Gestores de Contenidos : Álvaro Neva Rodríguez y Horacio Charry López Curso: TURBINAS HIDRÁULICAS I (ACH03) Objetivo General: Reconocer el principio de funcionamiento y los elementos que constituyen una turbina hidráulica. Gestores de Contenidos : Álvaro Neva Rodríguez y Horacio Charry López

UNIDAD IV TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS Objetivo: Conocer los tipos de turbinas hidráulicas, los fundamentos teóricos de su funcionamiento y sus elementos constructivos.

Lección 9 Turbina Pelton. TEORÍA, CARACTERÍSTICAS, FUNCIONAMIENTO, COMPONENTES DE LA TURBINA PELTON. TEORÍA Y CARACTERÍSTICAS La rueda Pelton, debe su nombre al ingeniero estadounidense Lester Allen Pelton, quien la inventó en 1879 mientras trabajaba en California; obtuvo su primera patente en 1880. Una historia dice que Pelton inventó su rueda, cuando se fijó en cómo el agua salpicaba fuera de las fosas nasales de una vaca, mientras esta bebía de un chorro de agua. Otra historia indica que se inspiró en una noria en la que el árbol se había aflojado mientras estaba trabajando en él. El chorro de agua golpeó el borde de la paleta de la noria e invirtió su dirección (en lugar de llenar la paleta). Pelton observó un incremento en la velocidad de la desalineada rueda.

Noria de agua, Camboya

Se empezó a aplicar durante la segunda mitad del siglo XIX, en instalaciones donde la presión del agua era equivalente a una columna de agua de entre 90 y 900 m. Como se mencionó anteriormente, las Pelton son turbinas, en las cuales toda la energía a la entrada de la turbina se transforma en energía cinética. Dado que la acción de la rueda Pelton depende del impulso del chorro sobre ella, en lugar de la reacción del agua en expansión, este tipo de turbina se denomina turbina de acción; es la más eficiente en aplicaciones donde se cuenta con un gran desnivel de agua y se han utilizado normalmente en alturas hasta de 1.700 metros; son notables su suavidad de giro y su buen funcionamiento a carga parcial. Debido a que casi toda la energía se extrae en la primera etapa de la turbina, normalmente la turbina tiene una sola rueda. COMPONENTES Las partes que conforman una turbina Pelton son: Rueda o rodete; es el elemento básico, constituido por un disco circular de gran tamaño (cubo), que lleva en su periferia cierto número de alabes o paletas (normalmente hasta 20/22), perfilados

en forma de doble cuchara con una arista central en forma de doble cuchara con una arista central. Aunque por lo general en la mayoría de rodetes, las paletas y el cubo del rodete son de acero martensítico fundido en una sola pieza, en los últimos años se está implementando la fabricación mediante solución de disco forjado y depósito de soldadura robotizada. Lo anterior permite que la zona crítica de la raíz de las cucharas sea en material forjado, con mejores características mecánicas que la solución tradicional de acero fundido. La tobera o inyector, que lanza y dirige el chorro de agua que incide sobre las cucharas del rodete. Cada tobera esta provista de un obturador cónico de aguja, desplazable axialmente para variar la apertura de la salida y por lo tanto para regular el caudal, constituyendo en conjunto, el órgano de alimentación y de regulación de la turbina. El distribuidor; es una tubería de diámetros decrecientes que rodea la rueda en forma tangencial, donde se montan una o mas toberas (normalmente hasta 6), según el caudal necesario. Deflector; tiene como finalidad cuando se requiera, desviar el chorro para evitar que al no incidir sobre las cucharas, se embale la turbina, sin tener que cerrar bruscamente la válvula de aguja, maniobra que podría producir un golpe de ariete.

Fabricación rodete Pelton con disco forjado y depósito de soldadura robotizada

Componentes esenciales de la turbina Pelton

Eje o árbol; es el elemento donde se encuentra montado el rodete y es el encargado de transmitir la rotación y/o el par motor al generador eléctrico. Este eje puede estar en posición vertical u horizontal. Los componentes de la turbina están contenidos en una caja de chapa metálica o carcasa que puede ir empotrada en concreto con su respectiva puerta de inspección. FUNCIONAMIENTO La tobera o inyector lanza a la atmósfera un chorro de agua a alta velocidad, que incide directamente contra la serie de paletas en forma de cuchara que tiene el rodete. Cada paleta invierte el flujo de agua, disminuyendo su energía, el impulso resultante del par ejercido por el impacto y la desviación del chorro hace girar la turbina. Las paletas se montan por pares para mantener equilibradas las fuerzas en la rueda. El agua sale de las cucharas a velocidades muy bajas (idealmente a velocidad cero) y es dirigida hacia el canal de desagüe; por tanto, la turbina ha de estar colocada a suficiente altura (de 2 a 4 metros) sobre el nivel máximo de dicho desagüe, para asegurar tanto el libre giro de la rueda en el aire como una descarga libre.

Las paletas tienen una forma especial que permiten que el chorro de agua no incida sobre cada una de ellas hasta el momento en que la fuerza sea máxima. El valor máximo de caudal por tobera es del orden de 10 a 11 m3/seg y la velocidad del chorro que sale de las toberas está entre 70 y 140 m/seg. Debido a la baja velocidad de salida del agua de las cucharas, la carcasa que rodea al rodete no tiene que resistir ninguna presión. El eje de las toberas está siempre situado en el plano meridiano del rodete. Las turbinas Pelton puede formarse en la siguiente forma: 1 rodete 1 chorro eje horizontal rodete 2 chorros eje horizontal rodetes 2 chorros c/u eje horizontal rodete 4-5-6 chorros eje vertical

Impacto del chorro en la paleta de doble cuchara de una rueda Pelton

Tres (3) turbinas tipo Pelton eje vertical, de 5 chorros. Las turbinas mas grandes instaladas hasta el momento se encuentran en la Central Bieudron (Complejo Grande Dixence, Suiza), que tiene las características siguientes: Tres (3) turbinas tipo Pelton eje vertical, de 5 chorros. Altura neta 1874 m y potencia unitaria de 423 MW (record mundial en turbinas de este tipo). Diámetro rodete 3993 mm. Velocidad de rotación 428,6 rpm. Paletas en forma de doble cuchara de una rueda Pelton

Detalle del interior de una turbina Pelton

Rueda de una turbina de la central hidráulica de la central de Sharavathi (India) con una caída de 440 m, potencia 104,5 MW y velocidad de giro 300 rpm.

Rodete Pelton fabricado con disco forjado y depósito de soldadura robotizada.

Lección 10 Turbina Francis. TEORÍA, CARACTERÍSTICAS, FUNCIONAMIENTO, COMPONENTES DE LA TURBINA FRANCIS. TEORÍA Y CARACTERÍSTICAS Anterior al desarrollo de esta turbina, Benoit Fourneyron, un alumno de Burdin en la Escuela de Minería de Saint Étienne, diseñó y construyó ruedas que alcanzaban velocidades de rotación de 60 rpm (revoluciones por minuto) o más y que proporcionaban hasta 50 CV en las factorías metalúrgicas francesas. Finalmente Fourneyron construyó turbinas que trabajaban a 2.300 rpm, desarrollando 60 CV y un rendimiento de más del 80%. A pesar de esta eficiencia excepcional para la época, la turbina de Fourneyron tenía algunos inconvenientes causados por el flujo centrífugo del agua que la atravesaba. Esto provocaba problemas si se reducía el flujo de agua o su carga.

El ingeniero estadounidense nacido en Gran Bretaña James B El ingeniero estadounidense nacido en Gran Bretaña James B. Francis diseñó una turbina en la que el flujo se producía hacia el interior. La llamada turbina de reacción o turbina Francis se convirtió en la turbina hidráulica más utilizada con presiones de agua, o alturas de caída, equivalentes a una columna de agua de 10 a 100 m. Como se mencionó anteriormente, las turbinas Francis están caracterizadas por una entrada de agua en el rodete en sentido radial centrípeto y por una descarga axial. En estas turbinas hay soluciones con el rodete sumergido y no sumergido. COMPONENTES Las partes que conforman una turbina Francis son: Caracol. También llamado cámara espiral, es una tubería de diámetro decreciente que inicia a la salida de la tubería de conducción y que rodea el distribuidor fijo donde termina; tiene por objeto hacer que la alimentación de agua a este distribuidor fijo se haga a presión constante y por lo tanto la sección se va reduciendo, a medida que el gasto que pasa es menor. Se usa una velocidad de entrada al caracol relativamente baja que va entre 2 y 5 m/seg. Si se usa el criterio que la velocidad en el

caracol sea uniforme, tendremos que las secciones irán disminuyendo en forma gradual y el diámetro en cualquier sección será proporcional a la raíz cuadrada del gasto que pasa por ella; las velocidades máximas del agua son del orden de 8 a 9 m/s. Sin embargo, la experiencia muestra que es más ventajoso disminuir menos rápidamente las secciones admitiendo una pérdida de carga constante a lo largo del caracol. El caracol está construido en chapas de acero soldadas comúnmente llamadas virolas y puede ser empotrado en concreto, lo que es común para grandes tamaños de turbinas; en las que también por lo general se dispone de una puerta de inspección. Distribuidor fijo. Es una pieza que va colocada al final del caracol; está provisto de una serie de alabes fijos en sentido radial y dirige el flujo de agua en el mismo sentido hacia el distribuidor móvil. Distribuidor móvil. Rodea el rodete y está constituido por cierto número de alabes móviles o directrices, solidarios entre sí por

Caracol turbina Francis

un anillo rígido de regulación, comandado por el regulador de velocidad y que mueve simultáneamente todos los alabes, variando en aumento o disminución las luces o espacios para la entrada de agua y de esta forma variar también el caudal de agua hacia el rodete. La cantidad de alabes son generalmente números divisibles fácilmente tales como 12, 16, 18, 20, 24; sin embargo, no debe ser múltiplo del número de paletas de la rueda. Rueda o rodete. Es la parte donde la energía hidráulica se transforma en energía mecánica; está constituido por una corona superior en forma de cono y una corona inferior en forma de banda también llamada llanta, entre las cuales se hallan cierto número de paletas o palas perfiladas adecuadamente, de forma que reciben el agua en dirección radial y la orientan axialmente. Las formas constructivas y las características de funcionamiento para el rodete Francis varían notablemente dependiendo del caudal y la caída o salto: Para saltos elevados y valores de caudal no muy importantes la forma del rodete a la entrada es muy achatada; en condiciones opuestas, el rodete es mas alto a la entrada, las palas mas cortas y anchas, de tal manera que el recorrido del agua tiene una característica mas axial.

Desde el punto de vista constructivo, los rodetes Francis pueden ser fabricados de una sola pieza de fundición de acero o bien que cada pala esté soldada a las coronas. En las turbinas modernas estos rodetes son en acero inoxidable martensítico. Tubo de aspiración. También llamado difusor, se encuentra aguas abajo del rodete; esta parte típica de las turbinas a reacción dirige las aguas que salen del rodete al canal de descarga. Este ducto debe ser perfilado cuidadosamente, para permitir la mayor recuperación posible de la energía cinética aún notable, que tiene el agua a la salida de la rueda, ya que el objetivo de este difusor es recuperar bajo la forma de energía de presión la energía cinética que posee el agua a la salida del rodete. Este tubo de aspiración para turbinas de tamaño considerable, cuenta con una puerta de inspección. Eje o árbol; es el elemento donde se encuentra montado el rodete y es el encargado de transmitir la rotación y/o el par motor al generador eléctrico. Este eje puede estar en posición vertical u horizontal. Para dar estanqueidad al exterior y cerrar la máquina, estas turbinas cuentan con dos tapas, una superior y una inferior para eje vertical y laterales para eje horizontal.

Componentes de turbinas Francis

Principales componentes de una turbina Francis

FUNCIONAMIENTO En estas turbinas el agua se desplaza encauzada en la conducción forzada, entra al caracol donde se reparte uniformemente hacia el distribuidor fijo que lo direcciona radialmente hacia el distribuidor móvil, donde se regula su caudal y continúa su paso al rodete al que cede su energía, se descarga del mismo en sentido axial hacia el tubo de aspiración o difusor, que finalmente entrega esta agua al canal de descarga; todo el anterior ciclo se cumple sin que el agua entre en ningún momento en contacto con la atmósfera; sin embargo, cabe recordar que estas turbinas tienen sistemas de aireación natural (presión atmosférica) al rodete. En estas turbinas a reacción, la presión y velocidad del agua a la entrada del rodete son mayores que cero y la expansión del agua mientras fluye a través de los espacios entre las palas, hace que progresivamente su presión disminuya y que su velocidad aumente también en la misma forma, esta velocidad del agua además de cambiar de magnitud también cambia de sentido; todo lo anterior como ya se mencionó, produce una fuerza neta o reacción, con una componente tangencial que pone la rueda en movimiento.

En este tipo de turbinas el paso de agua a través del rodete y parcialmente filtrado a través de los intersticios de las coronas superior e inferior (sellos del rodete) ejerce una carga axial sobre el rodete, que se denomina empuje hidráulico. La conformación de las secciones a la salida del rodete y la salida del difusor, debe ser tal que la presión en la primera sea lo mas baja posible, incluso inferior a la atmosférica, para tener el mejor rendimiento de la turbina. Sin embargo, esto hace que puede presentarse la cavitación producida cada vez que la presión del agua baja del valor de saturación, formando una burbuja de vapor que posteriormente se colapsa. Lo anterior puede producir un pitting en la superficie debido a las implosiones y un ruido que es típico. Hay materiales que son menos afectados por la cavitación que otros, de aquí que sean más usados en la fabricación de piezas de turbinas. Un valor muy importante a tener en cuenta para el diseño de estas turbinas cuando el rodete está sumergido, es la distancia que hay entre el nivel de la descarga y el nivel de la línea de centro del rodete; esto es lo que se conoce como sumergencia.

Rodete Francis de la Central Ralco Las turbinas Francis pueden ser de eje vertical o eje horizontal, siendo mas utilizadas las primeras. Rodete Francis de la Central Ralco

Las potencias máximas hasta hoy alcanzadas por las turbinas Francis llegan a 750 MW, instaladas en Gran Coule, Estados Unidos. En la actualidad la mayor central hidroeléctrica del mundo es Itaipú, entre Paraguay y Brasil, donde se utilizan 18 turbinas tipo Francis de 700 megavatios (MW) de potencia cada una, que consiguen un total de 12.600 MW.

Vista inferior rodete Francis Central Itaipú

Central Hidroeléctrica de Itaipu

Lección 11 Turbina Kaplan. TEORÍA, CARACTERÍSTICAS, FUNCIONAMIENTO, COMPONENTES DE LA TURBINA FRANCIS. TEORÍA Y CARACTERÍSTICAS El aumento de las necesidades de energía hidroeléctrica durante los albores del siglo XX puso de manifiesto la necesidad de turbinas que pudieran aprovechar caídas de agua de 3 a 9 m, que se podrían utilizar en muchos ríos construyendo pequeños embalses de agua. En 1913, el ingeniero austriaco Viktor Kaplan planteó por primera vez la turbina de hélice. Kaplan mejoró la turbina haciendo que las palas pudieran pivotar sobre su eje. Estas turbinas se escogen para saltos bajos y caudales grandes y el flujo del agua a través del rodete es muy axial.

COMPONENTES Los componentes de una turbina Kaplan son fundamentalmente los mismos que los de las turbinas Francis. En las tres figuras siguientes se muestra un comparativo de los componentes de estos dos tipos de turbinas. En el rodete de las turbinas Kaplan, en forma de hélice, las palas que usualmente son cuatro o cinco, se montan alrededor de un cubo central sólido y grueso; estas palas pueden ser giradas valiéndose de mecanismos que caben en dicho cubo, agregándose los elementos y mecanismos necesarios para el accionamiento de las palas del rodete. Normalmente el material de las palas del rodete es acero inoxidable martensítico. FUNCIONAMIENTO En estas turbinas la entrada de agua puede ser un canal abierto, se encausa en la conducción, entra al caracol donde se reparte uniformemente hacia el distribuidor fijo que lo direcciona hacia el distribuidor móvil, donde se regula su caudal y continúa su paso axial al

rodete donde cede su energía, se descarga del mismo en sentido axial hacia el tubo de aspiración o difusor, que finalmente entrega esta agua al canal de descarga; todo el anterior ciclo se cumple sin que el agua entre en ningún momento en contacto con la atmósfera. En la turbina Kaplan que es de reacción, los distintos ángulos de las palas del rodete aumentan el rendimiento ajustando el ángulo al volumen de la caída de agua, de esta manera al poder variar la configuración de la máquinas, se obtiene el rendimiento máximo en cada condición de funcionamiento; por lo anterior las turbinas Kaplan son aptas especialmente para plantas de bajo salto, en las que hay variaciones notable de este salto y/o caudal. Hasta hoy la máxima potencia alcanzada por las Kaplan es del orden de los 200 MW, en plantas de Brasil.

Corte transversal de una planta con turbina Kaplan

Turbina Kaplan de la Central Sauzalito en Chile

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Actividades Identifica los componentes, características y modo de funcionamiento de la turbina Pelton. Identifica los componentes, características y modo de funcionamiento de la turbina Francis. Identifica los componentes, características y modo de funcionamiento de la turbina Kaplan. Identifica el o los tipos de turbina que hay en tu central, enumera los tipos de turbina que conoces; lleva esto al foro.