TURBINAS HIDRULICAS

1.- DEFINICIN DE TURBINA HIDRULICA.

Turbina hidrulica se puede definir como aquella mquina que transforma la energa hidrulica aportada por un fluido incompresible (agua) en energa mecnica, mediante la variacin del momento de la cantidad de movimiento, en resumen es una turbomquina hidrulica motora. El elemento fundamental de la turbina es el impulsor llamado rodete o rueda, es el nico elemento giratorio, y es donde se verifica la transformacin de energa hidrulica en mecnica. Adems del rodete constan de una serie de elementos, situados aguas arriba del rodete, que tienen la misin de introducir el agua con la direccin y condiciones precisas. A su salida se encuentran otros rganos que tienen el objetivo de evacuar convenientemente el agua hacia el canal de desage.

2- TIPOS ACTUALES DE TURBINAS HIDRULICAS Turbinas de accin y reaccin.

2.1.- TURBINAS DE ACCIN Y DE REACCIN

Se llaman turbinas de accin o vena libre, a aquellas en las que el agua mueve

el rodete exclusivamente con energa cintica. Es decir las turbinas Pelton.

Se llaman turbinas de reaccin o de vena forzada a las que utilizan energa cintica y de presin para mover el rodete. A este grupo corresponden las turbinas: Francis, Helice, Kaplan, Deriaz, Bulbo y Straflo.

2.2.- DESCRIPCIN GENERAL

2.2.1.- Turbinas de accin

La turbina Pelton o de accin, consta fundamentalmente del distribuidor, llamado as mismo inyector, y de la rueda o rodete.

El inyector tiene como misin introducir el agua en el rodete de forma

conveniente; es una prolongacin de la tubera forzada, terminando en forma atoberada que reduce la seccin, con salida a la atmsfera, de esta forma la energa de presin que el agua posee a su entrada se convierte totalmente en energa cintica. Puede tener de 1 a 6 inyectores, pero en todo caso la admisin del agua en el rodete es puntual.

El rodete est constituido por un cubo unido al eje, con una serie de cazoletas

dispuestas en su periferia. El chorro formado a la salida de cada inyector incide tangencialmente sobre las cazoletas, convirtindose la energa cintica del agua en energa mecnica.

La turbina, arrastrando el generador elctrico, permite la obtencin de la

energa elctrica a partir de la energa mecnica de aquella.

Las turbinas de accin se emplean en centrales hidroelctricas cuyo salto sea

grande y el caudal relativamente pequeo, es decir en aquellos casos en que la relacin caudal- altura es reducida, y por tanto corresponden a velocidades especficas bajas, en particular el nmero de Camerer estar comprendido entre 5 y 36

aproximadamente.

Fig.: 23.1.- Disposicin de conjunto de una sala de mquinas con turbina Pelton

Fig.: 23.2.- Inyector de una turbina Pelton

Fig.: 23.4.- Cazoleta de una turbina Pelton

Al necesitar saltos grandes con caudales reducidos, las turbinas Pelton se

emplean en centrales de cabecera de cauce, es decir prximas al nacimiento de los ros, donde, por una parte, llevan fuertes pendientes, pudindose obtener as grandes desniveles entre puntos relativamente prximos. Por otro lado las cuencas vertientes en las cabeceras de cauce son reducidas.

2.2.2.- Turbinas de reaccin

Las turbinas de reaccin tienen una concepcin notablemente diferente a las

de accin.

En primer lugar, el elemento situado aguas arriba del rodete, llamado distribuidor, transforma parte de la energa de presin, que tiene el agua a la entrada de la turbina, en energa cintica.

El distribuidor en este caso rodea todo el rodete, llegando el agua por la

totalidad de la periferia de ste, siendo por tanto la admisin del agua total.

El rodete, nico rgano transformador de energa hidrulica en mecnica, es de diseo diferente segn el tipo de turbina de reaccin de que se trate, pero en esencia est formado por el cubo, unido al eje, y una serie de alabes dispuestos en la periferia de aqul.

El agua a la salida del rodete tampoco sale a la atmsfera, sino que penetra en

un tubo llamado tubo difusor, generndose a su entrada una depresin, cuya misin fundamental es aumentar la energa hidrulica absorbida por el rodete.

Fig.: 23.3.- Rodete de una turbina Pelton

El tubo difusor desemboca en el canal de desage, que devuelve el agua al cauce natural.

En conjunto las turbinas de reaccin estn formadas por los siguientes

elementos: Cmara espiral, antedistribuidor, distribuidor, rodete, y tubo difusor.

Las turbinas de reaccin se utilizan para una gamma muy amplia de alturas y caudales, donde la relacin caudal-altura es mayor que las correspondientes a turbinas de accin. Los valores ms bajos de dicha relacin corresponden a las turbinas Francis y los ms elevados a las Hlice, Kaplan, Deriaz , Bulbo y Straflo, ms o menos por este orden.

Fig.: 23.5.- Corte meridional de una turbina Francis

Fig.: 23.6.- Corte transversal de una turbina Francis

El nmero de Camerer de las diferentes turbinas toma los siguientes valores aproximados:

Francis : 50 ns 400

Hlice, Kaplan, Deriaz: 400 ns 700

Kaplan, Deriaz, Bulbo, Straflo: 700 ns 1300

Las centrales hidroelctricas con turbinas de reaccin estn ubicadas en el cauce medio o terminal de los ros, incluso en su propia desembocadura, como es el caso de las centrales mareomotrices, que aprovechan tanto el propio caudal del rio, como el flujo y reflujo de las mareas.

A medida que el ri discurre por su cauce va disminuyendo la pendiente y

reduciendo su cota, disminuyendo las posibilidades de generar salto, pero incrementndose su cuenca vertiente y por lo tanto su caudal.

Fig.: 23.7.- Cmara espiral de una turbina Francis

Fig.: 23.8.- Antedistribuidor de una turbina Francis

Fig.: 23.9.- Distribuidor y rodete de una turbina Francis

Fig.: 23.10.- Semicorte meridiano parcial de una turbina Francis

Fig.: 23.11.- Rodete de una turbina Francis

Fig.: 23.12.- Rodete de una turbina Francis de velocidad especfica alta

Fig.: 23.13.- Turbina Kaplan parcialmente desmontada