Principal Equipamiento Electromecnico TurbinasHay tres tipos
principales de turbinas hidrulicas: La rueda PeltnSu funcionamiento
es a travs de un chorro de agua dirigido y regulado, incide sobre
las cucharas del rodete que se encuentran uniformemente
distribuidas en la periferia de la rueda. Debido a la forma de la
cuchara, el agua se desva sin choque, cediendo toda su energa
cintica, para caer finalmente en la parte inferior y salir de la
mquina. La regulacin se logra por medio de una aguja colocada
dentro de la tobera.Es te tipo de turbina se emplea para saltos
grandes y presiones elevadas.
Turbina Peltn.
Turbina FrancisSe emplean para saltos medianos, ya que son de
reaccin. Estas turbinas en vez de toberas, tienen una corona
distribuidora del agua.Esta corona rodea por completo al rodete.
Para lograr que el agua entre radialmente al rodete desde la corona
distribuidora existe una cmara espiral o caracol que se encarga de
la adecuada dosificacin en cada punto de entrada del agua.
Turbina FrancisEn el siguiente esquema podemos apreciar la forma
general de un rodete y el importante hecho de que el agua entre en
una direccin y salga en otra a 90. Turbina KaplanEl agua slo
circula en direccin axial por los elementos del rodete; tienen
labes mviles para adecuarse al estado de la carga.Aseguran un buen
rendimiento an con bajas velocidades de rotacin.
Fig. 18. Turbina Kaplan.
Diseo preliminar
En este captulo se dan frmulas para calcular las principales
dimensiones de un rotor en los casos de turbinas Pelton, Francis y
Kaplan.
Conviene recordar que el diseo de una turbina es el resultado de
un proceso iterativo en el que se tienen en cuenta mltiples
criterios: lmites de cavitacin, velocidad de rotacin, velocidad
especfica, altura de salto etc.
Esto implica que, una vez acabado el diseo preliminar es
necesario comprobar que este cumpla con todos los criterios
mencionados.
El primer paso del diseo, sea cual sea el tipo de turbina, es la
eleccin de la velocidad de rotacin.
Turbinas Pelton
Conocida a priori la velocidad n de giro del rotor, su dimetro
se deducir de las siguientes ecuaciones:
En donde n es la velocidad de rotacin en rps y nch es el nmero
de toberas.
D1 se define como el dimetro del crculo que describe la lnea del
eje de las toberas.
B2 es la anchura de la cazoleta, que es funcin del caudal y del
nmero de toberas y De es el dimetro de la tobera.
En general la relacin D1/B2 es siempre superior a 2,7. Si no
fuese as habra que recalcular las ecuaciones con menor velocidad de
rotacin o con mayor nmero de toberas.
El caudal es funcin de la apertura de la tobera Cp si tiene una
sola tobera ser el caudal total y se puede estimar por la siguiente
formula:
Figura 6.23En la figura 6.23 se da el valor Kv para cada valor
de la apertura relativa a = Cp/Dc Turbinas Francis
Las turbinas Francis cubren un amplio espectro de velocidades
especficas, desde 0,05 para las lentas de gran altura de salto
hasta 0,33 para las de baja altura de salto.
La figura 6.24 muestra la seccin transversal de un rodete
Francis en la que se indican los dimetros de referencia D1, D2 y
D3.
Figura 6.24: Seccin transversal de un rodete Francis
Los trabajos de Siervo y Leva y de Lugaresi y Massa, basados en
el estudio estadstico de ms de doscientas turbinas en
funcionamiento, hacen posible el realizar un diseo preliminar de la
turbina Francis. Como sucede con todos los trabajos estadsticos,
sus resultados no permiten un diseo final, especialmente en lo que
respecta al criterio de cavitacin.
El dimetro de salida D3 se calcula en principio con la frmula
6.20
El dimetro D1 se calcula con la frmula 6.21
El dimetro de entrada D2 viene dado, para QE > 0,164 por
6.22
Para QE < 0,164 se puede admitir que D1 = D2
Turbinas Kaplan
Las turbinas Kaplan tienen velocidades especficas mucho ms altas
que las Pelton y lasKaplan.
Figura 6.25: Seccin transversal de una Kaplan
En la fase preliminar del proyecto, el dimetro exterior De puede
calcularse con la frmula 6.23.
El dimetro Di del eje del rodete se calcula por la frmula
6.24.
Criterios para la seleccin de la turbina.
El tipo, geometra y dimensiones de la turbina estn
condicionados, fundamentalmente, por los siguientes criterios:
Altura de salto neta Horquilla de caudales a turbinar Velocidad
de rotacin Problemas de cavitacin Velocidad de embalamiento
Costo
El salto bruto es la distancia vertical, medida entre los
niveles de la lmina de agua en la toma y en el canal de descarga,
en las turbinas de reaccin, o el eje de toberas en las de turbinas
de accin.
Conocido el salto bruto, para calcular el neto, basta deducir
las prdidas de carga, a lo largo de su recorrido.
En la Tabla 6.4 se especifica, para cada tipo de turbina, la
horquilla de valores de salto neto dentro con la que puede
trabajar. Obsrvese que hay evidentes solapamientos, de modo que
para una determinada altura de salto pueden emplearse varios tipos
de turbina.
Tabla 6.4: horquilla de salto en metros
Caudal
Un valor aislado del caudal no tiene ninguna significacin. Lo
que interesa es el rgimen de caudales representado por la curva de
caudales clasificados (CCC) obtenida de los datos procedentes de la
estacin de aforos o de los estudios hidrolgicos.
No todo el caudal representado en una CCC puede utilizarse para
producir energa elctrica. Fundamentalmente hay que descartar el
caudal ecolgico que tiene que transitar todo el ao por el cauce
cortocircuitado.
El caudal de diseo y el salto neto determinan el tipo de
turbinas utilizables en el sitio escogido: aquellas en las que el
punto representado por el salto y el caudal cae dentro de su
envolvente operacional. La figura 6.26 se ha elaborado integrando
los datos de varios fabricantes europeos. Cualquier turbina dentro
de cuya envolvente caiga dicho punto, podr ser utilizada en el
aprovechamiento en cuestin. La eleccin final ser el resultado de un
proceso iterativo, que balancee la produccin anual de energa, el
costo de adquisicin y mantenimiento de la turbina, y su
fiabilidad.
Como una turbina solo puede admitir caudales comprendidos entre
el mximo y el mnimo tcnico por debajo del cual su funcionamiento es
inestable puede resultar ventajoso utilizar varias turbinas pequeas
en sustitucin de una ms grande.
Las turbinas se arrancaran secuencialmente, de tal forma que
todas ellas salvo una, trabajaran a plena carga, con un rendimiento
ptimo. Utilizando dos o tres turbinas pequeas, su peso y volumen
unitarios sern ms pequeos y por ende ms fcil de transportar y
montar.
Dividiendo el caudal entre dos o ms turbinas, estas trabajarn a
mayor velocidad con lo que puede ser posible prescindir del
multiplicador. Por otra parte, en el espectro de saltos de altura
media con fuertes variaciones de caudal, una Pelton de varias
toberas, con una velocidad de rotacin baja, puede resultar ms
econmica que una Francis, Un argumento semejante puede utilizarse,
en saltos de baja altura, a la Kaplan y la Francis.
La eleccin final entre una o ms unidades o entre un tipo de
turbina u otro, ser el resultado de un clculo iterativo que tenga
en cuenta el coste de inversin y la produccin anual.
Tabla 6.5: Sensibilidad a variaciones de salto y caudal
Figura 6.26 Envolvente operativa de 3 tipos de turbinas
Velocidad especfica
La velocidad especfica constituye un excelente criterio de
seleccin, ms preciso sin duda que el ms convencional y conocido de
las envolventes operacionales que acabamos de mencionar.
Por ejemplo, si queremos generar energa elctrica en un
aprovechamiento con un salto neto de 100 metros, utilizando una
turbina de 800 kW directamente acoplada a un generador estndar de
1500 rpm, empezaremos por calcular la velocidad especfica y
obtenemos QE = 0,135.
Con esta velocidad especfica, la nica eleccin posible es una
turbina Francis. Si, por el contrario admitimos la instalacin de un
multiplicador con una relacin de hasta 1:3, la turbina podra girar
entre 500 y 1.500 rpm, con lo que su velocidad especfica podra
situarse entre 0.045 y 0,135 rpm. De esta forma la eleccin podra
recaer, adems de en la Francis, en una turbina Turgo, una turbina
de flujo cruzado o una Pelton de dos toberas.
Si queremos instalar una turbina directamente acoplada a un
generador de 1.000 rpm, en un salto de 400 m y disponemos de un
caudal de 0,42 m3/s, comenzaremos calculando la velocidad
especfica; QE = 0,022.
Con estos parmetros la eleccin recaera en una Pelton de una
tobera, con un dimetroD1=0,846 m de acuerdo con la ecuacin 6.18. Si
el caudal variase sustancialmente a lo largo del ao, podra
escogerse una Pelton de dos o ms toberas, que es menos sensible a
las variaciones del caudal.
Como se indic ms arriba, la turbina Pelton viene definida por la
relacin D1/B2 ms que por la velocidad especfica. Para ello resulta
necesario efectuar ensayos con modelos a escala en laboratorio.
Cavitacin
Cuando la presin ejercida sobre un lquido en movimiento,
desciende por debajo de su presin de vaporizacin, ste se evapora
formando gran nmero de pequeas burbujas, que al ser arrastradas a
zonas de mayor presin, terminan por estallar. La formacin de estas
burbujas y su subsiguiente estallido, es lo que constituye la
cavitacin.
La experiencia demuestra que el estallido de esas burbujas
genera impulsos de presin muy elevados, que van acompaados de
fuertes ruidos (una turbina en cavitacin suena como si a travs de
ella pasasen montones de grava), y que la accin repetitiva de esos
impulsos produce una especie de corrosin difusa, formando picaduras
en el metal. Con el tiempo esas picaduras, degeneran en verdaderas
grietas con arrancamiento de metal.
Las elevadas temperaturas generadas por esos impulsos y la
presencia frecuente de gases ricos en oxgeno, agravan la corrosin.
Un alabe sometido a cavitacin aparece al cabo de cierto tiempo
lleno de cavidades, lo que obliga a sustituirlo o, si an se est a
tiempo, a repararlo recargndolo por soldadura.
Para evitarla habr que realizar ensayos de laboratorio, para
definir el perfil correcto de los alabes y determinar el campo de
operatividad de la turbina.
La cavitacin viene caracterizada por un coeficiente (coeficiente
de Thoma), definido como:
En la que NPSE, energa neta de succin positiva, est definida
como:
En la que:
Patm = presin atmosfrica [Pa]Pv = presin del vapor de agua [Pa]
= densidad especfica del agua[kg/m3]g = aceleracin debida a la
gravedad [m/s2]V = velocidad media de salida [m/s]Hn = altura de
salto neta [m]HS = altura de succin [m]Para evitar la cavitacin, la
turbina debe instalarse a una altura al menos igual a HS definida
por la ecuacin 6.27:
Un valor positivo de HS significa que el rotor de la turbina
estar situado por encima del nivel del agua en el canal de retorno
y uno negativo que est situado bajo el agua.
Como primera aproximacin se puede considerar que V = 2 m/s. El
sigma de una turbina es una funcin de su velocidad especfica y el
proyectista deber solicitarla del fabricante, que la obtendr a
partir de ensayos en laboratorio con modelos reducidos.
De todos modos, De Servio y Lugaresi, basndose en los citados
estudios estadsticos, establecieron para las turbinas Francis y
Kaplan, la siguiente correlacin entre y velocidad especfica:
Conviene subrayar que la altura de instalacin vara sensiblemente
con la altitud de la central, desde aproximadamente 1,01 bar al
nivel del mar hasta 0,65 bar a 3.000 m sobre el nivel del mar. As
una turbina Francis con una velocidad especfica de 0,150,
trabajando en un salto de 100 m de altura neta (con una = 0,090),
con la central a nivel del mar, requerir una altura HS:
Mientras que si la central estuviera situada a 1.000 m de
altitud HS sera:
Lo que exigira una excavacin.
Figura 6.27; Lmites de cavitacin ( vs QE)
La ecuacin 6.30 muestra la concordancia entre velocidad
especfica y sigma de cavitacin:
Conviene advertir que se pueden producir fenmenos de cavitacin
en el borde interior de las cazoletas de la Pelton, si no estn bien
diseadas o si, en el proceso de fabricacin no se han respetado los
resultados de los ensayos en laboratorio. Velocidad de rotacin
Segn la ecuacin 6.5, la velocidad de rotacin de una turbina es
funcin de su velocidad especfica, de su potencia y de la altura del
aprovechamiento.
En los pequeos aprovechamientos suelen emplearse generadores
estndar, por lo que hay que seleccionar la turbina de forma que,
bien sea acoplada directamente o a travs de un multiplicador, se
alcance una velocidad de sincronismo.
Tabla 6.6: velocidad de sincronismo de los generadores
Velocidad de embalamiento.
Cuando, trabajando a plena potencia hidrulica, desaparece
sbitamente la carga exterior, bien sea por corte del interruptor o
por fallo en la excitacin del alternador, la turbina aumenta su
velocidad hasta alcanzar lo que se conoce como velocidad de
embalamiento. Esa velocidad vara con el tipo de turbina, el ngulo
de apertura del distribuidor y la altura de salto. La tabla 6.8
muestra la relacin entre la velocidad de embalamiento y la normal
de rotacin.
Tabla 6.7 Relacin entre velocidad de rotacin y de
embalamiento
Hay que tener en cuenta que al aumentar la velocidad de
embalamiento, se encarecen el multiplicador y el generador, que
habrn de disearse para poder resistir las fuerzas de aceleracin
centrfuga correspondientes.
Rendimiento de las turbinas
El rendimiento se define como la relacin entre la potencia
mecnica transmitida al eje de la turbina y la potencia hidrulica
correspondiente al caudal y salto nominales, tal como se define en
la ecuacin 6.1.
Hay que hacer notar que en las turbinas de accin (Pelton y
Turgo), la altura de salto se mide hasta el punto de impacto del
chorro que, para evitar que el rodete quede sumergido en pocas de
riadas, estar siempre por encima del nivel de la lmina de agua en
el canal de descarga, con lo que se pierde una cierta altura con
respecto a las turbinas de reaccin, en las que, como veremos, el
plano de referencia es la propia lmina de agua.
Dadas las prdidas que tienen lugar en el conjunto de la turbina
de reaccin, el rodete solo utiliza una altura Hu, inferior al salto
neto Hn, tal y como se define en la figura6.28.
Estas prdidas son esencialmente prdidas de friccin y tienen
lugar en la cmara espiral, en los alabes directores y del rodete, y
sobre todo en el tubo de aspiracin o difusor. El difusor tiene como
misin recuperar el mayor porcentaje posible de la prdida de energa
cintica correspondiente a la velocidad del agua al salir del
rodete.
Figura 6.28: Vista esquemtica de prdidas en un
aprovechamiento
Su funcin es especialmente crtica en los rodetes de alta
velocidad especfica, en los que las prdidas por este concepto
podran llegar a alcanzar el 50% del salto (mientras que en las
Francis lentas apenas representan el 3%-4%). La columna de agua que
acciona la turbina equivale al salto neto menos la presin
equivalente a la energa cintica disipada en el tubo de aspiracin,
cuantificada por la expresin Ve 2/2g (siendo Ve la velocidad media
a la salida del tubo de aspiracin).
La figura 6.29 indica cmo evoluciona el rendimiento de una
turbina con diferentes caudales, al variar este en relacin con el
de diseo, y la tabla 6.9 da el rendimiento tpico mximo garantizado
por los fabricantes, para varios tipos de turbinas. Para estimar el
rendimiento global del equipo, este rendimiento deber ser
multiplicado por los rendimientos del multiplicador (si ha lugar) y
del generador.
Figura 6.29: Rendimientos en funcin del caudal de diseo
Tabla 6.8: Rendimientos tpicos de pequeas turbinas
Para asegurarse de que la turbina que se compra va a funcionar
correctamente, conviene exigir una garanta del fabricante, basada
en los resultados obtenidos con turbinas homologas en laboratorio.
La figura 6.30 ilustra los resultados de dos turbinas, en la misma
aplicacin: una basada en ensayos de laboratorio y otra sin
garantas.
Figura 6.30: Resultados de la medida de rendimientos en dos
turbinas