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CAPITULO III

TURBINAS HIDRAULICAS Introducción Para la producción de energía hidroeléctrica es fundamental la existencia de un elemento que se encargue de transformar la energía cinética y potencial del agua en energía mecánica de rotación, que luego se utiliza para mover el generador eléctrico: este elemento es la turbina hidráulica. Por lo tanto es el elemento que transforma la energía hidráulica en mecánica para accionar el generador. Los aprovechamientos hidroeléctricos se caracterizan por su caudal y su altura de salto. En la actualidad existen diferentes tipos de turbinas hidráulicas cuyo funcionamiento se adapta a las características de los diversos aprovechamientos hidroeléctricos. Estos tipos de turbinas son: Pelton, Banki-Michel, Turgo, Francis, Kaplan, Semikaplan o Deriaz. Clasificación de las turbinas hidráulicas Las turbinas hidráulicas se pueden clasificar según diferentes criterios: Según la variación de la presión estática a través del rodete

a) Turbinas de acción o impulso, cuando la presión estática permanece constante entre la entrada y la salida del rodete.

Los principales tipos de turbinas de acción que se construyen en la actualidad son:

Turbinas Pelton

Turbinas Banki-Michel

Turbinas Turgo

b) Turbinas de reacción, cuando la presión estática disminuye entre la entrada y la salida del rodete.

En cuanto a las turbinas de reacción, las más importantes son:

Turbinas Francis

Turbinas Kaplan en sus distintas variantes: Kaplan, Semi kaplan y hélice.

Turbinas Deriaz, un tipo de turbina intermedio entre las Francis y las Kaplan Según la dirección del flujo a través del rodete

Turbinas de flujo tangencial

Turbinas Pelton Turbinas de flujo radial

Turbinas Turgo

Turbinas Banki-Michel

Turbinas de flujo semi-axial

Turbinas Francis Turbinas de flujo axial

Turbinas Kaplan en sus distintas variantes: Kaplan, Semi kaplan y hélice.

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(Este tipo de clasificación determina la forma o geometría del rodete y será precisado en forma cuantitativa más adelante, al tratar el concepto de los números específicos de revoluciones.) Según el grado de admisión del rodete Considerando la alternativa de que los alabes del rodete estén sometidos parcial o simultáneamente a la acción del flujo de agua:

a) Turbinas de admisión parcial

Turbinas Pelton

Turbinas Banki-Michel

Turbinas Turgo

b) Turbinas de admisión total

Turbinas Francis

Turbinas Kaplan en sus distintas variantes: Kaplan, Semi kaplan y hélice.

Turbinas Deriaz, un tipo de turbina intermedio entre las Francis y las Kaplan Partes de una turbina hidráulica Los elementos fundamentales de una turbina hidráulica son los siguientes:

1. El rodete Llamado también rotor o rueda, este elemento es el órgano fundamental de las turbinas hidráulicas. Consta esencialmente de un disco provisto de un sistema de alabes, paletas o cucharas, que está animado por una cierta velocidad angular. La transformación de la energía hidráulica del salto en energía mecánica se produce en el rodete, mediante la aceleración y desviación, o por la simple desviación del flujo de agua a su paso por los alabes. El rodete de las turbinas Pelton está constituido por un disco con una serie de álabes dispuestos a intervalos regulares por su periferia y que reciben el impacto de uno o varios chorros de agua procedentes de los inyectores.

2. Cucharas o alabes Los álabes del rodete tienen forma de cuchara. Cada cuchara queda dividida simétricamente en dos partes; cada una de estas partes tiene forma elipsoidal. De este modo el chorro de agua que incide en el centro de la cuchara queda dividido en dos partes que sufren idéntica desviación, eliminándose así el empuje axial sobre el rodete. El número de álabes y su disposición en la periferia del rodete se realiza de modo que el chorro de agua quede interceptado en todo momento por alguna cuchara y que la cara posterior de la misma no perturbe la evacuación del agua de la cuchara anterior.

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3. El distribuidor La alimentación de la turbina Pelton se realiza mediante un conducto distribuidor que comienza tras la válvula de protección de la turbina y que, mediante las oportunas bifurcaciones, llega a cada uno de los inyectores.

4. El inyector Los inyectores de las turbinas Pelton tienen básicamente dos funciones: En primer lugar, son los elementos encargados de transformar la energía de presión del fluido en energía cinética. En segundo lugar, el inyector es el elemento encargado de la regulación de la potencia producida por la turbina, mediante el aumento o disminución del caudal. Los principales componentes del inyector son:

La tobera

La válvula de aguja

El servomotor

El deflector

5. Tubo de aspiración.-Este elemento, muy común en las turbinas de reacción, se instala a continuación del rodete y por lo general tiene la forma de un conducto divergente; puede ser recto o acodado, y cumple las siguientes funciones:

a) Recupera la altura entre la salida del rodete y el nivel del canal de desagüe. Recupera una parte de la energía cinética correspondiente a la velocidad residual del agua en la salida del rodete, a partir de un diseño del tipo difusor. El tubo de aspiración, también llamado tubo de succión, se utiliza frecuentemente en las turbinas de reacción. Ocasionalmente se usa en las turbinas de acción, como las del tipo Michell-Banki, donde adopta la forma cilíndrica. El tubo de aspiración sirve de enlace entre la turbina y el desagüe y para aprovechar, además, el salto entre ambos elementos. Se construye de hormigón o de chapa de acero y ha de tener una sección variable para conseguir la máxima recuperación de la energía cinética del agua a la salida del rodete de la turbina. En este mismo capítulo, hemos visto distintos modelos de tubos de aspiración. En las turbinas Pelton no tiene importancia la recuperación de la energía existente a la descarga de la rueda y, además, entre el centro de la rueda y el nivel de agua del desagüe hay una distancia que representa una proporción muy pequeña de la altura total del salto. Pero en los restantes tipos de turbina (Francis, hélice y Kaplan), la velocidad de salida del rodete es elevada y el rendimiento con descarga libre sería muy bajo, por lo que se precisa realizar la recuperación correspondiente a la velocidad de descarga. El tubo debe ser lo más recto posible; pero cuando la instalación no lo permite sin gran coste de excavación, el tubo se encorva suavemente, desaguando horizontalmente, dando a la salida mayor dimensión a la luz horizontal que a la vertical y abocinándolo gradualmente para disminuir la velocidad residual.

6. Canal de desagüe.- El canal de desagüe llamado también socaz, recoge el agua a la salida de la turbina para devolverla nuevamente al río en el punto conveniente. A la salida de las turbinas, el agua tiene todavía una velocidad importante y, por lo tanto, bastante poder erosivo y para evitar socavaciones del piso o paredes hay que revestir cuidadosamente. En saltos bajos en que conviene perder poco desnivel, el canal de desagüe ha de ser corto.

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En saltos de gran altura y, especialmente en aquellos en que el agua arrastra poco o ningún material sólido, el canal de desagüe puede ser de mayor longitud.

7. Carcasa.-Este elemento tiene la función general de cubrir y soportar a las partes de la turbina. En las turbinas Francis y Kaplan, por ejemplo, tiene la forma de una espiral.

8. Cámara de turbinas.-Se denomina cámara de turbinas al espacio destinado en una central hidroeléctrica para el alojamiento de las turbinas hidráulicas. La cámara de turbinas puede ser abierta, si está en comunicación con el exterior, o cerrada, en el caso contrario. Actualmente, en casi todos los saltos de agua, se utiliza turbinas en cámara cerrada, a la que afluye el agua procedente de las tuberías forzadas. Esta disposición, tiene la gran ventaja de que las tuberías pueden situarse en el lugar más conveniente, los efectos de cimentación, canal de desagüe, etc., ya que a la tubería de presión, que une la cámara de presión con las turbinas puede dársele el trazado y longitud más adecuados. Para resumir todo lo dicho en el presente párrafo veamos las ventajas e inconvenientes de las turbinas de eje vertical y de eje horizontal, tanto para cámaras abiertas como cerradas: Turbinas de eje vertical Ventajas:

Posibilidad de montar los generadores por encima del nivel de agua, hasta la altura más conveniente, por pequeño que sea el salto.

Economía de instalación.

Inconvenientes: Si la turbina ha de accionar un generador

de eje horizontal, son necesarios engranajes de transmisión.

Las cargas verticales correspondientes a las maquinas han de ser sostenidas por un soporte cojinete de empuje.

Turbinas de eje horizontal Ventajas:

Soportes cojinetes normales. Transmisión directa a ejes horizontales. Más fácil vigilancia porque todos los

elementos están a la misma altura. Inconvenientes:

Instalación de mayor extensión superficial, por lo tanto más caras.

El agua ha de reingresar al canal de desagüe a través de uno o más codos a 90°; por lo tanto, mayores pérdidas de carga.

Tipos de turbinas hidráulicas Como se señaló anteriormente, las turbinas hidráulicas se pueden clasificar en dos grandes grupos: turbinas de acción y turbinas de reacción. A estos dos grupos corresponden las turbinas modernas que hoy en día se emplean en las centrales hidráulicas, sean estas pequeñas o grandes.

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Turbinas de acción

a) Turbinas Pellón de 1 o más inyectores b) Turbinas Turgo c) Turbinas Michell-Banki

Turbinas de reacción

a) Bomba roto dinámica operando como turbina b) Turbinas Francis, en sus variantes: lenta, normal y rápida c) Turbina Deriaz d) Turbinas Kaplan y de hélice e) Turbinas axiales, en sus variantes: tubular, bulbo y de generador periférico

Turbina Pelton Es una rueda hidráulica que puede desarrollar velocidades de giro suficientemente altas (alrededor de 1.000 rpm) como para poder ser utilizada en la generación de energía eléctrica, con eficacias superiores del 81 al 91%. Aunque puede operar a caudales desde los 30 l/s. necesita una altura mínima de 25 m. Las turbinas Pelton aumentan la velocidad del fluido mediante una tobera, produciendo un chorro de agua dirigido a gran velocidad hacia las paletas. Debido a la forma de éstas, el chorro gira en casi 180º, con lo cual se produce un cambio de momento que se traspasa al eje. La válvula de aguja, que se usa para controlar el flujo de agua, deja pasar un chorro de agua que choca con los álabes de la turbina transfiriéndole su energía y haciendo girar la turbina. El agua sale a una muy alta presión. Principales componentes de una turbina Pelton

1. El rodete o rueda hidráulica 2. Los alabes o cucharas 3. Las toberas o distribuidor y agujas deflectores 4. Carcasa o envolvente 5. Regulador de velocidad

- La altura de salto que se considera es el desnivel que existe el nivel de la presa a la

cámara de presión y el plano de inyección del ahorro sobre el alabe.

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- Generalmente es aconsejable utilizar en una sola pieza el rodete y las alabes. Pero también existe el diseño separado de la rueda y las alabes, en este caso los alabes con colocados alrededor de la rueda mediante pernos a ambos sistemas, tienen ventajas y desventajas.

En el caso de una sola pieza de fundición tiene la desventaja de:

- Cuando hay que hacer mantenimiento hay que parar todo entonces significa bastante tiempo parado de todo el rodete.

- En el otro sistema de los alabes desmontables existe la ventaja del mantenimiento o sea

que si algún alabe está en el mal estado solamente quite los pernos se saco ese alabe y reemplaza por otro nuevo. Sin embargo este tipo de turbina tiene la desventaja bastante grande que es La seguridad, el echo que esté funcionando a velocidades altas hace que los pernos se oxiden ocasionando que se safen totalmente uno de los alabes cuando esta en funcionamiento por lo tanto se necesitará un control permanente de los alabes.

- El número de alabes que tienen las turbinas Pelton está entre 17-26

- Las toberas, transforman la energía de presión en energía de velocidad. Están montadas

alrededor, de la carcasa y el número de toberas que generalmente se utilizan es de 1 a 6 máximo. Generalmente las que tienen 4,5 ó 6 son del eje vertical y existen turbinas de eje horizontal cuando se tiene uno o dos toberas máximo.

- Conjuntamente con las agujas de la tobera trabaja el deflector de chorro a través de un

sistema de levas Si se necesita aumentar aun más la velocidad de la turbina, lo que se hace es colocar una turbina Pelton doble, es decir en un mismo eje se colocan las dos turbinas y el generador se encuentra al centro.

- Al aumentar las toberas, aumentamos la velocidad; entonces significa un menor costo en el generador. Sin embargo al aumentar toberas significa un mayor costo y este costo se debe:

1. Un mayor costo en la construcción 2. Un mayor costo en el mantenimiento 3. Mayores pérdidas por fricción 4. Mayores dificultades en la instalación.

- El regulador de la velocidad de la turbina se regula por medio de servomotores - Hay servomotores que controlan las toberas - Hay servomotores que controlan el deflector

El hecho de que el deflector y las toberas este íntimamente relacionados en la regulación hacen que el tipo de regulación de las turbinas Pelton se llame regulación doble.

- Las turbinas Pelton independientemente del número de toberas también para alturas mayores a los 500 mts. Son de eje horizontal y los de eje vertical generalmente son para alturas menores y caudales mayores, hasta alturas de 200 – 400 mts.

Ventajas en la turbinas Pelton de eje vertical:

1. Tiene mayor cantidad de toberas 4, 5 ó 6 toberas por lo general 2. El eje es más corto por lo tanto ocupa menos espacio físico. 3. Sus dimensiones ocupan menos espacio. 4. El diámetro es menor y la relación de peso a kW también es menor.

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Desventajas en la turbinas Pelton de eje vertical:

1. El mantenimiento es muy difícil porque esta turbina esta colgado del generador 2. No pueden existir turbinas Pelton dobles verticales. 3. Las turbinas Pelton tienen potencia 300.000 a 300500 KW

Turbina Francis La turbina Francis es un motor hidráulico de reacción de flujo semiaxial y de admisión total, que se emplea para caudales y alturas medias es decir entre 10-200 m

3/s y 20-350 mts.

También existen Francis de saltos altos entre 600 – 700 mts. Que se denominan Francis reversibles El agua procedente de la tubería forzada entra perpendicularmente al eje de la turbina y sale paralela a él. La parte por la que entra el agua en la turbina se denomina cámara de descarga, la que está indicada en la figura. El agua, después de pasar por el rodete, impulsando a éste y haciéndolo girar, sale por un tubo denominado tubo de aspiración (3). Se caracteriza porque el agua impacta en una dirección y sale en otra dirección. El rendimiento de la turbina Francis esta entre 90- 94 %. También pueden ser de eje vertical y horizontal. Ventajas en la turbinas francis de eje horizontal

1. Se puede separar el generador de la Turbina más fácilmente 2. La turbina y el generador se encuentra en el mismo plano, es decir en el mismo piso 3. El montaje es sencillo 4. El mantenimiento es más fácil 5. El costo es menor 6. El sistema de lubricación es más sencillo

Desventajas en la turbinas francis de eje vertical

1. El rendimiento de una turbina horizontal es menos en 1 ó 2 % que la vertical. 2. La disposición física de los grupos es complicado 3. Mayor espacio.

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Los factores que producen perdidas en rendimiento de la turbina Francis son:

1. Los remolinos a la entrada y salida que se forman en los álabes. 2. La velocidad del agua. 3. Fugas de agua por los saltos. 4. Fricción en las paredes. 5. Cojinetes.

Principales componentes de una turbina Francis

1. Caracol o cámara de descarga 2. Rodete 3. Distribuidor 4. Tubo de aspiración 5. Regulador

Rodete de la turbina francis Consta de una serie de alabes fijos colocados entre un disco y una corona exterior; por lo general poseen doble curvatura. El agua ingresa radialmente por la periferia externa y abandona el rodete en dirección axial para dirigirse hacia el tubo de aspiración. La forma de rodete depende básicamente del número específico “Ns” Distribuidor de una turbina francis Consta de una serie de alabes de posición variable y de perfil aerodinámico, dispuestos conformando conductos convergentes del tipo tobera. De este modo, el flujo del agua se acelera y orienta hacia el rodete bajo diferentes ángulos de inclinación y permite una regulación del caudal. Los alabes del distribuidor pueden ser operados manual o automáticamente mediante un regulador. Cámara de la turbina francis (PA) puede ser de dos tipos:

1. Cámara abierta si está en contacto con el exterior - turbinas Francis de baja caída se utiliza para alturas menores a 15 mts.

2. Cámara cerrada; el agua está entrando a través de una tubería en espiral, se utiliza para alturas mayores a 15 mts.

- En la turbina de cámara abierta las turbinas pueden ser de eje vertical u horizontal. - La de eje vertical tienen las siguientes características:

1. La cámara queda debajo de la sala de máquinas. 2. El nivel de aguas arriba queda debajo del piso de la sala de máquinas. 3. Se utiliza generalmente para alturas de salto menores a 6 mts.

En la de eje horizontal tienen las siguientes características:

1. Se utiliza para alturas de salto entre 6 – 15 mts. 2. La cámara queda adyacente a la casa de máquinas. 3. El nivel de aguas arriba queda sobre el piso de la casa de máquinas. 4. En los de cámara cerrada generalmente utilizan para alturas de salto mayores a los 15 mt. 5. En los de cámara cerrada también utilizan el Tubo en espiral o tubo de descarga.

Este tubo en espiral puede ser hecho de acero o de concreto: En el sistema en espiral, la espiral cada vez va reduciéndose el diámetro, se debe básicamente para mantener la velocidad constante en toda la cámara máximo hasta los 10 m/s.

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Tubo de aspiración Transforma la energía cinética del agua que sale, en energía de presión. Sirve de enlace entre la turbina y el canal de desagüe. También aprovecha la diferencia de altura que existe entre el canal de desagüe y la turbina Su forma básica es la de un difusor. Puede ser del tipo recto o del tipo acodado. La adopción de uno u otro de estos tipos dependerá de la llamada altura Regulación de la turbina Francis Para regular el caudal de agua que entra en el rodete se utilizan unas paletas directrices situadas en forma circular, y cuyo conjunto de denomina distribuidor (4 en la figura1). Cada una de las paletas directrices se mueve sobre un pivote, de tal forma que llegan a tocarse en la posición de cerrado, en cuyo caso no entra agua en el rodete, y tienen sus caras casi paralelas en la posición de abierto, en cuyo caso el caudal de agua recibido por el rodete es máximo. El conjunto de paletas directrices del distribuidor se acciona por medio de un anillo móvil (5 en la figura1), al que están unidas todas las paletas directrices, y este anillo móvil, a su vez está accionado por el regulador de velocidad de la turbina. Esto se puede apreciar en la figura 2, una turbina Francis vista desde abajo; donde (1) es el rodete de la turbina, unido al eje (2) de la misma. Las paletas del distribuidor están representadas por (3), y (4) expresa los pivotes sobre los que giran dichas paletas; en la figura, las paletas del distribuidor están casi totalmente abiertas. En las centrales hidráulicas con saltos de pequeña y mediana altura, la turbina Francis se monta con la cámara de descarga abierta. En este tipo de cámara el agua llega libremente hasta la turbina, quedando ésta sumergida en el agua. Para saltos de gran altura no es posible la instalación de cámara abierta, pues ésta quedaría sometida a grandes presiones. En estos casos, se emplean cámaras de descarga cerradas y para saltos aún mayores (300 m y más) cámaras de descarga en espiral; el agua llega a la turbina por la tubería forzada y sale por un tubo difusor o de aspiración. Turbinas Kaplan La turbina Kaplan es semejante a una hélice de un barco. Las amplias palas o álabes de la turbina son impulsadas por agua de alta presión liberada por una compuerta. Kaplan es una turbina de hélice con álabes ajustables, de forma que la incidencia del agua en el borde de ataque del álabe

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pueda producirse en las condiciones de máxima acción, cualesquiera que sean los requisitos de caudal o de carga. Se logra así mantener un rendimiento elevado a diferentes valores de la potencia. Característica importantísima para un rotor de hélice, pues es una de las deficiencias más notables que se advierten en las turbo máquinas de hélice de alabe fijo, en las cuales la incidencia del agua sobre el borde de ataque se produce bajo ángulos inapropiados, al variar la potencia dando lugar a separación o choques, que reducen fuertemente el rendimiento de la unidad. Salvo en las turbinas de tipo bulbo, en las restantes, se emplean grupos generadores de eje vertical. En la figura vemos que el estator del alternador se apoya en los elementos estructurales del edificio. Pero todo el conjunto rotante queda suspendido, transmitiendo los esfuerzos por medio del eje, al cojinete superior, llamado cojinete de empuje, de construcción muy particular. El sistema está munido de tres cojinetes de guía para el eje y en el extremo inferior aparece la turbina. El cojinete de empuje se apoya en el soporte superior, que es una pieza estructural que descarga en la estructura de material.

El cojinete de empuje se apoya en el soporte superior, que es una pieza estructural que descarga en la estructura de material.

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Turbina Bulbo En la figura se ve el corte de una central con turbinas de tipo bulbo. En este tipo de central, el alternador está en un bulbo rodeado por el agua. La extracción de dicho bulbo se hace desagotando totalmente los conductos, por medio de las compuertas.

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Selección de la turbina La selección de un tipo u otro de turbina para un determinado aprovechamiento viene condicionada por diversos aspectos, tales como: A) Altura y caudal B) Determinación de la velocidad de giro Una vez determinados el caudal y la altura de salto, es necesario obtener el valor de la velocidad de rotación. Para ello, previamente debe fijarse el rango de velocidades específicas dentro del cual trabaja la turbina que se va a diseñar. Velocidad específica Es la velocidad en revoluciones por minuto [r.p.m.] de una turbina en estudio que, supuesta la misma eficiencia y un salto unidad (1 m), produzca una potencia unitaria (1 kW). Esta relación se expresa la siguiente fórmula: n = velocidad de la turbina (rpm) P = potencia de la turbina (CV) h = altura del salto (m) La velocidad específica es un índice o un parámetro básico para determinar, en cada caso, cuál es el tipo de turbina más apropiado. En efecto, según pruebas experimentales efectuadas, las turbinas tienen buen rendimiento sólo entre ciertos límites de su velocidad específica. Por ello, dicha velocidad específica ha de servir de indicación para la elección de la turbina más conveniente en cada caso. En la siguiente tabla se da una orientación sobre rango de velocidades específicas, que ha de adoptarse en función de la altura de salto, y sobre el tipo de turbina recomendable para dicho salto, Se denomina velocidad específica de una turbina hidráulica a la velocidad a la cual dicha turbina trabajaría una turbina exactamente homóloga (es decir, de la misma forma constructiva pero más reducida), desarrollando una potencia de 1 CV, bajo un salto de 1 m.

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Existen rangos de altura de salto donde puede colocarse más de un tipo de turbina. En estos casos la decisión final depende de aspectos técnico económicos. Una vez obtenido el rango de velocidades de giro de la turbina, hay que tener en cuenta que esta debe trabajar acoplada a un generador para suministrar corriente eléctrica a una frecuencia 50 Hz; es decir, la velocidad de giro n, además de estar dentro del rango, deberá ajustarse a la ecuación: siendo: Velocidad de una turbina n La velocidad de las turbinas no depende de la propia turbina, sino más bien depende de la velocidad síncrona del generador. La velocidad está dado por: n = 60f /P en esta fórmula , tenemos : n=velocidad en rpm f= frecuencia 50 Hz P= Pares de polos nos da el generador Si el número de pares de polos es muy elevado, se puede optar por emplear un multiplicador para ajustar las velocidades. En este caso se suele usar un generador con solo un par de polos, porque es la opción más económica. El factor de multiplicación de velocidad es entonces igual al número de pares de polos p que se calculó anteriormente. Una vez fijada definitivamente n, se recalcula la velocidad específica n. La velocidad específica junto con los datos de caudal y altura neta de salto son los tres parámetros básicos que se utilizan para el dimensionado de la turbina. Un generador cuanto más rápido sea es más eficiente y además es más barato, entonces desde el punto de vista de la velocidad cuanto más rápido gire será mejor. Los generadores Hidro trabajan con mayor velocidad en lo posible. Las Pelton van a trabajar con una velocidad mayor que las otras con 750 rpm, Hasta 1000 rpm, debido a la altura y otros parámetros. En cambio las Francis trabajan con velocidad que van desde 600, 200 rpm. Kaplan por la baja altura están alrededor de 90 – 80 rpm, trabajan con baja velocidad debido a que el caudal que tienen la potencia es grande y dividen en polos que `pueden ser 40 – 60 pp, su diámetro es bastante grande es 6 metros a 12 metros. Coeficiente de embalamiento Cuando la turbina está funcionando en condiciones de plena carga, si se produce la apertura intempestiva del interruptor de la central, la velocidad que esta puede llegar a alcanzar antes de que se corte el suministro del agua puede ser de varias veces la velocidad nominal. Este empalamiento se debe a que se elimina bruscamente el par de freno que supone el generador, en tanto que el flujo de agua no ha sido eliminado. Este coeficiente es importante para el cálculo del rotor, porque el momento de inercia de la máquina aumenta con el cuadrado de la velocidad, si una máquina que está diseñada para una velocidad dada se la hace trabajar con una velocidad mucho mayor esta puede hacer explosionar materialmente la unidad al embalsarse la turbina. Las turbinas están diseñadas para operar con velocidades mayores a su velocidad nominal pero en un cierto rango y dependiendo del tipo de turbina. Por ejemplo las turbinas Pelton están diseñadas para trabajar con una sobre velocidad de 80% mayor a la nominal con 80% adicionales es ya la velocidad de embalamiento. Las Turbina Francis pueden tener una sobre velocidad, de 85%-100%.Y la de Kaplan de 80%-120% adicional, puede aguantar porque tiene menores velocidades.

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T

CHLQ

***800

Sin embargo a la velocidad de embalamiento nunca se llega, es una velocidad de diseño, por ejemplo en un Pelton tiene un 80% adicional nunca se llega porque tienen unos dispositivos que cortan el agua al llegar a una determinada sobre velocidad. En la Pelton el máximo de velocidad que va llegar va ser un 15% más o menos y es elevado. La velocidad de embalamiento corresponde a que se abra la tobera de la turbina o distribuidor en una Francis en un 100% y deje su regulación chorro libre, ahí se alcanza la velocidad de embalamiento normalmente existe un gobernador, hace que no pase de ese 100% que esta diseñado mantiene la de la turbina, velocidad ctte, ya que la velocidad nos da la frecuencia. Cuando la turbina pierde carga, antes de que ocurra el embalamiento se debe tomar dos acciones. La primera es cortar rápidamente la entrada de agua. La segunda es parar la turbina, frenarla rápidamente. Aquí existe una situación de dualidad, pues si se corta la entrada de agua a al turbina, provoca un golpe de ariete en la tubería entonces esta va a una situación intermedia, se hace que el cierre de la turbina sea una cierre más lento, en el caso de las Pelton no hay mucho problema por tiene el deflector de chorro, hace que el chorro incida al deflector y ya no a la rueda y se puede cerrar mas lentamente la aguja la cual cierra, sin ocasionar el golpe de ariete, en las otras turbinas esto no ocurre es más difícil en las Francis y Kaplan ya que la rueda esta metida en el agua, lo que se puede hacer es para del agua pero no todo. El tiempo de corte del agua dependerá del tiempo de reacción de los diferentes órganos de control, fundamentalmente del distribuidor de la turbina o de la válvula de guardia. Generalmente, las velocidades alcanzadas se encuentran entre el 130 y el 180% de la velocidad nominal del grupo. Sin embargo, si por alguna razón se produjera un fallo en los elementos de cierre, el agua seguiría fluyendo, actuando sobre la turbina y alcanzando mayores velocidades. Se llama velocidad de embalamiento a la velocidad máxima que alcanza una turbina con el distribuidor en posición de máxima apertura y con el generador desconectado de la red. El valor de esta velocidad depende del tipo de turbina. Multiplicador La turbina debe arrastrar un generador de energía eléctrica en el que se realizará la transformación de energía mecánica en eléctrica. Los generadores presentan unas velocidades de giro determinadas por el número de polos para poder funcionar como tales, por lo que las turbinas deben girar a estas velocidades. Sin embargo, en el caso de turbinas de pequeñas potencias que trabajan con saltos bajos, la velocidad de giro de la turbina es muy pequeña, lo que supondría la necesidad de un generador de gran número de polos y, por lo tanto, excesivamente grande y costoso. En estas situaciones se dispone de un multiplicador de velocidad entre turbina y generador que, mediante unos engranajes situados sobre ejes que se apoyan en rodamientos, aumenta la velocidad obtenida en el eje de la turbina hasta el valor adecuado para el generador. En otras ocasiones, el multiplicador puede ser de polea. Además de adecuar la velocidad, el multiplicador deberá absorber las cargas y choques que puedan aparecer en los momentos de puesta en marcha, así como los pequeños desplazamientos que se puedan producir en el eje. Caudal de una turbina Para cualquier tipo de turbina que veremos posteriormente, la fórmula siguiente es totalmente válida, y nos muestra la Caída de agua: L = Largura del río (m) H = Profundidad (m) C = Trayecto Recorrido (¿?) T = Tiempo gastado (s) Q = Caída (l/s)

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Potencia de las turbinas hidráulicas Suponiendo que µT es el rendimiento de la turbina, la formula queda como:

Rendimiento de las turbinas hidráulicas En el rendimiento de la turbina es muy importante el caudal y la altura básicamente. Como sucede en todas las máquinas, durante el funcionamiento de las turbinas se producen pérdidas de energía que determinan el rendimiento de aquéllas. Las principales causas que producen estas pérdidas de energía son:

a) Rozamiento del agua en el distribuidor. b) Pérdidas en el rodete producidas por el choque de entrada y por el cambio brusco de

velocidad de los filetes de agua que salen del distribuidor y chocan con los bordes de los álabes del rodete.

c) Rozamiento del agua en el tubo de aspiración. d) Distancia que hay entre el distribuidor y el rodete, por donde se escapa una parte del

agua. e) Resistencias pasivas en los cojinetes, gorrones, etc. f) Velocidad de salida del agua que, aunque pequeñas es necesaria para que el agua

salga al exterior de la turbina. El conjunto de todas estas pérdidas determina el rendimiento de la turbina. En las turbinas modernas, el rendimiento es elevado y oscila entre 0,85 y 0,95. Cuando para una altura de salto determinada se puede colocar más de un tipo de turbina, uno de los parámetros decisivos a la hora de seleccionar uno u otro tipo es el rendimiento de la misma a cargas parciales, es decir, a caudales que representan un cierto porcentaje del caudal nominal Qn (o caudal de equipamiento Qe). Este porcentaje se llama grado de carga q: En una misma turbina, los rendimientos son muy variables y dependen, naturalmente, del caudal ya que la altura del salto es constante. A falta de otros datos, las turbinas se proyectan para que sus rodetes den el máximo rendimiento a los 3/4 de carga, es decir, para un caudal igual a tres cuartos del máximo admisible. De esta forma, se consigue que las turbinas no tengan un rendimiento excesivamente bajo a carga parcial, teniendo en cuenta que, por lo general, durante el año, trabajan más horas a carga parcial que a plena carga. El área de rendimiento de una T. Pelton a un 30% de su carga tiene un buen rendimiento desde 89% hasta un máximo en un 91%. La turbina Kaplan en un 40% de su caudal y carga tiene buen rendimiento de 94%, pero su ancho de operación es reducido. La T. Francis, tiene un buen rendimiento a partir de una 60% de su caudal, su ancho de operación es reducido y llena a un 94% de rendimiento para cargas elevadas y para cargas bajas es mala. La T. Deriag, a partir de 60% tiene entre la Kaplan y la Francis llega a valores del 94% una mejoría sobre la T. Francis T. Osverger y Banki, tiene un rendimiento máximo llega a un 86% pero es una rendimiento plano y constante, la Michel también. T. Helice, que tiene un rendimiento bueno pero en un margen muy estrecho, llega a un rendimiento de un 95%.

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Si se opera con una carga fija permanente se trabaja con una turbina Hélice, pero si cae la carga bajara el rendimiento en la Turbina. Helice. La tabla 3.1 nos resume las características de las turbinas anteriormente mencionadas.

Nota. Nf ¡velocidad específica

Ch: chorro L: lento N: normal R: rápida

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