24 de marzo de 2014
Clasificación de las Turbinas Hidráulicas Acción y Reacción
José Daniel Cámara Chi UNIVERSIDAD DE QUINTANA ROO
Una turbina es una máquina motriz que consiste de una parte giratoria llamada rodete, que se impulsa por un fluido f luido en movimiento. Dependiendo de la naturaleza de este fluido, las turbinas se pueden dividir en: hidráulicas, a vapor y a gas. Con el de visualizar de mejor forma nuestro objetivo, el estudio de la turbina Francis, haremos una breve descripción de las turbinas hidráulicas. Las turbinas hidráulicas hidráulicas son turbomáquinas que permiten permiten la transferencia de energía del agua a un rotor positivo de alabes, mientras el flujo pasa a través de éstos. Las turbinas hidráulicas aprovechan la energía de los saltos de agua para producir energía mecánica. Esencialmente Esencialmente poseen dos partes: el distribuidor (fijo) y el rodete (móvil). Dependiendo de alguna propiedad particular, las turbinas pueden clasificarse de distintas formas. Si se toma en cuenta la forma de actuar del agua se encuentran las turbinas de acción, en las que la energía del agua a la salida del distribuidor es toda cinética, y las turbinas de reacción donde esto ocurre solo en parte. Asimismo también se pueden dividir las turbinas en axiales o radiales, según que la columna de líquido se desplace en el rodete a lo largo del eje de rotación, o bien normalmente al mismo, es decir, de forma radial. Las turbinas también se pueden clasificar según se utilicen para saltos de poca altura (Francis y de hélice, saltos que no sobrepasen los 10 m y grandes caudales de incluso centenares de metros cúbicos), para saltos de mediana altura y elevados (Francis, hasta unos 400 m y caudales medianos), o para saltos de gran altura (Pelton, superiores a 1700m y caudales pequeños, no más de 5 m3/s). Los materiales utilizados para la fabricación de una turbina pueden ser únicamente de fundición, de acero fundido, parte de fundición (los cubos) y parte en chapa de acero estampada (paletas); de bronce, y de acero inoxidable al cromo-níquel.
Se entiende como tales, las turbinas en las que el sentido de la proyección del chorro de agua y el sentido de giro del rodete coincide, en el punto de empuje o choque del agua sobre los álabes del mismo (Fig. 1).
Figura. 1Representación esquemática y símil del efecto de acción. (Turbinas Pelton).
En el rodete, la velocidad de salida del agua es prácticamente igual a la de entrada, por lo que, al no ser apreciables las pérdidas de carga, la potencia transmitida a éste es función exclusivamente de la energía potencial o, lo que es lo mismo, del salto existente. Por consiguiente, se deduce que la energía cinética, originada por el desplazamiento del agua, es cedida íntegramente al rodete. A esta clase de turbinas pertenecen las turbinas Pelton, como ya se indicó en el apartado correspondiente.
Se consideran como turbinas de reacción, aquellas en las que cada una de las láminas de fluido que se forman, después de pasar el agua a través de las palas fijas y directrices, no se proyectan hacia los álabes del rodete de manera frontal, sino que, más bien, se trata de un deslizamiento sobre los mismos, de tal modo que el sentido de giro del rodete no coincide con la dirección de entrada y salida del agua (Fig. 2).
Figura. 2 Representación esquemática y símil del efecto de reacción. ( Turbinas Francis, Kaplan y de hélice).
El agua, en su recorrido entre los álabes del rodete cambia de dirección, velocidad y presión. Todo ello, provoca una reacción en el rodete, dando origen a la potencia producida en la turbina, cuyo valor, paradójicamente está en función de la carga perdida por el líquido en su desplazamiento. Como ejemplos de turbinas de reacción, están las Francis y Kaplan. Tratándose de turbinas grandes, las de reacción suelen ser de mayor rendimiento que las de acción, ocurriendo lo contrario en el caso de turbinas pequeñas. Ahora bien, estableciendo la comparación para una misma potencia e igual altura de salto, una turbina de reacción puede girar a mayor velocidad específica que una de acción, proporcionando mayor rendimiento la primera. Se dan definiciones y cálculos complejos, relacionados con los conceptos de acción y reacción, especialmente para este último. Así, y dependiendo del tipo de turbina, se exponen distintas teorías basadas; bien en la circulación del fluido a través de un conducto, limitado por superficies curvas con secciones de entrada y salida diferentes, caso de turbinas Francis lentas y normales; o en el desplazamiento de las alas de un avión, para turbinas Francis extrarrápidas, Kaplan y de hélice. Sobre tales teorías no vamos a profundizar, por encontrarse fuera de los objetivos establecidos, por lo que remitimos al lector a la consulta de tratados de Hidrodinámica. La clasificación de turbinas de acción y de reacción, denominaciones impropias para algunos autores, se sigue manteniendo dada su amplia divulgación a lo largo del tiempo. Podemos identificar a las primeras, como turbinas en las que, cada chorro de agua, tiene su superficie libre sometida a la presión atmosférica en su trayecto hacia el rodete, mientras que, en las segundas, el agua llena por completo los conductos que forman los álabes, originándose variaciones de presión, de tal modo que esta, a la entrada del rodete, es mayor que la presión atmosférica, ocurriendo lo contrario a la salida, debido a la actuación del tubo de aspiración en el que, en su recorrido final, el agua alcanza el valor de la presión atmosférica. Razón de los nombres de turbinas de presión y de sobrepresión.
Las turbinas Pelton, se conocen como turbinas de presión por ser ésta constante en la zona del rodete, de chorro libre, de impulsión, o de admisión parcial p or ser atacada por el agua sólo una parte de la periferia del rodete. Así mismo entran en la clasificación de turbinas tangenciales y turbinas de acción, conceptos que analizaremos a su debido tiempo. Su utilización es idónea en saltos de gran altura (alrededor de 200 m y mayores), y 3
caudales relativamente pequeños (hasta 10 m /s aproximadamente). aproximadamente). Por razones hidroneumáticas, y por sencillez de construcción, son de buen rendimiento para amplios márgenes de caudal (entre 30 % y 100 % del caudal máximo). Por ello se colocan pocas unidades en cada central que requiere turbinas de estas características. Pueden ser instaladas con el eje en posición vertical u horizontal, siendo esta última disposición la más adecuada, la cual nos servirá de referencia para hacer las descripciones necesarias.
Figura. 3Componentes de una turbina Pelton de eje horizontal.
La turbina Francis es en la actualidad, la turbina hidráulica típica de reacción de flujo radial. Lleva este nombre en honor al ingeniero James Bichano Francis (1815-1892), de origen inglés y que emigro a los Estados unidos, donde fue encargado de realizar proyectos hidráulicos utilizando turbinas centrípetas, esto es con recorrido radial del agua de afuera hacia dentro, para un debido aprovechamiento de la acción centrípeta.
La turbina Francis Francis presenta las siguientes siguientes características:
Su óptimo diseño hidráulico garantiza un alto rendimiento.
Su diseño reforzado da una vida útil de muchas décadas en servicio continuo.
Alta velocidad de giro permite pequeñas dimensiones.
La aplicación de modernos materiales reduce el mantenimiento de las piezas móviles al mínimo.
La turbina Francis es instalada en todo lugar donde se dé un flujo de agua relativamente constante y donde se exige un alto rendimiento. Su eficiencia es aproximadamente de 8 % por encima de la turbina de Flujo Cruzado, pero tiene la desventaja de no poder operar con grandes variaciones del caudal de agua. Los componentes principales de una turbina Francis es el orden del paso del agua son:
La carcasa: Caja espiral o caracol como ya se ha dicho es un ducto alimentador de
sección generalmente circular y diámetro decreciente, que circula al rotor, procurando el fluido necesario para la operación de la turbina. Generalmente es lámina de acero.
El distribuidor: Lo constituye una serie de alabes directores en forma de persiana
circular cuyo paso se puede modificar con la ayuda de un servomotor lo que permite imponer al fluido la dirección de ataque exigida por el rodete móvil y además regula el gasto de acuerdo con la potencia exigida de la turbina. El distribuidor se transforma parcialmente la energía de presión en energía cinética.
El rodete móvil o rotor: Está formado por los propios alabes, los cuales están
engastados en un plato perpendicular al eje de la máquina, de cuyo plato arrancan siguiendo la dirección axial, tomando en forma progresiva un alabeo y abriéndose a hacia la dirección radial.
El tubo de desfogue o difusor: Da salida al agua de la tubería y al mismo tiempo
procura una ganancia en carga estática hasta el valor de la presión atmosférica debido a su forma diferente se tienen así a la salida del rotor una presión más baja.
Figura. 4 Componentes de una turbina Francis.
Al igual que las turbinas Francis, las de tipo Kaplan son turbinas de admisión total, incluidas en la clasificación de turbinas de reacción. 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 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. Un montaje característico de este tipo de turbinas, conjuntamente con el alternador, constituye los llamados grupos-bulbo, propios de las centrales mareomotrices; o los grupos-pozo.
Estos se utilizan para aprovechar al máximo de las corrientes de agua con muy poco salto. En ambas disposiciones, la cámara y el tubo de aspiración constituyen un solo conducto pudiendo estar situado el eje del grupo en posición vertical y también horizontal o inclinada.
Figura. 5 Montaje de una turbina Kaplan en una represa.
Dado el gran parecido con las turbinas Francis, todos aquellos componentes tienen la misma función y similares características. Tal ocurre con los elementos siguientes: 1.- Soporte Superior. 2.- Cojinete de Empuje. 3.- Cojinete Guía de Turbina. 4.- Rotor. 5.- Estator. 6.- Eje. 7.- Acoplamiento. 8.- Turbina. Figura. 6 Componentes de una turbina Kaplan.
Mataix, Claudio (1986). Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas. Segunda Edición. Madrid. Ediciones del Castillo, S. A.
http://tesis.pucp.edu.pe/repositor http://tesis.pucp.edu.pe/repositorio/bitstream/handle/12 io/bitstream/handle/1234 34 http://cvb.ehu.es/open_course_wa http://cvb.ehu.es/open_course_ware/castellano/tecnicas re/castellano/tecnicas/maquinas_fluidos/tema-6/maquinas_fluidos/tema-6turbinas-pelton.pdf http://members.tripod.com/mqhd_ita. http://members.tripod.com/mqhd_ita.mx/maqinas4.htm mx/maqinas4.htm
