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INTRODUCCIÓN TURBINAS HIDRÁULICAS 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.

Esta clasificación es la más determinista, ya que entre las distintas de cada género las diferencias sólo pueden ser de tamaño, ángulo de los álabes o cangilones, o de otras partes de la turbo máquina distinta al rodete. Los tipos más importantes son: 

Turbina Kaplan: son turbinas axiales, que tienen la particularidad de poder variar el ángulo de sus palas durante su funcionamiento. Están diseñadas para trabajar con saltos de agua pequeños y con grandes caudales (Turbina de reacción).



Turbina Francis: Son turbinas de flujo mixto y de reacción. Existen algunos diseños complejos que son capaces de variar el ángulo de sus álabes durante su funcionamiento. Están diseñadas para trabajar con saltos de agua medios y caudal medios.



Turbina Pelton: Son turbinas de flujo transversal, y de admisión parcial. Directamente de la evolución de los antiguos molinos de agua, y en vez de contar con álabes o palas se dice que tiene cucharas. Están diseñadas para trabajar con saltos de agua muy grandes, pero con caudales pequeños (Turbina de acción).

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1. TURBINA HIDRÁULICA – KAPLAN

Fig. 1.1 Sección Transversal de una Central Hidráulica con Turbina Kaplan

Son uno de los tipos más eficientes de turbinas de agua de reacción de flujo axial y deben su nombre a su inventor, el austriaco Viktor Kaplan. Se emplean en saltos de pequeña altura. Las amplias palas o álabes de la turbina son impulsadas por agua a alta presión liberada por una compuerta.

Fig. 1.2 Rotor de una Turbina Kaplan

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El rodete está compuesto por unas pocas palas, que le confieren forma de hélice de barco; cuando éstas sean fijas, se llama turbina hélice, mientras que si son orientables se denominan turbinas Kaplan; en ambos casos las turbinas funcionan con un único sentido de giro de rotación; son pues turbinas irreversibles.

En las turbinas Kaplan el cubo de la hélice, o cabeza del rodete, llega a tener un diámetro de hasta 0,4 del diámetro del tubo de aspiración d3, con lo que se mejora mucho la circulación del agua, alcanzándose valores de ns por encima de 850 y terminando en su parte inferior en una caperuza cónica que mejora la conducción del agua hacia el tubo de aspiración.

En una instalación de turbina Kaplan de eje vertical, las paredes del distribuidor, móviles, tienen la misma forma que en las Francis, y se sitúan algo por encima del rodete.

Tabla 1.1 Número de palas Z en función del número específico de revoluciones ns

En la Tabla 1.1 se indica el número de palas Z en función del número específico de revoluciones ns que condiciona el salto neto Hn y la relación entre los diámetros del cubo y exterior del rodete n, observándose que un aumento del número de palas supone una disminución del ns.

A medida que aumenta Hn aumentan los esfuerzos que tienen que soportar los álabes, por lo que el cubo ha de tener mayor diámetro, tanto para poder alojar los cojinetes de los pivotes de los álabes, como para poder alojar el mayor número de álabes. Para alturas netas superiores a los 10 metros, la turbina Kaplan empieza a ser más voluminosa que la turbina Francis, aunque mantiene la ventaja de tener los álabes orientables.

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Generalidades 

Las turbinas tipo Kaplan son turbinas de admisión total y clasificadas como turbinas de reacción.



Se emplean en saltos de pequeña altura (alrededor de 50 m y menores alturas), con caudales medios y grandes (aproximadamente de 15 m 3/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.

Fig. 1.3

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6 Fig. 1.4 Regulación de Caudal

2. TURBINA HIDRÁULICA – FRANCIS

Fig. 2.1 Sección Transversal de una Central Hidráulica con Turbina Francis

También conocidas como turbinas de sobrepresión, de admisión total, turbinas radial-axial o como turbinas de reacción. El campo de aplicación es muy extenso, pueden emplearse en saltos de distintas alturas dentro de una amplia gama de caudales (entre 2 y 200 m3/s aproximadamente).

Las turbinas Francis son de muy buen rendimiento, pero solamente entre determinados márgenes de descarga, entre 60 % y 100 % del caudal máximo. Esta es una de las razones por la que en una central hidroeléctrica se disponen varias unidades, a objeto de que ninguna trabaje, individualmente, por debajo de valores del 60 % de la descarga total.

Al igual que las turbinas Pelton, las turbinas Francis pueden ser instaladas con el eje en posición horizontal o en posición vertical. Siendo la posición vertical del eje la más generalizada por estar ampliamente experimentada, especialmente en el caso de unidades de gran potencia.

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Fig. 2.2 Configuraciones Horizontal y Vertical de una Turbina Francis

Se consideran componentes de una turbina Francis:  Cámara espiral  Distribuidor  Rotor o rodete  Tubo de aspiración  Eje  Equipo de sallado  Cojinete guía  Cojinete de empuje

Cámara Espiral: Está constituida por la unión sucesiva de una serie de virolas tronco-cónicas, cuyos ejes respectivos forman una espiral. Desde el acoplamiento con la tubería forzada la sección interior, circular en la mayoría de los casos, va decreciendo paulatinamente hasta que realiza el cierre de la cámara sobre sí misma, cuyo diámetro interior se reduce considerablemente.

Esta disposición se conoce como el caracol de la turbina y debido a su diseño se consigue que el agua circule con velocidad constante y sin formar torbellinos, evitándose pérdidas de carga. 8

Fig. 2.3 Cámara Espiral

Distribuidor: El distribuidor está formado por un determinado número de palas móviles, cuyo conjunto constituye un anillo que está situado concéntricamente entre el pre-distribuidor y la turbina. Su función es la de distribuir y regular, eventualmente cortar totalmente, el caudal de agua que fluye hacia el rotor. Los elementos componentes del distribuidor son: 

Palas directrices



Equipo de accionamiento



Servomotores



Anillo de distribución



Bielas

Fig. 2.4 Distribuidor

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Fig. 2.5 Distribuidor - Partes

Rotor: Se trata de la pieza fundamental mediante la cual se obtiene la energía mecánica deseada.

Está unido rígidamente al eje de la turbina y perfectamente concéntrica con el distribuidor. Su función consiste en dirigir el agua que sale a través de los álabes del rotor, evitando choques entre sí y contra los propios álabes, a fin de evitar torbellinos y otros efectos hidráulicos perjudiciales.

Fig. 2.6 Rotor

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Tubo de Aspiración: Consiste en un conducto, normalmente acodado, que une la turbina con el canal de desagüe. Tiene como misión recuperar al máximo la energía cinética del agua a la salida del rotor. En algunas turbinas, para conseguir un equilibrio de presiones entre la parte inferior y superior del rotor, se establece una comunicación entre ambas zonas por medio de un conducto, que partiendo del cono de aspiración permite el paso de agua, colocándose en dicho conducto una válvula conocida como válvula de compensación.

Fig. 2.7 Tubo de Aspiración

Principio de Funcionamiento de una Turbina Francis La instalación de este tipo de turbinas se realiza generalmente en centrales en las que para la alimentación de agua se requiere de la existencia de un embalse. Otra particularidad de la instalación de estas turbinas, radica en que el conjunto: cámara espiral – distribuidor – rotor – tubo de aspiración, se encuentran a una cota inferior respecto a la cota del agua a su salida.

En saltos de muy poca altura, la turbina se halla sumergida, en este caso no se dispone de cámara espiral, el rotor se instala en el interior de una cámara abierta conectada directamente con la toma de agua o el embalse.

La energía de presión del agua embalsada, se convierte en energía cinética en su recorrido por la tubería de descarga, la cámara espiral, el pre-distribuidor y el distribuidor. 11

En tales condiciones, provoca el giro del rotor, al discurrir a través de los álabes de la turbina.

A la salida del rotor, el tubo de aspiración produce una depresión o succión, es en este conducto donde nuevamente la energía cinética es convertida en energía de presión. 3. TURBINA HIDRAULICA – PELTON

Fig. 3.1 Sección Transversal de una Central Hidráulica con Turbina Pelton

Las turbinas Pelton, conocidas también como turbinas de presión por ser ésta constante en la zona del rotor, de chorro libre, de impulsión, de admisión parcial por atacar el agua sólo una parte de la periferia del rotor. Así mismo entran en el grupo de las denominadas turbinas tangenciales y turbinas de acción. Es utilizada en saltos de gran altura (alrededor de 200 m y mayores), y caudales relativamente pequeños (hasta 10 m3/s aproximadamente).Son de buen rendimiento para amplios márgenes de variación del caudal (entre 30 % y 100 % del caudal máximo). Pueden ser instaladas con el eje en posición vertical u horizontal, siendo esta última disposición la más adecuada.

Los componentes escenciales de una Turbina Plenton: 12



El distribuidor



El rotor



La carcasa



La cámara de descarga



El sistema de frenado



El eje de la turbina

Distribuidor: Está constituido por uno o varios equipos de inyección de agua. Cada uno de dichos equipos tiene como misión dirigir convenientemente un chorro de agua cilíndrico y de sección uniforme sobre el rotor. También regula el caudal preciso que ha de fluir hacia el rotor, llegando incluso a cortarlo totalmente cuando sea necesario.

El número de equipos de inyección, colocados circunferencialmente alrededor del rotor, depende de la potencia y características del generador y según las condiciones del salto de agua. Hasta seis suelen ser los inyectores que proyectan chorros de agua sobre un mismo rotor, derivando todos y cada uno de ellos de la tubería forzada.

El distribuidor consta de las siguientes partes: 

Cámara de distribución.



Inyector: Tobera Aguja Deflector



Equipo regulador de velocidad

Fig. 3.2 Tobera del Inyector 13

Rotor: Es la pieza clave donde se transforma la energía hidráulica del agua en energía mecánica.

Consta de los siguientes elementos:

Rueda motriz: Está unida rígidamente al eje por medio de chavetas y anclajes adecuados. Su periferia está mecanizada apropiadamente para ser soporte de los cangilones.

Cangilones: También denominados álabes, cucharas o palas. Están diseñados para recibir el empuje directo del chorro de agua. Su forma es similar a la de una doble cuchara, con una arista interior lo más afilada posible, de modo que divide al cangilón en dos partes simétricas Sobre esta arista donde incide el chorro de agua.

Fig. 3.3 Cangilones

Principios de funcionamiento de una turbina Pelton: La energía potencial del agua embalsada, o energía de presión, hasta los orificios de salida de las toberas, se convierte en energía cinética, al salir el agua a través de dichos orificios en forma de chorros libres.

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Estos chorros de agua inciden tangencialmente sobre el rodete, empujando a los cangilones que lo forman, obteniéndose el trabajo mecánico deseado. Las formas cóncavas de los cangilones hacen cambiar la dirección del chorro de agua, saliendo éste, ya sin energía apreciable, por los bordes laterales, sin ninguna incidencia posterior sobre los cangilones sucesivos.

De este modo, el chorro de agua transmite su energía cinética al rotor, donde queda transformada instantáneamente en energía mecánica.

La aguja, gobernada por el regulador de velocidad, cierra más o menos el orificio de salida de la tobera, consiguiendo modificar el caudal de agua que fluye por ésta, a fin de mantener constante la velocidad del rotor, evitándose embalamiento o reducción del número de revoluciones.

La arista del cangilón corta al chorro de agua, seccionándolo en dos láminas de fluido, simétricas y teóricamente del mismo caudal.

Esta disposición permite contrarrestar mutuamente los empujes axiales que se originan en el rotor equilibrando presiones sobre el mismo, al cambiar, simétrica y opuestamente los sentidos de ambas láminas de agua.

Fig. 3.4 Potencia y Rendimiento Máximo. 15