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CRITERIOS DE SELECCIN DE TURBINAS PARA MICROCENTRALESIng. Ral Jorge Mayco Chvez

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERFACULTAD DE INGENIERA MECNICA

Turbina hidrulicaLa turbina hidrulica es el dispositivo encargado de convertir la energa hidrulica (energa cintica y potencial) en energa mecnica de rotacin de un arbol, el cual se conecta al rbol de baja de una caja multiplicadora de engranajes con el propsito de elevar las revoluciones hasta la velocidad de rotacin de un generador elctrico acoplado al arbol de alta de dicha caja

Clasificacin de las turbinasSegn el modo de funcionamiento, las turbinas se pueden clasificar en dos grupos:a) Turbinas de accin: Tambin llamadas de impulso se denomina as porque la presin esttica permanece constante entre la entrada y salida del rodete, entre ellos se tiene las turbinas Pelton, Turgo, Ossberger o Michell Banki.b) Turbinas de reaccin: En las turbinas a reaccin el agua llega a los labes de la turbina a una presin superior a la presin atmosfrica, pero tambin a una velocidad alta, es decir, su ingreso conlleva la introduccin de energa cintica y energa potencial, que son transformadas por la turbina en energa mecnica y rotacin, entre ellos se tiene la Turbina Francis y la Turbina Kaplan.Segn la direccin del flujo a travs del rodeteA) Turbinas de flujo tangencialB) Turbinas de flujo radialC) Turbinas de flujo semi axialD) Turbinas de flujo axial

Este tipo de clasificacin determina la forma o geometras del rodete.

Segn el grado de admisin del rodete A) Turbinas de admisin total B) Turbinas de admisin parcial

Turbina Kaplan (reaccin), izquierda y Pelton (accin) derechaRODETETurbina Kaplan (reaccin), izquierdaPelton (accin) derecha

Turbina PeltonLa turbina Pelton, inventada por el ingeniero Lester Allen Pelton (1829-1908). Constituye una turbina de accin de admisin parcial. Consta de una rueda o rodete, que dispone en su periferia una especie de cucharas (cangilones). Este tipo de turbinas se suelen emplear cuando se disponen de gran salto, independiente de la variacin de su caudal.

Turbina Pelton

Turbina Pelton

Turbina PeltonTurbina Pelton

Turbina FrancisEsta turbina fue inventada en 1838 por Samuel Howd (EE.UU); posteriormente fue perfeccionada por el ingeniero de origen ingls James Bichens Francis (1815-1892), es la turbina ms comunmente utilizada .Una caracterstica de esta turbina es el hecho de que el agua cambia de direccin en su paso por la misma . El flujo entra en direccin radial fluyendo hacia su eje, pero sale en direccin axial (llamado radio-axial)La turbina Francis puede definirse como de reaccin, de flujo mixto centrpeto y de admisin total.

Turbina Francis

PartesCaja espiralTiene como funcin distribuir uniformemente el fluido en la entrada del rodete de una turbinaPredistribuidorTienen una funcin netamente estructural, para mantener la estructura de la caja espiral, tienen una forma hidrodinmica para minimizar las prdidas hidrulicas.DistribuidorEs el nombre con que se conocen los labes directores de la turbomquina, su funcin es regular el caudal que entra en la turbina, a la vez de direccionar al fluido para mejorar el rendimiento de la mquina. Este recibe el nombre de distribuidor Fink.RotorEs el corazn de la turbina, ya que aqu tiene lugar el intercambio de energa entre la mquina y el fluido, pueden tener diversas formas dependiendo del nmero de giros especfico para el cual est diseada la mquina.Tubo de aspiracinEs la salida de la turbina. Su funcin es darle continuidad al flujo y recuperar el salto perdido en las instalaciones que estn por encima del nivel de agua a la salida. En general se construye en forma de difusor, para generar un efecto de aspiracin, el cual recupera parte de la energa que no fuera entregada al rotor en su ausencia.

Ventajas y desventajas

Ventajas de la turbina Francis o tambin llamada VGR

Su diseo hidrodinmico permite bajas perdidas hidrulicas, por lo cual se garantiza un alto rendimiento.Su diseo es robusto, de tal modo se obtienen dcadas de uso bajo un costo de mantenimiento menor con respecto a otras turbinas.Junto a sus pequeas dimensiones, con lo cual la turbina puede ser instalada en espacios con limitaciones fsica tambin permiten altas velocidades de giro.Junto a la tecnologa y a nuevos materiales, las nuevas turbinas requieren cada vez menos mantenimiento.DesventajasNo es recomendado para altura mayores de 800 m, por las presiones existentes en los sellos de la turbina.Hay que controlar el comportamiento de la cavitacin.No es la mejor opcin para utilizar frente a grandes variaciones de caudal, por lo que se debe tratar de mantener un flujo de caudal constante previsto, antes de la instalacin.

Turbinas KaplanLa turbina Kaplan, inventada por el ingeniero austriaco Vctor Kaplan (1876-1934) puede ser de dos tipos : de regulacin doble (verdadera kaplan) y regulacin simple o semiKaplan.Es una turbina de flujo axial, de reaccin y admisin total.Cuenta bsicamente con las mismas componentes que la francis, y su diferencia est compuesto por una hlice cuyas palas son ajustables, lo que le proporciona un mayor rango de operacin con ms altos rendimientos. Por lo tanto, la turbina Kaplan cuenta con dos mecanismos de regulacin: el distribuidor y el rodete

Turbina de hliceEs una varaiante de la turbina Kaplan, pues posee un rodete con los labes fijos. Con ello se abarata el rodete pero decrece la eficiencia a cargas parciales por la imposibilidad de contar con una doble regulacin.

Turbina tubularEsta turbina fue desarrollada por Khune, quien la patento en 1930. se caracteriza porque el accionamiento del generador se hace mediante una extensin del eje hasta la sala de mquinas, lo cual constituye uan dificultad por el alto costo de la obra civil . Sin embargo, este diseo se utiliza con xito en pequeas turbinas , en donde la extensin del eje es mas corta

Turbina Tipo BulboEsta turbina fue patentada por Hugenin en 1933, utliza un rodete Kaplan. Su caracterstica principal radica en que el generador est ubicado dentro del cubo, con lo cual ahorra gran extensin del eje . El resultado es un grupo ms compacto y ms barato como un menor riesgo de vibracin en el eje.

La ms conocida es la denominada Michell-Banki, en honor a su inventor (Michell) y un estudioso que mejor el diseo (Banki), es una mquina de accin que gira por el impacto del chorro de agua sobre sus labes, a diferencia de las turbinas Pelton y Turgo, esta tiene un inyector del tipo rectangular de mayor rea sus labes estn construidos de modo tal que todo el chorro impacte en el labe; la rueda o turbina tiene la forma de un tambor formado por un conjunto de labes soldados en dos discos paralelos. Con esta mquina se pueden obtener velocidades superiores que con una Pelton o Turgo, operando a la misma altura, ya que esto permite que ingresen mayores caudales.

Por lo general, una turbina Michell-Banki reemplaza a una Francis, con la diferencia de que es mucho ms simple en su construccin. Son, sin embargo, mquinas menos eficientes y tambin de menor duracin, aunque esto ltimo puede mejorarse teniendo cuidado con los materiales de fabricacin. Turbinas de flujo transversal

La turbina consta de dos elementos principales: un inyector y un rotor. El agua es restituida mediante una descarga a presin atmosfrica. El rotor est compuesto por dos discos paralelos a los que van unidos los labes curvados, en forma de sector circular. El inyector posee una seccin transversal rectangular que va unida a la tubera por una transicin rectangular-circular. El inyector dirige el agua hacia el rotor a travs de una seccin que toma una determinada cantidad de labes y que gua el agua para que entre al rotor con un ngulo determinado, obteniendo el mayor aprovechamiento de la energa.Turbinas de flujo transversal

Bombas como turbinas

Durante las ltimas dcadas se ha sugerido con cierta insistencia el uso de bombas rotodinmicas como turbinas; hay estudios de laboratorio que demuestran que estas mquinas pueden trabajar en buenas condiciones de eficiencia cuando se las utiliza como turbinas (es decir, bombas en reverso). Tambin existen experiencias prcticas en diversos lugares del mundo.

Otros modelos de turbinas hidrulicasAdems de las turbinas mencionadas, actualmente hay una variedad de nuevos modelos en fase experimental o en etapa de desarrollo.Turbinas de roTambin denominadas turbinas de flujo libre, funcionan por la accin de la energa cintica del agua (velocidad del agua). El rotor se instala en posicin horizontal o vertical y los labes interactan con la corriente del agua, permitiendo un cierto torque y velocidad de giro.

Turbina tipo tornillo de ArqumedesEsta turbina se usa en Europa por ser una turbina que es amigable con el ecosistema (especialmente hacia los peces). Consiste en dos piezas: el tornillo de Arqumedes, que funciona como la turbina, transformando la energa cintica del agua en energa mecnica, y la carcasa, que tiene la forma de la mitad de un cilindro de grandes dimensiones.

Campo de utilizacin y rendimientos de las turbinasDel grfico podemos deducir que la turbina kaplan es adecuado para saltos pequeos y caudales variables. Sin embargo, para saltos ms elevados y menores variaciones de caudal es ms apropiada la turbina Francis. La turbina Pelton es recomendable para grandes saltos independientemente de la variacin de caudal.

Rendimientos de las turbinas

Rendimientos de las turbinasRendimientos de las turbinas

Curvas de rendimiento en funcin al caudalEl rendimiento representado se define como el cociente entre la potencia mecnica entregada al eje de la turbina y la potencia hidrulica correspondiente al caudal y salto nominal.La turbina Pelton muestra una curva de rendimiento bastante plana. En condiciones de diseo el rendimiento es superior al 90% y para un caudal del 20% del nominal presenta un rendimiento superior al 80%.La turbina Francis con cmara espiral presenta un rendimiento superior al 90% en condiciones de diseo Sin embargo, es inaceptable con caudal inferior al 50% nominal.La turbina Kaplan de doble regulacin tiene un rendimiento aceptable a partir del 20% del caudal nominal. La semiKaplan solo trabaja eficazmente a partir del 40% del caudal nominal.

Curvas de rendimiento en funcin al caudal

Curvas caractersticas de las turbinasLas turbinas hidrulicas no funcionan siempre en el denomnado punto nominal o punto de diseo, es decir, no siempres se mantienen constantes la altura neta H, el caudal o las revoluciones n si alguna de estas variables se modifica se producir una variacin en al menos una de las otras variables.Los fabricantes de turbina hidrulicas confeccionan a partir de ensayos experiemntales en un banco de pruebas o in situ, las curvas, que relacionan estas variables teniendo en cuenta el rendimiento se denominan curvas caractersticas, las cuales permitirn al seleccionador de la turbina conocer como se comportar la misma en condciones de servcio variable.a) Curva par velocidad de giro, para diferentes grados de admisin. Cuando la velocidad de giro aumenta el par disminuye, denominandose velocidad de embalamiento a aquella velocidad a la cual la curva corta al eje de las abscisas (par nulo)

Curva potencia-velocidad de giro, para diferentes grados de admisin . Estas curvas tienen forma de parbola y cortan al eje de abscisa en dos puntos, que corresponden con la velocidad nula (turbina frendad) y la velocidad de embalamiento, respectivamente.

C) curva caudal velocidad de giro, para una altura neta y un grado de admisin dados. Estas curvas (practicamente rectas) tienen distinta pendiente dependiendo del flujo de turbina. As, las turbinas Pelton presentan gradiente nulo, las de reaccin lenta gradiente negativo y las de reaccin rpida gradiente positivo.

Desde el punto de vista de la explotacin interesan los diagramas : altura neta-potencia y altura neta- caudal. Sin embargo estos diagramas pueden preesntarse fundidos en uno solo.a este diagrama se le denomina campo caracterstico

Leyes de semejanza de las turbinas hidrulicasCriterios de seleccinCriterios de seleccinDonde:

Ns, Nq = nmeros especficos de revoluciones de potencia y de caudal respectivamenteN = velocidad de rotacin de la turbina en revoluciones por minuto (rpm)P = potencia de la turbina (kW)Q = caudal de trabajo de la turbina (m3/s) H = altura (m)

Ambas magnitudes se pueden usar indistintamente, sin embargo para las turbinas hidrulicas lo ms comn es el uso del Ns.

Selec-cin de turbi-nasLos trabajos experimentales y anlisis de ingeniera llevados a cabo en el pasado han proporcionado una importante cantidad de grficos y tablas relacionadas con la semejanza de las turbomquinas. Esto nos facilita el trabajo de seleccin de la turbina para cada caso. En la tabla 29 se presenta un resumen de los rangos de aplicacin de los diferentes tipos de turbinas segn el nmero especfico de velocidad de potencia.

Observaciones y recomendaciones sobre uso de las velocidades especficas para el diseo de turbinas:

La tabla anterior presenta los resultados en unidades del Sistema internacional. Este parmetro no es adimensional ni es una velocidad; por esta razn, algunos autores consideran que esa denominacin es desafortunada y debera llamarse factor de forma, pues dara una mejor explicacin de su naturaleza. Algunas referencias utilizan el nombre de nmeros especficos en vez de velocidades especficasEn muchas publicaciones, las turbinas Pelton, son divididas segn el nmero de inyectores (asignando un rango de Ns para uno, dos, tres, etc.)La mayora de referencias fija lmites inferiores de potencia, caudal y altura dentro de los cuales no encajan las picoturbinas. Esto se debe a que la tecnologa de las picoturbinas es relativamente nueva. En este manual se recomienda utilizar indistintamente el rango de potencia vlido para turbinas de fraccin de kWLas turbinas que se han utilizado con ms frecuencia para aprovechamientos pequeos en comunidades aisladas son del tipo Pelton y de flujo transversal (Banki). En la actualidad se estn utilizando con xito tambin turbinas axiales de labes fijos (hlice)

Las bombas utilizadas como turbinas resultan una buena alternativa si se tiene un caudal seguro para todo el ao o su variacin es pequea

El uso de sistemas de transmisin simple de poleas y fajas es comn en centrales pequeas, especialmente en potencias por debajo de los 100 a 150 kW. Para tamaos mayores se disean sistemas de acoplamiento directo o se utilizan engranajes como sistemas de transmisin Seleccin mediante grficos de altura y caudal

El diagrama de la figura 108 se utiliza para la seleccin de turbinas, especialmente cuando se trata de mini, micro y pico centrales hidroelctricas. Como se puede observar, se ha graficado la correspondencia de caudal y altura para los diferentes tipos de turbinas utilizando relaciones logartmicas de altura y caudal.En el eje de las abscisas se encuentra el caudal en metros cbicos por segundo y en el de las ordenadas la altura (o salto) en metros. Conocidos estos dos parmetros para una situacin cualquiera, se puede seleccionar el tipo de turbina que le corresponde. Cada tipo de turbina tiene un rea de trabajo donde se comportar adecuadamente desde el punto de vista de eficiencia, pero tambin considerando la versatilidad e ingeniera de costos. OTRAS ALTERNATIVAS A CONSIDERAR EN EL MOMENTO DE LA ELECCIN DE LAS TURBINAS

Generalmente, es recomendable tener al menos dos turbinas en una instalacin para que la central pueda seguir funcionando en el caso de que una de las turbinas est fuera de servicio por una reparacin o debido a una inspeccin, aunque la cantidad de turbinas disponibles dentro de una central tambin afecta la potencia establecida para las turbinas. La altura h est determinada principalmente por la topografa, y el flujo Q por la hidrologa de la cuenca y las caractersticas del embalse o depsito. Por otra parte debe tenerse en cuenta que al seleccionar una turbina para una instalacin dada, se debe verificar la inmunidad contra la cavitacin.

Realmente existe un nmero infinito de alternativas, lo que a su vez dificulta la toma de la decisin final sobre cul turbina escoger; por esta razn se han sealado los siguientes conceptos para considerarlos durante el proceso de seleccin:La inmunidad frente a la cavitacin: La siguiente figura permite determinar la altura mxima a la cual debe colocarse la turbina conociendo su velocidad especfica, (que de antemano permite establecer el tipo de turbina).

Fig. 2 Lmites recomendados de velocidad especfica para turbinas a distintas alturas efectivas al nivel del mar siendo la temperatura del agua 80 F. (Segn Moody)