turbinas hidrÁulicas
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TURBINAS HIDRULICAS
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CAPTULO III
TURBINAS HIDRULICAS
3.1 DEFINICIN
La turbina hidrulica es una turbo mquina motora, y por tanto
esencialmente es una bomba roto dinmica que trabaja a la inversa1. As
como una bomba absorbe energa mecnica y restituye energa al fluido;
una turbina absorbe energa del fluido y restituye energa mecnica.
Una turbina hidrulica segn el grado de reaccin se clasifica en dos
grupos: turbinas de accin y turbinas de reaccin. El grado de reaccin de
una turbina Gr se define as:
Altura de presin absorbida por el rodete
Gr =
Altura total absorbida por el rodete
Cuando el grado de reaccin es cero, la turbina se llama de accin. Si el
grado de reaccin es distinto de cero, la turbina se llama de reaccin.
En una turbina de accin, la presin del agua no vara en los labes. El
rodete no esta inundado, se encuentra a la presin atmosfrica. Las
turbinas de accin son de admisin parcial.
En una turbina de reaccin, la presin a la entrada del rodete es superior a
la atmosfrica y a la salida inferior, el rodete est inundado. Las turbinas
de reaccin son de admisin total.
3.2 RUEDA HIDRULICA
El tipo de turbina hidrulica ms antiguo y simple es la rueda hidrulica,
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, Mecnica de los Fluidos y Mquinas Hidrulicas Pg.418
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CENTRALES ELCTRICAS
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Hacia el siglo II d. C. se
empez a utilizar en las zonas
montaosas la rueda hidrulica
de empuje superior, donde el
agua se verta sobre las palas
desde arriba, aumentando su
potencia hasta los 50 CV.
Fig. 3.1 Rueda Hidrulica
3.3 TURBINA FRANCIS
En 1826 Benoit Fourneyron desarroll una turbina de flujo externo de
alta eficiencia (80%). El agua era dirigida tangencialmente a travs del
rodete de la turbina provocando su giro. Alrededor de 1820 Jean V.
Poncelet dise 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 diseo similar.
En 1848 James B. Francis mejor estos diseos y desarroll una turbina
con el 90% de eficiencia. Aplic principios y mtodos de prueba
cientficos para producir la turbina ms eficiente elaborada hasta la fecha.
Ms importante, sus mtodos matemticos y grficos de clculo
mejoraron el estado del arte en lo referente al diseo e ingeniera de
turbinas. Sus mtodos analticos permitieron diseos seguros de turbinas
de alta eficiencia.
La Francis es una turbina de reaccin 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 ms
generalizada del mundo. De acuerdo con la ponderacin de la carga sobre
el caudal o viceversa, se originan particulares caractersticas de la
mquina, que dan lugar a dos tipos, no siempre definidos, la Francis pura
y la Francis mixta.
http://es.wikipedia.org/wiki/1826http://es.wikipedia.org/wiki/1820http://es.wikipedia.org/wiki/1838http://es.wikipedia.org/wiki/1848http://es.wikipedia.org/wiki/Estado_del_arte
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TURBINAS HIDRULICAS
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En la Francis puramente radial (Figs. 3.2 y 3.7), prcticamente toda la
transferencia energtica de fluido a rotor se efecta mientras el agua pasa
a travs de los labes, casi todo el tiempo en direccin radial y de afuera
hacia adentro, con un aprovechamiento mximo de la accin centrpeta,
para lo cual se procura siempre dar al agua un recorrido radial
relativamente largo.
Fig. 3.2 Turbina Francis
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.3.4), el agua recorre los labes en direccin
radial y de afuera hacia adentro slo en una parte de los mismos,
terminando el agua su recorrido en direccin axial en cuya fase trabaja
como turbina axial. La ponderacin de la accin radial y de la axial puede
establecerse en forma gradual segn las exigencias de la carga y el caudal
disponible. La Francis mixta tiene aplicacin en saltos de agua de cargas
medianas y bajas, con caudales medianos y relativamente grandes.
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CENTRALES ELCTRICAS
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Fig. 3.3 Rodetes turbina Francis Mixta
3.4 CARACOL DE LA TURBINA FRANCIS
La carcasa, caja espiral o caracol (Fig. 3.4), es un ducto alimentador, de
seccin circular y dimetro decreciente, que circunda el rotor, procurando
el fluido necesario para la operacin de la turbina.
Fig. 3.4 Caracol
3.5 DISTRIBUIDOR DE UNA TURBINA FRANCIS
El distribuidor lo constituye una serie de labes 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 direccin de ataque
exigida por el rodete mvil y adems regular el gasto de acuerdo con la
potencia pedida a la turbina, desde valores mximos hasta un valor cero.
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TURBINAS HIDRULICAS
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En el distribuidor se transforma parcialmente la energa de presin en
energa cintica.
Fig. 3.5 Distribuidor y labes del distribuidor de una turbina Francis
Fig. 3.6 Distribuidor en posicin abierto y cerrado
3.6 RODETE
El rodete mvil o rotor est conformado por los propios labes, los cuales
estn engastados en un plato perpendicular al eje de la mquina, de cuyo
plato arranca siguiendo la direccin axial, tomando en forma progresiva
un alabeo y abrindose hacia la direccin radial, con lo que el conjunto
presenta forma abocardada, tanto ms acentuada cuanto mayor sea la
accin axial exigida a la turbina. Los alabes se cien por su extremo final
a un zuncho en forma de anillo.
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CENTRALES ELCTRICAS
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Fig. 3.7 Rodete de Turbina Francis)
3.7 TUBO DE DESFOGUE
El tubo de desfogue o difusor da salida al agua de la tubera y al mismo
tiempo procura una ganancia en carga esttica hasta el valor de la presin
atmosfrica, debido a su forma divergente. Se tiene as a la salida del
rotor una presin ms baja que la atmosfrica y, por tanto, una gradiente
de presin dinmica ms alta a travs del rodete. Su forma puede ser
simplemente cnica (tubo Moddy) o ms compleja cuando es acodada
(cnico, elptica, cuadrangular), esta ltima permite colocar el rodete
mvil ms prximo al nivel de aguas abajo, exigencia que se tiene
especialmente en las mquinas de velocidad especfica alta (Francis
mixtas).
Fig. 3.8 Esquema general de turbina Francis con tubo de salida a contrapresin
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TURBINAS HIDRULICAS
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3.8 GRADO DE REACCIN 2
El grado de reaccin cuantifica la proporcin de carga esttica
aprovechada sobre la carga efectiva total, viene dado por la expresin:
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 reaccin est siempre comprendido
entre cero y uno y, por lo general, prximo a un medio. Para la Francis
pura la velocidad especfica es baja y relativamente es bajo el grado de
reaccin. La carga dinmica 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 ms bajas, las velocidades
especficas ms altas y el grado de reaccin ms alto.2
3.9 DIAGRAMAS DE VELOCIDADES A LA ENTRADA Y SALIDA DEL ROTOR
2
En la figura 3.9 se muestra el diagrama de velocidades mencionado.
La ecuacin de Euler de la transferencia es:
1 1 2 21
U UE U V U Vg
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 ecuacin vectorial:
2 POLO ENCINAS MANUEL, Turbomquinas Hidrulicas, Edit. Limusa 1975
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CENTRALES ELCTRICAS
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111 rVUV
A la salida del agua del rotor, la velocidad V2 conviene que sea radial o
casi radial, para evitar circulacin del fluido innecesaria y prdidas de
energa. Para ello los valores de la velocidad de arrastre U2 y la relativa
Vr2 que condiciona el labe deben ser de la magnitud y direccin que
exige la ecuacin vectorial.
Fig. 3.9 Diagrama de velocidades a la entrada y salida del rotor de una turbina
Francis.
222 rVUV
Esto se logra con un diseo adecuado del labe 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 travs de los coeficientes 1 y 2 de la velocidad tangencial para condiciones a la entrada y salida del rotor o sea:
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TURBINAS HIDRULICAS
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1 11
2 2
U ND
gH gH
2 22
2 2
U ND
gH gH
Valores de estos coeficientes son obtenidos en funcin de la velocidad
especfica los mismos que se dan en la Fig. 3.10. Estos coeficientes son
muy importantes por que permiten la determinacin de los dimetros
buscados.
1 2
1 1
0.5 0,5
0 100 200 300 400 500 0 100 200 300 400
500
(Fig 3.10)Valores de 1 en funcin de NS Valores de 2 en funcin de NS
El distribuidor de las turbinas de reaccin est constituido por una serie
de labes pivotantes que circunda el rotor y que tiene las siguientes
funciones:
Regula el gasto segn las exigencias de la potencia, convierte
parcialmente la energa esttica en dinmica para que as el lquido pueda
atacar los labes del rotor y tenga lugar una transferencia energtica,
dirige la velocidad absoluta del fluido V1 segn las exigencias del gasto
en una direccin 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 energa del agua al rotor. El ngulo 1
es menor en las francis puras y mayor en las mixtas.
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CENTRALES ELCTRICAS
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En la Fig. 3.11 se muestran los diagramas de velocidades a la entrada y
salida del rotor considerando variaciones en el ngulo de ataque a los
labes por efectos de regulacin.
Fig. 3.11 Modificacin de los diagramas a la entrada y salida del rotor, con la
regulacin
Si la demanda de energa se reduce, el generador debe disminuir la
produccin 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 ngulo 1 a un
nuevo valor '1 con lo cual se modifica la velocidad absoluta V1 en
direccin (aunque no en magnitud, pues esta depende de H que
permanece constante) dando lugar a una reduccin de la componente
radial V'R1 y, por tanto, a una reduccin 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 grfico de la direccin de V'r1 ya no responde al ngulo
del labe 1 sino, a un ngulo inferior, con lo que se produce una
separacin del agua del contorno del labe dando lugar a turbulencias y a
prdidas de energa que reducen el rendimiento. Este efecto se hace tanto
ms notable en las turbinas de reaccin de alta velocidad especfica con
labes fijos, como la Francis mixta y la de Hlice.
Si trabajando con potencia parcial se produce separacin, operando con
sobrecargas se originan choques contra el labe, que dan lugar a
vibraciones perjudiciales, en la figura se advierte que al exigir ms
potencia a la turbina por alguna sobrecarga del generador, el gasto de
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TURBINAS HIDRULICAS
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agua debe aumentarse, o lo que es igual, la velocidad radial debe
aumentar a un valor V"R1; lo cual se logra aumentando el ngulo del
distribuidor a un valor "1, con objeto de variar la direccin de la
velocidad absoluta de entrada a un valor V"1. Al permanecer U1
constante, la velocidad relativa viene dirigida ahora bajo un ngulo mayor
que 1, produciendo un choque del agua contra el labe y dando lugar a
una reduccin del rendimiento. Las sobrecargas toleradas en la turbina
Francis son del orden del 15 al 20 % sobre las condiciones de diseo.
A la salida los efectos son menos nocivos que a la entrada, pues como se
trata de velocidades subsnicas, el labe manda al agua y la velocidad
relativa sale siempre en la misma direccin. Sin embargo, como U2
permanece constante para cualquier gasto y la velocidad radial vara su
magnitud en la misma proporcin que el gasto, al ser VR1 = VR2 = VR,
resulta que la velocidad absoluta de salida V2 se sale de la direccin radial
que de ordinario tiene en las condiciones de diseo, apareciendo valores
sensibles de Vu2, que modifican la transferencia de energa; aunque lo ms perjudicial son los efectos de recirculacin del agua, que perturban
la descarga y reducen la recuperacin de energa en el ducto de desfogue,
disminuyendo el rendimiento global de la turbina.
3.10 TUBO DE DESFOGUE
Sirve para la descarga del agua de una turbina de reaccin hasta el socaz,
satisface adems una funcin muy importante como rgano de
recuperacin de energa, debido a su forma divergente, produce una
desaceleracin del agua que sale de la turbina, su altura fsica debe ser
menor que el de la columna de agua real equivalente a la presin
atmosfrica, para impedir que la vena lquida se rompa en el ducto.
Para la turbina Francis veloz y la Kaplan se utiliza con preferencia la
instalacin con eje vertical, debido a que mejora el rendimiento y la
regularidad del flujo, y en la posibilidad de obtener mayor recuperacin
de energa cintica a la salida del rodete. Tambin influye favorablemente
en el fenmeno de cavitacin, que queda aminorado por el hecho de ser
posible la colocacin del rodete a muy pequea altura sobre el nivel del
agua del socaz y en algn caso bajo el nivel del mismo, como es
necesario para las turbinas de alta revolucin especfica.
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CENTRALES ELCTRICAS
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3.11 TURBINAS KAPLAN
Fig. 3.12 Turbinas Kaplan
La Kaplan es una turbina hlice de labes ajustables, de manera que la
incidencia del agua en el borde de ataque del labe pueda producirse en
las condiciones de mxima accin, cualesquiera sean los requisitos del
caudal y la carga.
Las turbinas hlice que tienen labe fijo justifican su instalacin en los
casos en que las variaciones de potencia no sean considerables. Vctor
Kaplan (1876-1934) concibi la idea de corregir el paso de los labes
automticamente con las variaciones de potencia.
Una tcnica constructiva de las turbinas hidrulicas poco desarrollada a
comienzo de siglo, haca concebir la idea de Kaplan como irrealizable.
Pero, con el avance del siglo avanzaba el desarrollo tecnolgico y la idea
de Kaplan fue imponindose en el mundo entero. La turbina Kaplan
encuentra aplicacin en una gama de cargas que vara aproximadamente
de 1 a 90 m. si se incluyen a las turbinas tubulares o de bulbo, que
tambin son de hlice con paso variable.
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TURBINAS HIDRULICAS
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Fig. 3.13 Alabes ajustables
3 Fig.3.14 Alabes Directores
3
Fig. 3.15 Alabes de una turbina Kaplan
3.12 RGANOS PRINCIPALES DE UNA TURBINA KAPLAN
Al igual que en la Francis son: el caracol, distribuidor, rodete mvil y
tubo de desfogue; las funciones de stos rganos son las mismas que se
describieron para la turbina Francis.
La cmara de alimentacin suele ser de concreto en muchos casos, debido
a la gran capacidad de gasto que admite la turbina Kaplan. La seccin
3 Zooppeti Gaudencio. CENTRALES HIDROELCTRICAS, Edit. G.Hill 1974
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CENTRALES ELCTRICAS
100
toroidal puede ser circular o rectangular como el mostrado en la figura
3.16
El distribuidor, que sigue a la cmara de alimentacin, regula el gasto y
adems imprime al agua el giro necesario para el ataque adecuado del
agua a los labes. Los labes del distribuidor se ajustan automticamente
de acuerdo a las necesidades de la potencia.
El rotor de la turbina, de forma de hlice, est constituido por un robusto
cubo, cuyo dimetro es del orden del 40 al 50 % del dimetro total al
extremo de los labes, en el cual van empotrados los mismos. Los labes
del rotor tienen perfil de ala de avin y desarrollo helicoidal. El perfil de
ala permite obtener una accin til del agua sobre el labe en el
movimiento que aquella tiene respecto a ste, la forma helicoidal o alabeo
se justifica, en virtud de que la velocidad relativa del flujo vara en
direccin 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. 3.16 Corte
longitudinal de
una turbina
Kaplan con
seccin toroidal
rectangular4
3.3.2 ENERGIA TRANSFERIDA
De fluido a rotor tiene la expresin:
4 Zooppeti Gaudencio. CENTRALES HIDROELCTRICAS, Edit. G.Gili 1983
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TURBINAS HIDRULICAS
101
1 1 2 21
U UE U V U Vg
3.3.3 GRADO DE REACCIN
Queda expresado por:
2 2
1 2
2 2
2 1
1
1R
r r
GV V
V V
3.3.4 FACTOR DE UTILIZACIN Se define por:
2 2
1 2
2 2 2
2 1 2
2R
V VE
V V G VE
g
3.13 DIAGRAMA DE VELOCIDADES A LA ENTRADA Y SALIDA DEL ROTOR
5
La figura 3.17 muestra el labe de una turbina Kaplan en seccin normal
a la direccin radial. El agua procedente de la cmara de alimentacin y
guiada por los labes del distribuidor, gira en vrtices libres en la zona
existente entre el distribuidor y el rotor, hasta alcanzar a este ltimo,
atacando el labe con una velocidad absoluta V1, que es variable en
magnitud y direccin para cada punto del borde de ataque del labe. Si la
velocidad tangencial del labe en ese punto es U, la velocidad relativa del
fluido respecto al labe ser Vr1, cerrando el tro vectorial correspondiente
a la ecuacin vectorial.
11 rVUV
La Vr1 debe incidir sobre el labe de forma que se logre una mxima
accin del agua, evitando separacin o choques, que reduzcan el
rendimiento. El ngulo de incidencia se fija por la velocidad media
relativa Vmr y la cuerda.
5 POLO ENCINAS MANUEL, Turbomquinas Hidrulicas, Edit. Limusa 1975
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CENTRALES ELCTRICAS
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Fig. 3.17 Diagramas de velocidades a la entrada y salida del labe de una
turbina kaplan.
La magnitud de la componente axial a la entrada Va generalmente se
conserva a la salida de las mquinas axiales. La velocidad absoluta a la
salida V2 se procura que sea axial o con una componente giratoria
mnima, a fin de tener un buen desfogue y para reducir su magnitud,
aumentando el coeficiente de utilizacin. Como la velocidad tangencial
del labe U es la misma pues los dos puntos de entrada y salida estn a la
misma distancia del eje se tendr que disear el borde de fuga de forma
que la componente relativa Vr2 cierre el tringulo vectorial
correspondiente a la ecuacin
22 rVUV
Ya que en velocidades subsnicas, como es el caso del agua en las
turbinas hidrulicas, el labe manda al fluido en la salida y la Vr2 saldr
tangente al labe.
La curvatura del labe definida por el ngulo para Va constante, hace
que V2 < V1 y Vr2 > Vr1, con el fin de tener un aprovechamiento de la
carga dinmica y de la carga esttica del agua.
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TURBINAS HIDRULICAS
103
El diseo de los labes suele hacerse para el 80% de la capacidad del
gasto de la turbina, ya que en estas condiciones se favorece el
rendimiento global del labe en las diferentes condiciones de carga
parcial o sobrecarga. Para las condiciones de diseo la apertura del
ngulo del distribuidor suele ser de 45, pudiendo variar entre 20 y 50
en trminos generales.
El alabeo de los bordes de ataque y de fuga se define por los valores de
los ngulos 1 y 2 a lo largo de dichos bordes.
Fig. 3.18 Diagramas de velocidades a la entrada y a la salida
1 2
1
tan ; tana a
u
V V
U V U
Siendo
;aQ
V U NDA
La componente giratoria Vu1 se calcula en cada punto de la zona de
vrtices libres, que precede al rotor, aplicando el principio de
conservacin del momento de la cantidad de movimiento.
En la seccin 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 ser Vuo Ro, que ser constante en toda la zona de
vrtices libres, pues no hay momento exterior en esta zona. Por lo tanto si
se designa por el subndice 1 la seccin de ataque del agua al rotor se
tendr:
Vuo Ro = Vu1 R1 = Constante
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CENTRALES ELCTRICAS
104
Donde R1 puede variar del cubo al extremo del labe y en consecuencia
Vu1 vara tambin, pero en forma opuesta a R1, para conservar el valor
constante del producto. Como Va es constante, resulta que tan 1 vara
con U y con Vu1, o lo que es igual con el radio.
En el borde de fuga el cambio de tan 1 vara con U = ND el cual tiene valores diferentes a distintos dimetros, para una misma velocidad de
giro.
3.14 DIMETRO DE LA HLICE
En la turbina axial el dimetro es nico, cuyo valor se fija por la
experiencia a travs de frmulas empricas, entre ellas la siguiente
68 HPD
H
3.15 VELOCIDAD DE GIRO
Viene dada por 3
4950 HN
HP
La relacin entre la altura del distribuidor y el dimetro de la hlice B/D
es del orden de 0,4.
3.16 TURBINAS BULBO, TUBULARES Y DE POZO PARA CARGAS MNIMAS Y GRANDES CAUDALES
Buscando condiciones econmicas favorables para el aprovechamiento de
energa del agua, los ingenieros han fijado siempre su atencin en los
saltos de mediana y gran altura. Se han desarrollado as potentes turbinas,
tratando de concentrar cada da, mayor potencia en una sola unidad; lo
que ha obligado necesariamente, a proyectar mquinas de grandes
dimensiones. Se menospreciaban los aprovechamientos de pequeas
cargas 5, 10 y hasta 15 metros por resultar incosteables con el empleo de
turbinas convencionales Francis e incluso Hlice o Kaplan, debido
fundamentalmente, a las profundas y costosas excavaciones.
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TURBINAS HIDRULICAS
105
Pero la creciente demanda de energa estaba obligando a pensar en toda
clase de aprovechamientos. Si las mquinas convencionales no
satisfacan, sera necesario idear otros tipos. Es as como aparecieron, en
los pasados aos, las turbinas bulbo, las tubulares y las de pozo, que
permitan aprovechar cadas de 1 a 15 metros.
La particularidad fundamental en todas ellas, es que el eje se ha dispuesto
en la direccin horizontal o casi horizontal, a fin de reducir las
dimensiones en vertical y, por tanto, las excavaciones; circunstancia sta
que se presenta en la turbina Kaplan de eje vertical, a la cual podra
recurrirse en los casos de pequeas cargas.
En estos nuevos tipos, desaparece la cmara espiral o caracol,
practicndose la alimentacin directamente desde el embalse por medio
de un tubo de aspiracin rectilneo, que manda el agua sobre el rotor de la
turbina a travs de unas paletas directoras. El rotor tipo hlice con labes
fijos o ajustables, tiene su eje en la misma direccin del ducto, facilitando
el paso de grandes caudales de agua, la descarga se logra por una
continuidad del mismo ducto, en forma anloga al desfogue de una
turbina de reaccin convencional. Slo en el tipo de turbina tubular se
hace necesario un cambio en la direccin del ducto en la descarga para
dar salida al eje del generador.
Fig.3.19 Turbina Tubular
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CENTRALES ELCTRICAS
106
En la TURBINA TUBULAR (Fig 3.19), en efecto, el generador va
instalado al exterior, fuera del ducto del paso del agua. Esto reduce el
costo del generador, que puede ser as de tipo convencional, aunque
presente algunos problemas de vibracin en el sellado de la flecha, por
mayor longitud de vibracin y de desfogue.
En la TURBINA DE TIPO BULBO (Fig.3.20), el generador est
encerrado en un recinto metlico estanco, que generalmente precede al
rotor, apareciendo el conjunto como una pera o bulbo, de donde deriva su
nombre. Para el acceso al generador, as 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 ms costoso, pues
requiere el empleo de generadores de diseo especial, pero tiene la
ventaja de que se facilita el desfogue, incrementndose la energa
recuperada en el mismo.
Fig. 3.20 Turbina tipo Bulbo
En el TIPO POZO, (Fig. 3.21) el generador se independiza del rotor de
la turbina por medio de muros de concreto, mantenindolo en el mismo
eje de la turbina o desplazndolo transversalmente.
En este ltimo caso la transmisin de la potencia se efecta por medio de
un multiplicador, pudindose hacer uso de generadores ms econmicos.
La obra de fbrica es un poco ms complicada y por ello su uso es ms
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 labes ajustables en el rotor y en los portillos de
acceso del agua al rotor. Adems el ducto rectilneo de alimentacin y de
desfogue reduce al mnimo las prdidas de energa en el flujo. La curva
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TURBINAS HIDRULICAS
107
de rendimiento se mantiene as casi plana, a un nivel aproximado del
90%, para diferentes valores de potencia.
Fig. 3.21 Turbina tipo pozo
3.17 TURBINA DE FLUJO CRUZADO (CROSS FLOW)
Fig. 3.22 Esquema de la turbina de flujo cruzado (Cross Flow)
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CENTRALES ELCTRICAS
108
Fig. 3.23 Turbina de flujo cruzado y rodete
Fig. 3.24 Turbinas de flujo cruzado
La turbina de Flujo Cruzado (Cross Flow) es de construccin simple, esto
le da, la caracterstica muy importante de poder ser construida sin mucha
tecnologa. 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 lmina de acero soldada y requieren cierto
fresado, lo nico que se necesita es un equipo de soldar y un taller de
mquinas como los que se utilizan para reparar maquinaria agrcola y
piezas automotrices.
La eficiencia de la turbina de Flujo Cruzado (Fig. 3.25) es del 80% y
mayor, y por ende es apropiada para pequeas centrales generadoras
hidroelctricas. La regulacin 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.
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TURBINAS HIDRULICAS
109
Fig.3.25 Rendimiento de la turbina de Flujo Cruzado 6
Para cadas elevadas la turbina de Flujo Cruzado se conecta a una tubera
de carga con una vlvula de entrada a la turbina. Esto requiere de un tipo
de disposicin diferente que el empleado para cadas bajas.
La turbina es nica por que sus anchuras de boquerel y del rotor pueden
ajustarse a las condiciones de cada e ndices de flujo. Su adaptabilidad,
simplicidad y bajo costo hacen que sea la ms apropiada de todas las
turbinas hidrulicas para pequeos sistemas de generacin. Puede
aplicarse a cadas 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 energa en Kw que en las otras
turbinas.
6 Nozaki Tsuguo. GUA PARA LA ELABORACIN DE PEQUEAS CENTRALES
HIDROELCTRICAS JICA 1980
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CENTRALES ELCTRICAS
110
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 de
Flujo Cruzado 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 energa es de 72% en la primera accin y 28% en la segunda. El flujo
de agua cruza la rueda, de ah proviene el nombre de Flujo Cruzado.
3.18 TURBINA TIPO PELTON
Fig.3.27 Pelton eje vertical Fig. 3.28 Pelton eje horizontal
El labe tiene la forma de doble cuchara Fig. 3.29, con una arista
diametral sobre la que incide el agua, producindose una desviacin
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TURBINAS HIDRULICAS
111
simtrica en direccin axial, buscando un equilibrio dinmico en esta
direccin por ser el ataque del agua en sentido tangencial; por tener el
fluido un recorrido axial en su paso por el labe, se clasifica entre las
mquinas de tipo axial.
Fig. 3.29 labe de Turbina Pelton
Las turbinas de impulso o accin tienen la peculiaridad de aprovechar
solamente la energa cintica del fluido; no existe pues, gradiente de
presin entre la entrada y la salida de la mquina. El grado de reaccin es
cero.
En la turbina Pelton la energa cintica del agua, en forma de chorro libre,
se genera en una tobera colocada al final de la tubera de presin. La
tobera est provista de una aguja de cierre para regular el gasto,
constituyendo el conjunto el rgano de regulacin y alimentacin de la
turbina.
Fig. 3.30 Ruedas Pelton
Nervadura
Entalladura
Arista
Borde Borde
Estrados Parte
externa Intrados
Parte
interna
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CENTRALES ELCTRICAS
112
Fig.3.31 Turbina Pelton de 4 chorros y eje vertical.
Las turbinas pueden tener eje horizontal o vertical; en la disposicin de
EJE HORIZONTAL el nmero de chorros por rueda se reduce
generalmente a uno o dos, por resultar complicada la instalacin en un
plano vertical de las tuberas de alimentacin y las agujas de inyeccin.
La rueda queda sin embargo ms accesible para su inspeccin, lo mismo
que los inyectores. Encuentra as aplicacin si se tienen aguas sucias que
producen deterioros o notable accin abrasiva, con esta disposicin se
hace posible instalar turbinas gemelas.
La disposicin con EJE VERTICAL permite aumentar el nmero de
chorros por rueda a cuatro o seis pudiendo incrementarse el caudal y
tener mayor potencia por unidad, las excavaciones disminuyen pero la
inspeccin y reparaciones se hacen ms difciles por lo que se recomienda
su uso con aguas limpias, con eje vertical se permiten mayores potencias.
(Fig. 3.32).7
7 POLO ENCINAS MANUEL, Turbomquinas hidrulicas Edit. Limusa 1974 Pag. 197
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TURBINAS HIDRULICAS
113
3.19 CARACTERSTICAS DEL RODETE
El rodete Pelton est constituido por un disco de acero con labes
perifricos en forma de doble cuchara, estos pueden estar fundidos con el
disco en una sola pieza, o individualmente sujetndose despus al disco
por medio de bulones.
El material de los labes, debe resistir la fatiga, la corrosin y la erosin,
utilizndose para tal efecto; grafito laminar, acero, carbono aliado con
nquel, aceros con cromo o aceros austeno ferrticos, materiales que
presentan gran resistencia a la cavitacin y abrasin. El material del disco
de la rueda es de acero fundido o forjado.
Es importante sealar que el nmero de chorros incide directamente en el
tamao de la rueda, correspondiendo un dimetro menor de la rueda para
un nmero de chorros mayor.
El NMERO DE LABES suele ser de 17 a 26 por rueda, para alta
velocidad especfica el nmero de labes es menor, en cambio, si la
velocidad especfica es alta es que el caudal es grande, lo que exige
labes mayores, y por tanto, caben menos en la misma periferia de la
rueda. Dicho nmero se calcula mediante la expresin:
152
d
DNa
Fig. 3.32 Ruedas Pelton de cuatro y
seis Chorros
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CENTRALES ELCTRICAS
114
Donde Na es el nmero de labes; D el dimetro de la rueda y d el
dimetro del chorro.
La arista media del labe no es completamente radial, sino que est
ligeramente inclinada con relacin a la direccin del chorro.
El ancho de los labes b est comprendido entre 3,5 y 4 veces el dimetro
del chorro.
El ancho axial de la carcasa cerca de la tobera no debe ser menor que
15 d, de otra manera el agua rechazada impedira el movimiento de los
labes (cangilones).
3.19.1 FORMA Y DIMENSIONES DE LOS LABES
Las dimensiones del labe son
proporcionales al dimetro del
chorro; este a su vez es funcin
del dimetro de la rueda y la
velocidad especfica. El valor de
d (dimetro del chorro) est entre
el 5% y 12% aproximadamente
del valor de D (dimetro de la
rueda), segn el autor Manuel
Polo Encinas, de acuerdo a Viejo
Zubicaray el valor D/d no debe
ser menor Fig. 3.33 ngulo del labe
a 12, excepcionalmente puede llegar a 7. Sin contradecir a ambos autores
podra tomarse el valor de 9 para efectos de solucionar problemas.
Se toma como dimetro de la turbina Pelton el dimetro de un crculo que
pasa por el centro del labe y es tangente a la lnea de centros de la
tobera.
El ngulo que forman las dos caras interiores del labe, (Fig. 3.33) debe
ser el mnimo posible, pero, para no debilitar demasiado el mismo, los
constructores recomiendan que sea del orden de 200. El ngulo de salida
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TURBINAS HIDRULICAS
115
debe estar entre 8o y 12
o grados en la parte media del labe, ya que de
reducirse se presenta el peligro de recirculacin y de choque del agua
contra la cara posterior del labe siguiente.
Como la energa cintica 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 labes una entalladura en la
parte perifrica, la que adems impide que el agua salpique por el borde
de la cuchara e incluso que la ataque por la parte posterior.
3.19.2 DIAGRAMAS DE VELOCIDADES Y ENERGIA
TRANSFERIDA EN FUNCION DE
Fig.3.34 Diagramas vectoriales a la entrada y salida de una turbina Pelton.
En la figura 3.34 se presenta el corte de un labe de una turbina Pelton,
en l se tienen: Vr1 velocidad relativa, U1 Velocidad tangencial del labe
y V1 Velocidad absoluta, donde:
V1 = U1 + Vr1
A la salida, la direccin de la velocidad relativa esta definida por el
ngulo (se toma como promedio 165 ; = 180- ). Ya que se trata de
una mquina axial, la ecuacin vectorial es:
222 rVUV
)180cos(222 ru VUV
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CENTRALES ELCTRICAS
116
3.20 TURBINA TURGO
La turbina Turgo es una turbina hidrulica de impulso diseada para
saltos de desnivel medio. Fig. 3.35
Fig. 3.35 Turbina Turgo
Fue desarrollada por la compaa Gilkes en 1919 a partir de una
modificacin de la turbina Pelton; la Turgo tiene varias ventajas sobre la
turbina Francis y la Pelton en determinadas aplicaciones.
En primer lugar, el rodete es ms barato de fabricar que el de una Pelton.
En segundo lugar no necesita una carcasa hermtica como la Francis. En
tercer lugar tiene una velocidad especfica ms elevada y puede manejar
un mayor flujo para el mismo dimetro que una turbina Pelton,
conllevando por tanto una reduccin del costo del generador y de la
instalacin.
http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_hidr%C3%A1ulicahttp://www.gilkes.com/home.htmhttp://es.wikipedia.org/wiki/1919http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Peltonhttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Francis
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TURBINAS HIDRULICAS
117
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 ms populares para pequeas instalaciones
hidrulicas en donde el bajo coste es primordial.
La turbina Turgo es una turbina de tipo impulso. El agua no cambia de
presin cuando pasa a travs de los labes de la turbina. La energa
potencial del agua se convierte en energa cintica en la tobera de entrada
o inyector. El chorro de agua a alta velocidad es dirigido contra los labes
de la turbina que lo desvan e invierten el flujo. El impulso resultante
hace girar el rodete de la turbina, comunicando la energa al eje de la
turbina. Despus de todo esto el agua sale con muy poca energa. 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 dimetro que el
de un rodete Pelton y dobla la velocidad especfica. 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 especfica 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 nmero de inyectores se incrementa la
velocidad especfica del rodete en la raz cuadrada del nmero de chorros
(cuatro chorros rinden dos veces la velocidad especfica de un chorro para
la misma turbina).
3.21 ELECCIN DEL TIPO DE TURBINA
La turbina ms adecuada debe ser elegida en funcin de las caractersticas
tcnicas y econmicas que hagan que un tipo determinado resulte en
ventaja frente a otros. La velocidad especfica para una turbina dada es
una funcin del caudal que pasa por ella, segn el cual presentar
diferentes caractersticas.
Se puede elegir la turbina ms apropiada en funcin de los valores
especficos 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 anlogas unas con otras. Estos
valores se han introducido rpidamente en todas las explotaciones y son
http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_potencialhttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_potencialhttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_cin%C3%A9ticahttp://es.wikipedia.org/wiki/Tobera
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CENTRALES ELCTRICAS
118
aplicadas en la prctica por que dan clara idea sobre la aplicacin de los
tipos y formas de turbinas, de esta forma se va obteniendo un caudal
especfico, una potencia especfica y una velocidad especfica, datos que
permiten recurrir a tablas o grficos para definir el tipo de turbina ms
apropiado. La velocidad especfica se calcula con la expresin:
54
s
N CVN
H
La velocidad especfica de una serie homloga de turbinas se define
como la velocidad de una mquina de la serie de tal tamao que produce
una potencia unidad con una altura unidad.
Los autores, Zooppeti Judez, Viejo Zubicaray y Polo Encinas ofrecen
diferentes mtodos para la eleccin de la turbina ms apropiada, Tsuguo
Nozaki aade las turbinas de flujo cruzado en los criterios de eleccin.
3.22 REGULADORES AUTOMTICOS DE TURBINAS8
Fig. 3.36 Gobernador
8 ZOOPPETI, Centrales Hidroelctricas Edit. Gustavo Gili 1974 Pag.147 y siguientes
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TURBINAS HIDRULICAS
119
Cuando se produce una variacin de carga en la turbina, es decir, cuando
se modifica el par resistente que acta sobre la misma, segn se trate de
un aumento o disminucin de dicho par, la turbina reducir o aumentar
el nmero de revoluciones con que estuviese en funcionamiento antes de
producirse la variacin 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 obtendr salvo ligera
variacin, el nmero de revoluciones de funcionamiento normal de la
turbina.
Para la regulacin de las turbinas se utiliza el regulador centrfugo
(Fig. 3.37) 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 actan por
la fuerza centrfuga, cuanto mayor es el nmero de revoluciones, ms
elevada es la posicin del manguito, y por ello este, en su movimiento
vertical, arrastra el mecanismo que actuar sobre la regulacin del agua
que penetra en la turbina. Cuando a una situacin cada vez ms elevada
del manguito corresponde mayor nmero de revoluciones de la mquina
se llaman REGULADORES ESTTICOS.
Los mecanismos de
cierre de las turbinas,
exigen la actuacin de
esfuerzos muy superiores
a los que pueden
obtenerse con un
regulador centrfugo, y
por ello, este acta sobre
un ligero mecanismo de
la distribucin de un
servomotor, que se
mueve a su vez por aceite
a presin suministrado
por una bomba.
Fig. 3.37 Regulador centrfugo.
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CENTRALES ELCTRICAS
120
a
Para obtener una regulacin estable, es necesario que el efecto del
regulador sea tal que reaccione lo ms rpidamente posible al presentarse
el efecto perturbador.
Esto tiene lugar nicamente con el sistema de regulacin esttica, 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.
Fig. 3.38 Esquema de funcionamiento del regulador de velocidad de una
turbina.
El conjunto de la instalacin reguladora (Fig. 3.38) est formado por una
bomba rotativa que enva aceite a presin a una vlvula distribuidora.
Esta vlvula es movida por un pndulo centrfugo y, segn sea en ste el
nmero de revoluciones, la vlvula se mover en uno u otro sentido,
enviando el aceite recibido de la bomba a una u otra cara del mbolo de
un servomotor que acta 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 pndulo y el otro en un punto fijo c. El punto
b intermedio por apropiada articulacin, une la palanca con el vstago de
la vlvula distribuidora a palanca a-b-c, tiene el punto de giro c fijo, y al
aumentar las revoluciones del pndulo centrfugo a, tomar aquella una
posicin inclinada, la vlvula distribuidora se desplazar y permitir el
ingreso del aceite a presin en la parte izquierda del cilindro del
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TURBINAS HIDRULICAS
121
servomotor (y por el movimiento de este el cierre de la turbina) con lo
cual las revoluciones disminuirn, volviendo a ocupar nuevamente la
palanca la posicin a-b-c y la vlvula su posicin media, a la que
corresponde igual nmero de revoluciones de la mquina, y despus de
haber efectuado el cierre del distribuidor de la turbina a la proporcin
necesaria para equilibrar los trabajos motor y resistente.
Con tal sistema la regulacin es isodrmica, (la velocidad permanece
constante para cualquier potencia) por que existe una sola posicin de a
que asegure la posicin media de la vlvula distribuidora. pero con esta
distribucin no es posible obtener una buena regulacin por que la
vlvula , al bajar, sobrepasa su posicin media, es decir, el manguito del
tacmetro baja con ms rapidez de la necesaria cuando tiene lugar el
cierre por paralizacin del mbolo del servomotor. Entonces pasa el
aceite a la parte derecha del cilindro volviendo a abrir la turbina y
repitindose el juego de forma que la turbina no alcanza la posicin de
equilibrio estable.
En el grfico se muestra tambin las variaciones de potencia (P) y de
velocidad (V) en relacin con el tiempo (abcisas). Se observa en ella,
que el paso de uno a otro rgimen se efecta con variaciones de velocidad
persistentes y por ello, el regulador es incapaz de alcanzar de modo
estable el nuevo estado de rgimen. Este inconveniente se evita
supeditando la situacin del punto de giro c al movimiento de avance o
retroceso del mbolo M. En estas condiciones, el punto de giro c tendr
una altura que depender del grado de apertura de la turbina, y como es
natural, sta ya no podr funcionar al mismo nmero de revoluciones
desde vaco a plena carga, porque, como se comprende, para que la
vlvula ocupe su posicin media, con lo cual el mbolo queda parado, a
diferente altura de c corresponde tambin diferente altura del collar del
pndulo a, y puesto que este es esttico, su nmero de revoluciones ser
diferente y, por tanto, tambin lo ser la velocidad de la turbina.
La disposicin empleada con tal objeto es la de la Fig. 3.39. Como se
aprecia en la figura la varilla c-d por intermedio de la cua A1 A2
montada en el vstago del movimiento del servomotor, hace que se
desplace el punto de giro c para cada posicin del mbolo del servomotor,
y para que b ocupe su posicin normal se comprende que el punto a del
collar deber estar ms bajo al abrir el distribuidor que al cerrar ste.
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CENTRALES ELCTRICAS
122
Fig. 3.39 Esquemas de un regulador con retorno rgido externo (Izquierda) y
con retorno rgido interno (Derecha)
La varilla c-d y el mecanismo que acciona, constituyen el dispositivo de
retorno, con el cual la regulacin se efecta en perfectas condiciones.
Con el sistema de regulacin esttico y con estatismo positivo, las
oscilaciones de velocidad van gradualmente amortigundose,
aprecindose el mismo en el diagrama del centro. Por efecto del
dispositivo de retorno, a la fase inicial (t0 a t1) sigue la fase de
sobreregulacin (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 rgimen mayor y por ello las oscilaciones se amortiguan, tanto ms
rpidamente 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 rganos estabilizadores de
la velocidad que permiten obtener una elevada estaticidad al comenzar la
regulacin que se reduce a cero al terminar la regulacin.
En la prctica se utilizan los reguladores (Fig.3.40) con estabilizacin
aceleromtrica (izquierda) y la estabilizacin por medio de freno de
catarata (derecha).
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TURBINAS HIDRULICAS
123
Fig. 3.40 Esquemas de un regulador con estabilizacin acelero-taquimtrica
(Izquierda) y con estabilizacin por intervencin elstica (Derecha).
En la figura de la izquierda, se utiliza adems del tacmetro, un aparato
sensible a la aceleracin angular cuya accin es concordante con la del
tacmetro durante la primera fase de la regulacin (t0 a t1) y es contraria
durante la fase de contraregulacin (t1 a t2). El aparato aceleromtrico
puede ser aplicado al punto de giro c de la palanca de maniobra, o
tambin, con un solo aparato que comprende asimismo el tacmetro,
denominado pndulo acelerotaquimtrico. La accin aceleromtrica es
mxima al iniciarse la regulacin, cuando la taquimtrica est
prcticamente inactiva, y el afecto antagonista de la misma, es tanto ms
enrgico, cuanto ms elevada es la variacin de carga; este sistema es
muy eficaz para obtener una rpida estabilizacin.
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 est obligado a
seguir el movimiento a que da origen el de la cua, venciendo de este
modo la accin antagonista del muelle. Seguidamente el aceite de la
catarata trasvasa a travs de la llave r que presenta una resistencia y que
puede graduarse, y el mbolo del freno de catarata se mueve hasta el
momento en que el muelle antagonista recobra su posicin de equilibrio,
es decir, cuando el punto c alcanza nuevamente su posicin inicial
correspondiente a la velocidad de rgimen. La accin de este dispositivo
de retorno, flexible, es constantemente reactiva, esto es, en sentido
contrario de la taquimtrica, y depende del tipo de maniobra que tenga
lugar. En el diagrama del centro se observa que las variaciones de
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CENTRALES ELCTRICAS
124
velocidad en forma de oscilaciones, con este sistema son fuertemente
amortiguadas.
3.23 REGULADOR DE TURBINAS FRANCIS
La Fig. 3.41 representa un corte del regulador donde aparecen numerados
los elementos que lo componen:
Fig. 3.41 Regulador automtico de velocidad de una turbina Francis
Est formado por un crter 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
enva el aceite a presin a la vlvula de distribucin 4, que por apropiados
conductos, establece la comunicacin con los dos cilindros 5 y 6 del
servomotor. Dentro de estos cilindros se mueven los mbolos 7, que
actan sobre el rbol de regulacin 8, por medio de una manivela 9. La
vlvula de distribucin 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 presin de aceite 11, alimentado por una pequea bomba
12, arrastrada por el rbol vertical del taqumetro 13. Este rbol es a su
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TURBINAS HIDRULICAS
125
vez accionado por el engranaje 14 y la polea 15 que recibe por correa el
movimiento, desde el rbol de la turbina. El esfuerzo del muelle 10, viene
en parte compensado por el contrapeso 40.
En la vlvula de distribucin se encuentran insertas dos vlvulas de
seguridad 16 y 17; la ms grande 16, comunica con la cmara central, la
cual recibe directamente el aceite de la bomba 2; la otra 17, comunica con
el conducto de aceite a presin de la pequea bomba 12. Estas dos
vlvulas de seguridad pueden abrirse por las manivelas 18 y 19
respectivamente, y en este caso, las bombas, grande y pequea no pueden
generar presin.
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 rbol de regulacin 8. El
mbolo de dicho freno se encuentra a su vez articulado en la palanca 21
del pndulo y por intermedio de un muelle; el paso del aceite a travs del
mbolo del freno compensador se regula por medio de una aguja roscada
y que gira cuando se acta sobre su cabeza 22.
3.24 REGULADORES DE LAS TURBINAS PELTON
En esta clase de turbinas, la regulacin de la velocidad se efecta por
medio de una aguja 5 (Fig.3.43), la cual avanza o retrocede en el orificio
de salida de la tobera y reduce o aumenta la seccin 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 fenmenos debidos al
cierre del distribuidor dependen del tiempo empleado en esta operacin,
por lo que conviene que este sea largo para evitar las sobrepresiones
debidas al golpe de ariete; sin embargo, la duracin 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 regulacin, que consiste en desviar parte o
la totalidad del chorro hacia el socaz y esto con suficiente rapidez para
impedir la aceleracin excesiva de las masas giratorias: realizado lo cual
se va cerrando la aguja con mayor lentitud.
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CENTRALES ELCTRICAS
126
El deflector o desviador 20, que se manda directamente desde el
regulador de velocidad, desva el chorro de agua 2, del rodete 3, en un
tiempo muy reducido y de forma que este no reciba energa. Esta
desviacin del chorro tiene lugar, hasta tanto que la aguja 5 haya tomado
la posicin correspondiente al nuevo estado. El tiempo invertido en esta
operacin debe ser el menor posible y compatible con el necesario para
que el golpe de ariete no d origen a mayor sobrepresin que la de
antemano fijada.
El mbolo del servomotor 100, acta de modo que slo en la apertura
recibe la presin del aceite, y el cierre tiene lugar por el resorte 101.
Cuando se produce en la turbina una reduccin de la carga, el aceite sale
de la cmara 102 y el mbolo 100, obligado por el resorte, se desplaza
hacia la derecha.
Con ello por medio de la palanca 103 y el vstago 26, el deflector penetra
en el chorro 2, e interrumpe total o parcialmente la transmisin de energa
del rodete 3.
Fig 3.42 Toberas de turbinas Pelton para regulacin del caudal
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TURBINAS HIDRULICAS
127
Fig. 3.43 Regulador aguja y deflector de turbina Pelton Pelton
El movimiento de giro de la palanca 103, se transmite por el vstago 104
y la rueda de levas 107, la cual gira a su vez por el punto 106 y acciona la
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CENTRALES ELCTRICAS
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vlvula de distribucin 24, que abandona su posicin media. De esta
manera puede salir el aceite de la cmara 108 (del mbolo de la aguja) y
a travs de la vlvula de distribucin 24, evacundose aquel por el
conducto 109 que enlaza con la vlvula 24. El resorte impele a la aguja
hacia la posicin 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 vlvula de
distribucin 24 vuelve a su posicin media e interrumpe la entrada de
aceite en la cmara 108.
El resorte 105 que evita la deformacin del varillaje es presionado cuando
la vlvula de distribucin 24 llega a su posicin final, y el vstago 104 se
acorta si la palanca 105 sigue su movimiento giratorio.
3.25 REGULADORES PARA TURBINAS KAPLAN
La regulacin de estas turbinas exige que las palas del rodete puedan
moverse para recibir la inclinacin conveniente para tal objeto. Por otra
parte, tambin 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 energa potencial. El regulador deber actuar por
consiguiente sobre las palas del distribuidor y sobre los labes del rodete.
El movimiento del distribuidor (Fig.3.44) se realiza por medio de los ejes
de regulacin 230 y 230 y por la barra 250, que mueven el anillo y con l
las palas distribuidoras. Estos ejes y barras son movidos por el
servomotor del regulador. Por lo que respecta al movimiento de los
labes del rodete, el aceite es enviado por la distribucin del regulador,
mediante apropiadas tuberas, a una caperuza dispuesta en la parte
superior del eje vertical que es hueco, y en el cual se hallan dos cmaras
441 y 442, la primera del lado de apertura y la segunda del lado de cierre.
En el propio rbol citado y debajo del alternador se halla situado el
servomotor para movimiento de las palas del rodete y cuyo mecanismo de
giro de los labes se acciona por la barra 46. Los nmeros 421 y 422
representan respectivamente los cilindros de apertura y de cierre.
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TURBINAS HIDRULICAS
129
Se trata pues de una regulacin doble y con ella se logra el objeto
perseguido.
Fig. 3.44 Regulador para turbina Kaplan
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CENTRALES ELCTRICAS
130
En las instalaciones de poca importancia puede efectuarse la regulacin
actuando solamente sobre los labes del rodete.
3.26 REGULADORES ELCTRICOS PARA LAS TURBINAS
En reguladores de turbinas, los grandes caudales necesarios al
funcionamiento de stas llevan consigo ciertas dificultades en sus
respectivos reguladores, ya que los rganos de estabilizacin deben
cumplir condiciones especiales. Por otra parte, la regulacin frecuencia-
potencia, cuya importancia va aumentando a medida que se desarrolla la
interconexin de centrales, tiene para los reguladores nuevas exigencias.
Fig. 3.45 Reguladores elctricos para turbinas.
En la actualidad se emplean los pndulos movidos por medio de un motor
sncrono, que es alimentado por un alternador especial. El conjunto motor
alternador forma como un rbol elctrico; por ello el pndulo accionado
elctricamente es en realidad un frecuencmetro y de aqu naci la idea de
medir directamente la frecuencia por medios puramente elctricos.
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TURBINAS HIDRULICAS
131
La casa Brown-Boveri ha construido (Fig. 3.45) recientemente un
regulador elctrico para turbinas, que puede ser utilizado lo mismo como
regulador de estatismo transitorio que como regulador acelero-
taquimtrico. Lo que se sustituye pues, es el pndulo, permaneciendo
igual el resto del regulador mecnico. Se evita con ello la transmisin
elctrica o mecnica, y se cumplen todas las exigencias que precisa la
instalacin de centrales.
Los reguladores elctricos se hallan dotados de gran sensibilidad y
permiten el funcionamiento en paralelo de varias mquinas con estatismo
reducido. Funcionan correctamente con la regulacin frecuencia
potencia. No se gastan ni envejecen elementos importantes y trabajan con
toda seguridad.
El regulador elctrico de estatismo transitorio est representado
esquemticamente en la figura 3.45 (izquierda) en ella son: 1 turbina, 2
alternador, 3 alternador piloto, 4 armario para el aparellaje, 5a bobina
mvil, 5b amplificador hidrulico, 6 vlvula de distribucin piloto, 7
servomotor, 8 vlvula de distribucin de mando, 9 servomotor principal,
10 vlvula de cierre para el paso del agua al rodete, 11 dispositivo de
ajuste de la frecuencia, 12 dispositivo de ajuste de la carga, 13 varimetro
para el circuito proporcional, 14 varimetro para el estatismo, 15
varimetro para el estatismo transitorio, y 16 condensador diferenciador.
En este regulador elctrico la velocidad viene representada por una
magnitud proporcional a la frecuencia del alternador piloto y medida en
un circuito sensible a la potencia. Despus de la amplificacin la
magnitud medida alimenta un arrollamiento de la bobina mvil 5a, del
regulador, la cual acciona el dispositivo piloto del amplificador hidrulico
5b, que acta a su vez sobre la vlvula piloto 6. En lugar del retorno
mecnico transitorio, de los reguladores ordinarios, existe un varimetro
15, colocado a la salida del servomotor 7. Este varimetro suministra una
tensin proporcional a la posicin 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
varimetro 14, sobre el servomotor principal. La tensin de salida en este
varimetro se compara con la tensin suministrada por el varimetro 12,
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CENTRALES ELCTRICAS
132
que sirve para el ajuste de la carga. La diferencia de estas dos tensiones
viene aplicada a otro arrollamiento de la bobina mvil.
La figura 3.45 (derecha) muestra esquemticamente la estructura del
regulador acelero taquimtrico y en ella los nmeros de los diversos
elementos, tienen la misma significacin que los de la figura 3.45
(izquierda). Por no emplearse para la medida de la aceleracin ningn
dispositivo mecnico, la accin aceleromtrica se puede manifestar de
modo irreprochable, aun para lentas variaciones de frecuencia. Una
limitacin de esta accin como para el retorno transitorio, no es necesaria
en este caso. Para la estabilizacin, 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 electrnicos que; bajo
los mismos principios expuestos anteriormente efectan las labores de
regulacin con bastante eficiencia.
3.27 CAVITACIN 4
Durante el periodo experimental de las turbinas Hlice y Kaplan se
encontr que al aumentar la velocidad especfica de la turbina se
producan fenmenos en un principio inexplicables que se hacan
patentes, aun en el caso de turbinas de menor velocidad especfica, pero a
las cuales se haca trabajar con grandes cargas y considerable altura de
aspiracin.
La forma como se manifestaban tales fenmenos consista en una
reduccin de la potencia y, por tanto, de la eficiencia de la turbina, as
como en vibraciones y fuertes ruidos provocados por golpes en el interior
del tubo.
Despus de muchas dificultades y experiencias infructuosas se encontr
que todo era debido a la formacin de hoyos o cavidades que tenan lugar
sobre la cara inferior de los labes o aspas del rodete mvil. Dichas
cavidades dieron origen al nombre con el cual se conoce el fenmeno
antes dicho, llamado fenmeno de cavitacin; la formacin de cavidades
en el seno del lquido, definidas por burbujas de vapor dentro de la masa
4 VIEJO Z.ALONSO R. Energa Hidroelctrica 1997 Limusa Mxico. Pag 282
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TURBINAS HIDRULICAS
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lquida y producidas por una vaporizacin local a causa de ciertas
condiciones dinmicas, como la alta velocidad especfica y
consecuentemente la reduccin de la presin local hasta el valor de la
tensin del vapor a la temperatura actual del lquido, se producen en
general, en todo punto en el que se produzca una aceleracin local
suficiente para reducir la presin al valor de vaporizacin.
La cavitacin disminuye el rendimiento hidrulico, pero el efecto mas
grave es la erosin de los labes, que se acenta ms y ms una vez
iniciada, obligando a revisiones peridicas de la mquina y reparacin de
la parte afectada.
Una burbuja de vapor formada por una reduccin local de la presin,
eventualmente se destruye cuando es arrastrada a una zona de ms alta
presin y este colapso instantneo de la burbuja produce una onda de
presin que se transmite a travs del lquido, alcanzando la superficie del
material del labe. Ntese adems, que la mayor velocidad relativa se
tiene precisamente en la proximidad de los contornos. Asociada con la
alta presin de impacto se tiene una temperatura local elevada, la
combinacin de las cuales puede ser suficiente para deteriorar el material.
La accin qumica se ha querido sealar como causa del ataque metlico,
pero aunque puede ser un factor que contribuye a la erosin del labe, se
ha observado que los efectos de cavitacin se presentan en materiales
neutros como plomo y vidrio.
La cavitacin es esencialmente un proceso inestable, ya que la onda de
presin debida al colapso de la burbuja eleva momentneamente el nivel
de la presin local, con lo que la cavitacin 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 fluctuacin, el
lquido es sacudido y empujado hacia los poros del metal, produciendo
compresiones locales que sobrepasan la resistencia del material y daan
las reas afectadas.
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CENTRALES ELCTRICAS
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Fig. 3.46 Regulador de Watt (Choquetanga)
Fig. 3.47 Gobernador o Regulador de caudal (Punutuma)