Microcentral con red aislada (3): Equipos hidráulicos. Turbinas

Microcentral con red aislada (3): Equipos
hidráulicos. Turbinas
Fernando Lizárraga Roncal
Daniel Garcı́a Galindo
ISF Aragón
28 Ene 2003
Resumen
En esta primera parte del capı́tulo 3, que se ha dividido en dos partes por su extensión, se van a explicar los diferentes tipos de turbinas
hidráulicas y sus propiedades básicas de forma que posteriormente se
pueda justificar la elección de cada una de ellas en casos concretos. En
la siguiente parte del capı́tulo se abordarán las conducciones.
Índice
3.1 TURBINA HIDRÁULICA
3.1.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.2 Clasificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.3 Descripción de las turbinas . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.4 Caracterı́sticas de los aprovechamientos y las máquinas:
3.1.5 Elección de la turbina hidráulica . . . . . . . . . . . . .
3.1.6 Turbina Banki−Mitchell . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.7 Otras posibilidades de producción de potencia: . . . . .
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3.1 TURBINA HIDRÁULICA
En este apartado se van a abordar los diferentes tipos de turbinas, con
el fin de analizar sus propiedades básicas, de forma que posteriormente se
pueda justificar la elección de una de ellas y entrar en detalle en su funcionamiento y posibilidades. Ası́, en primera instancia pasamos a presentar los
diferentes tipos de turbinas.
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3.1.1 Introducción
Las turbinas hidráulicas tienen como misión transformar la energı́a potencial y cinética del agua en energı́a mecánica de rotación.
Conviene subrayar que no hay información tan fiable como la ofrecida
por los propios fabricantes de turbinas a los que conviene recurrir, ya en fase
de anteproyecto, en caso de utilizar turbinas comerciales.
El hecho de utilizar uno u otro modelo de microturbina dependerá fundamentalmente de la tecnologı́a y capacidad técnica para construirlas en cada
región. Actualmente se puede contar con los diseños y planos constructivos
de cualquier modelo de microturbina, proporcionados por instituciones tales
como SKAT, GATE, VITA, CREDPHI, etc.
Las turbinas tipo hélice pueden ser más convenientes para proyectos de
baja altura (inferiores a los 5 m), utilizando tecnologı́as sencillas y de bajo
costo, como por ejemplo, los desarrollos realizados en China y otros paı́ses.
Para saltos con alturas entre 1 y 70 m, es usual desarrollar proyectos
con microturbinas del tipo Mitchel−Banki, Cross−Flow o de Doble Acción,
debido a su fácil construcción, bajo costo y altos rendimientos (aproximadamente 70 %).
Es fundamental que el mantenimiento y montaje de las microturbinas
puedan realizarse mediante procedimientos sencillos, sin necesidad de calibración y ajuste de los soportes de los rodamientos.
Por ejemplo con rodamientos de rodillos y sobredimensionados, sujetos al
eje por medio de un cilindro cónico (manguito) que permite un buen ajuste
al eje de la turbina.
Para evitar la entrada de agua a la caja de rodamiento, en un principio
pueden ser utilizados retenes, o bien el sistema denominado laberinto constituido por discos colocados sobre el eje, que por fuerza centrı́fuga desplazan
el agua hacia afuera.
3.1.2 Clasificación
a.
Por como discurre el agua en la turbina
La energı́a potencial del agua, se convierte en energı́a motriz en la turbina,
con arreglo a dos mecanismos básicamente diferentes:
En el primero, la energı́a potencial se transforma en energı́a cinética,
mediante un chorro de gran velocidad, que es proyectado contra unas
cazoletas, fijas en la periferia de un disco. A este tipo de turbinas se
las conoce como turbinas de acción. Como el agua, después de chocar
contra las cazoletas, cae al canal de descarga con muy poca energı́a
remanente, la carcasa puede ser ligera y solo tiene por misión evitar
accidentes e impedir las salpicaduras del agua.
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En el segundo, la presión del agua actúa directamente sobre los alabes
del rodete, disminuyendo de valor a medida que avanza en su recorrido.
A este tipo de turbinas se las conoce como turbinas de reacción. Al
estar el rodete completamente sumergido y sometido a la presión del
agua, la carcasa que lo envuelve tiene que ser suficientemente robusta
para poder resistirla.
3.1.3 Descripción de las turbinas
3.1.3.1 Turbinas de acción.
Turbinas Pelton
Son turbinas de acción en las que la tobera o toberas (una turbina de eje
vertical puede tener hasta seis toberas, con uno o con dos rodetes) transforman la energı́a de presión del agua en energı́a cinética. Cada tobera produce
un chorro, cuyo caudal se regula mediante una válvula de aguja. Suelen estar dotadas de un deflector, cuya msión es desviar el chorro para evitar que,
al no incidir sobre las cazoletas, se embale la turbina, sin tener que cerrar
bruscamente la válvula de aguja, maniobra que podrı́a producir un golpe de
ariete. Se utilizan en saltos entre 40 y 1200 m.
Figura 1: Esquema del impacto del chorro en las cazoletas de una turbina
Pelton
El eje de las toberas está siempre situado en el plano meridiano del
rodete. El agua sale de las cazoletas a velocidades muy bajas (idealmente a
velocidad cero) con lo que la carcasa que rodea al rodete no tiene que resistir
ninguna presión..
Turbinas Turgo
La turbina Turgo puede trabajar en saltos con alturas comprendidas
entre 15 y 300 metros. Como la Pelton, se trata de una turbina de acción,
pero sus alabes tienen una distinta forma y disposición. El chorro incide con
un ángulo de 20o respecto al plano diametral del rodete, entrando por un lado
del disco y saliendo por el otro. A diferencia de la Pelton, en la turbina Turgo
el chorro incide simultáneamente sobre varios alabes, de forma semejante a
como lo hace el fluido en una turbina de vapor.
3
Figura 2: Esquema del impacto del chorro en las cazoletas de una turbina
Turgo
Su menor diámetro conduce, para igual velocidad periférica, a una mayor
velocidad angular, lo que facilita su acoplamiento directo al generador, con
lo que al eliminar el multiplicador reduce el precio del grupo y aumenta su
fiabilidad.
Turbinas de flujo cruzado
Esta turbina, conocida también con los nombres de Michell−Banki, en
recuerdo de sus inventores, y de Ossberger, en el de la compañı́a que la
fabrica desde hace más de 50 años, se utiliza con una gama muy amplia de
caudales (entre 20 l/seg y 10 mˆ3 /seg) y una horquilla de saltos entre 1
y 200 m. Su rendimiento máximo es inferior al 87 %, pero se mantiene casi
constante cuando el caudal desciende hasta el 16 % del nominal, y tiene un
mı́nimo técnico inferior al 10 % del caudal de diseño.
El agua entra en la turbina a través de un distribuidor, y pasa a través
de la primera etapa de alabes del rodete, que funciona casi completamente
sumergido (incluso con un cierto grado de reacción). Después de pasar por
esta primera etapa, el flujo cambia de sentido en el centro del rodete y
vuelve a cruzarlo en una segunda etapa totalmente de acción. Ese cambio
de dirección no resulta fácil y da lugar a una serie de choques que son la
causa de su bajo rendimiento nominal.
El rodete consta de dos o más discos paralelos, entre los que se montan,
cerca del borde, unas laminas curvadas que hacen el papel de alabes. Estos
rodetes se prestan a una construcción artesanal en paı́ses en vı́a de desarrollo,
aunque naturalmente nunca alcanzarán los rendimientos de las unidades
construidas con los medios técnicos apropiados.
3.1.3.2 Turbinas de reacción.
Turbinas Francis
Son turbinas de reacción de flujo radial y admisión total, muy utilizadas
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Figura 3: Dibujo 3D de una turbina de flujo cruzado
Figura 4: Esquema del funcionamiento de una turbina de flujo cruzado
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en saltos de altura media, equipadas con un distribuidor de alabes regulables
y un rodete de alabes fijos. En las turbinas Francis rápidas la admisión sigue
siendo radial, pero la salida tiende a ser axial. La turbina está fuertemente
encastrada en el hormigón para evitar las vibraciones a bajo régimen.
En estas turbinas el agua se desplaza como encauzada en una conducción
forzada, pasando del distribuidor −fijo−al rodete −móvil− al que cede su
energı́a, sin entrar, en ningún momento, en contacto con la atmósfera. La
figura muestra una turbina Francis de eje horizontal. En las turbinas Francis
los alabes distribuidores que regulan el caudal de agua que entra al rodete
giran accionados mediante bielas accionadas por un anillo exterior que sincroniza su movimiento. Destaca la importancia de la carcasa y su caracol,
en contraste con la envoltura de una Pelton.
Figura 5: Dibujo 3D de una turbina Francis
El dibujo esquemático adjunto muestra los alabes en posición abierta
(lı́neas contı́nuas) y en posición cerrada (lı́neas discontı́nuas). En esta ultima
posición la extremidad de un alabe se apoya completamente sobre el flanco
del anterior, cerrando prácticamente el paso del agua alrodete.
Las turbinas Francis pueden ser de cámara abierta − generalmente para
saltos de poca altura − o de cámara en espiral.
En las turbinas con cámara en espiral, la carcasa, dependiendo del tamaño, se construye en hormigón armado, en acero soldado o en hierro fundido.
Al ser uniforme el volumen de agua que llega a cada alabe del distribuidor, el caudal que pasa por cada sección del caracol es proporcional al arco
que le queda por abastecer.
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Figura 6: Esquema de los álabes en una turbina Francis
Los álabes del rodete, cuando son pequeños suelen fabricarse en fundición
de bronce al aluminio formando un solo cuerpo con el cubo. Cuando los
rodetes son grandes los alabes, generalmente en chapa de acero inoxidable,
se sueldan al cubo y a la llanta, generalmente en acero fundido.
En las turbinas de reacción, el agua a la salida del rodete, pasa antes de
llegar al canal de descarga, por un tubo de aspiración o difusor, cuya misión
es recuperar parte de la energı́a cinética contenida en el agua que abandona
el rodete a una velocidad elevada.
Para disminuir la velocidad con que el agua llega al canal de descarga − la
pérdida cinética es proporcional al cuadrado de la velocidad − se aumentar
la sección de salida del difusor adoptando un perfil cónico. Su función es
especialmente critica en los rodetes de alta velocidad especı́fica porque el
agua sale de estos rodetes a una velocidad especialmente elevada.
Turbinas Kaplan y de hélice
Son turbinas de reacción de flujo axial. Los alabes del rodete en las Kaplan son siempre regulables, mientras que los de los distribuid ores, pueden
ser fijos o regulables. Si ambos son regulables la turbina es una verdadera
Kaplan; si solo son regulables los del rodete, la turbina es una Semi−Kaplan.
Para su regulación, los alabes del rodete giran alrededor de su eje, accionados por unas manivelas, que son solidarias de unas bielas articuladas a una
cruceta, que se desplaza hacia arriba o hacia abajo por el interior del eje
hueco de la turbina. Este desplazamiento es accionado por un servomotor
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hidráulico, con la turbina en movimiento.
Las turbinas Kaplan son de admisión radial mientras que las semi−kaplan
puede ser de admisión radial o axial.
Las turbinas de hélice se caracterizan porque tanto los alabes del rodete
como los del distribuidor son fijos, por lo que solo se utilizan cuando el
caudal y el salto son prácticamente constantes.
La turbina bulbo es una derivación de las anteriores, caracterizada porque el agua pasa axialmente a través de alabes directrices fijos y porque el
generador y el multiplicador (si existe) están contenidos en una carcasa estanca, con forma de bulbo, sumergida en el agua. Del bulbo salen solamente
los cables eléctricos debidamente protegidos.
Bombas trabajando como turbinas
Las bombas centrı́fugas pueden trabajar como turbinas sin más que invertir su sentido de giro y hacer pasar el agua de la salida hacia la entrada.
Como no tienen posibilidad de regulación, solo pueden utilizarse con un
caudal y una altura de salto prácticamente constantes.
3.1.4 Caracterı́sticas de los aprovechamientos y las máquinas:
Altura del salto
El salto bruto constituye la altura de salto hidraúlico. (recordemos que
era la distancia vertical, medida entre los niveles de la lámina de agua en la
toma y en el canal de descarga, en las turbinas de reacción, o el ejede toberas
en las de turbinas de acción). Habrá que restarle las diferentes pérdidas, con
lo que se obtendrá el salto neto (se habla de ello en la sección de canales y
presa).
En la tabla siguiente se especifica, para cada tipo de turbina, el rango
de valores de salto neto dentro del que puede trabajar. Obsérvese que hay
evidentes solapamientos, de modo que para una determinada altura de salto
pueden emplearse varios tipos de turbina .
Tipo de turbina
Kaplan y hélice
Francis
Pelton
Michell−Banki
Turgo
Horquilla de salto en metros
2 < H < 20
10 < H < 350
50 < H < 1300
3 < H < 200
50 < H < 250
El problema es particularmente crı́tico en el caso de los aprovechamientos
de baja altura que, para que sean rentables, necesitan turbinar grandes
volúmenes de agua. Se trata de aprovechamientos con 2 a 5 m de altura
de salto y un caudal que puede variar entre 10 y 100 m3 /seg.
En cualquier caso no se van a abordar estos casos, tı́picos de las turbinas
8
Kaplan y hélice. En el caso de las primeras por la dificultad en su construcción y mantenimiento. En el caso de la turbina hélice, se optará por otras
soluciones por facilidad constructiva y rango de situaciones que se pueden
cubrir.
Sı́ que se tendrá en cuenta la posibilidad de aprovechar antiguas bombas
como turbinas tipo hélice. Se trata del reciclaje de antiguas bombas sin uso
actual, ası́ que el problema económico no existirá, y no habrá una necesidad
de rentabilidad en la turbinación.
Caudal:
Un valor aislado del caudal no tiene ninguna significación. Lo que interesa es el régimen de caudales preferiblemente representado por la curva de
caudales clasificados (CCC) obtenida de los datos procedentes de la estación
de aforos o de los estudios hidrológicos, previos a la elección de la turbina.
Esto no va a ser posible en la mayorı́a de los casos, como ya se ha anticipado en la sección 2.3 Hidrologı́a y Topografı́a, en el apartado de medida de
caudales del aprovechamiento.
No todo el caudal representado en una CCC puede utilizarse para producir energı́a eléctrica.
En primer lugar hay que descartar el caudal ecológico que tiene que
transitar todo el año por el cauce cortocircuitado. Con caudal ecológico se
hace referencia a la cantidad de agua que debe discurrir por un cauce de
forma que los distintos organismos vivientes que forman parte del ecosistema
fluvial no sufran fuertes daños. Entre los organismos cuentan los propios
peces, larvas de insecto, algas, anfibios, microorganismos...
En segundo lugar, cada tipo de turbina solo puede trabajar con caudales
comprendidos entre el nominal (para el que el rendimiento es máximo) y el
mı́nimo técnico por debajo del cual no es estable.
Un caudal y una altura de salto definen un punto en el plano. Cualquier
turbina dentro de cuya envolvente caiga dicho punto, podrá ser utilizada en
el aprovechamiento en cuestión.
La elección final es por lo general el resultado de un proceso iterativo, que
balancee la producción anual de energı́a, el costo de adquisición y mantenimiento, y su fiabilidad. En nuestro caso nos determinaremos por la turbina
banki, lo cual queda justificado más adelante. Pero cabe adelantar que tiene
mucho que ver con los aspectos citados y con su rango de actuación propicio
para el tipo de instalación que se pretende desarrollar.
La figura de representación Q vs H se ha elaborado integrando los datos
de varios fabricantes europeos, y muestra las envolventes operacionales de
los tipos de turbina más utilizados. Los limites no son precisas, varı́an de
fabricante a fabricante, en función de la tecnologı́a utilizada, y tienen por
ello un carácter exclusivamente orientativo.
Velocidad especı́fica
A ns se la conoce como velocidad especı́fica. Todas la turbinas con idénti9
Figura 7: Gráfica comparativa del salto respecto del caudal para los diferentes tipos de turbinas
10
cas proporciones geométricas, aunque los tamaños sean diferentes, tendrán
una misma velocidad especı́fica. Si el modelo se ha afinado para que el rendimiento hidráulico sea óptimo, todas las turbinas con la misma velocidad
especı́fica, ten drán también un rendimiento óptimo. El rodete girará a la
velocidad especı́fica ns cuando esté funcionando con un caudal Q tal que
produzca una potencia de 1 kW con una altura de 1 metro:
√
P
ns = n 5/4
H
Algunos fabricantes toman como velocidad especı́fica otro parámetro, nq ,
cuya expresión viene dada por:
nq = n
Q1/2
H 3/4
Figura 8: Gráfica de la velocidad respecto del salto para diferentes tipos de
turbinas
La velocidad especı́fica constituye un excelente criterio de selección, más
preciso sin duda que el más convencional y conocido de las envolventes operacionales que acabamos de mencionar.
Por regla general los fabricantes de equipos anuncian el valor n s de
sus turbinas.Gran número de estudios estadı́sticos sobre aprovechamientos
muy diversos, han permitido correlacionar, para cada tipo de turbina, la
velocidad especifica con la altura de salto neto.
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Conociendo la velocidad especı́fica se pueden estimar las dimensiones
fundamentales de las turbinas. No vamos a entrar en este terreno, y nos
conformamos con conocer el sentido de la velocidad especı́fica.
Ejemplos:
1.−) Si queremos generar energı́a eléctrica en un aprovechamiento con
un salto neto de 100 metros, utilizando una turbina de 800 kW directamente
acoplada a un generador standard de 1500 rpm, empezaremos por calcular
la velocidad especı́fica, según la ecuación siguiente:
√
800
ns = 1500
= 134
1001,25
de lo que se deduce que la única elección posible es una turbina Francis.
Si, por el contrario admitimos la instalación de un multiplicador con una
relación de hasta 1:3, la turbina podrı́a girar entre 500 y 1.500 rpm, con
lo que su velocidad especı́fica podrı́a situarse entre 45 y 134 rpm. De esta
forma la elección podrı́a recaer, además de en la Francis, en una Turgo, una
Ossberger o una Pelton de dos toberas.
2,−) Supongamos ahora que queremos instalar una turbina de 1500 kW
de potencia en un aprovechamiento con un salto de 400 m, directamente
acoplada a un generador a 1000 rpm. Calcularemos primero la velocidad
especı́fica ns :
√
√
P
1500
ns = n 5/4 = 1000
= 21, 65
4001,25
H
que nos confirma debemos seleccionar una Pelton de una tobera.
Velocidad de rotación
Según la ecuación de la velocidad especı́fica, la velocidad de rotación
de una turbina es función de su velocidad especı́fica, de su potencia y de
la altura del aprovechamiento. En los pequeños aprovechamientos suelen
emplearse generadores standard, por lo que hay que seleccionar la turbina
de forma que, bien sea acoplada directamente o a través de un multiplicador,
se alcance una velocidad de sincronismo.
Velocidad de embalamiento
Cuando, trabajando a plena potencia hidráulica, desaparece súbitamente
la carga exterior, bien sea por corte del interruptor o por fallo en la excitación
del alternador, la turbina aumenta su velocidad hasta alcanzar lo que se
conoce como velocidad de embalamiento.
Esa velocidad varı́a con el tipo de turbina, el ángulo de apertura del
distribuidor y la altura de salto. En las turbinas Kaplan la velocidad de
embalamiento puede llegar a ser 3,2 veces superior a la nominal. En las
Francis, Pelton, Banki y Turgo, esa relación varı́a entre 1,8 y 2.
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Hay que tener en cuenta que al aumentar la velocidad de embalamiento,
se encarecen el multiplicador y el generador, que habrán de diseñarse para
poder resistir las fuerzas de aceleración centrı́fuga correspondientes.
Rendimiento de las turbinas
El rendimiento se define como la relación entre la potencia mecánica
transmitida al eje de la turbina y la potencia hidráulica correspondiente al
caudal y salto nominales.
Dadas las pérdidas que tienen lugar en el conjunto de la turbina de
reacción, el rodete solo utiliza una altura Hu, inferior al salto neto Hn, tal
y como se define en la figura siguiente:
Figura 9: Esquema que representa el salto neto y las pérdidas en una turbina
Estas pérdidas son esencialmente pérdidas de fricción y tienen lugar en
la cámara espiral, en los alabes directores y del rodete, y sobre todo en el
tubo de aspiración o difusor.
Para cada tipo de turbina se toman como referencia para conocer la
altura de salto unos puntos concretos, sin embargo por el momento no existe
un código de cálculo que establezca de forma unı́voca la altura de salto de
cara a hallar del rendimiento de una turbina de flujo cruzado, por lo que
hay que extremar las precauciones cuando se comparan soluciones en las que
intervienen turbinas de este tipo (como se verá en la profundización de la
turbina Banki−Mitchell estas curvas de rendimiento son variables). En todo
caso midiendo la altura de salto con el mismo criterio que en las turbinas
Pelton, su rendimiento rara vez supera el 84 %.
La figura anexa muestra las curvas de rendimiento en función del caudal
para distintos tipos de turbina.
Para estimar el rendimiento global del grupo turbo−generadorhay que
multiplicar el de la turbina por el del multiplicador (si es que existe) y por
el del generador.
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Figura 10: Gráfica del rendimiento respecto del caudal para los diferentes
tipos de turbinas
La turbina se diseña para trabajar con el caudal nominal, para el que,
en general, el rendimiento es máximo. Cuando el caudal se aleja de ese
valor, tanto hacia arriba como hacia abajo, desciende el rendimiento, hasta
que el caudal es inferior al mı́nimo técnico y la turbina no puede seguir
funcionando.
Las turbinas Kaplan de doble regulación tienen un rendimiento aceptable
a partir del 20 % del caudal nominal. Las semi−Kaplan solo trabajan eficazmente a partir del 40 % del nominal y las Francis con cámara espiral solo a
partir del 50 %. Por debajo del 40 % una turbina Francis, dependiendo de
su diseño y de las condiciones en que ha sido instalada, puede experimentar
vibraciones que hacen inestable su funcionamiento y obligan a su parada.
Las turbinas de flujo cruzado tienen, para el caudal nominal, un rendimiento sensiblemente inferior a las Pelton, Francis o Kaplan, pero pueden
trabajar con esa o parecida eficiencia en un rango de caudales mucho más
amplio. Este va a ser uno de los factores que se van a tener en cuenta a la
hora de elegir la turbina más apropiada.
3.1.5 Elección de la turbina hidráulica
Se pueden establecer como criterios de elección de la turbina hidráulica
las siguientes caracterı́sticas deseables:
Facilidad constructiva: es decir que se pueda abordar la fabricación
de la turbina en la zona en la que se pretende desarrollar la implantación de la microcentral. con ello se fomenta la implicación de la
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comunidad en el proyecto y es una experiencia apropiada para futuros
proyectos o para la reparación de futuras averı́as.
Rendimiento estable: que varı́e en una mı́nima cantidad con los
cambios de caudal. se puede asociar con el hecho de que la curva de
rendimiento sea lo más plana posible.
Rango de operación: si se tiene un amplio campo de caudales y
alturas a elegir será más sencillo encontrar un lugar apropiado para
su instalación. Es decir, es importante que se puedan diseñar saltos de
altura considerable y caudal pequeño, a la para que el caso contrario,
de saltos pequeños con un caudal mayor, o bien poder optar por una
situación intermedia. Con ello, una vez estimada la potencia demandada por los beneficiarios, se tendrá más libertad en la decisión final
de los parámetros del aprovechamiento: Q y H.
Robustez: se trata de que el equipo sea poco sensible al paso de
arena, hierbas y otros posibles objetos, debido a que por la necesidad
de diseñar una instalación sencilla no existirán equipos que limpien
el caudal de forma exhaustiva. Ası́ mismo no se instalarán sistemas
automáticos de limpieza de rejillas.
Velocidad de embalamiento: es interesante que la velocidad que
sufre el grupo al desconectar la carga sea lo menor posible con el fin
de que las posibilidades de dañar el equipo desciendan.
También cabe destacar que debe abarcar rangos de potencia desde los pocos
kW hasta 500 kW, que es el lı́mite de una microcentral. No es necesario
equipos de mayor capacidad.
Por todo ello, como se explicará, se ha elegido la turbina Banki−Mitchell
de flujo cruzado. Explicaremos a continuación su funcionamiento detallado
y sus principales caracterı́sticas.
3.1.6 Turbina Banki−Mitchell
A los comienzos del siglo XX el ingeniero inglés A.G.M. Michell descubrió el principio de funcionamiento de la turbina de impulsión radial y
parcial, que a diferencia de los restantes tipos de turbinas se adaptaba perfectamente a caudales variables.
Fruto de la investigación y el desarrollo se han ido incorporando ciertas
mejoras técnicas y se han aplicado numerosas ideas constructivas, de manera que este tipo de turbinas apenas tiene competencia en el campo de los
pequeños y medianos caudales.
El campo deaplicación depende de la fuente y los fabricantes. Podemos
aportar las siguientes afirmaciones:
15
Caudal de 20 a 9000 l/s y caı́das de 1 a 200 mts. (Fuente: Ossberger
Turbinenfabrik)
Caudal de 10 a 5000 l/s y caı́das de 1 a 200 mts. (Fuente: Energı́a
Hidraúlica y Eólica Práctica. Juan Ignacio y Sebastián Urquı́a Lus)
Con ello podemos llegar hasta equipos de 1 MW.
Su régimen de revoluciones viene a situarse entre 50 y 2000 r.p.m., en
función de la caı́da y modelo de turbina concreto. se encuentra entre las
turbinas de régimen lento.
Es una turbina muy buena para caudales y caidass medios. A nivel de
microcentral no suele superar los 30 m por las dimensiones tan reducidas
que resultan en el rodete.
A continuación vamos a describir un modelo fabricado por Ossberger
Turbinenfabrik, una empresa alemana con 50 años de experiencia en la fabricación e innovación de este tipo de turbinas. Incluye muchos elementos
optimizados, de manera que si no se procede a la adquisición de un equipo
comercial, la fabricación propia podrı́a adaptar los estrictamente necesarios.
3.1.6.1 Descripción de una turbina Banki−Michell fabricada
por Ossberger Turbinenfabrik:
El agua hace su entrada por el adaptador (8). La pala directriz móvil
(2), o también llamada distribuidor, regula la cantidad de fluido que penetra en el interior, según gire sobre su eje, habilitando una entrada mayor
o menor. Además se encarga de direccionar el flujo para que la interacción
del fluido con el rodete sea óptima. El agua incide sobre el rodete (3), sobre los primeros álabes que encuentra en su camino, transmitiendo un par
al conjunto, propiciando ası́ el giro del rodete. Estos álabes funcionan casi
completamente sumergido (incluso con un cierto grado de reacción). Se fabrican de aceroperfilado estirado en frı́o y sólamente tienen una curvatura
lineal (no están torsionados).
Una vez atravesados estos álabes, el fluido evoluciona en el interior cambiando de sentido y reincide sobre los álabes inferiores, ayudando en la transmisión de momento. . Ese cambio de dirección no resulta fácil y da lugar a
una serie de choques que son la causa de su bajo rendimiento nominal.
El rodete consta de dos o más discos paralelos, entre los que se montan,
cerca del borde, unas laminas curvadas que hacen el papel de alabes, por lo
que su construcción artesanal es factible, aunque naturalmente nunca alcanzarán los rendimientos de las unidades construidas con los medios técnicos
apropiados.
Un aspecto muy atractivo derivado de la constitución de la máquina y
su forma de funcionamiento, consiste en que el follaje, hierbas, lodos, etc
que durante la entrada del agua se quedan entre los álabes, vuelven a ser
expulsados después de medio giro del rodete con el agua de salida por el efecto de la fuerza centrı́fuga. De este modo el rodete tiene un funcionamiento
16
Figura 11: Dibujo 3D de las diferentes piezas que componen una turbina
Michell−Banki
17
Figura 12: Dibujos explicativos de las dos formas de instalación de la turbina
Banki
poco sensible a elementos no deseados, que es una de las ventajas que posee
respecto a otras turbinas.
La forma de instalación puede adoptar dos disposiciones (ver figuras
anexas):
1.) Entrada horizontal de agua
2.) Entrada vertical del agua
Una de las posibles variaciones en la fabricación instalación consiste en el
montaje de varios cuerpos de entrada de agua, de manera que se permita la
alimentación a, por ejemplo, un tercio, dos tercios o tres tercios del rodete.
Debido a la forma que tienen los álabes en el rodete no se van a producir
esfuerzos axiales fuertes en el eje del mismo, a pesar de estar trabajando de
una forma descompensada.
Si observamos detenidamente la figura de despiece de la turbina Banki −
Michell fabricada por Ossberger, se puede apreciar que el rodete está dividido
en tres partes por discos sobre los que van montados los álabes. Por otra
parte, existen dos distribuidores. Con el pequño se puede alimentar el primer
cuerpo del rodete, produciendo 1/3 de la potencia nominal. Con el álabe
mayor se pueden alimentar los dos últimos cuerpos, llegando a generar 2/3
de la potencia. Si ambos distribuidores se encuentran abiertos la producción
de potencia es la total.
Esto es muy interesante, pues permite mantener la curva de rendimiento
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plana a pesar de que puedan variar las condiciones de caudal. Por otra parte
ello exige la actuación sobre el distribuidor por medio de un servomecanismo
o automatismo. La conservación de rendimiento puede ser algo muy deseable, mas posiblemente incompatible con las posibilidades técnicas de una
microcentral con red aislada en un pais en vı́as de desarrollo y en una región
apartada.
Figura 13: Curvas de rendimiento de la turbina Ossberger
El rendimiento medio de las turbinas Ossberger se garantiza para pequeñas potencias con un rendimiento del 80 %. Para unidades de potencia
mayores, el rendimiento ha alcanzado niveles del 84 y 88 %.
Para equipos de fabricación artesanal puede preverse un rendimiento del
60 al 70 %. En cualquier caso es algo asumible perfectamente por la ı́ndole
de este tipo de proyecto.
Los cojinetes (4) principales de las turbinas Ossberger están equipados
con rodamientos normalizados de rodillos a rótula. Es interesante que a la
hora de diseñar la carcasa se tenga muy en cuenta el aspecto de aislamiento de los rodamientos respecto al sistema hidraúlico. Por ello la carcasa
está preparada con alojamientos y un sistema de prensaestopas que evita
las fugas de forma eficiente.
De esta manera simultánea y forzosamente se centra el rodete respecto a
la carcasa de la turbina, ayudados, un última instancia por unos elementos
de junta.
19
Excepto el cambio anual de grasa, los cojinetes no requieren apenas
ningún trabajo de conservación.
La turbina Ossberger es una turbina de libre desviación. No obstante en
la región de caı́das medianas y pequeñas no puede prescindirse del tubo de
aspiración (7) si se desea realizar un montaje seguro contra grandes avenidas
y un aprovechamiento sin pérdidas en toda la altura de salto.
En una turbina de libre desviación, al ejecutar la turbina como de tubo
aspirante, la columna de agua de aspiración ha de ser regulable. En la turbina
Ossberger esta misión la realiza una sencilla válvula de aireación (6) con la
que se gobierna el vacı́o en el interior de la carcasa de la turbina, con lo
que en este tipo de turbinas se pueden aprovechar hasta saltos de 1 metro
óptimamente.
Otra de las ventajas de la turbina Ossberger es que independientemente
de la altura de caı́da no están expuestas a cavitación. por ello no es necesario recurrir a materiales de acero inoxidable. Igualmente se evitan las
construcciones bajo nivel de aguas, que suponen un gran encarecimiento en
la acometida de obras.
Otra caracterı́stica es su velocidad de embalamiento, que es de 1,8 veces la velocidad de giro nominal, permitiendo la utilización de generadores
fabricados en serie.
3.1.6.2 Determinación de las ventajas de la turbina Banki−Michell:
Se ha presentado la turbina banki desde la perspectiva del fabricante
Ossberger Turbinenfabrik, añadiendo alguna anotación. En cualquier caso
cabe entender que el proyecto no busca en sı́ mismo la adquisición de equipos caros, que posiblemente harı́an inviable la consecución del mismo por
motivos económicos, en general subvenciones.
Si recordamos los criterios de elcción, y analizamos la turbina Banki−Michel,
resulta muy obvia su elección:
Facilidad constructiva: el elemento principal, el rodete, consta de
un par (o mas) discos en los que se sueldan los álabes, que son de
curvatura lineal, sin torsión. Tanto el rotor como el adaptador, piezas
fundamentales se pueden fabricar con láminas de acero soldadas y
requieren un cierto fresado, con lo que cualquier taller agrı́acola podrı́a
hacer frente a su construcción.
Rendimiento estable: se ha visto su estabilidad de rendimiento,
incluso si no se optara por la realización de varias celdas de admisión,
para escalonar el flujo entrante.
Rango de operación: el rango de caudales y alruras es amplio, y
permite llegar hasta los 500 kW, que es el lı́mite al que se pretende
llegar con este estudio.
20
Robustez: no le afecta al funcionamiento la entrada de hierba, lodo,
etc, y además es expulsado por la propia fuerza centrı́fuga.
Velocidad de embalamiento: su velocidad deembalamiento es 1,8
veces la velocidad nominal.
Hay que añadir que en estos equipos no existirán problemas de cavitación.
3.1.6.3 Proceso de fabricación:
Introducción:
A continuación se presentan unas tablas con una valoración subjetiva de
la dificultad, coste y resultado de las diferentes operaciones. En ellas existen
cuatro categorı́as:
Método: método de fabricación con el que se puede realizar una ciertaa
operación
Dificultad: desde la fácil, accesible a cualquier persona, medio, complicado y difı́cil, que ya marcarı́a la necesidad de un taller y un operario
familiarizado con el tipo de operación.
Coste: bajo, medio, alto.
Acabado: tipo de superficie que queda como fin de la operación
Se acompaña cada operación de el método preferido por el autor. La referencia se ha tomado del sitio web: uncle Joe´s place.
En cualquier caso se debe proceder según el material concreto utilizado, la disponibilidad de un taller con más o menos medios, y siguiendo la
experiencia de los obreros y proyectistas en este campo.
Proceso de fabricación:
Se van a establecer varios métodos para la construcción de los componentes de la turbina banki de flujo cruzado.
La turbina Banki puede construirse con materiales de desecho, como
varas, planchas y tuberı́as de acero, y de una manera sencilla si se dispone
de un taller suficientemente equipado.
El resto de turbinas poseen elementos móviles que las hacen muy complicadas, o bien poseen superficies curvas torsionadas que requieren de un
proceso productivo más complejo.
El rotor de la turbina de flujo cruzado está compuesto de dos placas laterales entre las que se intercalan el eje y los álabes, que suelen ser númerosos,
generalmente más de 18.
21
Método
Torno
Caladora
Cortadora de tubo
Sierra de corte
Corte acetilénico
(no recomendado)
Dificultad
Media
Baja
Alta
Coste
Alto
Bajo
Bajo
Acabado
Excelente
Aceptable
Aceptable
Alta
Baja
Bajo
Medio
Normal
Pobre
Corte de las secciones de tubo: se sugiere la utilización de la caladora.
Los álabes se fabrican tomando secciones de tubos de acero. En primer
lugar se hace un corte al tubo, creando tramos de tubo con la longitud
deseada.
Una cortadora de tubo puede terminar trabajando mal si el tubo no
es demasiado delgado. Si es demasiado fino, puede que la tuberı́a resulte
comprimida durante el corte debido a la presión de las ruedas de la caladora.
Esto deformará la zona final del álabe levemente, y posiblemente no afecte
apenas al funcionamiento.
Posteriormente se realiza el corte de los álabes. El corte es algo más
basto a lo largo del tubo, de manera que quedan secciones de circunferencia
de unos 80o .
Método
Torno
Caladora
Cortadora de tubo
Sierra de corte
Corte acetilénico
Dificultad
Medio
Bajo
Bajo−medio
Coste
Alto
Bajo
Bajo
Acabado
Excelente
Aceptable
Bueno
Alta
Baja
Bajo
Medio
Normal
Pobre
Corte de los álabes: caladora
A partir de ellos, los álabes finales requieren un corte más cuidadoso, de
manera que seperfilan con un nuevo corte hasta que la sección circular toma
un ángulo de 73o .
Método
Fresadora
Caladora
Corte acetilénico
Dificultad
Medio
Medio
Bajo−medio
22
Coste
Muy alto
Bajo
Medio
Acabado
Excelente
Aceptable
Pobre
Perfilado de los álabes: Caladora
La entrada de la turbina, el distribuidor está hecho a base de placas
(láminas) de acero. Allı́ se ha de instalar una valvula de entrada, es decir lo
que serı́a la pala directriz móvil. Su misión es regular la cantidad de agua
de entrada, y con ello la velocidad de rotación. Estamos ante la fabricación
artesanal y con medios limitados de una turbina, ası́ que, a diferencia de
la turbina fabricada por Ossberger Turbinenfabrik, no se utilizará la pala
directriz como válvula de cierre al agua. Ello requerirı́a una forma especial de
la carcasa y unas tolerancias estrechas, junto con un buen acabado superficial
en la zona lı́mite entre la pala y la carcasa.
Como válvula de cierre se puede tener una tajadera en la entrada del
canal abierto, o algún otro tipo de válvula para tuberı́a cerrada, mientras
no sea una válvula de asiento, pues esta genera mucha pérdida de carga.
También se debe tener una válvula de vaciado de carcasa, con el fin de
eliminar los restos de agua que puedan quedar antes de la realización de una
operación de mantenimiento.
Una vez que se tienen las piezas se procede al montaje. En principio la
unión de los álabes se puede realizar de dos formas diferentes.
Se puede optar por la soldadura directa de los álabes a la placa lateral.
Ello lleva asociala la necesidad de plantillas para facilitar el posicionamiento
correcto. A la vez, será necesario el uso de aparejos que proporcionen la
sujección en la posición correcta alineada de las piezas durante la soldadura.
Esta relaización es más compleja.
Se puede reducir en gran medida esta dificultad de montaje realizando
ranuras o bien muescas en las placas laterales en las que encajen los álabes.
Ello lleva un mayor esfuerzo en la preparación y creación de dichas ranuras
curvas, mas es compensado por facilitar los registros de las piezas durante
el montaje y soldadura.
Cabe resaltar el hecho de que si se realizan muescas, ello lleva asociado la
realización la soldadura internamente. En un principio no supone dificultad
extra hasta que no se llega a los últimos álabes. entonces las maniobras de
soldadura se complican. Se debe tomar esta opción en el caso de que la placa
sea muy gruesa, y no se disponga de medios como para cortarla.
En el caso de que se opte por realizar ranuras, la soldadura puede ser
externa, facilitando mucho el montaje.
Método
Fresadora radial
Corte acetilénico, Manual
Acetylene Torch,
Guı́a Laser
Dificultad
Alto
Medio
Coste
Alto
Bajo−medio
Alto
Medio
23
Acabado
Excelente
Probable
bueno
Aceptable
que
Corte y ranurado de las placas laterales de la turbina: corte acetilénico
Si se utiliza el corte acetilénico manual, para conseguir la forma circula de
las placas es precisa la utilización de pivotes y aparejos que aseguren la forma
circular. Seguir la forma curva exterior manualmente es harto complicado.
Antes de proceder a la soldadura se ha de comprobar que los álabes no
estén deformados, y una vez encajados en las placas, comprobar la ortogonalidad mediante una escuadra.
No se sigue el patrón de una fabricación delicada, mas, cuanto más precisa y cuidadosa sea la realización, por fabricación, y ensamblaje, más fiable
será nuestra turbina. La eficiencia y flujo se ven beneficiados con superficies
más lisas.
Tras el montaje se debe proceder al equilibrado de la turbina. se colocan
los soportes de giro con los rodamientos y cojinetes, tal y como quedarı́a el
montaje final. se procede a girar manualmente la turbina y se deja deslizar.
Si existe un defecto en el equilibrado, seirá parando, y al final habrá un
vaivén, una ida y retorno en el giro, un balanceo. Con el fin de asegurar
si realmente está desequilibrado, se ha de repetir varias veces la prueba,
marcando el lugar final en el que queda estacionada la rueda.
La parte que queda inferior está mas cargada que la superior, y con ello el
centro de masas desplazado. Para equilibrar se debe añadir masa en la parte
que quedó arriba. La zona en la que se puede añadir masa es la placa lateral,
preferiblemente en el exterior. Por medio de imanes añadidos de diferentes
tamaños se puede aproximar de forma muy cómoda la cantidad de masa
a añadir. Posteriormente sólo será necesario pesar los imanes añadidos y
añadir la misma cantidad de masa de otro material.
Si se añade material en el exterior de la placa lateral, será necesario tener
en cuenta este añadido, pues si el ajuste de la carcasa es muy fino, podrı́a
llegar a impedir el montaje, o perturbar la rotación de la turbina.
Se puede optar por eliminar parte del material original de la zona que
quedó más abajo. También , para un mejor acabado, se puede eliminar
parte del material y rellenar con otro más ligero, o socabar parte de la que
quedó arriba y rellenar con un metal más pesado.
Con esto se soluciona el equilibrado estático. Para el dinámico, no entramos en la explicación. consistirı́a en poner en marcha la turbina en vacı́o y
observar qué momentos se producen en los apoyos. Luego habrı́a que calcular la cantidad de masa a añadir o sustraer y su posición y distancia al eje
en cada una de las placas laterales.
3.1.6.4 Propuesta concreta de fabricación:
Introducción:
Una vez presentado el método de fabricación, cabe preguntarse cuáles
habrı́an de ser los tamaños de cada elemento con el fin de dar servicio a
una determinada cantidad de demanda. De aquı́ en adelante se describe una
24
propuesta concreta de realización con los cálculos pertinentes de dimensiones. Se ha obtenido de la fuente bibliográfica: Energı́a hidraúlica y Eólica
Práctica, de José Ignacio y Sebastián Urquı́a Mur.
Descripción y cálculos:
Los diferentes saltos y diámetros del rotor son los responsables de la
velocidad a la que finalmente girará éste. si se expresa la altura del salto (H)
en metros y el diámetro exterior (D) del rotor en centı́metros, la velocidad
de rotación en r.p.m. de la turbina viene dada por la siguiente expresión:
√
H
r.p.m. = 4300
D
El diseño que se propone tiene 30cms de diámetro exterior (D=30cms),
y resulta adecuado para la mayorı́a de saltos. la velocidad de giro de este
rodete osciárá entre 200 y 700 r.p.m. en función del desnivel del salto ( desde
2mts a 25 mts). Podemos hacer la multilicación hacia el generador por medio
de una caja de cambios de coche (multiplicaciones x5 y x7), o bien por medio
de correas trapezoidales en una sola etapa.
Por medio del caudal se determinará la anchura del rodete, y por otra
parte la potencia. Si se considera los siguientes rendimientos:
Turbina Banki artesanal: 70 %
Transmisión: 80 %
Generador: 90 %
entonces la potencia vendrá dada según:
P = ηturb · ηtransm · ηgenerador · ρ · g · Q · H
P = 0, 7 · 0, 8 · 0, 9 · 1 · 9, 8 · Q · H = 4, 94 · Q · H
siendo:
\rho la densidad del agua (1 kg/litro)
Q caudal (litros/seg)
H altura (mts)
El caudal quedará determinado por la anchura de la turbina y de la boca
de entrada. Se pueden establecer las siguientes fórmulas:
Anchura de la boca de entrada:
25
Anchura de la boca de entrada:
Q
B1 = 2, 23 √
d H
Anchura del rotor:
B2 = B1 + 2(cms)
siendo:
d la abertura de la boca de entrada (cms)
Q caudal (litros/seg)
H altura (mts)
La distancia d suele ser la décima parte del diámetro D del rotor, o sea que
para un rotor de 30 cms de diámetro se corresponde una altura de la boca
de entrada de 3 cms.
La anchura del rotor puede ir desde 4 cms hasta 50 cms, por lo que esta
turbina se adapta a una gran variedad de caudales y potencias.
Una forma de mejorar el rendimiento de la turbina consiste en hacer un
rotor y una boca de entrada (o bien distribuidor) con dos sectores independientes que lo dividan en 1/3 y 2/3, al igual que se vio en la descripción de
la turbina diseñada por Ossberger Turbinenfabrik. De esta forma se puede
sacar máximo rendimiento energético tanto en épocas de gran caudal (utilizando todo el rotor) como en épocas de estiaje (2/3 o 1/3 de la totalidad).
−
rpm
Q
(l/seg)
P
(kW)
Salto
de
2
mts
202
19
4 mts
6 mts
8 mts
10 mts
15 mts
20 mts
285
27
351
33
405
38,5
453
43
550
52
640
60
0,26
0,75
1,4
2,16
3
5,5
8,5
No se pretende instalar para su regulación complejos automatismos y
servomecanismos. Bastarı́a con una tajadera que separara dos partes de la
cámara de carga, o bien una placa interna que pudiera cerrar parcialmente
la boca de entrada del distribuidor a la turbina.
En la tabla se pueden apreciar las prestaciones de este modelo con un
diámetro de 30 cms y 10 de anchura de la boca de entrada. Jugando con la
anchura de la boca y del rotor, se puede lograr la potencia que interese.
26
En este caso el rotor se construye con placas laterales de 6mms de espesor, con cubos de refuerzo para el eje unidos mediante soldadura. Este rotor
lleva de 20 a 24 álabes también de 6mms de espesor.
Los álabes de esta turbina se fabricarı́an con tubo de hierro de 10 cms
de diámetro, teniendo cada uno una sección de 72o .
Ejemplo:
Si se tiene un salto de 2 mts y se necesitan 1000w de potencia, se puede poner una anchura de boca de 40cms. el consumo de agua será de 76
litros/seg. la velocidad de giro será de 202 rpm.
A continuación se presentas dos posibilidades de instalación, una de ellas
con una cámara de carga acoplada diréctamente con el distribuidor, y otra,
para mayores alturas de salto por medio de una tuberı́a forzada.
Figura 14: Dibujos explicativos de las dos formas de instalación según los
saltos sean mayores o menores de 3 metros
3.1.7 Otras posibilidades de producción de potencia:
Se presentan otras posibilidades de producción de energı́a. No se van a
analizar en profundidad, mas pueden ser útiles para no cerrar las soluciones
a la fabricación de una turbina Banki.
3.1.7.1 Ruedas lentas:
Ruedas de alimentación superior
Se pueden utilizar caı́das entre 1,5 y 5 metros, y caudales entre 10 y 600
litro/seg. El agua se encauza por un canalón a una velocidad de 1m/seg,
27
que al llegar a la rueda se acelera hasta 2 ó 3 m/seg. La anchura de la
rueda depende de la cantidad de agua a utilizar, y debe superar la anchura
del canalón en 15 ó 20 centı́metros, para que no escape agua por fuera. la
eficiencia de estas ruedas es del 60 al 80 %. Las medidas más normales de
diámetros, anchura y número de canjilones se presentan en la siguiente tabla.
Figura 15: Tabla de caracterı́sticas según el diámetro de la rueda
Aunque las ruedas pueden ser utilizadas con caudales inferiores al máximo, para diferentes potencias, tendremos diferentes caudales y anchuras.
Ası́, si queremos sacar 5 kW de la rueda de 4,8 m de diámetro, dividimos
por 2 la anchura de la rueda de 10 kW y tenemos todos los datos suficientes
para construirla.
La rueda hidraúlica girará a una velocidad tal que la potencia extraida
se equilibrará con la suministrada por el agua, de forma que si se le solicita
mucho par, girará más despacio y llenará más los canjilones, de manera que
el par aumente y siga funcionando.
Modelo pequeño:
Es posible hacerla de forma sencilla por medio de cajones cuadrados
(latas de aceite para automóvil vacı́a por ejemplo), montadas en una circunferencia con altura suficiente para aprovechar el salto disponible.
Si se desea generar electricidad, que es el caso, se monta sobre unos
soportes firmes, y se acopla el buje de salida a una caja de cambios de
automóvil bloqueando los satélites (se llega a multiplicar hasta x25) o una
transmisión de correas. Se obtienen ası́ las revoluciones necesarias para el
generador de forma fiable y con pocas pérdidas.
Una rueda de este tipo suministra de 100 a 400 w, es decir, una producción de2,4 a 9,6 kWhora al dı́a, más que suficiente para una vivienda y sus
necesidades (excepto calefacción eléctrica y hornos).
Modelo grande:
28
Figura 16: Dibujo de una rueda pequeña con sus diferentes elementos
Para potencias mayores es necesario diámetros mayores y caudales superiores.
Se debe crear una rueda de chapa soldada según el esquema adjunto.
Debe estar embreada o con fibra de vidrio. La rueda debe montarse sobre
un eje muy sólido. Debido a su lentitud habrá de emplearse una caja de
campios de tractor, con una capacidad de multiplicación de 100.
Ruedas de alimentación inferior
Se emplean en rı́o y arroyos caudalosos pero con poco desnivel. También
se pueden introducir en acequias de regadı́o, siempre que su instalación no
provoque una retención del agua con el consiguiente desbordamiento.
Las caı́das normales de trabajo son de 20 cm a 1,5 m. El diámetro de la
rueda será 3 ó 4 veces la caı́da y la velocidad de giro de 2 a 20 rpm, siendo
las más rápidas las de menor diámetro (la velocidad en la periferia es de 1 a
1,5 m/seg, por lo que cuanto mayor sea el diámetro, menor será la velocidad
de giro).
Para cada 30 cms de anchura de la rueda, el caudaldebe ser de 100 a 300
l/seg. La rueda se introduce en el agua de 30 a 90 cms y la eficiencia es del
60 al 65 %.
La rueda se puede hacer con chapa soldada de 5 mm. Para la generación
de corriente eléctricase procede como en las ruedas de alimentación superior.
29
Figura 17: Dibujo de una rueda de alimentación inferior con sus diferentes
elementos
30
3.1.7.2 Bombas como turbinas.
El ejemplo de bombas centrı́fugas o de hélice se debe estudiar como una
alternativa muy interesante. Las bombas de hélice son válidas para caı́das
de 1 a 10 mts y las centrı́fugas de 3 a 20 mts.
Aunque funcionan como turbinas y no como bombas, se utilizan sin
problemas. Las centrı́fugas se comportan como turbinas Francis, y las de
hélice como Kaplan, pero con menores rendimientos. Nunca se deben colocar
de forma que el tubo de descarga cubra un desnivel de 3 mts, porque se puede
producir cavitación en el rodete, causando daños en el rodete.
Las turbinas de hélice, pueden hacerse a partir de viejas hélices de barco
insertadas en un tubo por el que circula el agua. La velocidad de rotación
se verá en la práctica en cada caso concreto.
Figura 18: Dibujos de turbinas de hélice
Los caudales van en relación con el tamaño de la bomba−turbina y
también se deben comprobar en la práctica.
De todos los modos, y como dato orientativo, la bomba utilizada como
31
turbina dará la mitad de potencia para el mismo desnivel y caudal. Es decir,
si una bomba necesita 1000w para subir 10 l/seg a 7 m de altura, con 0 l/seg
a 7 m de desnivel, dará como turbina una potencia de 500W.
32