Turbina hidráulica

Turbina hidráulica
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transforma la energía mecánica en energía eléctrica

Turbina hidráulica. es un elemento que aprovecha la energía cinética y potencial del agua para producir un movimiento de rotación capaz de transformar la energía mecánica en energía eléctrica.

Reseña histórica

No se sabe con exactitud quién, dónde o hace cuanto tiempo se aprovechó por primera vez la fuerza y energía que posee una corriente de agua, aunque parece probable que la inspiración haya venido de otro uso más antiguo del agua: la irrigación.

Eran empleados diversos medios en los tiempos antiguos para elevar el agua de los ríos a una altura mayor que la de sus márgenes, de donde correría por canales y zanjas a los campos.

Uno de éstos era la rueda persa o saqia que es una rueda grande montada en un eje horizontal con cucharas en su periferia. Estas ruedas pueden verse todavía trabajando en Egipto, acopladas a engranes y movidas por un búfalo, burro o camello. Los antiguos deben haber notado que cuando se desenganchaba la bestia, la corriente tendía a hacer girar la rueda en dirección opuesta, concibiendo así la idea revolucionaria de que la corriente de agua tiene energía y por lo tanto podía hacer trabajo. De todas maneras, las ruedas hidráulicas primitivas no eran diferentes de la saqia y se conectaban con un mecanismo semejante, a una piedra de molino. El inventor se regocijó al hacerse la idea de que evitaría muchas molestias en la molienda de granos, aunque probablemente no vislumbró el alcance que traería a las generaciones posteriores. La primera alusión literaria al invento, hecha por Antiparter de Tesalónica, data de los años 80 a.C. y dice, quitando la afectación lírica:

“Dejad vuestra labor vosotras doncellas que trabajáis en el molino... porque Ceres ha ordenado a las ninfas del agua que hagan vuestra tarea”.

Los romanos conocían y usaban las ruedas hidráulicas como una fuente de fuerza mecánica, y la historia recoge el nombre de Vitruvius como el ingeniero que llevó a cabo tal modificación. Se cree que las guarniciones del muro Adriano, tenían unas cuantas ruedas hidráulicas para mover molinos de trigo; pero quizás porque contaban con abundantes esclavos, los romanos no explotaron la energía de la corriente de agua extensamente. En su imperio, el trigo se molía generalmente en molinos de mano, algunos de los cuales se han encontrado en los sitios donde existieron colonias romanas en Inglaterra.

Fueron los sajones los que popularizaron su uso en la Gran Bretaña. Las evidencias más antiguas encontradas en documentos, son las de una concesión dada por el rey Ethelbert de Kent, tiene la fecha de 762 d.C. La costumbre se difundió rápidamente. En aquella época el oficio del constructor de molinos era viajar por todo el país construyendo molinos nuevos y atendiendo a los que necesitaban reparaciones y era una ocupación importante antes de la conquista de los normandos.

Concepto

Por Turbina, palabra relacionada con el torbellino creado por un fluido, se entiende todo dispositivo mecánico capaz de convertir en trabajo, en la forma de movimiento de rotación, la energía cinética presente en masas de agua, vapor o gas, al encontrarse éstas dotadas de una determinada velocidad de desplazamiento.

La aplicación inmediata del trabajo mecánico desarrollado en la turbina, es la de hacer girar al rotor del generador de energía eléctrica, en el cual se realiza la transformación de la energía mecánica en energía eléctrica. Todo ello, como consecuencia de estar rígidamente unidos, generalmente, los ejes de ambas máquinas, turbina-generador, formando un eje único con el que se obtiene sincronismo de giro entre las mismas, es decir, idéntico número de revoluciones durante espacios de tiempo iguales.

En determinadas máquinas, particularmente en las que proporcionan pequeñas potencias y trabajan con poca altura de salto, se suele disponer un multiplicador de velocidad, instalado entre ambos ejes, a fin de que las dimensiones de! generador sean reducidas.

Turbinas hidráulicas

Expresión que identifica a las máquinas motrices accionadas por el agua, instaladas en tas Centrales Hidroeléctricas. En base a la anterior consideración, podemos decir que turbina hidráulica es la máquina destinada a transformar la energía hidráulica, de una corriente o salto de agua, en energía mecánica. Por lo tanto, toda turbina convierte la energía del agua, manifestada bien en su forma de presión (energía potencial o de posición) como en la de velocidad (energía cinética), en el trabajo mecánico existente en un eje de rotación. En términos generales y sin ánimo de ser reiterativos, podemos definir a las turbinas hidráulicas como motores hidráulicos destinados a aprovechar las corrientes y saltos de agua.

Funcionamiento

Una turbina hidráulica es accionada por el agua en movimiento, una vez que ésta es debidamente encauzada hacia el elemento de turbina denominado distribuidor, el cual, circularmente, distribuye, regula y dirige un caudal de agua que tiende a incidir, con mayor o menor amplitud, hacia el centro del círculo descrito, sobre un rotor o rueda móvil conocida con el nombre de rodete, que, conjuntamente con el eje en el que está montado, ha de estar perfectamente equilibrado dinámica y estáticamente (Fig. 1).

Fig. 1

De lo expuesto se deduce cómo la energía del agua, originalmente la mayoría de los casos en forma de energía potencial de tipo gravitatorio, se convierte en energía cinética al pasar sucesivamente par el distribuidor y el rodete, debido a la diferencia de nivel existente entre la entrada y la salida de a conducción en consecuencia, se provocan cambios en la magnitud y dirección de la velocidad del fluido, lo que hace que se produzcan fuerzas tangenciales en el rodete, generándose así energía mecánica al girar éste.

El rendimiento de las instalaciones con turbinas hidráulicas, siempre es elevado, pudiendo llegar desahogadamente al 90 % o más, después de tener en cuenta todas las pérdidas hidráulicas por choque, de caudal, de fricción en el generador, mecánicas, etc.

Los problemas de regulación de velocidad son importantes, principalmente a causa de las grandes masas de agua que entran en juego, con sus aceleraciones positivas y negativas, que se transforman en ondas de presión. La continuidad de las columnas de agua transmite a las ondas, produciéndose fuertes choques o golpe de ariete que es necesario evitar o por lo menos controlar.

Tipos de turbinas hidráulicas

Los tres tipos de turbinas hidráulicas utilizados con mejores resultados en la actualidad. De cada uno de dichos tipos, mencionaremos las características técnicas y de aplicación más destacadas que los identifican, la descripción de los distintos elementos que componen cada turbina, así como el principio de funcionamiento de las mismas.

Tipos

  • Turbinas PELTON
  • Turbinas FRANCIS
  • Turbinas KAPLAN
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Para establecer esta relación en el orden indicado, en el empleo de las turbinas en función de la altura del salto, si bien no hay límites perfectamente definidos que separen los márgenes de utilización de unos tipos respecto de los demás.

Clasificación de las turbinas hidráulicas

Son diversas las razones de tipo técnico que dan base para establecer una clasificación de las turbinas hidráulicas. Razones que, en la mayoría de los casos, se complementan entre sí, para definir e identificar ampliamente a un determinado tipo de turbina. Los argumentos considerados y las clasificaciones derivadas de los mismos, explicándose oportunamente los conceptos que procedan.

Por el número de revoluciones específicas

  • Turbinas Lentas
  • Turbinas Normales
  • Turbinas Rápidas
  • Turbinas Extra-rápidas

Según la posición del eje

  • Turbinas Horizontales.
  • Turbinas Verticales.

Por el modo de admisión del agua

  • Turbinas de Admisión Parcial. Ver turbinas Pelton.
  • Turbinas de Admisión Total. Ver turbinas Francis y Kaplan.

Por la manera de actuar los chorros de agua

  • Turbinas de Acción.
  • Turbinas de Reacción.

Por la dirección del agua

  • Turbinas Radiales.
  • Turbinas Axiales.
  • Turbinas Radiales-Axiales.
  • Turbinas Tangenciales.

Por las características de la cámara

  • Turbinas de Cámara Cerrada.
  • Turbinas de Cámara Abierta.

Por la función desarrollada

  • Turbinas Reversibles.
  • Turbinas No Reversibles. Destinadas sólo a producir trabajo mecánico.

Fenómenos anómalos en las turbinas hidráulicas

Las turbinas hidráulicas, el ser máquinas complejas de grandes dimensiones, están bajo la acción de elevados esfuerzos mecánicos, lo que puede dar origen a rozamientos, agarrotamientos, etc. Además, al estar supeditadas a la influencia directa del agua, tienen que soportar efectos hidráulicos desfavorables para su correcto funcionamiento, como son erosiones, corrosiones, etc. Así mismo, ha de tenerse en cuenta el efecto abrasivo que ejerce la arena contenida en el agua, sobre las piezas situadas en su camino.

Dos fenómenos que influyen negativamente en el funcionamiento idóneo de un grupo, si no se adoptan las medidas adecuadas para eliminarlos o, por lo menos, reducirlos al máximo.

  • Cavitación.
  • Golpe de ariete.

Regulación de velocidad de las turbinas hidráulicas

Regulación de velocidad es el proceso mediante el cual se mantiene constante una magnitud o condición definida aunque varíen determinados factores como puede ser la carga solicitada a un grupo de tensión de línea, la temperatura de una mezcla, etc.

Regulación de velocidad de las turbinas hidráulicas y en consecuencia, en la regulación de velocidad de las máquinas que hemos definido como grupos.

En el caso concreto la magnitud de la regulación es la velocidad o número de revoluciones por minuto a que ha de girar el rodete de la turbina, con el fin de que, por medio del eje se transmita el giro uniforme que debe de existir y mantenerse entre dicho rodete y el rotor del alternador.

Cuando se produce una variación en la carga solicitada al grupo, es decir, según aumente o disminuya el par resistente que actúa sobre la turbina, esta tenderá respectivamente a reducir o aumentar el número de revoluciones con que estuviese en funcionamiento normal antes de producirse la variación de carga.

En tales condiciones, el funcionamiento de la turbina sería totalmente inestable. Llegando a parase al aumentar la carga y a embalarse cuando ésta disminuyese.

Podernos llegar a establecer un símil, con el comportamiento del motor de un automóvil en el que, al subir o bajar fuertes pendientes, solamente le funcionase la «directa» de su caja de cambios y, el acelerador, se mantuviese en el punto fijo conveniente a su marcha normal sobre terreno llano. Es obvio que, durante los sucesivos ascensos y descensos, el motor tendería, respectivamente, a reducir y aumentar el número de revoluciones, llegándose a parar o embalarse según la magnitud de dichas pendientes. Aunque lógicamente se vería afectada, prescindimos de considerar la velocidad propia del vehículo en sí.

Dado que en la realidad las cargas solicitadas varían constantemente, es necesario adaptar el trabajo motor al resistente, y esto se consigue graduando adecuadamente el paso de agua hacia el rodete. Al regular el caudal de agua preciso para cada valor de carga en cada instante se dispondrá de la potencia requerida debiéndose obtener al mismo tiempo el numero de revoluciones de funcionamiento normal de la turbina.

Fuentes