Turbinas Hidráulicas

TURBINAS HIDRÁULICAS
87
CAPÍTULO III
TURBINAS HIDRÁULICAS
3.1 DEFINICIÓN
“La turbina hidráulica es una turbo máquina motora, y por tanto
esencialmente es una bomba roto dinámica que trabaja a la inversa”1. Así
como una bomba absorbe energía mecánica y restituye energía al fluido;
una turbina absorbe energía del fluido y restituye energía mecánica.
Una turbina hidráulica según el grado de reacción se clasifica en dos
grupos: turbinas de acción y turbinas de reacción. El grado de reacción de
una turbina Gr se define así:
Altura de presión absorbida por el rodete
Gr =
Altura total absorbida por el rodete
Cuando el grado de reacción es cero, la turbina se llama de acción. Si el
grado de reacción es distinto de cero, la turbina se llama de reacción.
En una turbina de acción, la presión del agua no varía en los álabes. El
rodete no esta inundado, se encuentra a la presión atmosférica. Las
turbinas de acción son de admisión parcial.
En una turbina de reacción, la presión a la entrada del rodete es superior a
la atmosférica y a la salida inferior, el rodete está inundado. Las turbinas
de reacción son de admisión total.
3.2 RUEDA HIDRÁULICA
El tipo de turbina hidráulica más antiguo y simple es la rueda hidráulica,
usada por primera vez en Grecia y empleada durante siglos para moler
cereales. Constaba de un eje vertical con un conjunto de aspas o palas
radiales sumergidas parcialmente en una corriente de agua a gran
velocidad, que generaba una potencia de 0.5 caballos de vapor (CV).
1 MATAIX CARLOS, Mecánica de los Fluidos y Máquinas Hidráulicas Pág.418
88
CENTRALES ELÉCTRICAS
Hacia el siglo II d. C. se
empezó a utilizar en las zonas
montañosas la rueda hidráulica
de empuje superior, donde el
agua se vertía sobre las palas
desde arriba, aumentando su
potencia hasta los 50 CV.
Fig. 3.1 Rueda Hidráulica
3.3 TURBINA FRANCIS
En 1826 Benoit Fourneyron desarrolló una turbina de flujo externo de
alta eficiencia (80%). El agua era dirigida tangencialmente a través del
rodete de la turbina provocando su giro. Alrededor de 1820 Jean V.
Poncelet diseñó una turbina de flujo interno que usaba los mismos
principios, y S. B. Howd obtuvo en 1838 una patente en los EE.UU. para
un diseño similar.
En 1848 James B. Francis mejoró estos diseños y desarrolló una turbina
con el 90% de eficiencia. Aplicó principios y métodos de prueba
científicos para producir la turbina más eficiente elaborada hasta la fecha.
Más importante, sus métodos matemáticos y gráficos de cálculo
mejoraron el estado del arte en lo referente al diseño e ingeniería de
turbinas. Sus métodos analíticos permitieron diseños seguros de turbinas
de alta eficiencia.
La Francis es una turbina de reacción de flujo radial axial. Lleva este
nombre en honor del Ing. James Bichano Francis (1815-1892), trabaja
con cargas de 30 a 550 metros y caudales de 200 a 10 m3/seg, es la más
generalizada del mundo. De acuerdo con la ponderación de la carga sobre
el caudal o viceversa, se originan particulares características de la
máquina, que dan lugar a dos tipos, no siempre definidos, la Francis pura
y la Francis mixta.
TURBINAS HIDRÁULICAS
89
En la Francis puramente radial (Figs. 3.2 y 3.7), prácticamente toda la
transferencia energética de fluido a rotor se efectúa mientras el agua pasa
a través de los álabes, casi todo el tiempo en dirección radial y de afuera
hacia adentro, con un aprovechamiento máximo de la acción centrípeta,
para lo cual se procura siempre dar al agua un recorrido radial
relativamente largo.
Fig. 3.2 Turbina Francis
Se justifica el uso de la Francis pura en los saltos de agua con cargas
relativamente grandes y caudales relativamente reducidos.
En la Francis mixta (Fig.3.4), el agua recorre los álabes en dirección
radial y de afuera hacia adentro sólo en una parte de los mismos,
terminando el agua su recorrido en dirección axial en cuya fase trabaja
como turbina axial. La ponderación de la acción radial y de la axial puede
establecerse en forma gradual según las exigencias de la carga y el caudal
disponible. La Francis mixta tiene aplicación en saltos de agua de cargas
medianas y bajas, con caudales medianos y relativamente grandes.
90
CENTRALES ELÉCTRICAS
Fig. 3.3 Rodetes turbina Francis Mixta
3.4 CARACOL DE LA TURBINA FRANCIS
La carcasa, caja espiral o caracol (Fig. 3.4), es un ducto alimentador, de
sección circular y diámetro decreciente, que circunda el rotor, procurando
el fluido necesario para la operación de la turbina.
Fig. 3.4 Caracol
3.5 DISTRIBUIDOR DE UNA TURBINA FRANCIS
El distribuidor lo constituye una serie de álabes directores en forma de
persiana circular (Fig. 3.5), cuyo paso se puede modificar con la ayuda de
un servomotor, lo que permite imponer al fluido la dirección de ataque
exigida por el rodete móvil y además regular el gasto de acuerdo con la
potencia pedida a la turbina, desde valores máximos hasta un valor cero.
TURBINAS HIDRÁULICAS
91
En el distribuidor se transforma parcialmente la energía de presión en
energía cinética.
Fig. 3.5 Distribuidor y álabes del distribuidor de una turbina Francis
Fig. 3.6 Distribuidor en posición abierto y cerrado
3.6 RODETE
El rodete móvil o rotor está conformado por los propios álabes, los cuales
están engastados en un plato perpendicular al eje de la máquina, de cuyo
plato arranca siguiendo la dirección axial, tomando en forma progresiva
un alabeo y abriéndose hacia la dirección radial, con lo que el conjunto
presenta forma abocardada, tanto más acentuada cuanto mayor sea la
acción axial exigida a la turbina. Los alabes se ciñen por su extremo final
a un zuncho en forma de anillo.
92
CENTRALES ELÉCTRICAS
Fig. 3.7 Rodete de Turbina Francis)
3.7 TUBO DE DESFOGUE
El tubo de desfogue o difusor da salida al agua de la tubería y al mismo
tiempo procura una ganancia en carga estática hasta el valor de la presión
atmosférica, debido a su forma divergente. Se tiene así a la salida del
rotor una presión más baja que la atmosférica y, por tanto, una gradiente
de presión dinámica más alta a través del rodete. Su forma puede ser
simplemente cónica (tubo Moddy) o más compleja cuando es acodada
(cónico, elíptica, cuadrangular), esta última permite colocar el rodete
móvil más próximo al nivel de aguas abajo, exigencia que se tiene
especialmente en las máquinas de velocidad específica alta (Francis
mixtas).
Fig. 3.8 Esquema general de turbina Francis con tubo de salida a contrapresión
TURBINAS HIDRÁULICAS
93
3.8 GRADO DE REACCIÓN 2
El grado de reacción cuantifica la proporción de carga estática
aprovechada sobre la carga efectiva total, viene dado por la expresión:
U12  U 22 Vr22  Vr21

2g
2g
GR  2
2
2
2
V1  V2 U1  U 2 Vr22  Vr21


2g
2g
2g
U12  U 22  Vr22  Vr21
GR  2
V1  V22  U12  U 22  Vr22  Vr21
En la turbina Francis el grado de reacción está siempre comprendido
entre cero y uno y, por lo general, próximo a un medio. Para la Francis
pura la velocidad específica es baja y relativamente es bajo el grado de
reacción. La carga dinámica es alta por ser relativamente alta la carga en
este tipo de turbinas, dando lugar a velocidades absolutas de entrada altas,
ya que estas son proporcionales a la carga. En la Francis mixta sucede lo
contrario, las cargas son proporcionalmente más bajas, las velocidades
específicas más altas y el grado de reacción más alto.2
3.9 DIAGRAMAS DE VELOCIDADES A LA ENTRADA Y
SALIDA DEL ROTOR2
En la figura 3.9 se muestra el diagrama de velocidades mencionado.
La ecuación de Euler de la transferencia es:
E
1
U1VU 1  U 2VU 2 
g
La velocidad relativa a la entrada Vr1 queda definida por el vector V1 de la
velocidad absoluta y el vector U1 de la velocidad de arrastre, de acuerdo
con la ecuación vectorial:
2 POLO ENCINAS MANUEL, Turbomáquinas Hidráulicas, Edit. Limusa 1975
94
CENTRALES ELÉCTRICAS
V1  U1  Vr1
A la salida del agua del rotor, la velocidad V2 conviene que sea radial o
casi radial, para evitar circulación del fluido innecesaria y pérdidas de
energía. Para ello los valores de la velocidad de arrastre U2 y la relativa
Vr2 que condiciona el álabe deben ser de la magnitud y dirección que
exige la ecuación vectorial.
Fig. 3.9 Diagrama de velocidades a la entrada y salida del rotor de una turbina
Francis.
V2  U 2  Vr 2
Esto se logra con un diseño adecuado del álabe que ha de girar a una
velocidad determinada.
Las dimensiones de D1 y D2 se relacionan con la carga y con la velocidad
de giro a través de los coeficientes 1 y 2 de la velocidad tangencial para
condiciones a la entrada y salida del rotor o sea:
95
TURBINAS HIDRÁULICAS
1 
U1
 ND1

2 gH
2 gH
2 
U2
 ND2

2 gH
2 gH
Valores de estos coeficientes son obtenidos en función de la velocidad
específica los mismos que se dan en la Fig. 3.10. Estos coeficientes son
muy importantes por que permiten la determinación de los diámetros
buscados.
1
2
1
1
0.5
0,5
0
500
100
200
300 400
500
(Fig 3.10)Valores de 1 en función de NS
0
100
200
300
400
Valores de 2 en función de NS
El distribuidor de las turbinas de reacción está constituido por una serie
de álabes pivotantes que circunda el rotor y que tiene las siguientes
funciones:
Regula el gasto según las exigencias de la potencia, convierte
parcialmente la energía estática en dinámica para que así el líquido pueda
atacar los álabes del rotor y tenga lugar una transferencia energética,
dirige la velocidad absoluta del fluido V1 según las exigencias del gasto
en una dirección determinada 1 que da lugar a una componente radial
Vr1 de acuerdo con las exigencias del gasto, y a una Vu1 tangencial
necesaria para la transferencia de energía del agua al rotor. El ángulo 1
es menor en las francis puras y mayor en las mixtas.
96
CENTRALES ELÉCTRICAS
En la Fig. 3.11 se muestran los diagramas de velocidades a la entrada y
salida del rotor considerando variaciones en el ángulo de ataque a los
álabes por efectos de regulación.
Fig. 3.11 Modificación de los diagramas a la entrada y salida del rotor, con la
regulación
Si la demanda de energía se reduce, el generador debe disminuir la
producción disminuyendo la potencia de la turbina, es entonces cuando
entra en servicio el gobernador que mediante un servomotor mueve el
distribuidor de la turbina actuando de modo que reduce el ángulo 1 a un
nuevo valor '1 con lo cual se modifica la velocidad absoluta V1 en
dirección (aunque no en magnitud, pues esta depende de H que
permanece constante) dando lugar a una reducción de la componente
radial V'R1 y, por tanto, a una reducción del gasto y por ende de la
potencia de la turbina. La velocidad de giro del grupo turbina generador
se conserva, esto es, U1 permanece constante. Pero, como puede
observarse en el gráfico de la dirección de V'r1 ya no responde al ángulo
del álabe 1 sino, a un ángulo inferior, con lo que se produce una
separación del agua del contorno del álabe dando lugar a turbulencias y a
pérdidas de energía que reducen el rendimiento. Este efecto se hace tanto
más notable en las turbinas de reacción de alta velocidad específica con
álabes fijos, como la Francis mixta y la de Hélice.
Si trabajando con potencia parcial se produce separación, operando con
sobrecargas se originan choques contra el álabe, que dan lugar a
vibraciones perjudiciales, en la figura se advierte que al exigir más
potencia a la turbina por alguna sobrecarga del generador, el gasto de
TURBINAS HIDRÁULICAS
97
agua debe aumentarse, o lo que es igual, la velocidad radial debe
aumentar a un valor V"R1; lo cual se logra aumentando el ángulo del
distribuidor a un valor "1, con objeto de variar la dirección de la
velocidad absoluta de entrada a un valor V"1. Al permanecer U1
constante, la velocidad relativa viene dirigida ahora bajo un ángulo mayor
que ß1, produciendo un choque del agua contra el álabe y dando lugar a
una reducción del rendimiento. Las sobrecargas toleradas en la turbina
Francis son del orden del 15 al 20 % sobre las condiciones de diseño.
A la salida los efectos son menos nocivos que a la entrada, pues como se
trata de velocidades subsónicas, el álabe manda al agua y la velocidad
relativa sale siempre en la misma dirección. Sin embargo, como U2
permanece constante para cualquier gasto y la velocidad radial varía su
magnitud en la misma proporción que el gasto, al ser VR1 = VR2 = VR,
resulta que la velocidad absoluta de salida V2 se sale de la dirección radial
que de ordinario tiene en las condiciones de diseño, apareciendo valores
sensibles de Vu2, que modifican la transferencia de energía; aunque lo
más perjudicial son los efectos de recirculación del agua, que perturban
la descarga y reducen la recuperación de energía en el ducto de desfogue,
disminuyendo el rendimiento global de la turbina.
3.10
TUBO DE DESFOGUE
Sirve para la descarga del agua de una turbina de reacción hasta el socaz,
satisface además una función muy importante como órgano de
recuperación de energía, debido a su forma divergente, produce una
desaceleración del agua que sale de la turbina, su altura física debe ser
menor que el de la columna de agua real equivalente a la presión
atmosférica, para impedir que la vena líquida se rompa en el ducto.
Para la turbina Francis veloz y la Kaplan se utiliza con preferencia la
instalación con eje vertical, debido a que mejora el rendimiento y la
regularidad del flujo, y en la posibilidad de obtener mayor recuperación
de energía cinética a la salida del rodete. También influye favorablemente
en el fenómeno de cavitación, que queda aminorado por el hecho de ser
posible la colocación del rodete a muy pequeña altura sobre el nivel del
agua del socaz y en algún caso bajo el nivel del mismo, como es
necesario para las turbinas de alta revolución específica.
98
3.11
CENTRALES ELÉCTRICAS
TURBINAS KAPLAN
Fig. 3.12 Turbinas Kaplan
La Kaplan es una turbina hélice de álabes ajustables, de manera que la
incidencia del agua en el borde de ataque del álabe pueda producirse en
las condiciones de máxima acción, cualesquiera sean los requisitos del
caudal y la carga.
Las turbinas hélice que tienen álabe fijo justifican su instalación en los
casos en que las variaciones de potencia no sean considerables. Víctor
Kaplan (1876-1934) concibió la idea de corregir el paso de los álabes
automáticamente con las variaciones de potencia.
Una técnica constructiva de las turbinas hidráulicas poco desarrollada a
comienzo de siglo, hacía concebir la idea de Kaplan como irrealizable.
Pero, con el avance del siglo avanzaba el desarrollo tecnológico y la idea
de Kaplan fue imponiéndose en el mundo entero. La turbina Kaplan
encuentra aplicación en una gama de cargas que varía aproximadamente
de 1 a 90 m. si se incluyen a las turbinas tubulares o de bulbo, que
también son de hélice con paso variable.
TURBINAS HIDRÁULICAS
Fig. 3.13 Alabes ajustables3
99
Fig.3.14 Alabes Directores3
Fig. 3.15 Alabes de una turbina Kaplan
3.12 ÓRGANOS PRINCIPALES DE UNA TURBINA KAPLAN
Al igual que en la Francis son: el caracol, distribuidor, rodete móvil y
tubo de desfogue; las funciones de éstos órganos son las mismas que se
describieron para la turbina Francis.
La cámara de alimentación suele ser de concreto en muchos casos, debido
a la gran capacidad de gasto que admite la turbina Kaplan. La sección
3 Zooppeti Gaudencio. CENTRALES HIDROELÉCTRICAS, Edit. G.Hill 1974
100
CENTRALES ELÉCTRICAS
toroidal puede ser circular o rectangular como el mostrado en la figura
3.16
El distribuidor, que sigue a la cámara de alimentación, regula el gasto y
además imprime al agua el giro necesario para el ataque adecuado del
agua a los álabes. Los álabes del distribuidor se ajustan automáticamente
de acuerdo a las necesidades de la potencia.
El rotor de la turbina, de forma de hélice, está constituido por un robusto
cubo, cuyo diámetro es del orden del 40 al 50 % del diámetro total al
extremo de los álabes, en el cual van empotrados los mismos. Los álabes
del rotor tienen perfil de ala de avión y desarrollo helicoidal. El perfil de
ala permite obtener una acción útil del agua sobre el álabe en el
movimiento que aquella tiene respecto a éste, la forma helicoidal o alabeo
se justifica, en virtud de que la velocidad relativa del flujo varía en
dirección y magnitud con la distancia al eje de giro, debido a que la
velocidad de arrastre (U1 = w R1), se modifica en magnitud con el radio.
El tubo de desfogue es casi siempre acodado y semejante al de una
turbina francis.
Fig. 3.16 Corte
longitudinal
de
una
turbina
Kaplan
con
sección toroidal
rectangular4
3.3.2 ENERGIA TRANSFERIDA
De fluido a rotor tiene la expresión:
4 Zooppeti Gaudencio. CENTRALES HIDROELÉCTRICAS, Edit. G.Gili 1983
TURBINAS HIDRÁULICAS
E
101
1
U1VU 1  U 2VU 2 
g
3.3.3 GRADO DE REACCIÓN
Queda expresado por:
GR 
1
V  V22
1
V  Vr21
2
1
2
r2
3.3.4 FACTOR DE UTILIZACIÓN
Se define por:
V12  V22
E


V22 V12  GRV22
E
2g
3.13 DIAGRAMA DE VELOCIDADES A LA ENTRADA Y
SALIDA DEL ROTOR5
La figura 3.17 muestra el álabe de una turbina Kaplan en sección normal
a la dirección radial. El agua procedente de la cámara de alimentación y
guiada por los álabes del distribuidor, gira en vórtices libres en la zona
existente entre el distribuidor y el rotor, hasta alcanzar a este último,
atacando el álabe con una velocidad absoluta V1, que es variable en
magnitud y dirección para cada punto del borde de ataque del álabe. Si la
velocidad tangencial del álabe en ese punto es U, la velocidad relativa del
fluido respecto al álabe será Vr1, cerrando el trío vectorial correspondiente
a la ecuación vectorial.
V1  U  Vr1
La Vr1 debe incidir sobre el álabe de forma que se logre una máxima
acción del agua, evitando separación o choques, que reduzcan el
rendimiento. El ángulo de incidencia  se fija por la velocidad media
relativa Vmr y la cuerda.
5 POLO ENCINAS MANUEL, Turbomáquinas Hidráulicas, Edit. Limusa 1975
102
CENTRALES ELÉCTRICAS
Fig. 3.17 Diagramas de velocidades a la entrada y salida del álabe de una
turbina kaplan.
La magnitud de la componente axial a la entrada Va generalmente se
conserva a la salida de las máquinas axiales. La velocidad absoluta a la
salida V2 se procura que sea axial o con una componente giratoria
mínima, a fin de tener un buen desfogue y para reducir su magnitud,
aumentando el coeficiente de utilización. Como la velocidad tangencial
del álabe U es la misma pues los dos puntos de entrada y salida están a la
misma distancia del eje se tendrá que diseñar el borde de fuga de forma
que la componente relativa Vr2 cierre el triángulo vectorial
correspondiente a la ecuación
V2  U  Vr 2
Ya que en velocidades subsónicas, como es el caso del agua en las
turbinas hidráulicas, el álabe manda al fluido en la salida y la Vr2 saldrá
tangente al álabe.
La curvatura del álabe definida por el ángulo  para Va constante, hace
que V2 < V1 y Vr2 > Vr1, con el fin de tener un aprovechamiento de la
carga dinámica y de la carga estática del agua.
103
TURBINAS HIDRÁULICAS
El diseño de los álabes suele hacerse para el 80% de la capacidad del
gasto de la turbina, ya que en estas condiciones se favorece el
rendimiento global del álabe en las diferentes condiciones de carga
parcial o sobrecarga. Para las condiciones de diseño la apertura del
ángulo del distribuidor suele ser de 45º, pudiendo variar entre 20º y 50º
en términos generales.
El alabeo de los bordes de ataque y de fuga se define por los valores de
los ángulos ß1 y ß2 a lo largo de dichos bordes.
Fig. 3.18 Diagramas de velocidades a la entrada y a la salida
tan 1 
Va
U  Vu1
; tan  2 
Va
U
Siendo
Va 
Q
; U   ND
A
La componente giratoria Vu1 se calcula en cada punto de la zona de
vórtices libres, que precede al rotor, aplicando el principio de
conservación del momento de la cantidad de movimiento.
En la sección de salida del distribuidor se puede conocer la componente
de giro Vua y el radio Ro. El momento de la cantidad de movimiento sobre
la unidad de masa será Vuo Ro, que será constante en toda la zona de
vórtices libres, pues no hay momento exterior en esta zona. Por lo tanto si
se designa por el subíndice 1 la sección de ataque del agua al rotor se
tendrá:
Vuo Ro = Vu1 R1 = Constante
104
CENTRALES ELÉCTRICAS
Donde R1 puede variar del cubo al extremo del álabe y en consecuencia
Vu1 varía también, pero en forma opuesta a R1, para conservar el valor
constante del producto. Como Va es constante, resulta que tan ß1 varía
con U y con Vu1, o lo que es igual con el radio.
En el borde de fuga el cambio de tan ß1 varía con U = ND el cual tiene
valores diferentes a distintos diámetros, para una misma velocidad de
giro.
3.14 DIÁMETRO DE LA HÉLICE
En la turbina axial el diámetro es único, cuyo valor se fija por la
experiencia a través de fórmulas empíricas, entre ellas la siguiente
D
68  HP
H
3.15 VELOCIDAD DE GIRO
Viene dada por
3
950 H 4
N
HP
La relación entre la altura del distribuidor y el diámetro de la hélice B/D
es del orden de 0,4.
3.16 TURBINAS BULBO, TUBULARES Y DE POZO PARA
CARGAS MÍNIMAS Y GRANDES CAUDALES
Buscando condiciones económicas favorables para el aprovechamiento de
energía del agua, los ingenieros han fijado siempre su atención en los
saltos de mediana y gran altura. Se han desarrollado así potentes turbinas,
tratando de concentrar cada día, mayor potencia en una sola unidad; lo
que ha obligado necesariamente, a proyectar máquinas de grandes
dimensiones. Se menospreciaban los aprovechamientos de pequeñas
cargas 5, 10 y hasta 15 metros por resultar incosteables con el empleo de
turbinas convencionales Francis e incluso Hélice o Kaplan, debido
fundamentalmente, a las profundas y costosas excavaciones.
TURBINAS HIDRÁULICAS
105
Pero la creciente demanda de energía estaba obligando a pensar en toda
clase de aprovechamientos. Si las máquinas convencionales no
satisfacían, sería necesario idear otros tipos. Es así como aparecieron, en
los pasados años, las turbinas bulbo, las tubulares y las de pozo, que
permitían aprovechar caídas de 1 a 15 metros.
La particularidad fundamental en todas ellas, es que el eje se ha dispuesto
en la dirección horizontal o casi horizontal, a fin de reducir las
dimensiones en vertical y, por tanto, las excavaciones; circunstancia ésta
que se presenta en la turbina Kaplan de eje vertical, a la cual podría
recurrirse en los casos de pequeñas cargas.
En estos nuevos tipos, desaparece la cámara espiral o caracol,
practicándose la alimentación directamente desde el embalse por medio
de un tubo de aspiración rectilíneo, que manda el agua sobre el rotor de la
turbina a través de unas paletas directoras. El rotor tipo hélice con álabes
fijos o ajustables, tiene su eje en la misma dirección del ducto, facilitando
el paso de grandes caudales de agua, la descarga se logra por una
continuidad del mismo ducto, en forma análoga al desfogue de una
turbina de reacción convencional. Sólo en el tipo de turbina tubular se
hace necesario un cambio en la dirección del ducto en la descarga para
dar salida al eje del generador.
Fig.3.19 Turbina Tubular
106
CENTRALES ELÉCTRICAS
En la TURBINA TUBULAR (Fig 3.19), en efecto, el generador va
instalado al exterior, fuera del ducto del paso del agua. Esto reduce el
costo del generador, que puede ser así de tipo convencional, aunque
presente algunos problemas de vibración en el sellado de la flecha, por
mayor longitud de vibración y de desfogue.
En la TURBINA DE TIPO BULBO (Fig.3.20), el generador está
encerrado en un recinto metálico estanco, que generalmente precede al
rotor, apareciendo el conjunto como una pera o bulbo, de donde deriva su
nombre. Para el acceso al generador, así como para el paso de las
conducciones y servicios, se dispone de un ducto o chimenea que
comunica con el exterior. Este sistema es ligeramente más costoso, pues
requiere el empleo de generadores de diseño especial, pero tiene la
ventaja de que se facilita el desfogue, incrementándose la energía
recuperada en el mismo.
Fig. 3.20 Turbina tipo Bulbo
En el TIPO POZO, (Fig. 3.21) el generador se independiza del rotor de
la turbina por medio de muros de concreto, manteniéndolo en el mismo
eje de la turbina o desplazándolo transversalmente.
En este último caso la transmisión de la potencia se efectúa por medio de
un multiplicador, pudiéndose hacer uso de generadores más económicos.
La obra de fábrica es un poco más complicada y por ello su uso es más
limitado. El rendimiento de este tipo de turbinas es tan satisfactorio o
superior al de una turbina Kaplan, particularmente en aquellos casos en
los que se disponen álabes ajustables en el rotor y en los portillos de
acceso del agua al rotor. Además el ducto rectilíneo de alimentación y de
desfogue reduce al mínimo las pérdidas de energía en el flujo. La curva
TURBINAS HIDRÁULICAS
107
de rendimiento se mantiene así casi plana, a un nivel aproximado del
90%, para diferentes valores de potencia.
Fig. 3.21 Turbina tipo pozo
3.17
TURBINA DE FLUJO CRUZADO (CROSS FLOW)
Fig. 3.22 Esquema de la turbina de flujo cruzado (Cross Flow)
108
CENTRALES ELÉCTRICAS
Fig. 3.23 Turbina de flujo cruzado y rodete
Fig. 3.24 Turbinas de flujo cruzado
La turbina de Flujo Cruzado (Cross Flow) es de construcción simple, esto
le da, la característica muy importante de poder ser construida sin mucha
tecnología. Las dos partes principales de una turbina Cross Flow son el
rotor o rodeta y el conjunto de elementos que conforman la carcasa,
ambas piezas se hacen con lámina de acero soldada y requieren cierto
fresado, lo único que se necesita es un equipo de soldar y un taller de
máquinas como los que se utilizan para reparar maquinaria agrícola y
piezas automotrices.
La eficiencia de la turbina de Flujo Cruzado (Fig. 3.25) es del 80% y
mayor, y por ende es apropiada para pequeñas centrales generadoras
hidroeléctricas. La regulación del flujo y el control del regulador central
del boquerel, se realiza mediante un mecanismo de cierre, en la forma de
una compuerta. Los reguladores son costosos, pero resultan
indispensables para hacer funcionar un generador de corriente alterna.
TURBINAS HIDRÁULICAS
109
Fig.3.25 Rendimiento de la turbina de Flujo Cruzado 6
Para caídas elevadas la turbina de Flujo Cruzado se conecta a una tubería
de carga con una válvula de entrada a la turbina. Esto requiere de un tipo
de disposición diferente que el empleado para caídas bajas.
La turbina es única por que sus anchuras de boquerel y del rotor pueden
ajustarse a las condiciones de caída e índices de flujo. Su adaptabilidad,
simplicidad y bajo costo hacen que sea la más apropiada de todas las
turbinas hidráulicas para pequeños sistemas de generación. Puede
aplicarse a caídas de 1 a 200 metros y caudales de 0,02 a 8 m3/seg.
Funciona eficientemente con cargas bajas de agua y su rendimiento es
superior al de una turbina Francis. Cuando dividimos la paleta de la
turbina en tres partes iguales, podemos hacer funcionar hasta con un 10%
del factor de carga, y producir mayor energía en Kw que en las otras
turbinas.
6 Nozaki Tsuguo. GUÍA PARA LA ELABORACIÓN DE PEQUEÑAS CENTRALES
HIDROELÉCTRICAS JICA 1980
110
CENTRALES ELÉCTRICAS
La rueda de la turbina de flujo cruzado no puede funcionar dentro del
agua y debe colocarse tomando de 1 a 3 metros del eje de la turbina hasta
el nivel del agua del canal de descarga. El flujo de agua de la turbina de
Flujo Cruzado se muestra en la Fig. 3.26
Fig. 3.26 Flujo de agua
El agua es accionada dos veces en las paletas de la rueda, la transferencia
de energía es de 72% en la primera acción y 28% en la segunda. El flujo
de agua cruza la rueda, de ahí proviene el nombre de Flujo Cruzado.
3.18
TURBINA TIPO PELTON
Fig.3.27 Pelton eje vertical
Fig. 3.28 Pelton eje horizontal
El álabe tiene la forma de doble cuchara Fig. 3.29, con una arista
diametral sobre la que incide el agua, produciéndose una desviación
TURBINAS HIDRÁULICAS
111
simétrica en dirección axial, buscando un equilibrio dinámico en esta
dirección por ser el ataque del agua en sentido tangencial; por tener el
fluido un recorrido axial en su paso por el álabe, se clasifica entre las
máquinas de tipo axial.
Arista
Borde
Estrados
Parte
externa
Intrados
Parte
interna
Borde
Nervadura
Entalladura
Fig. 3.29 Álabe de Turbina Pelton
Las turbinas de impulso o acción tienen la peculiaridad de aprovechar
solamente la energía cinética del fluido; no existe pues, gradiente de
presión entre la entrada y la salida de la máquina. El grado de reacción es
cero.
En la turbina Pelton la energía cinética del agua, en forma de chorro libre,
se genera en una tobera colocada al final de la tubería de presión. La
tobera está provista de una aguja de cierre para regular el gasto,
constituyendo el conjunto el órgano de regulación y alimentación de la
turbina.
Fig. 3.30 Ruedas Pelton
112
CENTRALES ELÉCTRICAS
Fig.3.31 Turbina Pelton de 4 chorros y eje vertical.
Las turbinas pueden tener eje horizontal o vertical; en la disposición de
EJE HORIZONTAL el número de chorros por rueda se reduce
generalmente a uno o dos, por resultar complicada la instalación en un
plano vertical de las tuberías de alimentación y las agujas de inyección.
La rueda queda sin embargo más accesible para su inspección, lo mismo
que los inyectores. Encuentra así aplicación si se tienen aguas sucias que
producen deterioros o notable acción abrasiva, con esta disposición se
hace posible instalar turbinas gemelas.
La disposición con EJE VERTICAL permite aumentar el número de
chorros por rueda a cuatro o seis pudiendo incrementarse el caudal y
tener mayor potencia por unidad, las excavaciones disminuyen pero la
inspección y reparaciones se hacen más difíciles por lo que se recomienda
su uso con aguas limpias, con eje vertical se permiten mayores potencias.
(Fig. 3.32).7
7 POLO ENCINAS MANUEL, Turbomáquinas hidráulicas Edit. Limusa 1974 Pag. 197
TURBINAS HIDRÁULICAS
113
Fig. 3.32 Ruedas Pelton de cuatro y
seis Chorros
3.19 CARACTERÍSTICAS DEL RODETE
El rodete Pelton está constituido por un disco de acero con álabes
periféricos en forma de doble cuchara, estos pueden estar fundidos con el
disco en una sola pieza, o individualmente sujetándose después al disco
por medio de bulones.
El material de los álabes, debe resistir la fatiga, la corrosión y la erosión,
utilizándose para tal efecto; grafito laminar, acero, carbono aliado con
níquel, aceros con cromo o aceros austeno ferríticos, materiales que
presentan gran resistencia a la cavitación y abrasión. El material del disco
de la rueda es de acero fundido o forjado.
Es importante señalar que el número de chorros incide directamente en el
tamaño de la rueda, correspondiendo un diámetro menor de la rueda para
un número de chorros mayor.
El NÚMERO DE ÁLABES suele ser de 17 a 26 por rueda, para alta
velocidad específica el número de álabes es menor, en cambio, si la
velocidad específica es alta es que el caudal es grande, lo que exige
álabes mayores, y por tanto, caben menos en la misma periferia de la
rueda. Dicho número se calcula mediante la expresión:
Na 
D
 15
2d
114
CENTRALES ELÉCTRICAS
Donde Na es el número de álabes; D el diámetro de la rueda y d el
diámetro del chorro.
La arista media del álabe no es completamente radial, sino que está
ligeramente inclinada con relación a la dirección del chorro.
El ancho de los álabes b está comprendido entre 3,5 y 4 veces el diámetro
del chorro.
El ancho axial de la carcasa cerca de la tobera no debe ser menor que
15 d, de otra manera el agua rechazada impediría el movimiento de los
álabes (cangilones).
3.19.1 FORMA Y DIMENSIONES DE LOS ÁLABES
Las dimensiones del álabe son
proporcionales al diámetro del
chorro; este a su vez es función
del diámetro de la rueda y la
velocidad específica. El valor de
d (diámetro del chorro) está entre
el 5% y 12% aproximadamente
del valor de D (diámetro de la
rueda), según el autor Manuel
Polo Encinas, de acuerdo a Viejo
Zubicaray el valor D/d no debe
ser menor
Fig. 3.33 Ángulo del álabe
a 12, excepcionalmente puede llegar a 7. Sin contradecir a ambos autores
podría tomarse el valor de 9 para efectos de solucionar problemas.
Se toma como diámetro de la turbina Pelton el diámetro de un círculo que
pasa por el centro del álabe y es tangente a la línea de centros de la
tobera.
El ángulo que forman las dos caras interiores del álabe, (Fig. 3.33) debe
ser el mínimo posible, pero, para no debilitar demasiado el mismo, los
constructores recomiendan que sea del orden de 200. El ángulo de salida ß
115
TURBINAS HIDRÁULICAS
debe estar entre 8o y 12o grados en la parte media del álabe, ya que de
reducirse se presenta el peligro de recirculación y de choque del agua
contra la cara posterior del álabe siguiente.
Como la energía cinética del agua del chorro decrece con la distancia al
orificio de salida, conviene colocar los inyectores lo mas cerca posible
del rodete, para lo cual se produce en los álabes una entalladura en la
parte periférica, la que además impide que el agua salpique por el borde
de la cuchara e incluso que la ataque por la parte posterior.
3.19.2 DIAGRAMAS DE VELOCIDADES
TRANSFERIDA EN FUNCION DE 
Y
ENERGIA
Fig.3.34 Diagramas vectoriales a la entrada y salida de una turbina Pelton.
En la figura 3.34 se presenta el corte de un álabe de una turbina Pelton,
en él se tienen: Vr1 velocidad relativa, U1 Velocidad tangencial del álabe
y V1 Velocidad absoluta, donde:
V1 = U1 + Vr1
A la salida, la dirección de la velocidad relativa esta definida por el
ángulo  (se toma como promedio 165º ;  = 180º- ). Ya que se trata de
una máquina axial, la ecuación vectorial es:



V2  U 2  Vr 2
Vu 2  U 2  Vr 2 cos(180º )
116
3.20
CENTRALES ELÉCTRICAS
TURBINA TURGO
La turbina Turgo es una turbina hidráulica de impulso diseñada para
saltos de desnivel medio. Fig. 3.35
Fig. 3.35 Turbina Turgo
Fue desarrollada por la compañía Gilkes en 1919 a partir de una
modificación de la turbina Pelton; la Turgo tiene varias ventajas sobre la
turbina Francis y la Pelton en determinadas aplicaciones.
En primer lugar, el rodete es más barato de fabricar que el de una Pelton.
En segundo lugar no necesita una carcasa hermética como la Francis. En
tercer lugar tiene una velocidad específica más elevada y puede manejar
un mayor flujo para el mismo diámetro que una turbina Pelton,
conllevando por tanto una reducción del costo del generador y de la
instalación.
TURBINAS HIDRÁULICAS
117
Las Turgo operan en un rango de desniveles en el que se solapan las
turbinas Francis y Pelton. Aunque existen muchas grandes instalaciones
con turbinas Turgo, estas son más populares para pequeñas instalaciones
hidráulicas en donde el bajo coste es primordial.
La turbina Turgo es una turbina de tipo impulso. El agua no cambia de
presión cuando pasa a través de los álabes de la turbina. La energía
potencial del agua se convierte en energía cinética en la tobera de entrada
o inyector. El chorro de agua a alta velocidad es dirigido contra los álabes
de la turbina que lo desvían e invierten el flujo. El impulso resultante
hace girar el rodete de la turbina, comunicando la energía al eje de la
turbina. Después de todo esto el agua sale con muy poca energía. Los
rodetes de una turbina Turgo pueden tener un rendimiento por encima del
90%.
El rodete de una Turgo se parece a un rodete Pelton partido por la mitad.
Para la misma potencia, el rodete Turgo tiene la mitad del diámetro que el
de un rodete Pelton y dobla la velocidad específica. El turgo puede
manejar un mayor flujo de agua que el pelton debido a que el agua que
sale no interfiere con las paletas adyacentes.
La velocidad específica de los rodetes Turgo se encuentra situada entre la
de las turbinas Francis y Pelton. Se pueden usar una o varias toberas o
inyectores. Incrementando el número de inyectores se incrementa la
velocidad específica del rodete en la raíz cuadrada del número de chorros
(cuatro chorros rinden dos veces la velocidad específica de un chorro para
la misma turbina).
3.21 ELECCIÓN DEL TIPO DE TURBINA
La turbina más adecuada debe ser elegida en función de las características
técnicas y económicas que hagan que un tipo determinado resulte en
ventaja frente a otros. La velocidad específica para una turbina dada es
una función del caudal que pasa por ella, según el cual presentará
diferentes características.
Se puede elegir la turbina más apropiada en función de los valores
específicos que se obtienen al estudiar el funcionamiento de una turbina
en diferentes condiciones de servicio, por ejemplo, variando H, Q, etc., o
comparando el funcionamiento de turbinas análogas unas con otras. Estos
valores se han introducido rápidamente en todas las explotaciones y son
118
CENTRALES ELÉCTRICAS
aplicadas en la práctica por que dan clara idea sobre la aplicación de los
tipos y formas de turbinas, de esta forma se va obteniendo un caudal
específico, una potencia específica y una velocidad específica, datos que
permiten recurrir a tablas o gráficos para definir el tipo de turbina más
apropiado. La velocidad específica se calcula con la expresión:
Ns 
N CV
H
5
4
La velocidad específica de una serie homóloga de turbinas se define
como la velocidad de una máquina de la serie de tal tamaño que produce
una potencia unidad con una altura unidad.
Los autores, Zooppeti Judez, Viejo Zubicaray y Polo Encinas ofrecen
diferentes métodos para la elección de la turbina más apropiada, Tsuguo
Nozaki añade las turbinas de flujo cruzado en los criterios de elección.
3.22
REGULADORES AUTOMÁTICOS DE TURBINAS8
Fig. 3.36 Gobernador
8 ZOOPPETI, Centrales Hidroeléctricas Edit. Gustavo Gili 1974 Pag.147 y siguientes
TURBINAS HIDRÁULICAS
119
Cuando se produce una variación de carga en la turbina, es decir, cuando
se modifica el par resistente que actúa sobre la misma, según se trate de
un aumento o disminución de dicho par, la turbina reducirá o aumentará
el número de revoluciones con que estuviese en funcionamiento antes de
producirse la variación de carga. Es preciso, por consiguiente, adaptar el
trabajo motor al resistente graduando convenientemente la entrada de
agua, para que subiendo o bajando el caudal utilizado se disponga en cada
momento de la potencia requerida y con ello se obtendrá salvo ligera
variación, el número de revoluciones de funcionamiento normal de la
turbina.
Para la regulación de las turbinas se utiliza el regulador centrífugo
(Fig. 3.37) que recoge las variaciones de velocidad producidas y cuyo
desplazamiento del manguito puede actuar sobre el mecanismo de
apertura y cierre de la entrada de agua. En los reguladores que actúan por
la fuerza centrífuga, cuanto mayor es el número de revoluciones, más
elevada es la posición del manguito, y por ello este, en su movimiento
vertical, arrastra el mecanismo que actuará sobre la regulación del agua
que penetra en la turbina. Cuando a una situación cada vez más elevada
del manguito corresponde mayor número de revoluciones de la máquina
se llaman REGULADORES ESTÁTICOS.
Los mecanismos de
cierre de las turbinas,
exigen la actuación de
esfuerzos muy superiores
a los que pueden
obtenerse
con
un
regulador centrífugo, y
por ello, este actúa sobre
un ligero mecanismo de
la distribución de un
servomotor,
que
se
mueve a su vez por aceite
a presión suministrado
por una bomba.
Fig. 3.37 Regulador centrífugo.
120
CENTRALES ELÉCTRICAS
Para obtener una regulación estable, es necesario que el efecto del
regulador sea tal que reaccione lo más rápidamente posible al presentarse
el efecto perturbador.
Esto tiene lugar únicamente con el sistema de regulación estática, por que
el trabajo absorbido o cedido durante la maniobra, tiene el efecto de
reducir el desequilibrio de potencia y por ello de reaccionar contra la
causa perturbadora.
a
Fig. 3.38 Esquema de funcionamiento del regulador de velocidad de una
turbina.
El conjunto de la instalación reguladora (Fig. 3.38) está formado por una
bomba rotativa que envía aceite a presión a una válvula distribuidora.
Esta válvula es movida por un péndulo centrífugo y, según sea en éste el
número de revoluciones, la válvula se moverá en uno u otro sentido,
enviando el aceite recibido de la bomba a una u otra cara del émbolo de
un servomotor que actúa sobre el distribuidor de la turbina abriendo o
cerrando la entrada de agua. En la figura, la palanca a,b,c tiene un
extremo sobre el collar del péndulo y el otro en un punto fijo c. El punto
b intermedio por apropiada articulación, une la palanca con el vástago de
la válvula distribuidora a palanca a-b-c, tiene el punto de giro c fijo, y al
aumentar las revoluciones del péndulo centrífugo a, tomará aquella una
posición inclinada, la válvula distribuidora se desplazará y permitirá el
ingreso del aceite a presión en la parte izquierda del cilindro del
TURBINAS HIDRÁULICAS
121
servomotor (y por el movimiento de este el cierre de la turbina) con lo
cual las revoluciones disminuirán, volviendo a ocupar nuevamente la
palanca la posición a-b-c y la válvula su posición media, a la que
corresponde igual número de revoluciones de la máquina, y después de
haber efectuado el cierre del distribuidor de la turbina a la proporción
necesaria para equilibrar los trabajos motor y resistente.
Con tal sistema la regulación es isodrómica, (la velocidad permanece
constante para cualquier potencia) por que existe una sola posición de a
que asegure la posición media de la válvula distribuidora. pero con esta
distribución no es posible obtener una buena regulación por que la
válvula , al bajar, sobrepasa su posición media, es decir, el manguito del
tacómetro baja con más rapidez de la necesaria cuando tiene lugar el
cierre por paralización del émbolo del servomotor. Entonces pasa el
aceite a la parte derecha del cilindro volviendo a abrir la turbina y
repitiéndose el juego de forma que la turbina no alcanza la posición de
equilibrio estable.
En el gráfico se muestra también las variaciones de potencia (P) y de
velocidad (V) en relación con el tiempo (abcisas). Se observa en ella,
que el paso de uno a otro régimen se efectúa con variaciones de velocidad
persistentes y por ello, el regulador es incapaz de alcanzar de modo
estable el nuevo estado de régimen. Este inconveniente se evita
supeditando la situación del punto de giro c al movimiento de avance o
retroceso del émbolo M. En estas condiciones, el punto de giro c tendrá
una altura que dependerá del grado de apertura de la turbina, y como es
natural, ésta ya no podrá funcionar al mismo número de revoluciones
desde vacío a plena carga, porque, como se comprende, para que la
válvula ocupe su posición media, con lo cual el émbolo queda parado, a
diferente altura de c corresponde también diferente altura del collar del
péndulo a, y puesto que este es estático, su número de revoluciones será
diferente y, por tanto, también lo será la velocidad de la turbina.
La disposición empleada con tal objeto es la de la Fig. 3.39. Como se
aprecia en la figura la varilla c-d por intermedio de la cuña A1 A2
montada en el vástago del movimiento del servomotor, hace que se
desplace el punto de giro c para cada posición del émbolo del servomotor,
y para que b ocupe su posición normal se comprende que el punto a del
collar deberá estar más bajo al abrir el distribuidor que al cerrar éste.
122
CENTRALES ELÉCTRICAS
Fig. 3.39 Esquemas de un regulador con retorno rígido externo (Izquierda) y
con retorno rígido interno (Derecha)
La varilla c-d y el mecanismo que acciona, constituyen el dispositivo de
retorno, con el cual la regulación se efectúa en perfectas condiciones.
Con el sistema de regulación estático y con estatismo positivo, las
oscilaciones de velocidad van gradualmente amortiguándose,
apreciándose el mismo en el diagrama del centro. Por efecto del
dispositivo de retorno, a la fase inicial (t0 a t1) sigue la fase de
sobreregulación (t1 a t2) que se detiene antes de retornar a la velocidad
inicial, por cuanto con un grado de apertura menor se obtiene velocidad
de régimen mayor y por ello las oscilaciones se amortiguan, tanto más
rápidamente cuanto mayor es el estatismo.
Este sistema, que tiene elevada estaticidad, no se presta a las exigencias
de los reguladores de corriente alterna, que por la regularidad del servicio
exigen una frecuencia invariable, o lo que es lo mismo, una velocidad
constante. Estos reguladores van provistos de órganos estabilizadores de
la velocidad que permiten obtener una elevada estaticidad al comenzar la
regulación que se reduce a cero al terminar la regulación.
En la práctica se utilizan los reguladores (Fig.3.40) con estabilización
acelerométrica (izquierda) y la estabilización por medio de freno de
catarata (derecha).
TURBINAS HIDRÁULICAS
123
Fig. 3.40 Esquemas de un regulador con estabilización acelero-taquimétrica
(Izquierda) y con estabilización por intervención elástica (Derecha).
En la figura de la izquierda, se utiliza además del tacómetro, un aparato
sensible a la aceleración angular cuya acción es concordante con la del
tacómetro durante la primera fase de la regulación (t0 a t1) y es contraria
durante la fase de contraregulación (t1 a t2). El aparato acelerométrico
puede ser aplicado al punto de giro c de la palanca de maniobra, o
también, con un solo aparato que comprende asimismo el tacómetro,
denominado péndulo acelerotaquimétrico. La acción acelerométrica es
máxima al iniciarse la regulación, cuando la taquimétrica está
prácticamente inactiva, y el afecto antagonista de la misma, es tanto más
enérgico, cuanto más elevada es la variación de carga; este sistema es
muy eficaz para obtener una rápida estabilización.
En el sistema de la derecha, se inserta una varilla del dispositivo de
retorno, un freno-catarata contrastado por un muelle helicoidal; este freno
no interviene durante la fase inicial, por lo cual el punto c está obligado a
seguir el movimiento a que da origen el de la cuña, venciendo de este
modo la acción antagonista del muelle. Seguidamente el aceite de la
catarata trasvasa a través de la llave r que presenta una resistencia y que
puede graduarse, y el émbolo del freno de catarata se mueve hasta el
momento en que el muelle antagonista recobra su posición de equilibrio,
es decir, cuando el punto c alcanza nuevamente su posición inicial
correspondiente a la velocidad de régimen. La acción de este dispositivo
de retorno, flexible, es constantemente reactiva, esto es, en sentido
contrario de la taquimétrica, y depende del tipo de maniobra que tenga
lugar. En el diagrama del centro se observa que las variaciones de
124
CENTRALES ELÉCTRICAS
velocidad en forma de oscilaciones, con este sistema son fuertemente
amortiguadas.
3.23 REGULADOR DE TURBINAS FRANCIS
La Fig. 3.41 representa un corte del regulador donde aparecen numerados
los elementos que lo componen:
Fig. 3.41 Regulador automático de velocidad de una turbina Francis
Está formado por un cárter 1 que contiene aceite y sobre el cual se halla
la bomba 2 movida desde el eje de la turbina por la polea 3. La bomba
envía el aceite a presión a la válvula de distribución 4, que por apropiados
conductos, establece la comunicación con los dos cilindros 5 y 6 del
servomotor. Dentro de estos cilindros se mueven los émbolos 7, que
actúan sobre el árbol de regulación 8, por medio de una manivela 9. La
válvula de distribución 4 se desplaza en el sentido del cierre de la turbina
obligada por un muelle 10, y en el sentido de la apertura por un
servomotor a presión de aceite 11, alimentado por una pequeña bomba
12, arrastrada por el árbol vertical del taquímetro 13. Este árbol es a su
TURBINAS HIDRÁULICAS
125
vez accionado por el engranaje 14 y la polea 15 que recibe por correa el
movimiento, desde el árbol de la turbina. El esfuerzo del muelle 10, viene
en parte compensado por el contrapeso 40.
En la válvula de distribución se encuentran insertas dos válvulas de
seguridad 16 y 17; la más grande 16, comunica con la cámara central, la
cual recibe directamente el aceite de la bomba 2; la otra 17, comunica con
el conducto de aceite a presión de la pequeña bomba 12. Estas dos
válvulas de seguridad pueden abrirse por las manivelas 18 y 19
respectivamente, y en este caso, las bombas, grande y pequeña no pueden
generar presión.
Las oscilaciones pendulares de continuo cierre y apertura de la turbina se
evitan por medio del freno de aceite catarata 20, cuyo cilindro esta unido
a una biela 42, a la palanca fijada sobre el árbol de regulación 8. El
émbolo de dicho freno se encuentra a su vez articulado en la palanca 21
del péndulo y por intermedio de un muelle; el paso del aceite a través del
émbolo del freno compensador se regula por medio de una aguja roscada
y que gira cuando se actúa sobre su cabeza 22.
3.24 REGULADORES DE LAS TURBINAS PELTON
En esta clase de turbinas, la regulación de la velocidad se efectúa por
medio de una aguja 5 (Fig.3.43), la cual avanza o retrocede en el orificio
de salida de la tobera y reduce o aumenta la sección de paso, por lo cual
el caudal que impele la rueda en forma de chorro disminuye o crece y lo
mismo ocurre a la potencia del salto, en el supuesto natural de que la
altura de aquel permanezca constante; pero los fenómenos debidos al
cierre del distribuidor dependen del tiempo empleado en esta operación,
por lo que conviene que este sea largo para evitar las sobrepresiones
debidas al golpe de ariete; sin embargo, la duración del cierre lleva
consigo un aumento de la velocidad en el rotor del alternador y esto
representa un inconveniente.
Con este fin se utiliza la doble regulación, que consiste en desviar parte o
la totalidad del chorro hacia el socaz y esto con suficiente rapidez para
impedir la aceleración excesiva de las masas giratorias: realizado lo cual
se va cerrando la aguja con mayor lentitud.
126
CENTRALES ELÉCTRICAS
El deflector o desviador 20, que se manda directamente desde el
regulador de velocidad, desvía el chorro de agua 2, del rodete 3, en un
tiempo muy reducido y de forma que este no reciba energía. Esta
desviación del chorro tiene lugar, hasta tanto que la aguja 5 haya tomado
la posición correspondiente al nuevo estado. El tiempo invertido en esta
operación debe ser el menor posible y compatible con el necesario para
que el golpe de ariete no dé origen a mayor sobrepresión que la de
antemano fijada.
El émbolo del servomotor 100, actúa de modo que sólo en la apertura
recibe la presión del aceite, y el cierre tiene lugar por el resorte 101.
Cuando se produce en la turbina una reducción de la carga, el aceite sale
de la cámara 102 y el émbolo 100, obligado por el resorte, se desplaza
hacia la derecha.
Con ello por medio de la palanca 103 y el vástago 26, el deflector penetra
en el chorro 2, e interrumpe total o parcialmente la transmisión de energía
del rodete 3.
Fig 3.42 Toberas de turbinas Pelton para regulación del caudal
TURBINAS HIDRÁULICAS
127
Fig. 3.43 Regulador aguja y deflector de turbina Pelton Pelton
El movimiento de giro de la palanca 103, se transmite por el vástago 104
y la rueda de levas 107, la cual gira a su vez por el punto 106 y acciona la
128
CENTRALES ELÉCTRICAS
válvula de distribución 24, que abandona su posición media. De esta
manera puede salir el aceite de la cámara 108 (del émbolo de la aguja) y
a través de la válvula de distribución 24, evacuándose aquel por el
conducto 109 que enlaza con la válvula 24. El resorte impele a la aguja
hacia la posición de cierre y con ello disminuye la potencia generada por
la turbina.
Con el movimiento de la aguja 5, se desplaza la palanca de retorno 21, y
gira la rueda de levas 27, por el punto 107. De este modo la válvula de
distribución 24 vuelve a su posición media e interrumpe la entrada de
aceite en la cámara 108.
El resorte 105 que evita la deformación del varillaje es presionado cuando
la válvula de distribución 24 llega a su posición final, y el vástago 104 se
acorta si la palanca 105 sigue su movimiento giratorio.
3.25 REGULADORES PARA TURBINAS KAPLAN
La regulación de estas turbinas exige que las palas del rodete puedan
moverse para recibir la inclinación conveniente para tal objeto. Por otra
parte, también es necesario, como en las turbinas Francis, abrir o cerrar el
distribuidor para aumentar o disminuir el caudal que pasa por el rodete y
cede a la turbina su energía potencial. El regulador deberá actuar por
consiguiente sobre las palas del distribuidor y sobre los álabes del rodete.
El movimiento del distribuidor (Fig.3.44) se realiza por medio de los ejes
de regulación 230 y 230ª y por la barra 250, que mueven el anillo y con él
las palas distribuidoras. Estos ejes y barras son movidos por el
servomotor del regulador. Por lo que respecta al movimiento de los
álabes del rodete, el aceite es enviado por la distribución del regulador,
mediante apropiadas tuberías, a una caperuza dispuesta en la parte
superior del eje vertical que es hueco, y en el cual se hallan dos cámaras
441 y 442, la primera del lado de apertura y la segunda del lado de cierre.
En el propio árbol citado y debajo del alternador se halla situado el
servomotor para movimiento de las palas del rodete y cuyo mecanismo de
giro de los álabes se acciona por la barra 46. Los números 421 y 422
representan respectivamente los cilindros de apertura y de cierre.
TURBINAS HIDRÁULICAS
129
Se trata pues de una regulación doble y con ella se logra el objeto
perseguido.
Fig. 3.44 Regulador para turbina Kaplan
130
CENTRALES ELÉCTRICAS
En las instalaciones de poca importancia puede efectuarse la regulación
actuando solamente sobre los álabes del rodete.
3.26 REGULADORES ELÉCTRICOS PARA LAS TURBINAS
En reguladores de turbinas, los grandes caudales necesarios al
funcionamiento de éstas llevan consigo ciertas dificultades en sus
respectivos reguladores, ya que los órganos de estabilización deben
cumplir condiciones especiales. Por otra parte, la regulación frecuenciapotencia, cuya importancia va aumentando a medida que se desarrolla la
interconexión de centrales, tiene para los reguladores nuevas exigencias.
Fig. 3.45 Reguladores eléctricos para turbinas.
En la actualidad se emplean los péndulos movidos por medio de un motor
síncrono, que es alimentado por un alternador especial. El conjunto motor
alternador forma como un árbol eléctrico; por ello el péndulo accionado
eléctricamente es en realidad un frecuencímetro y de aquí nació la idea de
medir directamente la frecuencia por medios puramente eléctricos.
TURBINAS HIDRÁULICAS
131
La casa Brown-Boveri ha construido (Fig. 3.45) recientemente un
regulador eléctrico para turbinas, que puede ser utilizado lo mismo como
regulador de estatismo transitorio que como regulador acelerotaquimétrico. Lo que se sustituye pues, es el péndulo, permaneciendo
igual el resto del regulador mecánico. Se evita con ello la transmisión
eléctrica o mecánica, y se cumplen todas las exigencias que precisa la
instalación de centrales.
Los reguladores eléctricos se hallan dotados de gran sensibilidad y
permiten el funcionamiento en paralelo de varias máquinas con estatismo
reducido. Funcionan correctamente
con la regulación frecuencia
potencia. No se gastan ni envejecen elementos importantes y trabajan con
toda seguridad.
El regulador eléctrico de estatismo transitorio está representado
esquemáticamente en la figura 3.45 (izquierda) en ella son: 1 turbina, 2
alternador, 3 alternador piloto, 4 armario para el aparellaje, 5a bobina
móvil, 5b amplificador hidráulico, 6 válvula de distribución piloto, 7
servomotor, 8 válvula de distribución de mando, 9 servomotor principal,
10 válvula de cierre para el paso del agua al rodete, 11 dispositivo de
ajuste de la frecuencia, 12 dispositivo de ajuste de la carga, 13 variómetro
para el circuito proporcional, 14 variómetro para el estatismo, 15
variómetro para el estatismo transitorio, y 16 condensador diferenciador.
En este regulador eléctrico la velocidad viene representada por una
magnitud proporcional a la frecuencia del alternador piloto y medida en
un circuito sensible a la potencia. Después de la amplificación la
magnitud medida alimenta un arrollamiento de la bobina móvil 5a, del
regulador, la cual acciona el dispositivo piloto del amplificador hidráulico
5b, que actúa a su vez sobre la válvula piloto 6. En lugar del retorno
mecánico transitorio, de los reguladores ordinarios, existe un variómetro
15, colocado a la salida del servomotor 7. Este variómetro suministra una
tensión proporcional a la posición que ocupa. Desde que el servomotor 7
se mueve, aparece en el circuito del condensador una corriente transitoria
que se anula y crea por ello un retorno transitorio.
Para el dispositivo de retorno permanente, existe igualmente un
variómetro 14, sobre el servomotor principal. La tensión de salida en este
variómetro se compara con la tensión suministrada por el variómetro 12,
132
CENTRALES ELÉCTRICAS
que sirve para el ajuste de la carga. La diferencia de estas dos tensiones
viene aplicada a otro arrollamiento de la bobina móvil.
La figura 3.45 (derecha) muestra esquemáticamente la estructura del
regulador acelero taquimétrico y en ella los números de los diversos
elementos, tienen la misma significación que los de la figura 3.45
(izquierda). Por no emplearse para la medida de la aceleración ningún
dispositivo mecánico, la acción acelerométrica se puede manifestar de
modo irreprochable, aun para lentas variaciones de frecuencia. Una
limitación de esta acción como para el retorno transitorio, no es necesaria
en este caso. Para la estabilización, la frecuencia del alternador piloto
puede diferenciarse, antes que se transmita al arrollamiento del
amplificador situado en el armario de aparellaje 4.
En la actualidad se han desarrollado reguladores electrónicos que; bajo
los mismos principios expuestos anteriormente efectúan las labores de
regulación con bastante eficiencia.
3.27 CAVITACIÓN 4
Durante el periodo experimental de las turbinas Hélice y Kaplan se
encontró que al aumentar la velocidad específica de la turbina se
producían fenómenos en un principio inexplicables que se hacían
patentes, aun en el caso de turbinas de menor velocidad específica, pero a
las cuales se hacía trabajar con grandes cargas y considerable altura de
aspiración.
La forma como se manifestaban tales fenómenos consistía en una
reducción de la potencia y, por tanto, de la eficiencia de la turbina, así
como en vibraciones y fuertes ruidos provocados por golpes en el interior
del tubo.
Después de muchas dificultades y experiencias infructuosas se encontró
que todo era debido a la formación de hoyos o cavidades que tenían lugar
sobre la cara inferior de los álabes o aspas del rodete móvil. Dichas
cavidades dieron origen al nombre con el cual se conoce el fenómeno
antes dicho, llamado fenómeno de cavitación; la formación de cavidades
en el seno del líquido, definidas por burbujas de vapor dentro de la masa
4 VIEJO Z.–ALONSO R. Energía Hidroeléctrica 1997 Limusa México. Pag 282
TURBINAS HIDRÁULICAS
133
líquida y producidas por una vaporización local a causa de ciertas
condiciones dinámicas, como la alta velocidad específica y
consecuentemente la reducción de la presión local hasta el valor de la
tensión del vapor a la temperatura actual del líquido, se producen en
general, en todo punto en el que se produzca una aceleración local
suficiente para reducir la presión al valor de vaporización.
La cavitación disminuye el rendimiento hidráulico, pero el efecto mas
grave es la erosión de los álabes, que se acentúa más y más una vez
iniciada, obligando a revisiones periódicas de la máquina y reparación de
la parte afectada.
Una burbuja de vapor formada por una reducción local de la presión,
eventualmente se destruye cuando es arrastrada a una zona de más alta
presión y este colapso instantáneo de la burbuja produce una onda de
presión que se transmite a través del líquido, alcanzando la superficie del
material del álabe. Nótese además, que la mayor velocidad relativa se
tiene precisamente en la proximidad de los contornos. Asociada con la
alta presión de impacto se tiene una temperatura local elevada, la
combinación de las cuales puede ser suficiente para deteriorar el material.
La acción química se ha querido señalar como causa del ataque metálico,
pero aunque puede ser un factor que contribuye a la erosión del álabe, se
ha observado que los efectos de cavitación se presentan en materiales
neutros como plomo y vidrio.
La cavitación es esencialmente un proceso inestable, ya que la onda de
presión debida al colapso de la burbuja eleva momentáneamente el nivel
de la presión local, con lo que la cavitación cesa. El ciclo se repite y la
frecuencia puede ser muy alta (hasta por encima de 25000 ciclos por
segundo). Se entiende que bajo tales condiciones de fluctuación, el
líquido es sacudido y empujado hacia los poros del metal, produciendo
compresiones locales que sobrepasan la resistencia del material y dañan
las áreas afectadas.
134
CENTRALES ELÉCTRICAS
Fig. 3.46 Regulador de Watt (Choquetanga)
Fig. 3.47 Gobernador o Regulador de caudal (Punutuma)