Tipos de Turbinas Hidráulicas

Tipos de Turbinas Hidráulicas Una turbo máquina consta fundamentalmente de una rueda de alabes, rodete, que gira libremente alrededor de un eje cuando pasa un fluido por su interior. La forma de los alabes es tal que cada dos consecutivos forma un conducto que obliga al flujo a variar su cantidad de movimiento, lo que provoca una fuerza, esta fuerza al desplazarse el alabe provoca un trabajo. La clasificación fundamental de una turbina (convierte la energía del flujo en una energía mecánica en el eje, lo contrario sería una bomba) es las de acción y las de reacción. · Turbinas de acción: Se llaman así cuando la transformación de la energía potencial en energía cinética se produce en los órganos fijos anteriores al rodete (inyectores o toberas). En consecuencia el rodete solo recibe energía cinética. La presión a la entrada y salida de las cucharas (o alabes) es la misma e igual a la atmosférica. · Turbinas de reacción: Se llama así (en el caso de pura) cuando se transforma la energía potencial en cinética íntegramente en el rodete. Este recibe solo energía potencial. La presión de entrada es muy superior a la presión del fluido a la salida. Esto ocurre en un aspersor. En la realidad no se ha desarrollado este tipo de turbina industrialmente. Se llaman así aun que habría que considerarlas como un tipo mixto. Otra clasificación muy distinta es en función de la dirección del flujo en el rodete, lo que puede hacer que clasifiquemos a las turbomáquinas en: · Axiales: El desplazamiento del flujo en el rodete es paralelo al eje. Es axial y tangencial (giro). · Radiales: El desplazamiento en el rodete es perpendicular al eje. No tiene componente axial. · Mixtas: Tiene componente Axial, radial y tangencial. En la actualidad, las turbinas que dominan el campo en las centrales hidroeléctricas son: · Pelton (de acción) · Francis (de reacción) · Hélice y Kaplan (de reacción) · Bulbo (de reacción) El rendimiento de todas ellas supera el 90%. Podemos comparar sus rendimientos en función con el porcentaje del caudal nominal para las que fueron diseñadas. Selección del Tipo de Turbina La siguiente figura corresponde a un ábaco para la selección del tipo de turbina dependiendo del salto (cabeza) y del caudal.

Se pueden observar como para saltos altos y caudales relativamente bajos, se aplican las turbinas tipo Pelton y para saltos medios y caudales relativamente altos se seleccionan turbinas tipo Francis, mientras que para cabezas extremadamente bajas y grandes caudales las turbinas Kaplan, resaltando estos tipos de turbinas como los más representativos.

La potencia de la instalación vendrá determinada por la altura del salto y por el caudal del que se disponga en dicho salto, esto es, podemos conseguir potencia o por la altura o por el caudal, como podemos comprobar: Para todas las turbinas hidráulicas que son geométricamente semejantes se mantiene constante la relación entre la potencia de salida y la altura del salto, a esta constante, que diferencia a una familia de turbinas con otras se les llama velocidad especifica ns. La velocidad específica ns de las turbinas es el parámetro clave para fijar el tipo de turbina y su diseño, viene expresada por la siguiente ecuación: ns 

n * Pe1 / 2 H 5/4

Las velocidades especificas ns pueden abarcar desde ns= 10 hasta ns=1150. Para una potencia Pe y un número de revoluciones n, los saltos de alta presión nos llevan a una velocidad específica ns baja. Por el contrario, los saltos de baja presión (baja altura) nos conducen a velocidades especificas ns altas.

Turbinas Pelton Este tipo de turbina fue creada y patentada en 1889 por el norteamericano Lester Allan Pelton. El principio de funcionamiento es relativamente simple, ya que constituye una evolución lógica de la antigua rueda hidráulica. Posee las mejores características para grandes alturas, y desde luego es la única máquina capaz de funcionar con alturas superiores a 1.700 m. Son notables su suavidad de giro y su buen funcionamiento a carga parcial. En la figura se muestra la disposición típica de una turbina Pelton. La tobera lanza a la atmósfera un chorro de alta velocidad que incide sobre una serie de cucharas o álabes montados en la periferia de una rueda. El par ejercido por el impacto y la desviación del chorro provoca el giro de la rueda. Una vez transmitida su energía a la rueda, el agua sale de los álabes a velocidad relativamente baja y es dirigida hacia el canal de desagüe. Por tanto, la turbina ha de estar colocada a suficiente altura sobre el nivel máximo de crecida para asegurar el derrame libre. En la turbina Pelton actual, la energía cinética del agua, en forma de chorro libre, se genera en una tobera colocada al final de la tubería a presión. La tobera está provista de una aguja de cierre para regular el gasto, constituyendo en conjunto, el órgano de alimentación y de regulación de la turbina. Encuentra justa aplicación la turbina Pelton, en aquellos aprovechamientos hidráulicos donde la ponderación de la carga es importante respecto al caudal. La velocidad especifica es baja, entre 10 y 60 en el sistema métrico y entre 2 y 12 en el sistema ingles aproximadamente, siendo preferibles valores centrales entre estos límites por razones del rendimiento, el cual es del orden del 90% y se conserva bastante bien a carga parcial. Entre las turbinas Pelton mas grandes instaladas hasta el momento se encuentran las de Mont-Cenis (Alpes franceses) de 272000 HP cada una, bajo 870 m de carga. Una instalación típica de microturbinas Pelton consta de los siguientes elementos: 1-. Codo de entrada

2-. Inyector: transforma la energía de presión en energía cinética. La velocidad del chorro a la salida del inyector en algunas instalaciones llega a 150 m/seg. y aún más. Consta de Tobera y Válvula de Aguja. 3-. Tobera 4-. Válvula de Aguja 5-. Servomotor 6-. Regulador 7-. Mando del deflector 8-. Deflector o pantalla deflectora 9-. Corro 10-. Rodete 11-. Álabes o cucharas 12-. Freno de la turbina 13-. Blindaje 14-. Destructor de energía La clasificación más general que puede hacerse de las turbinas Pelton es en tipos de eje horizontal y tipos de ejes vertical. 1. Turbinas Pelton de Eje Vertical: En este tipo de turbinas Pelton 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. Este sistema de montaje encuentra aplicación en aquellos casos donde se tienen aguas sucias que producen deterioros o notable acción abrasiva. Con el eje horizontal se hace también posible instalar turbinas gemelas para un solo generador colocado entre ambas, contrarrestando empujes axiales. 2. Turbinas Pelton de Eje Horizontal: En este tipo de turbinas Pelton se facilita la colocación del sistema de alimentación en un plano horizontal, lo que permite aumentar el número de chorros por rueda (4 a 6); con esto se puede incrementar el caudal y tener mayor potencia por unidad. Se acorta la longitud del eje turbinagenerador; se amenguan las excavaciones; se puede disminuir el diámetro de rueda y aumentar la velocidad de giro, se reduce en fin el peso de la turbina por unidad de potencia. Esto hace que la utilización de esta disposición en turbinas Pelton sea más ventajosa que la disposición horizontal. Su aplicación

es conveniente en aquellos casos donde se tienen aguas limpias que no produzcan gran efecto abrasivo sobre los alabes e inyectores, debido a que la inspección y las reparaciones con este montaje se hacen más difíciles. Por otra parte, las turbinas Pelton se clasifican también en sencillas (un rodete y un chorro) y múltiples. Las turbinas Pelton se multiplican por el número de chorros, llamándose Pelton doble, triple, etc. Las turbinas Pelton séxtuples (1 rodete de eje vertical y 6 chorros) cayeron un tiempo en desuso, por la complicación que entraña su duodécuple regulación (6 inyectores y 6 pantallas deflectoras y por tanto, 12 servomotores).

Turbinas Francis Este tipo de turbina fue diseñada por en ingeniero ingles James B. Francis (1815-1892). Era una turbina totalmente centrípeta totalmente radial. Podemos observar dos partes, el distribuidor que es una parte fija a través de la que se admite el agua en el rodete que es móvil y solidario al eje. La turbina Francis es un motor hidráulico de reacción, que se emplea para caudales y alturas medias. El agua procedente del embalse entra en una cámara espiral que se encarga de hacer uniforme la velocidad de agua por toda la periferia del distribuidor. Para alturas importantes esta caja espiral es metálica, mientras para pequeñas alturas (de grandes secciones) se construyen de hormigón. El distribuidor de la turbina Francis, y en general de todas las turbinas de reacción, está formado por aletas de guía pivotadas. El agua es acelerada a una velocidad V 1´. Las aletas de guía giran sobre sus pivotes, para modificar la sección transversal de los canales y así ajustar en todo momento el caudal a la carga de la central. El movimiento de las aletas guía o parlas directrices, se consigue con la acción de sus correspondientes bielas, unidas todas a un anillo. Este anillo gira ligeramente, por la acción de uno o dos brazos de un servomotor. Al girar las aletas forman un ángulo 1 con la dirección tangencial del rodete. Con 1=0º se considera para un caudal nulo y con 1=15º a 1=40º según la velocidad especifica de la turbina para el caudal máximo.

En las centrales hidráulicas con saltos de pequeña y mediana altura, la turbina Francis se monta con la cámara de descarga abierta. En las figuras se representan esquemáticamente dos turbinas Francis, de eje vertical y de eje horizontal, respectivamente, montadas en cámara abierta. En este tipo de cámara el agua llega libremente hasta la turbina, quedando ésta sumergida en el agua, tal como puede apreciarse con ambas figuras.

Turbinas Kaplan Las turbinas tipo Kaplan fueron diseñado por el Dr. técnico Víctor Kaplan (1876-1934) en el principio del siglo 20. A diferencia de los otros tipos de turbinas se puede ajustar ambas alabas (los del rotor y los alabas de guía) para adaptar la turbina a diferentes niveles del caudal. Los ejes son de orientación horizontal o vertical. Se usa este tipo de turbina en plantas de presión baja y mediana. En la planta "Schwellöd" se encuentra una turbina de tipo Kaplan con árbol vertical y con caja de concreto. La Turbina Kaplan es una turbina de hélice con álabes ajustables, de forma que la incidencia del agua en el borde de ataque del álabe pueda producirse en las condiciones de máxima acción, cualesquiera que sean los requisitos de caudal o de carga. Los órganos principales de una turbina Kaplan son, como en la Francis, la cámara de alimentación o caracol, el distribuidor, el rodete móvil y el tubo de desfogue , ya que es también turbina de reacción. 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 toridal puede ser circular o rectangular. El rotor de la turbina de forma de hélice, está constituido por un robusto cubo, cuyo diámetro es el orden del 40% al 50% del diámetro total al extremo de los álabes, en el cual van empotrados los álabes encargados de efectuar la transferencia de energía del agua al eje de la unidad.

Las turbinas Kaplan son de hélice con alabes ajustables para que el agua en el borde de ataque del alabe pueda producirse en la forma de máxima acción cuales quiera que sean los requisitos del caudal o de la carga, así se logra mantener una velocidad especifica alta, un rendimiento elevado a diferentes valores de la potencia característica, importantísima para una turbina o rotor de hélice, y son utilizadas para manejar cargas de hasta 60m o menos y caudales medios y grandes alrededor de 15m3/s en adelante, siendo menos voluminosas que las turbinas Francis. La turbina DERIAZ es, en esencia, una turbina Francis de álabes orientables; dato cronológico: La turbina Kaplan fue presentada en el año 1925, la turbina Deriaz en 1956

Turbinas de Hélice En las turbinas tipo Hélice o Propeller, el receptor toma la forma de hélice de propulsión El distribuidor mantiene el aspecto que tienen en las turbinas tipo Francis, si bien la distancia entre los alabes del receptor y las del distribuidor es bien mayor.

Turbinas de Bulbo Son un modelo especial de las Kaplan. Son aptas para aprovechar saltos de muy poca altura y gran caudal. El alternador queda dentro de la

envolvente. El agua que circula entre esta y la otra pared concéntrica de mayor diámetro, pasa en primer lugar por los canales que forman unas aletas guía fijas, que sirven de soporte estructural, a continuación por el canal de las aletas guía pivotadas para la regulación, y por último atraviesan un rodete tipo Kaplan. El conjunto queda sumergido como si fuera un submarino. Se accede a él a través de un pozo con diseño exterior aerodinámico para evitar obstaculizar el paso el agua.

La velocidad especifica de una turbina bulbo es muy alta de entre 600 y 1150, solapándose parcialmente con las turbinas tipo Kaplan. Su número de revoluciones es pequeño, por lo que obliga a tener un alternador con un gran número de polos, y en consecuencia un gran diámetro.

Turbinas de Vapor El éxito obtenido con las turbinas de agua condujo a utilizar el principio de la turbina para extraer energía del vapor de agua. Mientras que la máquina de vapor de vaivén desarrollada por Watt utilizaba la presión del vapor, la turbina consigue mejores rendimientos al utilizar también la energía cinética de éste. La turbina puede ser más pequeña, más ligera y más barata que una máquina de vapor de vaivén de la misma potencia, y puede ser de un tamaño mucho mayor que las máquinas de vapor convencionales. Desde el punto de vista de la mecánica, tiene la ventaja de producir directamente un movimiento giratorio sin necesidad de una manivela o algún otro medio de convertir la energía de vaivén en energía rotatoria. Como resultado de ello, la turbina de vapor ha reemplazado a las máquinas de vaivén en las centrales generadoras de energía eléctrica, y también se utiliza como una forma de propulsión a chorro. Las turbinas de vapor se utilizan en la generación de energía eléctrica de origen nuclear y en la propulsión de los buques con plantas nucleares.

En las aplicaciones de cogeneración que requieran tanto calor (el utilizado en un proceso industrial) como electricidad, se genera vapor a altas presiones en una caldera y se extrae desde la turbina a la temperatura y la presión que necesita el proceso industrial. Las turbinas de vapor pueden utilizarse en ciclos (escalones) combinados con un generador de vapor que recupera el calor que se perdería. Las unidades industriales se utilizan para poner en movimiento máquinas, bombas, compresores y generadores eléctricos. La potencia que se obtiene puede ser de hasta 1.300 MW. La turbina de vapor no fue inventada por una única persona, sino que fue el resultado del trabajo de un grupo de inventores a finales del siglo XIX. Algunos de los participantes más notables en este desarrollo fueron el británico Charles Algernon Parsons y el sueco Carl Gustaf Patrik de Laval. Parsons fue responsable del denominado principio de escalones, mediante el cual el vapor se expandía en varias fases, aprovechándose su energía en cada una de ellas. De Laval fue el primero en diseñar chorros y palas adecuados para el uso eficiente de la expansión del vapor.

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Turbina monoetapa: Se utilizan para turbinas de hasta 2 MW de potencia, al ser de más simple construcción son las más robustas y seguras, además de acarrear menores costes de instalación y mantenimiento que las multietapa.

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Turbina multietapa: El objetivo de los escalonamientos en la turbina de vapor es disminuir la velocidad del rodete conservando

una velocidad de los alabes próxima al valor optimo con relación a la velocidad del chorro de vapor. Si tenemos una presión de vapor muy elevada sin las etapas necesarias, sería necesario que la turbina girase a una velocidad muy alta, que no sería viable mecánicamente por las dimensiones que debería tener el reductor (caja de engranajes que ajustaría la velocidad final del eje a la deseada)

Consiguen mejores rendimientos que las monoetapa, además pueden absorber flujos de vapor de mucha mayor presión, por lo que se utilizan para turbinas de alta potencia. Suelen utilizarse turbinas mixtas, con las primeras etapas de acción y las finales de reacción. 

Turbina de flujo axial: Es el método más utilizado, el paso de vapor se realiza siguiendo un cono que tiene el mismo eje que la turbina.

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Turbina de flujo radial: El paso de vapor se realiza siguiendo todas las direcciones perpendiculares al eje de la turbina.

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Turbina con extracción de vapor: Se realiza en etapas de alta presión, enviando parte del vapor de vuelta a la caldera para sobrecalentarlo y reenviarlo a etapas intermedias. En algunas ocasiones el vapor también puede ser extraído de alguna etapa para derivarlo a otros procesos industriales.

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Turbina de contrapresión: La presión del vapor a la salida de la turbina es superior a la atmosférica, suele estar conectado a un condensador inicial que condensa al vapor, obteniéndose agua

caliente o sobrecalentada, que permite su aprovechamiento térmico posterior. 

Turbinas de condensación: El vapor sale aúna presión inferior a la atmosférica, en este diseño existe un mayor aprovechamiento energético que a contrapresión, se obtiene agua de refrigeración de su condensación. Este diseño se utiliza en turbinas de gran potencia que buscan un alto rendimiento.

Se denomina grado de reacción a la fracción de la expansión producida en la corona móvil respecto a la total, un grado de reacción 1 indica que la turbina es de reacción pura, mientras que para el valor cero será una turbina de vapor de acción. 

Turbina de vapor de acción: Una turbina de vapor de acción con un escalonamiento de velocidad consta fundamentalmente de: o Un distribuidor fijo, compuesto por una o varias toberas, cuya misión es transformar la energía térmica del vapor puesta a su disposición, total (acción), o parcialmente (reacción), en energía cinética. o Una corona móvil, fija sobre un eje, cuyos álabes situados en la periferia tienen por objeto transformar en energía mecánica de rotación, la energía cinética puesta a su disposición.

Su funcionamiento consiste en impulsar el vapor a través de las toberas fijas hasta alcanzar las palas, que absorben una parte de la energía cinética del vapor en expansión, lo que hace girar el rotor y con ella el eje al que está unida. Las turbinas de acción habituales tienen varias etapas, en las que la presión va disminuyendo de forma escalonada en cada una de ellas.

Turbinas Eólicas Una turbina eólica o turbina de viento es una turbina accionada por la energía eólica. Se trata de una turbomáquina motora que intercambia cantidad de movimiento con el viento, haciendo girar un rotor. La

energía mecánica del eje del rotor puede ser aprovechada para diversas aplicaciones como moler, en el caso de los molinos de viento; bombear agua, en el caso de las aerobombas; o para la generación de energía eléctrica, en los aerogeneradores. Las turbinas eólicas se clasifican, según la orientación del eje del rotor, en verticales y horizontales. Turbinas de eje vertical  Turbinas Savonius Las turbinas Savonius son un tipo de turbinas de eje vertical usadas para convertir el poder del viento en torsión sobre un eje rotatorio. Fueron inventadas por el ingeniero finés Sigurd J. Savonius en 1922. Puede arrancar con poco viento, siendo muy sencilla su fabricación; tiene una velocidad de giro pequeña y su rendimiento es relativamente bajo.

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Turbinas Darrieus

Debe su nombre al ingeniero francés Georges Darrieus, quien patentó el diseño en 1931. Requiere vientos de 4 a 5 m/s, manteniendo grandes velocidades de giro y un buen rendimiento. Está constituida por 2-4 palas de perfil biconvexo unidas la una con la otra produciendo el giro del eje al que están unidas. Turbinas de eje horizontal Las turbinas eólicas modernas, conocidas también como aerogeneradores tienen su origen en Dinamarca en la década de 1980. Hoy en día la industria eólica utiliza generadores con rotores de hasta 126 metros de diámetro fabricados con alta tecnología. Son usadas en parques eólicos para la producción comercial de electricidad. La gran mayoría tiene tres palas, están pintadas de un tono claro, tienen una eficiencia alta y están controladas por computadora.  Componentes Las turbinas eólicas modernas o aerogeneradores tienen una serie de componentes:

1. rotor: contiene las aspas o palas y el hub 2. nacelle o góndola: es una especie de caja que se conecta al rotor y dentro de ella está la caja de engranes y generador. En algunos modelos de turbinas eólicas de grandes dimensiones incluso puede aterrizar un helicóptero. 3. caja de engranes o gearbox: se encarga de multiplicar la rotación del rotor para que el generador reciba el número de revoluciones por minuto suficientes para poder transformar energía eléctrica en eólica. Existen sistemas de aerogeneradores que utilizar otras tecnologías en lugar de caja de engranes 4. generador eléctrico: contiene una serie de imanes y bobinas que al rotar generarán energía eléctrica. 5. torre del aerogenerador: estructura de soporte, sostiene a la góndola y al rotor. Su interior se usa también para poder subir a la turbina y llevar el cableado. La torre tiene un motor que permite que la turbina pueda girar en direcciones de viento favorable.

Costos de energía renovables Cuando se habla de costos de la energía, se toma como referencia los costos de conversión de la energía primaria en energía eléctrica, por ser la energía secundaria más utilizada en el mundo. Todas las formas

de energía primaria, o casi todas, pueden convertirse en eléctrica mediante algún equipo o proceso. La energía nuclear es la única energía alternativa a los combustibles fósiles que no produce CO2 y que se mide en teravatios. En el mundo hay aproximadamente 440 plantas instaladas y se trata de una energía que otorga alta confiabilidad, un factor de servicio muy alto y plantas de muchos años de durabilidad. La energía solar fotovoltaica es sumamente costosa en inversión, con lo que su precio de generación también lo es. Sirve para casos aislados, por ejemplo, para dar corriente a pobladores y a escuelas en sitios a los que no llegan los cables de energía eléctrica. Costos de generación eléctrica a partir de diferentes energías alternativas. (Valores internacionales)

IGCC : Integrated Coal-Gasification Combined Cycle Basado en Report #:DOE/EIA-0554(2009) Release date:March 2009 y otras fuentes. (1) http://www.world-nuclear.org/info/inf02.html. Depende del período de amortización.

Los costos de combustible (en su mayoría para el carbón y el gas natural) representan la mayor parte de los costos de generación en las facturas de electricidad de los consumidores. En 2013, el carbón representó el 44% y el gas natural representó el 42% de los costes totales de combustible para la generación de electricidad. En el caso AEO2015 de referencia, el carbón representa el 35% y el gas natural para el 55% de los costos totales de combustible en 2040. Los precios del carbón se elevan en promedio un 0,8% por año los precios y el gas natural un 2,4% / año en el caso de la referencia, en U.S. Energy Information Administration | Annual Energy Outlook 2015

La mayor parte del crecimiento es en el consumo de gas natural y las energías renovables. La energía hidroeléctrica, la mayor categoría de la generación de electricidad renovable en 2013, contribuye poco al aumento en el consumo de combustible renovable. La generación de energía eólica, la segunda mayor categoría de la generación de electricidad renovable en 2013, se convierte en el mayor contribuyente en 2038 (incluyendo la generación eólica en los servicios públicos y los usuarios finales en el sitio). Sin embargo, la energía solar fotovoltaica (6,8% / año), geotérmica (5,5% / año),

El aumento en el uso de la energía solar se ha debido por una disminución en su costo, para 2040 podría desplazar a los otros tipos de energía.