Introducción
Este artículo analiza los tipos de turbinas hidroeléctricas, sus diseños, clasificaciones y aplicaciones típicas. Se examinan las turbinas de impulso y de reacción, junto con las características de cada una. Se estudian en detalle las turbinas hidroeléctricas Francis, Kaplan y Pelton, así como sus principios de funcionamiento.
Breve Lección de Historia
Las ruedas hidráulicas son precursoras de las modernas turbinas hidroeléctricas. El equivalente moderno de una rueda hidráulica se llama ‘rodete de turbina’. Aunque los diseños de los rodetes de turbina han evolucionado significativamente en los últimos mil años, su propósito sigue siendo el mismo: convertir la energía potencial en energía mecánica. Esta energía mecánica puede utilizarse para realizar trabajos útiles, como accionar impulsores de bombas o rotores en generadores eléctricos. En este video, nos enfocaremos en los diseños comunes de rodetes de turbina hidroeléctrica utilizados en la ingeniería de potencia.
Rueda Hidráulica
Rodetes Comunes de Turbinas
Los tres rodetes de turbina más comunes son los Francis, Kaplan y Pelton. Las turbinas Francis y Pelton fueron inventadas en el siglo XIX por James Francis y Lester Pelton respectivamente. El tipo de rodete de hélice de paso variable fue desarrollado por Victor Kaplan a principios del siglo XX. Existen rodetes de tipo hélice fija, pero solo el tipo de hélice de paso variable se denomina rodete de turbina Kaplan. Existen otros diseños de rodetes como los Deriaz y de flujo cruzado, pero son menos comunes. Cada rodete tiene diferentes características operativas y es adecuado para cabezas y tasas de flujo específicas; sin embargo, varios diseños de rodetes pueden ser adecuados para una aplicación compartida.
Clasificación de Rodetes de Turbinas Hidroeléctricas
Los rodetes de turbinas hidroeléctricas pueden clasificarse de varias maneras:
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Los tres diseños comunes de turbinas hidroeléctricas son los diseños Kaplan, Pelton y Francis.
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Existen turbinas de reacción (Kaplan y Francis) y de impulso (Pelton), que son de presión y sin presión respectivamente.
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Por el tipo de flujo a través o sobre las palas o cucharas del rodete (axial, mixto, tangencial y de flujo radial).
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Por la tasa de flujo volumétrico alimentada al rodete.
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Por la velocidad específica del rodete.
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Por la cabeza de presión operativa.
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Clasificación por Energía
Las turbinas de reacción son turbinas de tipo presión y dependen de un cuerpo continuo de agua desde el agua de cabecera hasta el agua de cola. Las turbinas de reacción utilizan la forma de las palas del rodete para crear un diferencial de presión entre los lados de succión y descarga de las palas. El cambio de presión a través de las palas representa la cantidad de energía que se convierte en energía mecánica, aunque la energía cinética también se convierte en energía mecánica por este tipo de turbina. Los rodetes Francis y Kaplan son rodetes de tipo reacción.
Principio de Funcionamiento de la Turbina de Reacción
Las turbinas de impulso son turbinas de tipo sin presión. Las turbinas de impulso dependen de chorros de agua que se dirigen tangencialmente a cucharas. A medida que el agua impacta en cada cuchara, las cucharas se alejan de cada chorro y se aplica torque al eje del rodete, lo que hace que gire. Los rodetes de turbina Pelton pueden ser impulsados por uno o varios chorros de agua. El rodete Pelton es el tipo más común de rodete de impulso.
Principio de Funcionamiento de la Turbina de Impulso
Clasificación por Flujo
Los rodetes pueden clasificarse como de flujo axial, mixto, radial, cruzado o tangencial. Donde el agua fluye paralelamente al rodete, es un rodete de flujo axial. Donde el agua fluye radialmente a través del rodete, ya sea hacia adentro o hacia afuera, es un rodete de flujo radial. Los rodetes que utilizan tanto flujo axial como radial se denominan rodetes de flujo mixto. En la práctica, los rodetes de tipo reacción suelen ser de flujo axial o mixto. Los rodetes Kaplan se clasifican como rodetes de flujo axial, mientras que los rodetes Francis se clasifican como rodetes de flujo mixto. Los rodetes Pelton son de flujo tangencial, porque el agua golpea las cucharas tangencialmente. Los rodetes de turbina de flujo cruzado se categorizan como de flujo transversal, porque el agua fluye por un lado del rodete y sale por el otro.
Clasificación por Velocidad
La velocidad específica se da en revoluciones por minuto (rpm), se relaciona con la velocidad del rodete si se redujera a un tamaño donde generara una unidad de potencia. Reducir el rodete a un tamaño donde genere solo una unidad de potencia nos permite comparar la velocidad específica de rodetes de turbinas de diferentes diseños.
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Las turbinas de baja velocidad específica son aquellas con una velocidad específica de menos de 50.
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Las turbinas de velocidad específica media tienen una velocidad específica de entre 50 y 250.
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Las turbinas de alta velocidad específica operan a velocidades específicas de más de 250.
Clasificación por Cabeza de Presión
La cabeza de presión se mide por la diferencia de elevación entre el agua de cabecera y el agua de cola. Una turbina de baja cabeza tiene una cabeza operativa de 30m o menos, una turbina de cabeza media tiene una cabeza operativa de entre 30 a 300m, y una planta de alta cabeza tiene una cabeza operativa de más de 300m.
Factores que Afectan la Eficiencia
Independientemente del diseño del rodete de la turbina, la cantidad de energía potencial que puede convertirse en energía mecánica depende de tres variables principales:
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Cabeza disponible
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Tasa de flujo
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Eficiencia del rodete de la turbina
La cabeza es la diferencia de elevación entre el agua de cabecera y el agua de cola. La tasa de flujo se determina por el área de la sección transversal de los conductores de agua y la velocidad del flujo. La eficiencia de la turbina depende del diseño del rodete de la turbina y de la aplicación; si se utiliza el rodete correcto para la aplicación correcta, se pueden lograr eficiencias superiores al 90% para todos los diseños comunes de rodetes.
Rodetes de Turbinas Hidráulicas
Se han discutido brevemente las turbinas de impulso, las turbinas de reacción y los tres diseños más comunes de rodetes de turbinas hidráulicas. Este artículo ahora examinará cada diseño de rodete con más detalle.
Turbinas Francis
Los rodetes Francis consisten en una serie de palas fijas conectadas a una corona del rodete en la parte superior y a una banda del rodete en la parte inferior. Este tipo de rodete convierte tanto la energía de presión como la energía cinética en energía mecánica.
Principio de Funcionamiento de la Turbina Francis
La apariencia de los rodetes Francis puede variar considerablemente, esto se debe a las condiciones y la velocidad en la que se espera que opere el rodete. Los rodetes Francis tienen un amplio rango operativo y pueden usarse para muchas aplicaciones de cabeza y flujo, lo que los convierte en un tipo de rodete muy común.
A diferencia de otros diseños de rodetes de turbina, la turbina Francis no reduce notablemente su eficiencia hasta que la carga se reduce a alrededor del 40%, y tiene la característica única de poder actuar tanto como bomba, como turbina.
Rodete de Turbina Francis
Los rodetes Francis pueden usarse en un amplio rango de presiones y tasas de flujo; se han utilizado para aplicaciones que superan los 800 MW.
Turbinas Kaplan
Los rodetes Kaplan consisten en una serie de palas montadas en un cubo central. Cada pala puede girar dentro de su montaje, lo que significa que el paso es ajustable; este es el factor diferenciador entre las turbinas Kaplan y las turbinas de hélice fija. Típicamente, las turbinas Kaplan utilizan entre tres y seis palas, aunque es posible hasta diez palas. Las palas de paso ajustable pueden usarse para regular la velocidad de rotación del rodete y, por lo tanto, también regular la cantidad de energía potencial que se puede extraer del agua que fluye.
Principio de Funcionamiento de la Turbina Kaplan
Las turbinas Kaplan se utilizan para aplicaciones de baja cabeza donde hay una tasa de flujo media a alta; esto las convierte en una opción ideal para centrales hidroeléctricas de paso y de marea. Los rodetes Kaplan se han utilizado para aplicaciones que superan los 200 MW.
Rodete de Turbina Kaplan
Turbinas Pelton
Los rodetes Pelton tienen la apariencia más distintiva de todas las turbinas hidroeléctricas. La periferia exterior del rodete contiene una serie de cucharas conectadas a un disco circular. Un chorro de agua se rocía sobre estas cucharas desde una boquilla de pulverización, y la fuerza impulsiva resultante aplicada al rodete hace que gire. El número de chorros depende del tamaño del rodete Pelton, aunque típicamente se utilizan entre uno y seis chorros.
Principio de Funcionamiento de la Turbina Pelton
Se utiliza una ‘aguja’ para iniciar, detener y regular el flujo de agua a través de la boquilla. La aguja es un elemento de forma cónica que puede insertarse o retraerse en la boquilla para regular el flujo; generalmente se acciona manual o eléctricamente. Es la boquilla la que convierte la energía de presión del agua en energía cinética, que luego es convertida en energía mecánica por el rodete. Cabe señalar que el rodete Pelton no convierte la energía de presión en energía mecánica, ya que opera bajo condiciones atmosféricas. En cambio, el agua se descarga desde las cucharas del rodete Pelton directamente a un pozo de descarga, luego al canal de cola.
Las turbinas Pelton pueden instalarse con una orientación horizontal o vertical. Las unidades más pequeñas tienden a instalarse con una orientación horizontal, mientras que las unidades más grandes se instalan con una orientación vertical.
Las turbinas Pelton se utilizan solo para aplicaciones de alta cabeza y bajo flujo. Los rodetes Pelton se han utilizado para aplicaciones que superan los 400 MW.
Resumen
En este artículo, hemos aprendido cómo funcionan las turbinas de impulso y de reacción. Hemos aprendido cómo funcionan las turbinas Francis, Kaplan y Pelton, y para qué aplicación es adecuada cada turbina.
El contenido de este artículo se toma de nuestro Curso de Introducción a la Ingeniería de Plantas de Energía Hidroeléctrica.
Recursos Adicionales
https://en.wikipedia.org/wiki/Water_turbine