURBINAS ......................................................................... 42 Turbina Francis: ............................................................................................ 42 Turbina Pelton: ............................................................................................... 42 Turbinas Kaplan: ............................................................................................. 43

Figura 28: turbina PELTON ........................................................................... 44 Figura 29: turbina KAPLAN de eje vertical en una central ................................. 44

DAÑOS FRECUENTES A TURBINAS ...................................................................... 45 Cavitación. .................................................................................................... 45



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Golpe de ariete. ............................................................................................. 47 Figura 30: golpes ariete ............................................................................... 48

MANTENCIÓN CENTRALES HIDROELÉCTRICAS ..................................................... 49 Figura 31: inspección tuberías agua .............................................................. 51

Figura 32: reparación tuberías agua. ............................................................. 51 Figura 33: proceso análisis aceite .................................................................. 54 Figura 34: registro termografico conductores.................................................. 55

CONCLUSIÓN: .................................................................................................. 56 BIBLIOGRAFIA: ................................................................................................ 57



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INTRODUCCIÓN

Esta investigación busca dar a conocer el funcionamiento de los distintos tipos de

turbinas utilizadas en la generación de energía eléctrica.

Nos dedicaremos en especial a tres tipos de turbinas hidráulicas utilizados con

mejores resultados en la actualidad.

El propósito de las turbinas en general, es la obtención de energía mecánica a partir

de energía de fluido. Para aplicaciones a pequeña escala, se puede emplear esta

energía mecánica en infinidad de aplicaciones, tanto con turbinas turbo

máquinas (un torno de dentista, donde aire a presión hace girar un rodete, a cuyo eje

está acoplado el torno), como con turbinas de desplazamiento positivo (en un motor

diesel). Dado que las máquinas de desplazamiento positivo son, en general,reversibles, se hablará de ellas en un tema posterior.

En aplicaciones a gran escala, el objetivo general de las turbinas es la producción de

energía eléctrica, para acoplarla a la red de suministro. En estas situaciones, suelen

emplearse turbomáquinas. Para ello, la energía mecánica generada en el eje se utiliza

para mover una máquina eléctrica generadora (generador eléctrico o alternador).

Historia

No se sabe con exactitud quién, dónde o hace cuanto tiempo se aprovechó por primera

vez la fuerza y energía que posee una corriente de agua, aunque parece probable que

la inspiración haya venido de otro uso más antiguo del agua: la irrigación. Eran

empleados diversos medios en los tiempos antiguos para elevar el agua de los

ríos a una altura mayor que la de sus márgenes, de donde correría por canales y

zanjas a los campos. Uno de éstos era la rueda persa o saqia que es una rueda

grande montada en un eje horizontal con cucharas en su periferia. Estas ruedas

pueden verse todavía trabajando en Egipto, acopladas a engranes y movidas por un

búfalo, burro o camello.

Alguien debe haber notado, hace mucho tiempo, que cuando se desenganchaba la

bestia, la corriente tendía a hacer girar la rueda en dirección opuesta, concibiendo así



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la idea revolucionaria de que la corriente de agua tiene energía y por lo tanto podía

hacer trabajo. De todas maneras, las ruedas hidráulicas primitivas no eran diferentes

de la saqia y se conectaban con un mecanismo semejante, a una piedra de molino.

Seguramente el inventor se regocijó al hacerse la idea de que evitaría muchas

molestias en la molienda de granos, aunque probablemente no vislumbró elalcance que traería a las generaciones posteriores. La primera alusión literaria al

invento, hecha por Antiparter de Tesalónica, data de los años 80 a.C. y dice, quitando

la afectación lírica: “Dejad vuestra labor vosotras doncellas que trabajáis en el

molino... porque Ceres ha ordenado a las ninfas del agua que hagan vuestra tarea”.

Los romanos conocían y usaban las ruedas hidráulicas como una fuente de fuerza

mecánica, y la historia recoge el nombre de Vitruvius como el ingeniero que llevó a

cabo tal modificación. Se cree que las guarniciones del muro Adriano, tenían unas

cuantas ruedas hidráulicas para mover molinos de trigo; pero quizás porque contabancon abundantes esclavos, los romanos no explotaron la energía de la corriente de agua

extensamente. En su imperio, el trigo se molía generalmente en molinos de mano,

algunos de los cuales se han encontrado en los sitios donde existieron colonias

romanas en Inglaterra.

Fueron los sajones los que popularizaron su uso en la gran Bretaña. Las evidencias

más antiguas encontradas en documentos, son las de una concesión dada por el rey

Ethelbert de Kent, tiene la fecha de 762 d.C. La costumbre se difundió rápidamente.

En aquella época el oficio del constructor de molinos era viajar por todo el país

construyendo molinos nuevos y atendiendo a los que necesitaban reparaciones y era

una ocupación importante antes de la conquista de los normandos. Están registrados

más de 5000 molinos en el censo de 1086.



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Figura 1. Diferentes tipos de ruedas hidráulicas:

a) Alimentación superior (rueda gravitatoria pura) b) alimentación lateral; c) de

paletas planas; d) de impulsión inferior; e) paletas de alimentación inferior; f) turbina

Banki.

Las ruedas hidráulicas comunes que obran principalmente por el peso del agua, por ser

las más elementales y obvias fueron también las primeras turbinas que construyó elhombre. Las primeras ruedas hidráulicas se construyeron posiblemente en Asia,

China y la India, hace unos 2200 años; de Asia pasaron a Egipto y desde allí a Europa

(unos 600 años después que en Asia) y América. Leonardo Da Vinci, Galileo y

Descartes, entre otros, realizaron estudios teóricos y matemáticos sobre las ruedas

hidráulicas. Mención especial merece el francés Parent (1666-1716) físico y



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matemático de París y miembro de la Real Academia de Ciencias, estudia por

vez primera el funcionamiento de las ruedas hidráulicas, y genialmente prevé que

existe una relación óptima entre la velocidad de la rueda y la velocidad de la

corriente de agua. Las mejoras hechas a las ruedas comunes dieron como resultado la

construcción de las ruedas de impulso y de reacción las cuales presentan la ventaja deaprovechar la energía cinética y, por lo tanto, ser de menor tamaño.

Las figuras siguientes presentan los tipos principales de ruedas hidráulicas y en ellas se

puede notar su evolución en el uso, no sólo de la energía gravitacional sino también de

la variación de la cantidad de movimientos (principio de Euler), constituyéndose así

estas ruedas en las precursoras de las modernas turbinas hidráulicas.

Al evolucionar la tecnología de la transmisión eléctrica, está permitió el gran

desarrollo de las plantas hidroeléctricas y por consiguiente, de las turbinas

hidráulicas. En este nuevo esquema de transformación de energías: energía

hidráulica, energía eléctrica, energía mecánica, las ruedas hidráulicas- debido en

gran parte a que en ellas el agua entra y actúa únicamente en parte de la

circunferencia no así en las turbinas en las cuales el agua lo hace en toda la

circunferencia - tienen dos desventajas fundamentales: rendimiento bajo y velocidad

de rotación muy lenta (4 a 10 rpm). Las turbinas hidráulicas nacieron para superar

estas desventajas, y su evolución ha sido el aumento cada vez mayor de la velocidad

de rotación y de su eficiencia con el fin de conseguir potencias específicas más altas,

lo que permite generación eléctrica a más bajo costo.

El estudio de las turbomáquinas hidráulicas como ciencia no se crea hasta que Euler

en 1754 publica su famosa memoria de Berlín sobre maquinaria hidráulica, en la que

expone su teoría de las máquinas de reacción:"Théorie plus compléte des machines qui

sont mises en mouvement par la reaction de l' eau"1. En esta memoria desarrolla Euler

por vez primera la ecuación fundamental de las turbomáquinas, deducidas igualando

el par a la variación de la cantidad de movimiento del fluido en su paso por el rotor. En

la figura 2 puede verse un dibujo de la turbina hidráulica ideada por Euler.



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Figura 2: Turbina hidráulica propuesta por Euler

Posteriormente el ingeniero francés Claude Burdin (1790- 1873), profesor de la

escuela de minas de Saint Etienne, en su célebre memoria de la academia de Ciencias

desarrolla la teoría “des turbines hydrauliques ou machines rotatoire á grande vitesse”

2acuña por vez primera la palabra “turbina” para el vocabulario

Burdin fue un ingeniero teórico; pero su discípulo Fourneyron (1802-1867) fue un

ingeniero práctico, y logró en 1827 construir la primera turbina hidráulica experimental

digna de tal nombre; más aún a lo largo de su vida, Fourneyron construirá un

centenar más de turbinas hidráulicas para diferentes partes del mundo. Esta turbina

que tuvo un éxito clamoroso, porque era capaz de explotar saltos mayores que los



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explotables con las antiguas ruedas hidráulicas, era radial centrífuga, de inyección

total, y escape libre; aunque Fourneyron previó también el tubo de aspiración, cuyo

estudio realizó él mismo.

Desde 1837 las turbinas hidráulicas de Henschel y Jonval compiten con las de

Fourneyron. Otras turbinas hidráulicas anteriores al siglo XX fueron la de Fontaine, y

sobre todo la desarrollada en 1851 por Girard, que era de acción de inyección total y

que alcanzó una notable difusión en Europa.

Los tipos mencionados no son los únicos, y, aunque algunas de estas turbinas han

logrado sobrevivir y aún siguen en funcionamiento, han dejado de construirse por las

razones siguientes:

rendimiento bajo sobre todo en cargas parciales de (70-75% a plena carga

hasta 50-55% a 50% de la carga). velocidad de giro muy reducida.

a consecuencia de velocidad de giro reducida una potencia por unidad muy

baja.

En 1891 la central de Niágara causó sensación con una potencia instalada de 1470

kW. A comienzos del siglo XX aparecen las turbinas hidráulicas de gran velocidad y

gran rendimiento, únicas que se construyen en la actualidad.

A grandes rasgos se puede resumir así el desarrollo de las turbinas hidráulicas:

El siglo XVIII es el siglo de su gestación.

El siglo XIX el de su nacimiento (en este siglo nacieron en América las Turbinas

Pelton y las Turbinas Francis) .

El siglo XX el de su desarrollo.

A principios de este siglo aparecen las turbinas hidráulicas de gran velocidad.

1905 – en USA existen turbinas hidráulicas de 7360 kW girando a

250 rpm (turbinas Francis gemelas),

1915- creación de la Turbina Kaplan,

1918- la turbina Banki

1914- la turbina Turgo

1950- la turbina Deriaz

1970- la turbina Bulbo



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Las turbinas hidráulicas, como ha podido notarse, son máquinas cuyo desarrollo no

pertenece a las últimas décadas. Hace más de 2000 años que el hombre hace uso

de ellas y poco más de un siglo que las principales casas constructoras de Europa, Asia

y América realizan un esfuerzo sistemático con el objeto de perfeccionarlas. Su

evolución no ha terminado sino por el contrario se ha acelerado en los últimosaños ya que las necesidades de energía limpia cada día son mayores y los sitios

disponibles exigen turbinas más rápidas, más compactas y sobre todo más eficientes.



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DESARROLLO

Definición de turbina.

La palabra turbina, viene del latín turbo- inem, que significa rotación o giro de

cualquier cosa.

Una turbina es una máquina a través de la cual transita un fluido de manera continua,

y que al atravesar el fluido genera un movimiento rotativo de un eje. Existen varios

tipos de turbina, y entre los más importantes es necesario destacar a las turbinas

hidráulicas. Este tipo de turbo máquinas se caracterizan por poseer un fluido que, a lolargo de su trabajo, no presenta variaciones considerables en cuanto a su densidad.

Las más comunes son las turbinas de agua. Otro tipo de turbinas son las turbinas

térmicas, que a diferencia de las hidráulicas poseen un fluido que si sufre cambios en

su densidad a medida que pasa a través del rodete.

A su vez, es posible encontrar turbinas térmicas de dos tipos: las turbinas a vapor y

las turbinas a gas. Finalmente, nos encontramos frente a las turbinas eólicas. Ésta

turbo máquina permite utilizar el viento como fluido de trabajo, el que a través de su

paso por la turbina, podrá ser transformado en corriente eléctrica. Lo anterior serealiza tomando la energía cinética o del movimiento del viento en energía mecánica,

que gracias a los generadores de la turbina, podrá cambiar a otro tipo de energía,

como por ejemplo a la eléctrica. Una turbina hidráulica es una turbo máquina motora

hidráulica, que aprovecha la energía de un fluido que pasa a través de ella para

producir un movimiento de rotación que, transferido mediante un eje, mueve

directamente una máquina o bien un generador que transforma la energía mecánica en

eléctrica, así son el órgano fundamental de una central hidroeléctrica.



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TIPOS TURBINAS EMPLEADAS EN GENERACIÓN ELÉCTRICA

Tradicionalmente se han venido clasificando las centrales eléctricas como básicas y

complementarias. Las básicas son las que contribuyen con el mayor volumen de

energía producida, y corresponden a: las centrales térmicas, las centrales nucleares y

las centrales hidráulicas o hidroeléctricas; mientras que las complementarias son el

resto: las centrales mareomotrices, las centrales eólicas y las centrales solares o

heliotérmicas. Dentro de las complementarias podrían incluirse también las

geotérmicas, aunque su explotación actual es escasa, salvo en zonas muy específicas

(Finlandia, por ejemplo).

Entre ellas, las únicas que no emplean turbinas son las centrales solares fotovoltaicas,

donde los paneles fotovoltaicos constituidos por semiconductores tipo diodo generan

una corriente continua por acción de los rayos solares, que debe ser posteriormentetransformada en corriente alterna para conectar a la red eléctrica.

Las centrales térmicas, las nucleares, las solares con helióstatos (espejos diseñados

para concentrar la luz solar en punto o pequeña superficie inmóvil, compensando el

movimiento diurno terrestre) y las geotérmicas operan, de forma general, generando

vapor de agua, que mueve una turbina de vapor. El calor para generar este vapor

procede de la combustión de combustibles sólidos (carbón, básicamente), líquidos o

gases (gas natural, principalmente, en cuyo caso los gases de combustión se

aprovechan para mover una turbina de gas, en un ciclo combinado) en las centralestérmicas, de la energía de fisión en las centrales nucleares, del reflejo de los rayos

solares en las centrales solares con helióstatos, y de las capas profundas de la tierra

en las geotérmicas. Tanto las turbinas de vapor como las turbinas de gas son turbinas

térmicas.

Por otro lado, las centrales hidroeléctricas, mareomotrices y eólicas emplean

turbinas hidráulicas, ya que las dos primeras operan con agua (de un embalse o deun pantano de marea) como fluido que mueve la turbina, y por tanto incompresible, y

la eólica con aire, en un aerogenerador que se encuentra abierto a la atmósfera. En

éstas, el agua o el aire mueven directamente la turbina.

De acuerdo con el grado de reacción, las turbinas pueden clasificarse en dos grandes

grupos: turbinas de acción o impulso, y turbinas de reacción.



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En las turbinas de acción o impulso, toda la energía en el rodete se intercambia en

forma de velocidad. Aunque hay diferentes diseños, en las aplicaciones en centrales

hidroeléctricas, las turbinas de acción que se emplean son turbinas de tipo Pelton. Las

turbinas Pelton tienen un diseño de rodete particular, donde los álabes tienen forma de

cucharas o cangilones, que se tratará con más detalle en el siguiente tema. Lasturbinas de acción o impulso carecen de caja espiral y de tubo de aspiración, y se

aplican en centrales de alta presión.

En las turbinas de reacción, parte de la energía del fluido en el rodete se

intercambia en forma de presión. En aplicaciones a centrales hidroeléctricas o

mareomotrices, se emplean tres tipos de turbinas de reacción: las turbinas Francis,

que pueden ser radiales o mixtas y se aplican en centrales de alta y media presión; las

turbinas Kaplan o hélice, que son de tipo axial, y se aplican en centrales de media y

baja presión; y las turbinas bulbo, que son también de tipo axial, y se aplican encentrales de baja presión y mareomotrices.

Cada una de estas turbinas trabaja en diferentes intervalos de relación H/Q (salto a

caudal), por lo que cada una de ellas está relacionada con un intervalo de velocidades

específicas de operación: las turbinas Pelton trabajan a valores de nS no superiores a

75, las turbinas Francis pueden operar en un amplio intervalo de valores de nS

comprendido entre 50 y 450, y las turbinas Kaplan operan a valores de nS superiores a

400. Esta relación con la velocidad específica de los distintos tipos de turbinas hace

que a las turbinas Pelton se las conozca como turbinas lentas. Evidentemente, dado

que la velocidad de giro del rodete de la turbina está fijado por el número de pares de

polos del alternador al que va conectada, como se ha comentado en el punto 5.2,

esta clasificación como lentas o rápidas no tiene ninguna relación con su velocidad

real de giro, n, sino con el valor de velocidad específica, nS, en el que operan.



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TURBINAS EÓLICAS

Las máquinas destinadas a la generación de energía eléctrica mediante el empleo de la

fuerza del viento suelen denominarse aerogeneradores o turbinas eólicas, a lo largo de

la historia han existido varios modelos de molinos de viento, los cuales puedendividirse en grupos:

De eje vertical.

De arrastre diferencial.

De pantalla.

De válvulas abatibles.

De palas giratorias.

De variación cíclica de incidencia de palas fijas. De variación cíclica de incidencia de palas móviles.

De eje horizontal.

Molinos de viento clásicos.

Eólicas lentas.

Eólicas rápidas.

No obstante los modelos más empleados en la actualidad se reducen o dos tiposbásicos, los modelos con turbinas eólicas de eje horizontal y los modelos con turbinas

eólicas de eje vertical, los modelos con turbinas de eje horizontal, constan de

una hélice o rotor, acoplado a un conjunto de soporte, llamado góndola o navecilla, en

el interior de la cual se encuentran el alternador y la caja de engranajes, ambos van

montados sobre una torre metálica o de hormigón, es importante notar que

la hélice o rotor puede estar situada a favor del viento, sotavento o enfrentada al

viento, barlovento, si están situados a sotavento, la turbina se orienta

automáticamente en función de la dirección del viento, son auto Orientables, pero

los efectos de las cargas de fatiga en las palas son mayores, en cambio cuando

el rotor esta situado a barlovento, es necesario que el generador disponga de un

dispositivo de orientación, aunque posee la ventaja de que los efectos de las cargas de

fatiga son menores, estos últimos son los molinos de viento más utilizados



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actualmente, los molinos de eje vertical, presentan la ventaja de que, al tener colocado

el generador en la base de la torre, las labores de mantenimiento resultan más

sencillas, aparte al ser turbinas auto Orientables, ya que las palas están acopladas a lo

largo de la torre, es decir perpendiculares al suelo, pueden aprovechar el viento sea

cual sea la dirección del mismo, sin embargo el rendimiento de este tipo

de aerogeneradores es menor que el de eje horizontal, es por ello que en este

capítulo se tratarán preferentemente los molinos de eje horizontal.

Turbinas de eje vertical DARRIEUS

Debe su nombre al ingeniero francés Georges Darrieus, quien patentó el diseño en

1931. Requiere vientos de 4 a 5 m/s, manteniendo grandes velocidades de giro y un

buen rendimiento.

Ventajas de las turbinas verticales

No se necesita una torre de estructura poderosa.

Como las palas del rotor son verticales no se necesita orientación al viento, y

funcionan aún cuando este cambia de dirección rápidamente.

Pueden ser ubicadas cerca del suelo, haciendo fácil el mantenimiento de las

partes.

Pueden tomar ventaja de aquellas irregularidades del terreno que incrementan

la velocidad del viento.

Necesitan una menor velocidad del viento para empezar a girar.

Son menos propensas a romperse con vientos fuertes.

Son fácilmente evitadas por los pájaros.

Desventajas

La mayoría de las turbinas verticales producen energía al 50% de la eficiencia

de las turbinas horizontales.

No toman ventaja de los vientos fuertes de mayor altura.



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Figura 3: Turbinas de eje vertical Darrieus

Turbinas de eje horizontal

Ventajas de las turbinas horizontales

Extremos de pala variable, lo que da a las hojas el ángulo de ataque óptimo.

Permitir que el Angulo de ataque sea vagamente ajustado proporciona gran

control, de modo que la turbina puede recoger la máxima cantidad de energíaeólica de cada día y estación.

Las torres altas permiten acceder a vientos más fuertes en sitios con cizalla

dura. En algunos lugares, cada 10 metros de altura, la velocidad del viento se

incrementa un 20%.

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Savonius_wind_turbine.jpg



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Desventajas

Las turbinas horizontales tienen problemas para funcionar cerca del suelo,

debido a las turbulencias.

Las torres altas y las palas largas son difíciles de transportar. El transporte

puede costar un 20% del costo de equipamiento.

Las turbinas altas son difíciles de instalar y necesitan grúas poderosas y

operadores hábiles.

Las turbinas altas pueden afectar los radares de los aeropuertos.

Presentan impacto visual en el entorno, y con frecuencia suscitan reclamaciones

por afeamiento del paisaje.

Exigen un control cuidadoso, de lo contrario, son propensas a la fatiga de

material y los daños estructurales.

Tienen que orientarse hacia el viento.

Figura 4: turbina de eje horizontal.

http://1.bp.blogspot.com/-1VgBnBOLK_8/TbT4m-ohdSI/AAAAAAAAACE/jofEuLhmv_I/s1600/blog2.4.gif



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TURBINAS HIDRÁULICAS

Hay tres tipos principales de turbinas hidráulicas:

La rueda Pelton

La turbina Francis

La de hélice o turbina Kaplan

El tipo más conveniente dependerá en cada caso del salto de agua y de la potencia de

la turbina.

En términos generales:

La rueda Pelton conviene para saltos grandes.

La turbina Francis para saltos medianos.

La turbina de hélice o turbina Kaplan para saltos pequeños.

Rueda PELTON

Un chorro de agua convenientemente dirigido y regulado, incide sobre las cucharas del

rodete que se encuentran uniformemente distribuidas en la periferia de la rueda.

Debido a la forma de la cuchara, el agua se desvía sin choque, cediendo toda suenergía cinética, para caer finalmente en la parte inferior y salir de la máquina. La

regulación se logra por medio de una aguja colocada dentro de la tubería.

Este tipo de turbina se emplea para saltos grandes y presiones elevadas.



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Figura 5: partes turbina PELTON

Turbina FRANCIS

Figura 6: principio turbina FRANCIS

Para saltos medianos se emplean las turbinas Francis, que son de reacción.

En el dibujo podemos apreciar la forma general de un rodete y el importante hecho de

que el agua entre en una dirección y salga en otra a 90º, situación que no se presenta

en las ruedas Pelton.



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Las palas o álabes de la rueda Francis son alabeadas.

Un hecho también significativo es que estas turbinas en vez de toberas, tienen una

corona distribuidora del agua. Esta corona rodea por completo al rodete. Para lograrque el agua entre radialmente al rodete desde la corona distribuidora existe una

cámara espiral o caracol que se encarga de la adecuada dosificación en cada punto de

entrada del agua. El rodete tiene los álabes de forma adecuada como para producir los

efectos deseados sin remolinos ni pérdidas adicionales de carácter hidrodinámico.

Turbina KAPLAN

Figura 7: principio turbina KAPALAN

En los casos en que el agua sólo circule en dirección axial por los elementos del rodete,

tendremos las turbinas de hélice o Kaplan. Las turbinas Kaplan tienen álabes móviles

para adecuarse al estado de la carga.



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Estas turbinas aseguran un buen rendimiento aún con bajas velocidades de rotación.

La figura muestra un croquis de turbina a hélice o Kaplan.

Turbina Fourneyron (1833)

El rodete se mueve dentro del agua. Es una turbina radial centrífuga, lo que supone un

gran diámetro de rodete; en la actualidad no se construye.

Figura 8

Turbina Heuschel-Jonval

Axial y con tubo de aspiración; el rodete es prácticamente inaccesible; en la actualidad

no se construye.

Figura 9



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Turbina Schwamkrug, (1850)

De tipo radial y centrífuga

Figura 10

Turbina Girard, (1863)

Axial, con el rodete fuera del agua; mientras el cauce no subía de nivel, trabajaba

como una de acción normal, mientras que si el nivel subía y el rodete quedaba

sumergido, trabajaba como una de reacción, aunque no en las mejores condiciones; en

la actualidad no se utiliza.

El agua pasa dos veces por los álabes del rodete, construido en forma de tambor; se

utiliza para pequeños y grandes saltos.



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PARTES DE UNA TURBINA

El elemento básico de la turbina es la rueda o rotor, que cuenta con palas, hélices,

cuchillas o cubos colocados alrededor de su circunferencia, de tal forma que el fluido

en movimiento produce una fuerza tangencial que impulsa la rueda y la hace girar. La

energía mecánica se transfiere a través de un eje para proporcionar el movimiento de

una máquina, un compresor, un generador eléctrico o una hélice.

Figura 11: partes de una turbina y principio de funcionamiento

Turbinas hidráulicas o de agua:

Una turbina hidráulica es una turbomaquina motora hidráulica, que aprovecha la

energía de un fluido que pasa a través de ella para producir un movimiento de rotación

que, transferido mediante un eje, mueve directamente una máquina o bien

un generados que transforma la energía mecánica en eléctrica, así son el órgano

fundamental de una central hidroeléctrica.

Las turbinas hidráulicas están constituidas por los siguientes elementos:

Disco de Turbina:

Es la parte encargada de extraer parte de la energía de la corriente de gas para

convertirla en movimiento, su única función es hacer rotar el compresor al cual se

encuentra unido por medio de un eje, la turbina se halla sujeta a elevadas



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temperaturas y lo que es peor a elevadas cargas centrifugas que unido a la

disminución de resistencia del material por causa de la temperatura hacen que este

sea el elemento que más importancia tiene en cuanto a la elección de materiales, sin

excepción se utilizan aleaciones con elevado contenido de níquel y cromo

(comercialmente tienen diferentes nombres como ser INCONEL, NIMONIC etc.) aunqueen los primeros modelos de turborreactores "caseros" se utiliza acero inoxidable con

buenos resultados.

Los axiales:

Son los más utilizados pues poseen excelentes características de aceleración y un peso

bastante reducido, su única contra es que deben respetarse a estrictamente las

temperaturas y velocidades máximas sino se corre el riesgo de que el disco se

"desintegre" literalmente, este tipo puede ser fabricado con mucha paciencia y

herramientas comunes o con sofisticados sistemas (control numérico, electro erosión,

etc.).

Figura 12: alabes turbina KAPLAN



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Figura 12: hélices turbina hidroeléctrica en montaje

Figura 14: Principio funcionamiento turbina PELTON.



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Canal de llegada o tubería forzada

El canal de llegada o tubería forzada es la conducción que lleva el caudal de agua

desde el embalse hasta la cámara espiral o caja espiral. No debe tener una seccióndemasiado estrecha para evitar que se produzca elevada pérdida de carga del fluido,

ya que es energía perdida que no podrá aprovecharse en el rodete de la turbina.

En esta tubería, y debido a la regulación de caudal asociada a los cambios de energía

eléctrica demandada, se pueden producir sobrepresiones periódicas asociadas a

golpes de ariete, que son tanto más peligrosos cuanto mayor es la presión a la que

opera la central hidroeléctrica. Para evitar que estos golpes de ariete produzcan

roturas en la instalación, es habitual la colocación de chimeneas de equilibrio, que

neutralizan estos cambios de presión.

Caja o cámara espiral

Este elemento sólo lo tienen las turbinas de reacción, que son de admisión total. En las

turbinas de admisión total, el fluido entra al rodete por todo el perímetro exterior. La

misión de la cámara espiral es precisamente distribuir el fluido a lo largo de todo el

perímetro.

El diseño de la caja o cámara espiral difiere en función de la presión a que opere la

central hidroeléctrica en que se sitúe la turbina. En centrales hidroeléctricas de

presión

más elevada, la cámara espiral es metálica, relativamente pequeña y tiene

sección circular. A medida que disminuye la presión, la cámara espiral se va

haciendo mayor (opera con más caudal), se construye normalmente en hormigón,

y la sección se va haciendo cuadrada.

Particularmente en diseños metálicos, de presión alta, la cámara espiral suele estar

provista de una válvula de seguridad o de alivio, cuya misión es reducir el golpe de

ariete que puede producirse por variaciones de caudal en la turbina, evitando posibles

roturas en la instalación.



28

Distribuidor

Es un elemento, situado entre la cámara espiral y el rodete de la turbina, cuya

finalidad es orientar adecuadamente el fluido para que entre con la direcciónmás adecuada en el rodete, de forma que el triángulo de velocidades de entrada

permita el máximo aprovechamiento de la energía del fluido en la turbina. Su

diseño es muy diferente en turbinas de acción y en turbinas de reacción, por lo que

se describirá más específicamente en los temas correspondientes.

Rodete

Es el elemento donde se produce el intercambio de energía del fluido en la turbina. Su

diseño varía mucho dependiendo del tipo de turbina, de modo que se discutirá en los

temas posteriores.

Tubo de aspiración o de descarga

Es el tubo que conecta la salida del rodete de la turbina con el canal inferior, y sólo

está presente en turbinas de reacción. Su misión es transformar carga de velocidad del

fluido a la salida del rodete en carga de presión, con la mínima pérdida de carga

posible. Su diseño es fundamental, sobre todo en turbinas de centrales de baja

presión.

A la salida del tubo de descarga al canal inferior, la presión es la atmosférica, y se

busca minimizar la carga del fluido en ese punto, maximizando la sección. Se diseña

el tubo de descarga para que aumente la sección unas 8 veces, desde el punto de

salida del rodete hasta el punto de salida del tubo de descarga.

Tambor hidráulico:

Es un eje horizontal conectado a una rueda de palasvertical.



29

Hélice:

Posee palas que pivotean sobre su eje. es semejante a la hélice de un barco pero gira

de forma inversa.

Entre 1910 y 1918 el ingeniero austríaco Kaplan desarrolla una turbina hélice conlos álabes de rodete orientables, y que lleva su nombre. Al poder variar la posición de

los álabes, puede buscarse que su inclinación coincida en cualquier punto de

funcionamiento con la dirección del flujo a la entrada del rodete, por lo que se adapta

bien a cualquier carga.

Al ser un desarrollo de las turbina hélice, podemos decir que el paso de flujo es

totalmente axial, es decir, paralelo al eje de giro del rodete. Son el paso siguiente a las

Francis, es decir su campo de aplicación va desde ns=450 a un ns=900, aunque

podemos forzarla y llevarlas a trabajar solapando parte del campo de las Francis

hasta ns=300. Las turbinas hélice tienen un buen rendimiento a carga normal, es decir

mayor del 90% de la Q de diseño, después decaen fuertemente. Con las Kaplan,

gracias a su sistema de variación de posición de los álabes, aprovechamos un mayor

rango de Q manteniendo el rendimiento. Para el calculo de este tipo de turbinas nos

apoyaremos en el DIAGRAMA y operaremos de forma similar a la turbina Francis.

El cambio de posición de los álabes del rodete se realiza mediante un servomotor

colocado preferentemente en el interior del cubo de dicho rodete.

Como las turbinas Kaplan ah evolucionado en el sentido de grandes potencias con un

máximo campo de aplicación. Existen algunas de hasta 550 m3 /s y alturas de

hasta 60,5 metros.



30

Figura 15: hélices turbina KAPLAN

Los álabes

Son las palas o paletas de la turbina que son impulsadas por agua a alta presión

liberada por una compuerta, con la función de producir la fuerza requerida.

Un álabe es la paleta curva de una turbomáquina o máquina de fluido rotodinámica.

Forma parte del rodete y, en su caso, también del difusor o del distribuidor. Los álabes

desvían el flujo de corriente, bien para la transformación entre energía cinética y

energía de presión por el principio de Bernoulli, o bien para intercambiar cantidad de

movimiento del fluido con un momento de fuerza en el eje.

En el caso de las máquinas generadoras, esto es, bombas y compresores, los álabes

del rodete transforman la energía mecánica del eje en entalpía. En las bombas y

compresores con difusor, los álabes del estátor recuperan energía cinética del fluido

que sale del rotor para aumentar la presión en la brida de impulsión. En las bombas,

debido al encarecimiento de la máquina que ello conlleva, se dispone de difusorúnicamente cuando obtener un alto rendimiento es muy importante, por ejemplo en

máquinas de mucha potencia que funcionan muchas horas al año.

En las máquinas motoras, ya sean turbinas hidráulicas o térmicas, el rodete

transforma parte de la entalpía del fluido en energía mecánica en el eje. Los álabes del



31

distribuidor conducen la corriente fluida al rodete con una velocidad adecuada

en módulo y dirección, transforman parte de la energía de presión en energía cinética

y, en aquellos casos en que los álabes son orientables, también permiten regular.

Figura 16: alabes de una turbina

Tobera

Abertura tubular, primitivamente de forma cónica, por donde sale el chorro a presión

de agua. Anillo con perfil aerodinámico que contiene la hélice, siendo su extremo de

salida de un área menos que el de su entrada



32

Figura 17: principio de una tobera

Figura 18: tobera



33

Figura 19: esquema turbinas Kaplan y Pelton en operación

Turbinas de vapor:

Turbinas de vapor: En la turbina, un chorro de vapor de agua a elevada presión y

temperatura, se hace incidir de manera adecuada sobre una hélice con álabes de

sección apropiada. Durante el paso del vapor entre los álabes de la hélice, este se

expande y enfría entregando la energía y empujando los álabes para hacer girar la

hélice colocada sobre el eje de salida de la turbina.



34

Figura 20: estructura turbina a vapor

Figura 21: Principio funcionamiento turbina a vapor



35

Boquillas o chorro de vapor:

El chorro de vapor de entrada se dirige a través de un conducto para que incida sobre

los álabes en el ángulo más adecuado o en expansión descendiendo la temperatura y

ganando energía cinética. En una turbina puede haber varios conductos directores de

flujo.

Alabes o palas:

Arriba están representados dos álabes contiguos y el flujo del vapor a alta velocidad

pasando entre ellos. Mientras pasa por los álabes, el vapor produce un empuje que

hace girar la hélice, durante este proceso pierde energía por lo que se enfría y baja su

presión.

La disposición de los chorros y las palas depende del tipo de turbina

Hélice:

La hélice de la turbina, posee energía suficiente para entregar trabajo, pero una

turbina real tiene múltiples etapas, con hélices cada vez de mayor tamaño donde se

extrae la energía sobrante y así aumentar notablemente el rendimiento. Además de

estos componentes básicos, las turbinas cuentan con ruedas o tambores sobre los que

están montadas las palas, un eje para las ruedas o los tambores, una carcasa exterior

que retiene el vapor dentro de la zona de la turbina, y varios componentes adicionales

como dispositivos de lubricación y controladores

Turbina de combustión o de gas:

Una turbina de gas, es una turbomáquina motora, cuyo fluido de trabajo es un gas.

Como la compresibilidad de los gases no puede ser despreciada, las turbinas a gas son

turbomáquinas térmicas.

Comúnmente se habla de las turbinas a gas por separado de las turbinas ya que,

aunque funcionan con sustancias en estado gaseoso, sus características de diseño son

diferentes, y, cuando en estos términos se habla de gases, no se espera un posible

cambio de fase, en cambio cuando se habla de vapores sí.



36

Las turbinas de gas son usadas en los ciclos de potencia como el ciclo Brayton y en

algunos ciclos de refrigeración. Es común en el lenguaje cotidiano referirse a los

motores de los aviones como turbinas, pero esto es un error conceptual, ya que éstos

son turborreactores los cuales son máquinas que, entre otras cosas, contienen una

turbina de gas.

Figura 22: turbina a gas

Figura 23: principio ciclo combinado



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Admisión de aire:

El sistema de admisión de aire consta de todos los elementos necesarios para que el

aire entre en la turbina en las condiciones más adecuadas de presión, temperatura y

limpieza. Para ello cuenta con filtros de varios tipos, que se encargarán de eliminar la

suciedad que pueda arrastrar el aire; y de una serie de sistemas que acondicionarán la

temperatura para facilitar que entre a la turbina la mayor cantidad posible de masa de

aire.

Compresor de aire:

La función del compresor es elevar la presión del aire de combustión (una vez filtrado)

antes que entre en la cámara de combustión, en una relación que varía según la

turbina pero que normalmente está comprendida entre 10:1 y 40:1. Esta compresión

se realiza en varias etapas y consume aproximadamente las 2/3 partes del trabajoproducido por la turbina. El control de la entrada de aire para la combustión se realiza

variando el ángulo de inclinación de las ruedas iniciales de álabes del compresor. A

mayor ángulo, mayor cantidad de aire de entrada al compresor, y por tanto, a la

turbina. Este método se usa para mejorar el comportamiento a carga parcial de la

turbina de gas, como se verá más adelante.

Una parte del aire del compresor se utiliza para refrigeración de álabes y de la cámara

de combustión, de forma que aproximadamente un 50% de la masa de aire es usado

para este fin.

Cámara de combustión:

En ella tiene lugar la combustión a presión constante del gas combustible junto con el

aire. Esta combustión a presión obliga a que el combustible sea introducido a un nivel

de presión adecuado, que oscila entre 16 y 50 bar. Debido a las altas temperaturas

que pueden alcanzarse en la combustión y para no reducir demasiado la vida útil de los

elementos componentes de la cámara, se trabaja con un exceso de aire alto, utilizando

del 300 al 400% del aire teórico necesario, con lo que se consigue por un lado reducirla temperatura de llama y por otro refrigerar las partes más calientes de la cámara.

Parte del aire que procede del compresor, se dirige directamente hacia las paredes de

la cámara de combustión para mantener su temperatura en valores convenientemente

bajos. Otra parte se hace circular por el interior delos álabes de la turbina, saliendo por

orificios en los bordes que crean una película sobre la superficie de los álabes.



38

Turbina de expansión:

En la turbina es donde tiene lugar la conversión de la energía contenida en los gases

de combustión, en forma de presión y temperatura elevada (entalpía), a potenciamecánica (en forma de rotación de un eje). Como se ha indicado antes, una parte

importante de esta potencia es absorbida directamente por el compresor. Los gases,

que entran a la turbina a una temperatura de 1200-1400ºC y una presión de 10 a 30

bar., salen a unos 450-600ºC. Esa alta temperatura hace que la energía que contienen

pueda ser aprovechada bien para mejorar el rendimiento de la turbina (con un sistema

conocido como regeneración, que consiste en utilizar estos gases para calentar

adicionalmente la mezcla en la cámara de combustión) o bien, como es más habitual,

para generar vapor en una caldera de recuperación. Ese vapor posteriormente se

introduce en una turbina de vapor consiguiéndose un aumento del rendimiento global

igual o incluso superior al 55% (el rendimiento de la turbina de gas es de 30-35%).

FUNCIONAMIENTO DE UNA TURBINA

Es importante considerar que, cuando una turbina se emplea para generar energía

eléctrica, el rodete no puede girar a cualquier velocidad, sino que, dado que el eje del

rodete es común al eje del alternador, tiene que girar a una velocidad sincrónica (o

síncrona), para que pueda producir corriente alterna compatible con los 50 Hz de la

red europea, o los 60 Hz de la red americana, dependiendo de dónde se encuentre

situada la turbina. Los Hz (hercios) son unidades de frecuencia correspondientes a un

ciclo por segundo, lo que corresponde a unidades de 1/s (o, lo que es lo mismo, s–1).

La velocidad sincrónica a la que debe girar la turbina depende del número de pares de

polos del alternador al que se acople. El número de pares de polos del alternador debe

ser entero.

En la generación de energía eléctrica para la red, las turbinas están casiomnipresentes. Las instalaciones donde se genera energía eléctrica a gran escala

se llaman de forma general centrales eléctricas. Aunque la participación de diferentes

tipos de centrales eléctricas en la generación global de electricidad depende del país,

y el panorama va evolucionando con el tiempo (en este sentido, puede ser

interesante



39

Funcionamiento turbina Kaplan.

La turbina Kaplan: Es una turbina de eje vertical que se usa en caídas medias y bajas.

Las palas del rotor están dispuestas de manera que el agua circula entre ellas. Lapresión del agua hace que al salir en un determinado ángulo, la reacción a la fuerza del

agua haga girar el rotor. Un distribuidor suministra agua a presión desde los lados de

la turbina. El agua al salir empuja las palas y su presión hace girar el rotor. Salvo en

las turbinas de tipo bulbo, en las restantes, se emplean grupos generadores de eje

vertical. En la figura vemos que el estator del alternador se apoya en los elementos

estructurales del edificio. Pero todo el conjunto rotante queda suspendido,

transmitiendo los esfuerzos por medio del eje, al cojinete superior, llamado cojinete de

empuje, de construcción muy particular. El sistema está unido de tres cojinetes de

guía para el eje y en el extremo inferior aparece la turbina. El cojinete de empuje se

apoya en el soporte superior, que es una pieza estructural que descarga en la

estructura de material.

Compresor:

El compresor se encuentra en la entrada del motor y se encuentra conectado al disco

de turbina por medio de un eje, el compresor puede ser de tres tipos diferentes:

Axial:

la corriente de aire que atraviesa el compresor lo hace en el sentido del eje (de ahí el

nombre de axial), consta de varios discos giratorios (llamados etapas) en los cuales

hay una serie de "palas" (alabes), entre cada disco rotor hay un disco fijo (estator) que

tiene como función dirigir el aire con el ángulo correcto a las etapas rotoras. El

compresor axial es él más utilizado en las turbinas "de verdad" pero para las pequeñas

turbinas de aeromodelismo es muy difícil de construir y balancear, si bien algunos han

construido turbinas con compresor axial, por el momento están fuera del alcance de la

mayoría.



40

Tubo de cojinetes ó pasaje:

Es un elemento cilíndrico por cuyo interior pasa el eje dela turbina y además se

encarga de dar estructura al motor va fijado a la parte posterior del difusor y a la parte

delantera del conjunto N.G.V., en su interior se colocan los cojinetes que soportan el

eje estos deben tener adecuada refrigeración y lubricación para que sobrevivan las

tremendas velocidades de rotación a las que son sometidos, actualmente y para

cualquier aplicación por encima de las 100000 R.P.M. se recomienda usar rodamientos

sin jaula con bolillas cerámica.

Difusor:

Tiene como misión cambiar la velocidad de la corriente de aire que viene del

compresor para aumentar la presión. Consta de una serie de pasajes que se

ensanchan hacia atrás (conductos divergentes), el difusor es diferente según el

compresor sea axial o centrifugo.

Alabes Guía de Turbina:

Esta parte tiene como función aumentar la velocidad de la corriente de gas caliente

que sale de la cámara de combustión y dirigirla con el ángulo apropiado al disco de

turbina. Esta pieza es la más expuesta a altas temperaturas que en algunos casos

superan los 700 °C por lo tanto se construyen en aleaciones inoxidables para alta

temperatura, básicamente consta de una serie de alabes "estatores" que se cierranhacia la parte trasera (conducto convergente), también difieren si son para turbina

radial o axial.

Figura 24: turbina KAPLAN



41

Figura 25: cambio dirección alabes KAPLAN

Figura 26: funcionamiento turbina PELTON



42

USOS CADA TIPO DE TURBINAS

Turbina Francis:

El rango de uso de las turbinas Francis es de alturas y caudales intermedios. El rodete

de esta turbina tiene la particularidad de recibir el caudal radialmente, a lo largo de la

circunferencia exterior del distribuidor y la expulsa en dirección axial. En las turbinas

Francis modernas el rodete se aloja en el interior de una cámara cerrada en forma de

caracola en la que se transforma la energía depresión del agua en energía cinética. El

agua después de llegar a la caracola pasa por el distribuidor de Fink que cumple un

triple objetivo:-Regular la velocidad y el ángulo de entrada del agua en el rodete.-

Regular el caudal que llega al rodete y-Anular el paso de agua para parar la turbina y

evitar el embalamiento. El agua después de pasar por el distribuidor Fink pasa por el

rodete que absorbe la energía del agua, del rodete al cono de aspiración y finalmente

el agua se devuelve al río.

Turbina Pelton:

Figura 27: turbina PELTON



43

Una turbina Pelton es uno de los tipos más eficientes de turbina hidráulica. Las turbinas

Pelton están diseñadas para explotar grandes saltos hidráulicos debajo caudal. Las

centrales hidroeléctricas dotadas de este tipo de turbina cuentan, la mayoría de las

veces, con una larga tubería llamada galería de presión para trasportar al fluido desde

grandes alturas, a veces de hasta más de doscientos metros. Al final dela galería depresión se suministra el agua a la turbina por medio de una o varias válvulas de aguja,

también llamadas inyectores, los cuales tienen forma de tobera para aumentar la

velocidad del flujo que incide sobre las cucharas.

Turbinas Kaplan:

Al igual que las turbinas Francis, las de tipo Kaplan, son turbinas de admisión total,

incluidas así mismo en la clasificación de turbinas de reacción. Las características

constructivas y de funcionamiento, son muy similares entre ambos tipos. Se emplean

en saltos de pequeña altura (alrededor de 50 m. y menores), con caudales medios y

grandes (aproximadamente de 15 m3/s en adelante).

Debido a su singular diseño, permiten desarrollar elevadas velocidades específicas,

obteniéndose buenos rendimientos, incluso dentro de extensos límites de variación de

caudal.

A igualdad de potencia, las turbinas Kaplan son menos voluminosas que las turbinas

Francis. Normalmente se instalan con el eje en posición vertical, si bien se prestan

para ser colocadas de forma horizontal o inclinada



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Figura 28: turbina PELTON

Figura 29: turbina KAPLAN de eje vertical en una central



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DAÑOS FRECUENTES A TURBINAS

Las turbinas hidráulicas, el ser máquinas complejas de grandes dimensiones, están

bajo la acción de elevados esfuerzos mecánicos, lo que puede dar origen a

rozamientos, agarrotamientos, etc. Además, al estar supeditadas a la influencia directa

del agua, tienen que soportar efectos hidráulicos desfavorables para su correcto

funcionamiento, como son erosiones, corrosiones, etc. Así mismo, ha de tenerse en

cuenta el efecto abrasivo que ejerce la arena contenida en el agua, sobre las piezas

situadas en su camino.

Prescindiremos de analizar los efectos anómalos puramente mecánicos, que pueden

ser estudiados en los tratados de Mecánica, y nos centraremos en dos fenómenos que

influyen negativamente en el funcionamiento idóneo de un grupo, si no se adoptan las

medidas adecuadas para eliminarlos o, por lo menos, reducirlos al máximo. Así tenemos:

- Cavitación.

- Golpe de ariete.

Cavitación.

Consiste en la formación, dentro de las masas líquidas, de espacios huecos o

cavidades llenas de gas o vapor, producidas por una vaporización local debida a

acciones dinámicas; las burbujas originadas al hervir el agua, o la efervescencia de

bebidas carbónicas, nos pueden servir como ejemplos sencillos de apreciación.

Técnicamente, el fenómeno es más complejo, y se debe a reducciones de presión

dentro del seno de los líquidos, cuando se mueven a grandes velocidades,

manteniendo la temperatura ambiente, condiciones que favorecen la vaporización.

Refiriéndonos al agua, se considera que las sustancias que lleva disueltas (aire, gas,

partículas sólidas, etc.), junto con las variaciones de presión generadas por la

turbulencia de las masas liquidas, interrumpe la continuidad de éstas, lo que da lugar a

la creación de cavidades microscópicas. En su estado natural, el agua contiene aire en

disolución, siendo la cantidad disuelta tanto mayor cuanto más elevada es la presión.



46

Se distinguen dos tipos de cavitaciones:

Cavitación en burbuja o transitoria.

Las burbujas aparecen repentinamente sobre el contorno del cuerpo sólido sumergido

en el líquido, que crecen en extensión y desaparecen.

Cavitación estacionaria o laminar.

Las burbujas se forman en el contorno del cuerpo y permanecen sobre él, mientras no

varían las causas productoras.

La cavitación se hace presente en tuberías, turbinas, bombas hidráulicas, hélices,

superficies sustentadoras y conductoras de líquidos, etc.

El fenómeno de cavitación reduce la velocidad a que pueden funcionar las máquinashidráulicas, disminuyendo su rendimiento, por la acumulación de burbujas de vapor

que perturban la afluencia normal de las masas liquidas. Además de producir ruidos y

vibraciones, es causa de una rápida y constante erosión de las superficies en contacto

con el líquido, aun cuando éstas sean de hormigón, hierro fundido, aleaciones

especiales, etc.

Ejemplos: Erosiones en palas fijas, palas directrices, álabes, etc.

Las erosiones formadas sobre superficies metálicas, muros, etc., se denominan

usualmente cavitaciones, y los razonamientos que explican la aparición de las mismas

son, todavía, motivo de controversia.

Teóricamente, exponemos que cuando en el interior de un líquido se forman burbujas

de cavitación, crecen a máximo tamaño en un espacio de tiempo brevísimo

(aproximadamente 2 milisegundos) debido a fuertes disminuciones de presión. En un

siguiente rompimiento de estas, al ser arrastradas a una zona de mayor presión,

durante un tiempo igualmente cortísimo, las partículas de líquido se precipitan hacia el

centro de la burbuja y superficies sólidas sobre las que cada una de ellas estaba fija.

Fig. 58 – Cavitaciones formadas en los álabes del rodete de una turbina Francis.

Tal proyección de partículas, se realiza virtualmente sin impedimento a velocidades

muy altas. El fenómeno se repite con una frecuencia de 25000 ciclos por segundo e

incluso mayor. Se calcula que, las tensiones superficiales producidas por estas



47

acciones, son del orden de 1.000 atmósferas, valor lo suficientemente elevado como

para producir grietas, por fatiga del material, en relativamente poco tiempo.

Golpe de ariete.

Imaginemos una tubería de goma de suficiente elasticidad que, durante toda la

secuencia descrita, se mantendrá situada según representa la figura 30 (a).

Igualmente consideramos que se dispone de una válvula y cuyo cierre se puede

realizar a gran velocidad.

En condiciones normales de circulación del líquido, éste fluye a velocidad y caudal

constante, siempre y cuando el nivel en el depósito permanezca invariable. La tubería,en tales circunstancias, no sufre ninguna alteración y su sección se mantiene uniforme

en todo el recorrido.

Dando a la válvula la orden de cierre, el cual se produce de forma instantánea,

llegaríamos a observar los fenómenos siguientes en la conducción:

En el tramo entre el depósito y la válvula, y concretamente junto a ésta, se

origina una sobrepresión brusca que ocasiona una deformación de la

tubería, puesta de relieve por un ensanchamiento elástico de sus paredes.

Que se propaga hacia el depósito con cierta velocidad, requiriendo, la

sobrepresión, un tiempo de desplazamiento. Al llegar al depósito,

desaparece la sobrepresión inicial produciéndose una contracción en la

tubería en el sentido descendente hacia la válvula. El fenómeno se repite,

aunque con menor intensidad hasta que se amortigua por completo, debido

a rozamientos, etc.

En el tramo desde la válvula en adelante, y a partir de ésta, se crea una

depresión en el instante del cierre, que causa una contracción de las

paredes del conducto elástico, transmitiéndose a toda su longitud, volviendo

a su diámetro original una vez que el líquido se evacua por completo (Fig.

30 b y c).



48

Figura 30: golpes ariete



49

MANTENCIÓN CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

A pesar de que las máquinas hidráulicas sean uno de los elementos más fiables desde

el punto de vista de la operación, pueden sufrir averías más o menos intempestivas.

Las causas que pueden provocar una avería en un grupo hidroeléctrico pueden ser

variadas, por ejemplo:

Ajustes incorrectos de los tiempos de cierre de los elementos mecánicos en un disparo,

particularmente nocivos en el caso de turbinas Kaplan o Francis con tuberías forzadas.

Unidades trabajando en condiciones alejadas de las de diseño, por ejemplo turbinas y

turbinas-bombas operando a cargas demasiado bajas o turbinas operando a

sobrecargas, con pares motores superiores a los de diseño, lo que puede dar lugar a

fallo de cojinetes en procesos transitorios.

Problemas derivados de inspecciones rutinarias de mantenimiento, que pueden dar

lugar a la aparición de problemas no existentes previamente, como pueden ser los

desequilibrios provocadas por aportes de soldadura para reparar zonas afectadas de

erosión por cavitación o los debidos al cambio de alguno de los polos del generador.

Utilización de materiales con baja resistencia a la cavitación, que puede verse

agravada por una disposición incorrecta de la turbina o una falta de aireación de la

misma.

En ocasiones se produce la presencia de varios de estos factores, lo cual puede dar

lugar a una avería “catastrófica” la cual incluso, si no se adoptan las medidas

oportunas, puede repetirse en el tiempo. La determinación de las causas origen del

fallo mediante el oportuno análisis del mismo y de las pruebas “in situ” evitará su

repetición, reduciendo las indisponibilidades no programadas, con el consiguiente

beneficio económico

Los ensayos de recepción tienen por objeto el verificar el cumplimiento de las

condiciones contractuales que atañen a los equipos ensayados, turbina-alternador eneste caso, así como determinar la presencia de daños, defectos o vicios ocultos que

puedan afectar a la unidad desde el momento de su puesta en servicio.



50

Este ensayo es conforme a la Norma UNE 20-168-85 "Guía para la recepción,

explotación y mantenimiento de las turbinas hidráulicas". Consiste básicamente en

verificar el comportamiento dinámico de una serie de parámetros, ligados al

funcionamiento de la unidad, y que definen las condiciones del conjunto turbina-

alternador.

Las pruebas de vibraciones a realizar dentro del ensayo de comportamiento dinámico

son conformes a la Norma IEC 994 "Guide for field measurement of vibrations and

pulsations in hydraulic machines (turbines, storage pumps and pump-turbines)".

El ensayo comprende una serie de pruebas en régimen estabilizado así como en

régimen transitorio, dichas pruebas son las siguientes.

Régimen estabilizado: A porcentajes de carga del 25%, 50%, 75% y 100% de la

nominal, adicionalmente se realizaran pruebas de la máquina girando en vacío y

excitada sin acoplar.

Régimen transitorio: Se incluyen los disparos desde los porcentajes de carga citados

anteriormente del 25%, 50%, 75% y 100% de la carga nominal, adicionalmente se

registran los transitorios de arranque, parada y cambios de carga (subidas y bajadas).

Las diferentes pruebas se realizan incrementando la carga por escalones, los citados

anteriormente, y registrando los parámetros que en cada caso definan las condiciones

de funcionamiento de la unidad. Todos los parámetros son registrados en tiempo real yanalizado "in situ" antes de proceder a realizar la prueba siguiente.

Adicionalmente estos ensayos, complementados con otras técnicas como (termografía,

vibraciones, análisis de aceites del transformador, análisis de aceites de lubricación y

de regulación, aislamiento del generador, etc) se realizan para ponderar la valoración

de los activos de las instalaciones en caso de transmisión de la propiedad.

TUBERÍAS CANALIZACIÓN

La conducción forzada o tubería a presión está sujeta a lo largo de su vida a

corrosiones, incrustaciones, sedimentaciones, formación de depósitos, etc. El control

de la pérdida del espesor de la pared de la tubería proporciona un indicador de su vida

útil.



51

Figura 31: inspección tuberías agua

Se realiza en campo la inspección visual de los diferentes tramos que forman la tubería

incluyendo las bocas de hombre, picajes, codos, apoyos, soportes, etc. Posteriormente

se procede a la medida por tramos de los espesores con un equipo de ultrasonidos

valorando el alcance de la corrosión.

Es necesario llevar a cabo unas medidas a periodos regulares establecidos en función

del estado actual y del año de puesta en servicio. De este modo se puede determinar

la velocidad de corrosión y adelantarnos así a un posible fallo intempestivo en la

tubería.

Figura 32: reparación tuberías agua.



52

EQUILIBRADO DE GENERADORES:

El desequilibrio de un rotor es el resultado de una distribución másica desigual en el

mismo, lo cual produce vibraciones. Estas vibraciones, que se deben a la interacción

entre la componente másica desequilibrada y la aceleración radial debida al giro, las

cuales conjuntamente generan una fuerza centrípeta, se transmiten a los cojinetes del

rotor, de tal forma que cualquier punto de los mismos experimenta una fuerza radial

por revolución.

En un grupo hidroeléctrico los componentes susceptibles de presentar desequilibrio

másico son: el rodete de la turbina hidráulica, el rotor del alternador y el cuerpo de la

excitatriz. El desequilibrio puede deberse a posibles defectos en la construcción,

fabricación, montaje y operación del grupo hidroeléctrico.

El equilibrado es de aplicación tanto en turbinas de acción como de reacción, así como

en turbinas-bombas y bombas acopladas a un generador o motor eléctrico. Se basa en

los criterios que permiten la realización del equilibrado dinámico in situ del rotor de un

grupo turbina-generador por el método de los coeficientes de influencia (MCI).

El plan de mantenimiento está previsto para conocer el estado actual y evolución

futura de los equipos principales de la central, obteniendo la máxima información de

cómo el funcionamiento afecta a la vida de la turbina, del generador y del

transformador. Se realiza con el objetivo de detectar cualquier anomalía antes de que

origine un grave daño y una parada no programada. Este plan de mantenimiento, es

una herramienta fiable para asegurar la disponibilidad de los grupos. Un plan de

mantenimiento considera:

Vibraciones y pulsaciones:

Durante el funcionamiento de una central eléctrica el grupo turbina - generador está

sometido a la acción de diferentes fuerzas perturbadoras; el identificar y evaluar las

vibraciones y pulsaciones presentes en la unidad, separando aquellas que son propias

del funcionamiento de la misma, de aquellas otras que tienen su origen en el

funcionamiento anómalo de alguno de sus elementos se realiza mediante el estudio y



53

el análisis de dichas vibraciones y pulsaciones. El proceso de seguimiento y diagnóstico

se realiza en las siguientes etapas:

o Documentación: Se incluye el espectro base como punto de partida para

determinar la aparición de problemas en el grupo, así como los planos y

una hoja con los datos más significativos de la unidad.

o Conocimiento de la máquina: Las características constructivas y de

funcionamiento determinan el tipo de posibles defectos y la vibración

resultante de los mismos, lo cual hace necesario el conocimiento

profundo de la máquina, de sus condiciones de funcionamiento y de los

fenómenos asociados al mismo.

o Criterios de valoración: Una vez que un defecto ha sido localizado e

identificado, se determina su grado de importancia; para la valoración se

considera tanto el nivel como las características del mismo. El criteriopara la evaluación se basa en la existencia de un banco de datos

representativo así como en las medidas históricas de la unidad.

Aislamiento del alternador:

El diagnóstico de un alternador supone la obtención de datos sobre el estado de

envejecimiento del aislamiento del estator, de su contaminación y de la estabilidad del

aislamiento. Su control periódico permite valorar la evolución de su estado con el

número de horas de servicio, permitiendo prever una avería intempestiva que siempre

genera indisponibilidad e importantes daños añadidos.

Los criterios de diagnóstico se han obtenido sobre diferentes tipos de aislamientos y

configuraciones de devanados, estando contrastados internacionalmente por su uso

sistemático.

Los valores de la resistencia de aislamiento, del índice de polarización y de absorción

de la intensidad de absorción y de la intensidad de conducción, la capacidad en alta y

baja frecuencia y la constante de tiempo proporcionan criterios objetivos dediagnóstico.

La interpretación de estos datos comparados con los de maquinas similares y el

seguimiento de su evolución permiten detectar con tiempo la degeneración del

aislamiento, su contaminación o el exceso de humedad que son los factores de riesgo

en la operación de estos equipos.



54

Análisis de aceites:

El análisis del aceite lubricante o del aceite de regulación complementa el diagnóstico

mecánico del estado de la unidad, los análisis que se realizan sobre la muestra del

aceite incluyen las determinaciones de viscosidad cinemática, oxidación, acidez,

contenido en agua, aditivos y contenido en metales de desgaste y de contaminación.

Diagnóstico del transformador:

Los transformadores están sometidos continuamente a un tipo particular de esfuerzo

cuyo origen es la temperatura y el gradiente de campo eléctrico, provocando un

envejecimiento en el aislamiento eléctrico que modifica sus características mecánicas y

aislantes.

Lo anterior se traduce en que cuando se produce alguna solicitación de esfuerzo, (porejemplo; cambio de carga, sobretensión de origen atmosférico o de maniobra, etc) el

estado de los materiales desde un punto de vista mecánico o de aislamiento no puede

resistir el esfuerzo, dando origen a una avería que se denomina latente porque en

muchos casos no se manifiesta de manera inmediata.

Figura 33: proceso análisis aceite

El análisis de los resultados obtenidos de los ensayos realizados sobre una muestra del

aceite, tomada según un procedimiento adecuado, sobre la base de la experiencia y la

existencia de un banco de datos amplio y representativo, conduce al diagnóstico del



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estado del transformador, detectando la existencia o no de un defecto, identificando el

mismo y evaluando su importancia.

El diagnóstico del transformador se realiza mediante la aplicación de las técnicas

siguientes:

Análisis de los gases disueltos en el líquido aislante (aceite o silicona).

Valoración del estado del aislamiento sólido (papel de los bobinados) mediante la

determinación del contenido en furfuraldehído.

Calificación del aceite aislante mediante la determinación de los parámetros de rigidez

dieléctrica, contenido en agua, coeficiente de pérdidas (tangente delta) y acidez.

Determinación del grado de polimerización promedio del papel aislante.

Determinación de la contaminación del aceite por PCB, PCT y PCBT.

Inspección de puntos calientes por termografía infrarroja:

Los fenómenos de transferencia de energía, tanto mecánicos como eléctricos llevan

aparejado la generación de calor que, cuando se presentan anomalías como

rozamientos o resistencias elevadas, generan incrementos de temperatura que

permiten detectar la presencia temprana de estas anomalías.

La termografía es además una técnica no intrusiva y que no requiere contacto que enel caso de materiales electrotécnicos permite detectar averías incipientes sin riesgo ni

interrupción del servicio.

Figura 34: registro termografico conductores



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CONCLUSIÓN:

Las primeras maquinas usadas fueron las ruedas hidráulicas tangenciales. Estas

aparecen en Alejandría y Egipto en los principios de la era cristiana. Los romanos

convirtieron la rueda hidráulica en una fuente de fuerza mecánica en usos como el de

los molinos. La historia recoge el nombre de Vitruvio como el ingeniero que llevo a

cabo tal modificación. Existen numerosos tipos de turbinas, desde la más elemental

utilizada en el buril de un dentista, hasta las grandes turbinas multiexpansión

empleadas en las centrales energéticas, que pueden llegar a desarrollar hasta 1000

MW.

Con el desarrollo de nuevas tecnologías se han diseñado turbinas mas eficientes, no

obstante aun mantiene sus principios básicos los cuales no han variado desde su

fabricación inicial.

La necesidad de expansión y desarrollo del hombre en conjunto con el constante

crecimiento ha tornado fundamental en especial a las turbinas hidráulicas, en

elementos fundamentales a considerar por cada sociedad, debido a la generación de

energía eléctrica necesaria para el desarrollo en general a un bajo costo e impacto

ambiental. Lo cual concierne a un aprovechamiento de las fuentes renovables de

energía. La energía ocupa un lugar sobresaliente entre las fuentes de energías

renovables



57

BIBLIOGRAFIA:

MATAIX, C., Turbomáquinas Hidraú- licas, Editorial ICAI, 1974.

DE PARRES, J. L., Máquinas Hidráu- licas, México, 1966.

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1977

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Turbina. (2010). Consultado el 21 de enero de 2011, Wikipedia la enciclopedialibre.

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Vago, pagina web:http://html.rincondelvago.com/bombas-compresores-y-turbinas.html

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trabajo distribucion turbinas

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