Turbina hidráulica
1. INTRODUCCIÓN. 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 Todo ello, como consecuencia de estar rígidamente unidos, generalmente, los ejes de ambas máuinas, turbina-generador , formando un eje !nico con el ue se obtiene sincronismo de giro entre las mismas, es decir, idéntico n!mero de revoluciones durante espacios de tiempo iguales.
Fig. 1- Turbina hidráulica. (Motor hidráulico)
"n determinadas máuinas, particularmente en las l as ue proporcionan peue#as potencias $ trabajan con poca altura de salto, se suele disponer un multiplicador de velocidad, instalado ent ambos ejes, a fin de ue las dimensiones de% generador sean reducidas. &e ahora en adelante, al referirnos al conjunto turbina'generador, le denominaremos grupo. (gualmente utilizaremos la e)presión alternador para para nombrar al generador, generador, por ser alterna la corriente producida en el mismo *+ig. -.
Fig. 2 – Conjunto turbina-generado (Grupo)
HIDRÁULICAS, amos amos a centrarnos en el estudio e)clusivo de las denominadas TURBINAS HIDRÁULICAS e)presión ue identifica a las máuinas motrices accionadas por el agua, instaladas en tas Centrales Hidroeléctricas. "n base a la anterior consideración, podemos decir ue turbina hidráulica es la máuina 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 form de presión *energía potencial o de posición- como en la de velocidad *energía cinética-, en el trabajo mecánico e)istente en un eje de rotación. r otación. "n términos generales $ sin ánimo de ser reiterativos, podemos definir a las turbinas hidráulicas como otores !idr"ulicos destinados a aprovechar las corrientes $ saltos de agua. /emos e)puesto 0ué1 función tiene una turbina. 2hora se trata de analizar 0cómo1 se origina esa función en la misma. 3in detenernos a mostrar amplios detalles descriptivos de los componentes fundamentales, $a ue lo haremos oportunamente al hablar de cada tipo de turbina, e)pondremos con brevedad cómo se produce el funcionamiento de las turbinas en términos generales. 4na turbina hidráulica es accionada por el agua en movimiento, una vez ue ésta es debidame encauzada hacia el elemento de turbina denominado distribuidor , el cual, circularmente, distribu$e, regula $ dirige un caudal de agua ue tiende a incidir, con ma$or o menor amplitud, hacia el centro del círculo descrito, sobre un rotor o rueda móvil conocida con el nombre de rodete, ue, conjuntamente con el eje en el ue está montado, ha de estar perfectamente euilibrado dinámica $ estáticamente *+ig. 5-.
Fig. 3 – Coponente! e!enciale! de una turbina hidráulica. ("i!ta en planta de una turbina #elton de eje $ertical con !ei! e%uipo! de in&ecci'n).
&e lo e)puesto se deduce cómo la energía del agua, originalmente la ma$oría de los casos en forma de energía potencial de tipo gravitatorio, se convierte en energía cinética al pasar sucesivamente par el distribuidor $ el rodete, debido a la diferencia de nivel e)istente entre la entrada $ la salida de a conducción *+ig. 6-. "n consecuencia, se provocan cambios en la magnitud $ dirección de la velocidad del fluido, lo ue hace ue se produzcan fuerzas tangenciales en el rodete, generándose así energía mecánica al girar éste.
Fig. – i*erencia de ni$el e+i!tente entre la entrada & la !alida del agua de
alientaci'n a una turbina.
"l rendimiento de las instalaciones con turbinas hidráulicas, siempre es elevado, pudiendo llega desahogadamente desahogadamente al 789 o más, después de tener en cuenta todas las pérdidas hidráulicas po choue, de caudal, de fricción en el generador, mecánicas, mecánicas, etc. Los problemas de regulación de velocidad son importantes, principalmente a causa de las grandes masas de agua ue entran en juego, con sus aceleraciones positivas $ negativas, ue transforman en ondas de presión. La continuidad de las columnas de agua transmite a las onda produciéndose fuertes choues o golpe de ariete ue es necesario evitar o por lo menos controlar.
2. TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS. "n el presente apartado, se inicia el estudio de los tres tipos de turbinas hidráulicas utilizados con mejores resultados en la actualidad. &e cada uno de dichos tipos, mencionaremos las características técnicas $ de aplicación más destacadas ue los identifican, la descripción de los distintos elementos ue componen cada turbina, así como el principio de funcionamiento de las mismas.
Los tres tipos objeto de estudio son *+ig. :-; ' Turbinas #$LT%N *a' Turbinas &RANCIS *b' Turbinas 'A#LAN *cFig. , – Tipo! de turbina! hidráulica!.
Para establecer esta relación en el orden indicado, nos basamos en el empleo de las turbinas en función de la altura del salto, si bien no ha$ límites perfectamente definidos ue separen los márgenes de utilización de unos tipos respecto de los demás. onval, 3ch?am@rug, Auppinger, Auppinger, etc., por encontrarse en el momento presente desfasados tecnológicamente.
3. TURBINAS TURBIN AS PELTON. PELTON. Las turbinas Pelton, se conocen como turbinas de presión por ser ésta constante en la zona del rodete, de chorro libre, de impulsión, o de admisión parcial por ser atacada por el agua sólo una parte de la periferia del rodete. 2sí 2sí mismo entran en la clasificación de turbinas tangenciales $
turbinas de acci(n, conceptos ue analizaremos a su debido tiempo. 3u utilización es idónea en saltos de gran altura *alrededor de 88 m $ ma$ores-, $ caudales relativamente peue#os *hasta B8 m 5Cs apro)imadamente-. Por razones hidroneumáticas, $ por sencillez de construcción, son de buen rendimiento para amplios márgenes de caudal *entre 58 9 $ B88 9 del caudal má)imo-. Por ello se colocan pocas unidades en cada central ue reuiere turbinas de estas características. Pueden ser instaladas con el eje en posición vertical u horizontal, siendo esta !ltima disposición la más adecuada, la cual nos servirá de referencia para hacer las descripciones necesarias.
3.1. Componentes de un un tu!"#n Pe$ton. Los componentes esenciales de una turbina Pelton, enumerados, dentro de lo posible $ cuando corresponda, siguiendo la tra$ectoria del agua a través de la misma son *+ig. D-.
Fig. - Coponente! de una turbina #elton de eje horiontal/ con do! e%uipo! de in&ecci'n.
2 continuación hacemos hacemos una amplia descripción de cada uno de ellos. 5.B.B. &istribuidor de una turbina Pelton. "stá constituido por uno o varios euipos de in$ección de agua. Eada uno de dichos euipos, formado por determinados elementos mecánicos, tiene como misión dirigir, convenientemente, un chorro de agua, cilíndrico $ de sección uniforme, ue se pro$ecta sobre el rodete, así como también, regular el caudal preciso ue ha de fluir hacia dicho rodete, llegando a cortarlo totalmente cuando proceda *+ig. F-.
Fig. 0 - !%uea de un di!tribuidor.
Fig. - Grupo accionado por turbina #elton con do! rodete!.
"l n!mero de euipos de in$ección, colocados circunferencialmente alrededor de un rodete, depende de la potencia $ características del grupo, seg!n las condiciones del salto de agua. 2sí mismo, se puede disponer de más de un rodete en el mismo eje, cada uno de ellos dotado del distribuidor apropiado *+ig. G-. /asta seis suelen ser los euipos ue pro$ectan chorros de agua sobre un mismo rodete, derivando todos $ cada uno de ellos de la tubería forzada. &icho n!mero de euipos de in$ección, se instala en turbinas Pelton con eje vertical, siendo, normalmente, uno o dos in$ectores los instalados cuando la disposición del eje es horizontal *+ig. 5, D $ 7-.
Fig. – Turbina #elton de eje horiontal/ con un e%uipo de in&ecci'n.
Para mejor comprensión, describiremos los elementos ue forman un solo euipo de in$ección, mediante el cual se obtiene un chorro de agua. "stos elementos son; Eámara de distribución. Eonsiste en la prolongación de la tubería forzada, acoplada a ésta mediante brida de unión, posteriormente a la situación de la válvula de entrada a turbina, seg!n la tra$ectoria normal del agua *+ig. D-. También se nombra cámara de in$ectores. Tiene como misión fundamental, conducir el caudal de agua. (gualmente, sirve de soporte a los demás mecanismos ue integran el distribuidor *+ig. B8-.
Fig. 14 – Cáara de di!tribuci'n de una turbina #elton.
(n$ector. "s el elemento mecánico destinado a dirigir $ regular el chorro de agua. "stá compuesto por; •
Tobera.
3e entiende como tal, una bouilla, normalmente con orificio de sección circular *puede tratarse de otra sección-, de un diámetro apro)imado entre : $ 58 cm, instalada en la terminación de la cámara de distribución *+ig. BB-.
Fig. 11 - etalle! de la tobera de una turbina #elton.
Pro$ecta $ dirige, tangencialmente hacia la periferia del rodete, el chorro de agua, de tal modo ue la prolongación de éste forma un ángulo prácticamente de 78H con los imaginarios radios de auel, en los sucesivos puntos de choue o incidencia del agua. Eon lo !ltimamente e)puesto se e)plica el concepto de turbina tangencial, del cual se hizo mención al iniciar el estudio de las turbinas Pelton.
•
2guja.
"stá formada por un vástago situado concéntricamente en el interior del cuerpo de la tobera, guiado mediante cojinetes sobre los cuales tiene un libre movimiento de desplazamiento longitudinal en dos sentidos *+ig. D-. 4no de los e)tremos del vástago, el orientado hacia el orificio de salida de la tobera, termina en forma esférico'cónica a modo de punzón, fácilmente recambiable, el cual regula el caudal de agua ue flu$e por la misma, de acuerdo con el ma$or o menor grado de acercamiento hacia el orificio, llegando a cortar totalmente el paso de agua cuando se produce el asentamiento de dicho punzón sobre el mencionado orificio, seg!n las circunstancias de funcionamiento del grupo *+ig. BB $ B-. "n el otro e)tremo *+ig. B8-, están dispuestos mecanismos tales como un muelle de cierre de seguridad, ue tiende a cerrar el orificio de tobera, presionando al punzón sobre el mismo, cuando la turbina está parada, o se pone fuera de servicio de manera brusca debido a un determinado defecto ue afecte al grupo. También, sobre dicho e)tremo, act!an una serie de palancas o de servomecanismos, ue regulan la posición del punzón, al ue de ahora en adelante llamaremos aguja o válvula de aguja, seg!n las órdenes recibidas del r egulador de velocidad, al ue nos referiremos más adelante.
Fig. 12 – i!tinto! a!pecto! de la aguja del in&ector de una turbina #elton. etalle de punta de aguja ero!ionada. •
&eflector.
"s un dispositivo mecánico ue, a modo de pala o pantalla, puede ser intercalado con ma$or o menor incidencia en la tra$ectoria del chorro de agua, entre la tobera $ el rodete, presentando la parte cóncava hacia el orificio de tobera *+ig. BB $ B5-.
Fig. 13 – 5epre!entaci'n e!%ueática de la actuaci'n de un de*lector. i!tinta! *ora! de acci'n !obre el chorro de agua.
Tiene como misión desviar, total o parcialmente seg!n proceda, el caudal de agua, impidiendo el embalamiento del rodete al producirse un descenso repentino de la carga. 3u intervención, evita variaciones bruscas de presión en la tubería forzada, al permitir una respuesta más lenta de la válvula de aguja, ante fuertes oscilaciones de carga. La situación del deflector se controla con el regulador de velocidadI al igual ue las distintas secciones de paso de agua por las toberas, al controlar las posiciones de la válvula de aguja. Jportunamente se ampliarán estas actuaciones. "uipo de regulación de velocidad. "stá constituido por un conjunto de dispositivos electro'mecánicos, a base de servomecanismos, palancas $ bielas. 3u función, como veremos en el momento oportuno, es la de mantener constante la velocidad del grupo, a fin de ue la frecuencia de la corriente generada tenga, en todas las circunstancias de carga, :8 períodos por segundo *p.p.s.-. "ste valor es general en toda "uropaI sin embargo, en 2mérica del
Fig. 0 - !%uea de un di!tribuidor.
Fig. - Grupo accionado por turbina #elton con do! rodete!.
"l n!mero de euipos de in$ección, colocados circunferencialmente alrededor de un rodete, depende de la potencia $ características del grupo, seg!n las condiciones del salto de agua. 2sí mismo, se puede disponer de más de un rodete en el mismo eje, cada uno de ellos dotado del distribuidor apropiado *+ig. G-. /asta seis suelen ser los euipos ue pro$ectan chorros de agua sobre un mismo rodete, derivando todos $ cada uno de ellos de la tubería forzada. &icho n!mero de euipos de in$ección, se instala en turbinas Pelton con eje vertical, siendo, normalmente, uno o dos in$ectores los instalados cuando la disposición del eje es horizontal *+ig. 5, D $ 7-.
Fig. – Turbina #elton de eje horiontal/ con un e%uipo de in&ecci'n.
Para mejor comprensión, describiremos los elementos ue forman un solo euipo de in$ección, mediante el cual se obtiene un chorro de agua. "stos elementos son; Eámara de distribución. Eonsiste en la prolongación de la tubería forzada, acoplada a ésta mediante brida de unión, posteriormente a la situación de la válvula de entrada a turbina, seg!n la tra$ectoria normal del agua *+ig. D-. También se nombra cámara de in$ectores. Tiene como misión fundamental, conducir el caudal de agua. (gualmente, sirve de soporte a los demás mecanismos ue integran el distribuidor *+ig. B8-.
Fig. 14 – Cáara de di!tribuci'n de una turbina #elton.
(n$ector. "s el elemento mecánico destinado a dirigir $ regular el chorro de agua. "stá compuesto por; •
Tobera.
3e entiende como tal, una bouilla, normalmente con orificio de sección circular *puede tratarse de otra sección-, de un diámetro apro)imado entre : $ 58 cm, instalada en la terminación de la cámara de distribución *+ig. BB-.
Fig. 11 - etalle! de la tobera de una turbina #elton.
Pro$ecta $ dirige, tangencialmente hacia la periferia del rodete, el chorro de agua, de tal modo ue la prolongación de éste forma un ángulo prácticamente de 78H con los imaginarios radios de auel, en los sucesivos puntos de choue o incidencia del agua. Eon lo !ltimamente e)puesto se e)plica el concepto de turbina tangencial, del cual se hizo mención al iniciar el estudio de las turbinas Pelton.
•
2guja.
"stá formada por un vástago situado concéntricamente en el interior del cuerpo de la tobera, guiado mediante cojinetes sobre los cuales tiene un libre movimiento de desplazamiento longitudinal en dos sentidos *+ig. D-. 4no de los e)tremos del vástago, el orientado hacia el orificio de salida de la tobera, termina en forma esférico'cónica a modo de punzón, fácilmente recambiable, el cual regula el caudal de agua ue flu$e por la misma, de acuerdo con el ma$or o menor grado de acercamiento hacia el orificio, llegando a cortar totalmente el paso de agua cuando se produce el asentamiento de dicho punzón sobre el mencionado orificio, seg!n las circunstancias de funcionamiento del grupo *+ig. BB $ B-. "n el otro e)tremo *+ig. B8-, están dispuestos mecanismos tales como un muelle de cierre de seguridad, ue tiende a cerrar el orificio de tobera, presionando al punzón sobre el mismo, cuando la turbina está parada, o se pone fuera de servicio de manera brusca debido a un determinado defecto ue afecte al grupo. También, sobre dicho e)tremo, act!an una serie de palancas o de servomecanismos, ue regulan la posición del punzón, al ue de ahora en adelante llamaremos aguja o válvula de aguja, seg!n las órdenes recibidas del r egulador de velocidad, al ue nos referiremos más adelante.
Fig. 12 – i!tinto! a!pecto! de la aguja del in&ector de una turbina #elton. etalle de punta de aguja ero!ionada. •
&eflector.
"s un dispositivo mecánico ue, a modo de pala o pantalla, puede ser intercalado con ma$or o menor incidencia en la tra$ectoria del chorro de agua, entre la tobera $ el rodete, presentando la parte cóncava hacia el orificio de tobera *+ig. BB $ B5-.
Fig. 13 – 5epre!entaci'n e!%ueática de la actuaci'n de un de*lector. i!tinta! *ora! de acci'n !obre el chorro de agua.
Tiene como misión desviar, total o parcialmente seg!n proceda, el caudal de agua, impidiendo el embalamiento del rodete al producirse un descenso repentino de la carga. 3u intervención, evita variaciones bruscas de presión en la tubería forzada, al permitir una respuesta más lenta de la válvula de aguja, ante fuertes oscilaciones de carga.. La situación del deflector se controla con el regulador de velocidadI al igual ue las distintas secciones de paso de agua por las toberas, al controlar las posiciones de la válvula de aguja. Jportunamente se ampliarán estas actuaciones. "uipo de regulación de velocidad. "stá constituido por un conjunto de dispositivos electro'mecánicos, a base de servomecanismos, palancas $ bielas. 3u función, como veremos en el momento oportuno, es la de mantener constante la velocidad del grupo, a fin de ue la frecuencia de la corriente generada tenga, en todas las circunstancias de carga, :8 períodos por segundo *p.p.s.-. "ste valor es general en toda "uropaI sin embargo, en 2mérica del
Fig. 1 - 5odete de una turbina #elton.
Fig. 1, – etalle! de un rodete #elton.
Kueda motriz. "stá unida rígidamente al eje, montada en el mismo por medio de chavetas $ anclajes adecuados. 3u periferia está mecanizada apropiadamente para ser soporte de los denominados cangilones. Eangilones. También llamados álabes, cucharas o palas. 3on piezas de bronce o de acero especial para evitar, dentro de lo posible, las corrosiones $ cavitaciones, concepto este !ltimo ue será tratado convenientemente. "stán dise#ados para recibir el empuje directo del chorro de agua. 3u forma es similar a la de una doble cuchara, con una arista interior lo más afilada posible $ situada centralmente en dirección perpendicular hacia el eje, de modo ue divide al cangilón en dos partes simétricas de gran concavidad cada una, siendo sobre dicha arista donde incide el chorro de agua. "n sección, el conjunto toma forma de omega abierta *+ig. BD-.
Fig. 1 – etalle! de un cangil'n.
3u situación sobre la rueda motriz, se consigue por dos procedimientos. 4no de ellos consiste en montarlos de uno en uno o de dos en dos, sobre la periferia de la misma, haciendo la fijación mediante tornillos $ cu#as, de tal manera ue no e)istan juegos ni holguras *+ig. BF-. odernamente, $ para rodetes de cualuier tama#o, los cangilones están forjados con la misma rueda, formando pieza !nica, lo cual permite una economía en la construcciónI $ ma$or seguridad de funcionamiento, dado el impacto inicial del agua ue han de soportar en el momento del arranue, la fuerza centrífuga alcanzada en caso de embalamiento, etcétera.
Fig. 10 - Montaje de cangilone!.
Eada cangilón lleva, en su e)tremo periférico, una escotadura en forma de uve doble, perfectamente centrada. Tiene como objeto conseguir ue, la parte cóncava del cangilón precedente, seg!n el sentido de giro, reciba el chorro de agua cuando su arista se encuentra en posición lo más perpendicular posible, respecto al eje del chorro, aprovechando al má)imo el caudal $ el impulso ue éste le proporciona al acompa#arle durante un corto tra$ecto, razón por la cual las turbinas Pelton se denominan turbinas de impulsión. &ichas escotaduras favorecen un ma$or acercamiento de las toberas hacia el rodete. 5.B.5. Earcasa de una turbina Pelton. "s la envoltura metálica ue cubre los in$ectores, rodete $ otros elementos mecánicos de la turbina *+ig. BG-.
Fig. 1 - Conjunto de una turbina #elton.
3u misión consiste en evitar ue el agua salpiue al e)terior cuando, después de incidir sobre los cangilones, abandona a éstos. &ispone de un euipo de sellado, en las zonas de salida del eje, a fin de eliminar fugas de agua. Puede estar formado por un laberinto metálico dotado de drenajes, o bien por juntas de estanueidad, prensaestopas, etc. Euando se trata de turbinas Pelton instaladas con el eje en posición vertical, la carcasa, situada horizontalmente, tiene convenientemente distribuidos en su periferia unos conductos de paso de aire para aireación del rodete, lográndose, alrededor del mismo, el adecuado euilibrio de presiones. "n el caso de turbinas con el eje horizontal, la aireación se efect!a desde la cámara de descarga. 5.B.6. Eámara de descarga de una turbina Pelton.
3e entiende como tal la zona por donde cae el agua libremente hacia el desagMe, después de haber movido al rodete *5.B.'+ig. D-. También se conoce como tubería de descarga. Para evitar deterioros debidos a la acción de los chorros de agua, especialmente de los originados por la intervención del deflector, se suele disponer, en el fondo de la cámara de descarga, de un colchón de agua de a 5 m de espesor. Eon el mismo fin, se instalan blindajes o placas, situadas adecuadamente, ue protegen la obra de hormigón *5.B.B.'+ig. 7-. 5.B.:. 3istema hidráulico de frenado de una turbina Pelton. Eonsiste en un circuito de agua derivado de la cámara de distribución. "l agua, pro$ectada a gran velocidad sobre la zona conve)a de los cangilones, favorece el rápido frenado del rodete, cuando las circunstancias lo e)igen *5.B.'+ig. D-. 5.B.D. "je de una turbina Pelton. Kígidamente unido al rodete, $ situado adecuadamente sobre cojinetes debidamente lubricados, transmite el movimiento de rotación al eje del alternador *+ig. B7-. Fig. 1 - je de una turbina #elton/ con tre! rodete!. etalle de cojinete a+ial.
"l n!mero de cojinetes instalados así como su función, radial o radial'a)ial, depende de las características de cada grupo. 5.. Principio de funcionamiento de las turbinas Pelton. 4na vez identificados los elementos componentes de las turbinas Pelton, $ conocidas las funciones respectivas, se comprende fácilmente el funcionamiento de las mismas. La sucesiva transformación de la energía se efect!a del modo siguiente. La energía potencial gravitatoria del agua embalsada, o energía de presión hasta los orificios de las toberas, se convierte, prácticamente sin pérdidas, en energía cinética, al salir el agua a través de dichos orificios en forma de chorros libres, a una velocidad ue corresponde a toda la altura del salto !til, estando referida ésta, para el caso concreto de las turbinas Pelton, al centro de los chorros considerados. 3e dispone de la má)ima energía cinética en el momento en ue el agua incide tangencialmente sobre el rodete, empujando a los cangilones ue lo forman, obteniéndose el trabajo mecánico deseado. Las formas cóncavas de los cangilones hacen cambiar la dirección del chorro de agua, saliendo éste, $a sin energía apreciable, por los bordes laterales, sin ninguna incidencia posterior sobre los cangilones sucesivos. &e este modo, el chorro de agua transmite su energía cinética al rodete,
donde ueda transformada instantáneamente en energía mecánica. La válvula de aguja, gobernada por el regulador de velocidad, cierra más o menos el orificio de salida de la tobera, consiguiendo modificar el caudal de agua ue flu$e por ésta, al objeto de mantener constante la velocidad del rodete, evitándose embalamiento o reducción del n!mero de revoluciones del mismo, por disminución o aumento respectivamente de la carga solicitada al generador. La arista ue divide a cada cangilón en dos partes simétricas, corta al chorro de agua, seccionándolo en dos láminas de fluido, teóricamente del mismo caudal, precipitándose cada una hacia la concavidad correspondiente. Tal disposición permite contrarrestar mutuamente los empujes a)iales ue se originan en el rodete, euilibrando presiones sobre el mismo, al conseguir cambiar, simétrica $ opuestamente, los sentidos de ambas láminas de agua *+ig. 8-.
Fig. 24.- Funcionaiento de la! turbina! #elton. 6cci'n del chorro de agua !obre cada cangil'n de un rodete #elton.
6. T4KN(<23 +K2
Turbina +rancis lenta. Para saltos de gran altura *alrededor de 88 m o más-.
'
Turbina +rancis normal. (ndicada en saltos de altura media *entre 88 $ 8 m-
'
Turbinas +rancis rápidas $ e)trarrápidas. 2propiadas a saltos de peue#a altura *inferiores
a 8 m-. "l concepto de velocidad específica se tratará adecuadamente en el apartado 7.B8. Las turbinas +rancis, son de rendimiento óptimo, pero solamente entre unos determinados márgenes *para D8 9 $ B88 9 del caudal má)imo-, siendo una de las razones por la ue se disponen varias unidades en cada central, al objeto de ue ninguna trabaje, individualmente, por debajo de valores del D8 9 de la carga total. 2l igual ue las turbinas Pelton, las turbinas +rancis pueden ser instaladas con el eje en posición horizontal *+ig. B-, o vertical *+ig. -, siendo esta !ltima disposición la más generalizada por estar ampliamente e)perimentada, especialmente en el caso de unidades de gran potencia. Para describirlas, nos basaremos en turbinas de eje vertical.
Fig. 21 – Turbina Franci! de eje horiontal.
Fig. 22 – Turbina Franci! de eje $ertical.
. B . Eomponentes de una turbina +rancis. La relación de componentes fundamentales, considerando como referencia, siempre ue ello sea factible, el sentido de circulación del agua por la turbina, es el siguiente *+ig. 5-;
Fig. 23 – Coponente! de una turbina Franci! de eje $ertical.
6.B.B. Eámara espiral de una turbina +rancis. 2unue e)isten varios dise#os de cámaras, nos referimos concretamente a cámaras espirales, por ser las de instalación más frecuente. "stá constituida por la unión sucesiva de una serie de virolas tronco'cónicas, cu$os ejes respectivos forman una espiral. &esde el acoplamiento con la tubería forzada, donde el diámetro interior de la virola correspondiente alcanza su valor má)imo, la sección interior, circular en la ma$oría de los casos, va decreciendo paulatinamente hasta la virola ue realiza el cierre de la cámara sobre sí misma, cu$o diámetro interior se reduce considerablemente *+ig. 6-. "sta disposición se conoce como el caracol de la turbina, en el ue, debido a su dise#o, se consigue ue el agua circule con velocidad aparentemente constante $ sin formar torbellinos, evitándose pérdidas de carga.
Fig. 2.- Cáara e!piral de una turbina Franci!. etalle del antedi!tribuidor.
Todo el conjuntoI construido con chapas de acero unidas, actualmente, mediante soldaduraI suele estar rígidamente sujeto en la obra de hormigón de la central, por sus zonas periféricas e)ternas, consideradas como tales las alejadas del centro de la turbina. 2ntes de proceder al hormigonado e)terior de la cámara, ésta se somete a presión con agua, a fin de descubrir posibles fugas por las uniones. "n la zona periférica interna, totalmente concéntrica con el eje de la turbina, $ siguiendo planos paralelos, perpendiculares a dicho eje, se encuentra una abertura circular, formando un anillo, cu$os e)tremos están enlazados perpendicularmente por una sucesión de palas fijas, situadas euidistantemente unas de otras, a lo largo del contorno de la circunferencia descrita por dicho anillo, a través del cual, $ por toda su periferia, fluirá el agua, cubriendo la totalidad de los orificios así formados. La zona mencionada, se suele denominar antedistribuidor o anillo traviesa. er detalle en figura 6. &ada la curvatura $ orientación de las palas fijas, se consigue ue la pro$ección del agua salga dirigida casi radialmente, hacia el centro del espacio circular limitado por el anillo mencionado. La cámara espiral contiene, entre otros accesorios, entradas de hombre para r evisiones, tomas de agua para control de caudales $ presiones, drenajes, etc. 6.B.. &istribuidor de una turbina +rancis. "l distribuidor propiamente dicho, está formado por un determinado n!mero de palas móviles, cu$o conjunto constitu$e un anillo ue está situado concéntricamente $ entre las mismas cotas en altura ue el antedistribuidor, descrito al e)poner la cámara espiral, siendo, en definitiva, camino continuado del agua en su recorrido hacia el centro de la turbina *+ig. 5-. 3u función es la de distribuir, $ regular o cortar totalmente, el caudal de agua ue flu$e hacia el rodete. Los elementos componentes más destacados del distribuidor son; Palas directrices. 3on las palas móviles a las ue anteriormente se hacía referencia. También se las suele llamar álabes directrices o directores.
Eada una de ellas, al unísono con las demás, puede orientarse, dentro de ciertos límites, al girar su eje respectivo, pasando de la posición de cerrado total, cuando están solapadas unas palas sobre otras, a la de má)ima apertura ue corresponde al desplazamiento e)tremo, tendiendo a uedar en dirección radial $ manteniendo, entre sí, una convergencia hacia el eje *+ig. :-.
Fig. 2, - etalle! po!icione!/ cerrado o abierto/ de la! pala! directrice! del di!tribuidor.
Los ejes de las patas, a modo de generatrices del anillo ue compone el distribuidor, están asentados por su parte inferior en cojinetes situados en una corona circular denominada escudo inferior, $ guiados en su parte superior por cojinetes dispuestos en la llamada tapa de turbina, o en otra corona circular, escudo superior. &ichos cojinetes, conocidos como cojinetes bocines, disponen de un adecuado sistema de engrase *+ig. D-. "ste no es necesario cuando los cojinetes son de teflón. &ado ue cada pala ha de uedar perfectamente centrada a)ialmente, entre los escudos, se disponen mecanismos, de distinta índole, ue permiten regular durante el m ontaje la suspensión de la mismaI de modo ue no e)istan rozamientos, ni holguras e)cesivas ue puedan provocar pérdidas de carga.
Fig. 2 – 7ituaci'n de una pala directri.
"n la parte superior de cada eje, se instalan juntas de estanueidad, para evitar el paso de agua. Todas las palas directrices, cu$o n!mero oscila apro)imadamente entre B para las turbinas peue#as $ 6 para las grandes, son e)actamente iguales $ conservan entre sí i dénticas posiciones respecto al eje de turbina. Las generatrices de cada pata, paralelas al eje de giro pero no concéntricas con él, desarrollan formas de configuración cilíndrica, cu$a sección es similar a la representada en la figura F. "uipo de accionamiento de palas directrices. 3e trata de un conjunto de dispositivos mecánicos, a base de servomecanismos, palancas $ bielas, ue constitu$en el euipo de regulación de la turbina, gobernado por el regulador de velocidad.
Fig. 20 – Con*iguraci'n de una pala directri.
2unue todo lo concerniente con la regulación se tratará oportunamente, nos detenemos a considerar en este apartado ciertos detalles sobre determinados componentes de dicho euipo, de los cuales destacan; 3ervomotores.
Fig. 2 – !%uea! del accionaiento del anillo de di!tribuci'n. a) por do! !er$ootore!/ b) & c) por un !er$ootor.
2nillo de distribución. Eon sus movimientos, en sentido de apertura o cierre total o parcial, hace girar a todas $ cada una de las palas directrices, por medio de palancas de unión entre éste $ la parte superior de cada
uno de los ejes respectivos de auellas. "l giro conjunto $ uniforme de las palas directrices, permite variar la sección de paso de agua a través del distribuidor *+ig. 7-.
Fig. 2 – 6ccionaiento de la! pala! directrice! con el anillo de di!tribuci'n.
Las palancas mencionadas reciben el nombre de bieletas $ bielas, seg!n el sentido desde el anillo de distribución hacia las palas directrices. Nielas $ bieletas. La cone)ión entre la bieleta correspondiente, ligada al anillo, $ el eje de la pala directriz respectiva, se realiza mediante una biela formada, en ocasiones, por dos piezas superpuestas adecuadamente, o disposición similar, en cu$o caso, el punto com!n de enlace entre las mismas puede ser un bulón ue, además, hace la función de fusible mecánico. La unión rígida de cada bieleta con el eje de la pala dependiente, se consigue mediante varias chavetas *+ig. 58-.
Fig. 34 – leento! de accionaiento de la! pala! directrice!.
+usibles mecánicos. 3e trata del bulón colocado en cada juego de bielas, en el ue está convenientemente mecanizada una entalladura *+ig. 58 b-, al objeto de ue pueda romper fácilmente $, con ello, dejar sin control a la pala afectada, en caso de ue la misma presione sobre alg!n cuerpo e)tra#o, ue pudiera ser arrastrado por el agua, con lo ue se evitan posibles da#os ma$ores. &ichos fusibles deben de estar engrasados para facilitar su e)tracción en caso de rotura. Los mismos efectos se logran dotando de entalladuras a las propias bieletas, por lo ue se conocen como bieletas frágiles *+ig. 58 c-. Para la transmisión de los esfuerzos del anillo de distribución a las patas directrices, actualmente se tiende a sustituir los fusibles mecánicos $ las bieletas frágiles por embragues de fri cción, ajustados a una presión de trabajo dada. 3e tiende a sustituir, el conjunto descrito de servomotores, brazos, anillo de distribución, bielas, etc., por servomecanismos instalados individualmente para cada una de las palas directrices, todos ellos gobernados por el regulador de velocidad. "uipos de engrase. Las zonas metálicas sometidas a fricción, especialmente los cojinetes de las palas directrices, bieletas, bielas, etc., están debidamente engrasadas, mediante un euipo, automático o manual, dispuesto al efecto, el cual act!a a intervalos regulares. 6.B.5. Kodete de una turbina +rancis. D.. Turbinas de reacción. 3e consideran como turbinas de reacción, auellas en las ue cada una de las láminas de fluido ue se forman, después de pasar el agua a través de las palas fijas $ directrices, no se pro$ectan hacia los álabes del rodete de manera frontal, sino ue, mas bien, se trata de un deslizamiento sobre los mismos, de tal modo ue el sentido de giro del rodete no coincide con la dirección de entrada $ salida del agua *+ig. :5-.
Fig. ,3 – 5epre!entaci'n e!%ueática & !8il del e*ecto de reacci'n. (Turbina! Franci!/ 9aplan & de h:lice).
"l agua, en su recorrido entre los álabes del rodete cambia de dirección, velocidad $ presión. Todo ello, provoca una reacción en el rodete, dando origen a la potencia producida en la turbina, cu$o
valor, paradójicamente está en función de la carga perdida por el líuido en su desplazamiento. Eomo ejemplos de turbinas de reacción, están las +rancis $ Oaplan. Tratándose de turbinas grandes, las de reacción suelen ser de ma$or rendimiento ue las de acción, ocurriendo lo contrario en el caso de turbinas peue#as. 2hora bien, estableciendo la comparación para una misma potencia e igual altura de salto, una turbina de reacción puede girar a ma$or velocidad específica ue una de acción, proporcionando ma$or rendimiento la primera. 3e dan definiciones $ cálculos complejos, relacionados con los conceptos de acción $ reacción, especialmente para este !ltimo. 2sí, $ dependiendo del tipo de turbina, se e)ponen distintas teorías basadasI bien en la circulación del fluido a través de un conducto, limitado por superficies curvas con secciones de entrada $ salida diferentes, caso de turbinas +rancis lentas $ normalesI o en el desplazamiento de las alas de un avión, para turbinas +rancis e)trarrápidas, Oaplan $ de hélice. 3obre tales teorías no vamos a profundizar, por encontrarse fuera de los objetivos establecidos, por lo ue remitimos al lector a la consulta de tratados de /idrodinámica. La clasificación de turbinas de acción $ de reacción, denominaciones impropias para algunos autores, se sigue manteniendo dada su amplia divulgación a lo largo del tiempo. Podemos identificar a las primeras, como turbinas en las ue, cada chorro de agua, tiene su superficie libre sometida a la presión atmosférica en su tra$ecto hacia el rodete, mientras ue, en las segundas, el agua llena por completo los conductos ue forman los álabes, originándose variaciones de presión, de tal modo ue esta, a la entrada del rodete, es ma$or ue la presión atmosférica, ocurriendo lo contrario a la salida, debido a la actuación del tubo de aspiración en el ue, en su recorrido final, el agua alcanza el valor de la presión atmosférica. Kazón de los nombres de turbinas de presión $ de sobrepresión. D.5. Turbinas radiales. Eorresponden a esta clasificación, las turbinas ue reciben de forma radial, respecto al eje, la pro$ección de los chorros de agua ue inciden sobre los álabes del rodete. Eonviene hacer la observación de ue tal pro$ección, puede ser centrípeta o centrífuga, seg!n ue los chorros de agua se aceruen o se alejen del eje de la turbina. 2 esta clasificación pertenecen determinados tipos de turbinas +rancis de velocidad específica mu$ lenta, o instaladas con el eje en posición horizontal. 3iempre ue se trata de turbinas +rancis, la pro$ección es centrípeta. D.6. Turbinas a)iales.
3e inclu$en en esta clasificación, las turbinas en las ue la dirección de la pro$ección de los chorros de agua, sobre los álabes del rodete es paralela al eje de rotación. Tal es el caso de las turbinas de hélice $ Oaplan. D.:. Turbinas radiales'a)iales. Keciben esta denominación, las turbinas en las ue la incidencia de las masas de agua, hacia el rodete, se inicia en dirección radial, cambiando, posteriormente, a una dirección paralela al eje,
como resultado del desplazamiento del fluido a través de los álabes de auel. También son conocidas como turbinas mi)tas. 4n ejemplo claro, perteneciente a esta clasificación, lo constitu$en la ma$oría de las turbinas +rancis de eje vertical. D.D. Turbinas tangenciales. 3e pueden considerar como una variante de las turbinas radiales de modo ue la pro$ección del chorro de agua, contra el rodete, es tangencial o casi tangencial sobre la periferia del mismo. Las turbinas Pelton, son un ejemplo patente de turbinas tangenciales seg!n se e)plicó oportunamente. D.F. Turbinas de cámara cerrada.
Fig. , – Cáara cerrada de !ecci'n trapecial para una turbina 9aplan de eje $ertical. i!tinta! !eccione! de cáara! cerrada!.
2mpliando lo e)puesto en el apartado 6.B.B. $ haciéndolo e)tensivo a los tipos de turbinas +rancis, Oaplan $ de hélice, dentro de las cámaras cerradas, las patas fijas pueden adoptar también una posición inclinada, formando las generatrices de éstas un cono imaginario cu$o vértice se encuentra situado hacia arriba, sobre el eje del grupo. 2nálogamente pueden tomar posiciones semejantes los ejes de las palas directrices del distribuidor, dando origen a los denominados distribuidores cónicos, los cuales, por las características mencionadas, se diferencian de los distribuidores clásicos descritos hasta el momento a los ue se conocen como distribuidores cilíndricos, en l os ue los ejes de las palas móviles son paralelos al eje de la turbina.
Las figuras 5, :6 $ :: dan idea de las combinaciones posibles entre las patas fijas $ móviles.
Fig. ,, – i!tribuidor c'nico. etalle del accionaiento de la! pala! directrice!.
D.G. Turbinas de cámara abierta. Eorresponden a esta clasificación, auellas turbinas instaladas en saltos de mu$ poca altura, dispuestas de tal forma ue el rodete está sumergido en canales o depósitos ue, prácticamente, son prolongación de la toma de agua hacia la turbina. Tal disposición es propia de turbinas +rancis, tanto de eje vertical como horizontal, adaptadas a dichas características de salto *+ig. 6B $ 6-. D.7. Turbinas reversibles. Eon tal denominación, o la de turbinas'bombas, se identifican las máuinas hidráulicas ue realizan, alternativamente seg!n necesidades, la misión de funcionar bien como turbinas o como bombas centrífugas. 3on las indicadas para las centrales llamadas de bombeo o acumulación *+ig. :D-. La turbina reversible de la central *a- realiza, seg!n e)igencias de operación, las funciones ue, por separado, llevan a efecto la turbina o la bomba de la instalación *b-. Fig. , – 7iilitud entre centrale! de acuulaci'n.
La figura :F, representa un tipo de rodete de turbina reversible, ue podríamos llegar a asimilar con el de una turbina Oaplan, no obstante, las turbinas'bombas más representativas son las del tipo +rancis, de velocidad específica lenta. Los restantes tipos de turbinas, tanto las Pelton como
las de hélice o Oaplan, no pueden funcionar como bombas. Fig. ,0 - 5odete de una turbina re$er!ible eria. etalle del accionaiento de la! pala!.
amos a aprovechar el presente apartado, para distinguir las diferencias más significativas entre los grupos dotados con turbinas reversibles $ auellos otros ue disponen de turbina $ bomba, ambas máuinas separadas $ perfectamente identificadas, tanto en sus dise#os como en las funciones ejercidas. "n los primeros, el sentido de rotación del eje es distinto, seg!n sea la función asignada. Para los segundos, el sentido de giro es siempre el mismo, cualuiera ue sea la misión encomendada. "n ambos casos, el elemento eléctrico funciona, obviamente, como generador cuando ha de producir energía eléctrica, pasando a ejercer el cometido de motor eléctrico síncrono, cuando el grupo se destina a bombear. Previamente ha de llevarse a efecto una serie de maniobras, tanto eléctricas como hidráulicas, de acuerdo con las características de cada instalación. "n grupos con turbina reversible, se tiene ue hacer el oportuno cambio de fases, a fin de conseguir el sentido de giro adecuado a cada situación. Euando las presiones $ velocidades de las masas líuidas a impulsar son elevadas, se utilizan, preferentemente, los grupos con la bomba independiente de la turbina. La puesta en servicio de los grupos con turbina reversible, para realizar la función de bombeo, se puede llevar a cabo por uno de los procedimientos siguientes; arranue directo, arranue espalda'espalda *bac@'to'bac@-, o arranue con motor au)iliar *pon$'motor-. La aplicación de ceda uno de ellos, dependerá de las posibilidades de cada central. 2rranue directo. Eon el paso de agua cerrado, esencialmente por medio del distribuidor se conecta directamente el grupo a la red, arrancando como motor. 4na vez alcanzada la velocidad normal, se abre el paso de agua. Tiene el inconveniente, al inicio del arranue, de crearse elevados valores de intensidad, perjudiciales para los devanados por los esfuerzos ue han de soportar. 2rranue espalda'espalda. ediante este sistema, se evitan los problemas de sobreintensidad al conectar entre si, a través de una línea aislada de la red durante el proceso, un grupo generador con el de bombeo, estando ambos parados. 3e arranca el generador $, a medida ue se e)cita, simultáneamente comienza a girar el grupo de bombeo aumentando sus revoluciones.
Eonseguido el funcionamiento correcto de ambos grupos, el conjunto se acopla a la red, se abre el conducto de admisión $ se desacopla el grupo generador, dejándose nuevamente aislada la línea ue sirvió de enlace uedando dispuesta para el arranue de otro grupo de bombeo si procede. "l grupo ue act!a como generador, puede pertenecer a la misma instalación ue el de bombeo o a otra central pró)ima. &eterminadas instalaciones disponen de un grupo convertidor de arranue. 2rranue con motor au)iliar. "l arranue se efect!a con un motor asíncrono, instalado en el mismo eje del grupo. "ste motor au)iliar, de potencia suficiente *G 9 apro)imadamente de la del generador actuando como motor principal-, aporta la velocidad necesaria al grupo, facilitando la operación de acoplamiento a la red. Posteriormente se abren los circuitos de agua $ se desconecta el motor au)iliar. Para reducir los esfuerzos necesarios durante el arranue, ante la presencia de grandes masas de agua, se suele recurrir a la operación de desanegado, en la ue, por in$ección de aire comprimido, se e)pulsa el agua del rodete. Previamente se cierra el paso del agua, principalmente con el distribuidor, estando abiertas las válvulas $ compuertas del conducto de impulsión *tubería forzada-. +inalizado el arranue, cesa la aportación de aire $ se abre el paso de agua iniciándose el bombeo. Kespecto al funcionamiento de un grupo compuesto por turbina $ bomba, i ndependientes entre sí, hemos de considerar dos facetas; ' 3i se trata de la puesta en servicio como grupo generador, a bomba se encuentra aislada, tanto hidráulica como mecánicamente, por medo del cierre de las válvulas correspondientes $ del desacoplamiento del eje del grupo. ' Euando ha de ejercer la función de grupo de bombeo, $ una vez ue está acoplada la bomba al eje, se procede al lanzamiento del conjunto mediante la turbina *de tipo Pelton o +rancis-, a fin de vencer la inercia de las masas giratorias, hasta proceder a la cone)ión del motor síncrono a la red general. Euando se alcanza la velocidad normal, se realizan secuencialmente las maniobras hidráulicas de aislamiento de la turbina $ llenado de la bomba. "n el caso de turbinas +rancis ha de procederse al desanegado del rodete, durante todo el tiempo de actuación de la bomba, para evitar rozamientos $ pérdidas de rendimiento en el grupo. F. +"<"
para eliminarlos o, por lo menos, reducirlos al má)imo. 2sí tenemos; ' Eavitación. ' =olpe de ariete. F.B. Eavitación. Eonsiste en la formación, dentro de las masas líuidas, de espacios huecos o cavidades llenas de gas o vapor, producidas por una vaporización local debida a acciones dinámicasI las burbujas originadas al hervir el agua, o la efervescencia de bebidas carbónicas, nos pueden servir como ejemplos sencillos de apreciación. Técnicamente, el fenómeno es más complejo, $ se debe a reducciones de presión dentro del seno de los líuidos, cuando se mueven a grandes velocidades, manteniendo la temperatura ambiente, condiciones ue favorecen la vaporización. Kefiriéndonos al agua, se considera ue las sustancias ue lleva disueltas *aire, gas, partículas sólidas, etc.-, junto con las variaciones de presión generadas por la turbulencia de las masas liuidas, interrumpe la continuidad de éstas, lo ue da lugar a la creación de cavidades microscópicas. "n su estado natural, el agua contiene aire en disolución, siendo la cantidad disuelta tanto ma$or cuanto más elevada es la presión. 3e distinguen dos tipos de cavitaciones; Eavitación en burbuja o transitoria. Las burbujas aparecen repentinamente sobre el contorno del cuerpo sólido sumergido en el líuido, ue crecen en e)tensión $ desaparecen. Eavitación estacionaria o laminar. Las burbujas se forman en el contorno del cuerpo $ permanecen sobre él, mientras no varían las causas productoras. La cavitación se hace presente en tuberías, turbinas, bombas hidráulicas, hélices, superficies sustentadoras $ conductoras de líuidos, etc. "l fenómeno de cavitación reduce la velocidad a ue pueden funcionar las máuinas hidráulicas, disminu$endo su rendimiento, por la acumulación de burbujas de vapor ue perturban la afluencia normal de las masas liuidas. 2demás de producir ruidos $ vibraciones, es causa de una rápida $ constante erosión de las superficies en contacto con el l íuido, aun cuando éstas sean de hormigón, hierro fundido, aleaciones especiales, etc. "jemplos; "rosiones en palas fijas, palas directrices, álabes, etc. Las erosiones formadas sobre superficies metálicas, muros, etc., se denominan usualmente cavitaciones *+ig. :G-, $ los razonamientos ue e)plican la aparición de las mismas son, todavía, motivo de controversia. Teóricamente, e)ponemos ue cuando en el interior de un líuido se forman burbujas de
cavitación, crecen a má)imo tama#o en un espacio de tiempo brevísimo *apro)imadamente milisegundos- debido a fuertes disminuciones de presión. "n un siguiente rompimiento de estas, al ser arrastradas a una zona de ma$or presión, durante un tiempo igualmente cortísimo, l as partículas de líuido se precipitan hacia el centro de la burbuja $ superficies sólidas sobre las ue cada una de ellas estaba fija. +ig. :G R Eavitaciones formadas en los álabes del rodete de una turbina +rancis. Tal pro$ección de partículas, se realiza virtualmente sin impedimento a velocidades mu$ altas. "l fenómeno se repite con una frecuencia de :888 ciclos por segundo e incluso ma$or. 3e calcula ue, las tensiones superficiales producidas por estas acciones, son del orden de B.888 atmósferas, valor lo suficientemente elevado como para producir grietas, por fatiga del material, en relativamente poco tiempo. F.. =olpe de ariete. (maginemos una tubería de goma de suficiente elasticidad ue, durante toda la secuencia descrita, se mantendrá situada seg!n representa la figura :7 *a-. (gualmente consideramos ue se dispone de una válvula $ cu$o cierre se puede realizar a gran velocidad. "n condiciones normales de circulación del líuido, éste flu$e a velocidad $ caudal constante, siempre $ cuando el nivel en el deposito permanezca invariable. La tubería, en tales circunstancias, no sufre ninguna alteración $ su sección se mantiene uniforme en todo el recorrido. &ando a la válvula la orden de cierre, el cual se produce de forma instantánea, llegaríamos a observar los fenómenos siguientes en la conducción; ' "n el tramo entre el depósito $ la válvula, $ concretamente junto a ésta, se origina una sobrepresión brusca ue ocasiona una deformación de la tubería, puesta de relieve por un ensanchamiento elástico de sus paredes. Sue se propaga hacia el depósito con cierta velocidad, reuiriendo, la sobrepresión, un tiempo de desplazamiento. 2l llegar al depósito, desaparece la sobrepresión inicial produciéndose una contracción en la tubería en el sentido descendente hacia la válvula. "l fenómeno se repite, aunue con menor intensidad hasta ue se amortigua por completo, debido a rozamientos, etc. ' "n el tramo desde la válvula en adelante, $ a partir de ésta, se crea una depresión en el instante del cierre, ue causa una contracción de las paredes del conducto elástico, transmitiéndose a toda su longitud, volviendo a su diámetro original una vez ue el líuido se evacua por completo *+ig. :7 b $ c-.
Fig. , – *ecto! producido! por el golpe de ariete.
&el imaginario ejemplo propuesto podemos deducir ue, al interrumpir con rapidez la corriente de un líuido ue circula con cierta velocidad a través de un conducto, se producen fuertes variaciones de presión sobre las paredes interiores de éste $ del elemento ue corta al caudal suministrado como consecuencia del cambio brusco en el movimiento del líuido dentro de la conducción cerrada, provocándose impactos de consideración sobre todas las superficies e)puestas a dichas alteraciones. 2demás de las deformaciones motivadas por las sobrepresiones $ depresiones mencionadas, se presentan vibraciones $ otros efectos perjudiciales ue pueden ocasionar roturas, aplastamientos $ otros desperfectos en las tuberías $ sus euipos, tales como anclajes, válvulas, etc. La totalidad de dichos efectos se originan, así mismo, en ma$or o menor grado, cuando se disminu$e o desvía el movimiento de la masa líuida ue aporta un cierto caudal. "l golpe de ariete se presenta en las tuberías siempre ue se realizan maniobras rápidas en los dispositivos ue abren, cierran o regulan el paso de agua, como son válvulas, compuertas de
tomas, etc. (gualmente se produce cuando e)isten disminuciones bruscas de la potencia solicitada al generador debido a la repentina disminución del caudal de agua en respuesta a la actuación de lo euipos de regulación. Los efectos del golpe de ariete, especialmente importantes en conductos de gran longitud, $ más significativos al cerrar el paso de agua, se pueden atenuar, e incluso llegar a impedir, accionando lenta $ progresivamente válvulas, compuertas, etc. , $, primordialmente, mediante la instalación de las chimeneas de euilibrio, en las cuales, al actuar como pozos piezométricos, se amortiguan las variaciones de presión. Para el pro$ectista, es de trascendental importancia el estudio del posible golpe de ariete e)istente en cada conducción, basándose en cálculos de gran complejidad, al objeto de obtener el dise#o correcto de la misma, el asentamiento adecuado de los elementos de cierre $ auellos otros dispositivos ue contrarresten, dentro de lo posible, los efectos perjudiciales debidos a maniobras inadecuadas, ue pudieran acarrear gravísimas consecuencias. Por no ser de nuestra incumbencia no vamos a tratar el tema matemáticamente, cu$as primeras teorías se deben a L. 2llievi, no obstante e)ponemos algunos conceptos ue estimamos de interés. "l estudio del golpe de ariete, se basa en la teoría de la onda elástica, lo ue se interpreta como el desplazamiento, a una velocidad determinada, de las variaciones de presión a lo largo de un tubería. Eon este planteamiento, se elimina la idea inicial de asemejar la tubería de conducción como un cuerpo rígido. La velocidad referida se conoce como celeridad de la onda, $ corresponde a la velocidad del sonido dentro del sistema considerado dependiendo del diámetro, espesor $ elasticidad de la tubería, así como de la densidad $ compresibilidad del líuido, valores ue para el agua, son respectivamente, B gramo por centímetro c!bico *BgCcm5-, $ B.888 @ilogramos por centímetro cuadrado *@gCcm-. "l valor de la longitud de la conducción no afecta. Los valores de las presiones surgidas en un golpe de ariete, están en razón directa del cambio brusco de velocidad del líuido. "l tiempo necesario, para ue una onda se desplace desde el origen de la perturbación hasta el e)tremo libre $ regrese, se llama periodo crítico de una turbina. 3e distinguen golpes de ariete positivos, por ejemplo los producidos al cerrarse el paso de agua hacia una turbina, al disminuir la potencia solicitada al generadorI $ golpes de ariete negativos, caso de abrirse dicho paso de agua debido a la necesidad de aumentar la potencia suministrada *+ig. D8-.
Fig. 4 - 5epre!entacione! grá*ica! del golpe de ariete.
Euando se origina un golpe de ariete positivo, la onda elástica, al encontrar menor resistencia en la chimenea de euilibrio ue en la propia tubería, se dirige hacia auella, provocando una elevación del nivel de agua en el depósito o galería de e)pansión, produciéndose una desaceleración en la columna líuida. Por el contrario, cuando el golpe de ariete es negativo, desciende el nivel de agua en la chimenea, apareciendo una aceleración del agua en la tubería. "n las tuberías de presión de gran longitud, el agua tarda más tiempo, ue en las de corto recorrido, en acelerarse o desacelerarse lo necesario para acoplar la velocidad del agua a cada nuevo régimen de carga solicitado a la turbina. &estacamos un efecto característico, denominado contragolpe de ariete, ue se hace más patente en las turbinas Oaplan, cuando se cierran el distribuidor $ el rodete con cierta rapidez, creándose un fuerte vacío en el tubo de aspiración, debido al desplazamiento de la columna de agua por la conducción de desagMe, produciéndose un retroceso brusco de dicha columna, la cual puede incidir violentamente en la superficie inferior de las palas del rodete, provocando graves desperfectos en las mismas, e incluso, en la propia tapa de turbina. "l golpe de ariete también se conoce como martillo de agua *?aterhammer-, $ cuando se trata de oleoductos $ fluidos distintos del agua se denomina surge. G. PJT"
Tal concepto, depende directamente de la potencia del salto de agua, perteneciente a la turbina para la ue se plantea el cálculo de la potencia !til presente en el eje del grupo. +órmulas;
en la ue;
")presando la potencia de la turbina en E tenemos;
P potencia en E.
S caudal en metros c!bicos por segundo *m5Cs-. / altura del salto en m. ηt
rendimiento de la turbina, en tanto por uno.
B888 cantidad de litros de agua *o @g- en un m5. F: proviene de la euivalencia e)istente entre el E $ el @gmCs, como unidades de potencia. 2sí;
F: @gmCs
B E B888USU/ @gmCs
P
de donde; 2mpliando el cálculo al alternador, $ considerando el rendimiento total ηT, producto del rendimiento ηt en la turbina por el rendimiento ηa en el alternador tenemos;
donde 3iendo B OV BW5D E, la e)presión de la potencia en OV es;
Los valores del rendimiento en la turbina oscilan entre 8WG $ 8W7:, $ en el alternador entre 8W7 $ 8W7G. en ambos casos dependen de las dimensiones de las máuinas, llegándose a valores de rendimiento total entre 8WG $ 8W7. 3i hacemos una estimación en la ue fáciles de recordar;
, obtenemos las siguientes fórmulas generalizadas,
7. K"=4L2E(< &" "LJE(&2& &" L23 T4KN(<23 /(&KQ4L(E23. (nterpretamos por regulación el proceso mediante el cual se m antiene constante una magnitud o condición definida aunue varíen determinados factores como puede ser la carga solicitada a un grupo de tensión de línea, la temperatura de una mezcla, etc. "n este $ sucesivos apartados nos vamos a centrar en la regulación de velocidad de las turbinas hidráulicas $ en consecuencia, en la regulación de velocidad de las máuinas ue hemos definido como grupos. "n el caso concreto ue nos ocupa, la magnitud objeto de la regulación es la velocidad o n!mero de revoluciones por minuto a ue ha de girar el rodete de la turbina, con el fin de ue, por medio del eje se transmita el giro uniforme ue debe de e)istir $ mantenerse entre dicho rodete $ el rotor del alternador. Euando se produce una variación en la carga solicitada al grupo, es decir, seg!n aumente o disminu$a el par resistente ue act!a sobre la turbina, esta tenderá respectivamente a reducir o aumentar el n!mero de revoluciones con ue estuviese en funcionamiento normal antes de producirse la variación de carga. "n tales condiciones, el funcionamiento de la turbina sería totalmente inestable. llegando a parase al aumentar la carga $ a embalarse cuando ésta disminu$ese. Podernos llegar a establecer un símil, con el comportamiento del motor de un automóvil en el ue, al subir o bajar fuertes pendientes, solamente le funcionase la 0directa1 de su caja de cambios $, el acelerador, se mantuviese en el punto fijo conveniente a su marcha normal sobre terreno llano. "s obvio ue, durante los sucesivos ascensos $ descensos, el motor tendería, respectivamente, a reducir $ aumentar el n!mero de revoluciones, llegándose a parar o embalarse seg!n la magnitud de dichas pendientes. 2unue lógicamente se vería afectada, prescindimos de considerar la velocidad propia del vehículo en sí. &ado ue en la realidad las cargas solicitadas varían constantemente, es necesario adaptar el trabajo motor al resistente, $ esto se consigue graduando adecuadamente el paso de agua hacia el rodete. 2l regular el caudal de agua preciso para cada valor de carga en cada instante se dispondrá de la potencia reuerida debiéndose obtener al mismo tiempo el numero de revoluciones de funcionamiento normal de la turbina. 7.B. elocidad de giro de una turbina hidráulica. La velocidad de giro, conocida también como velocidad nominal, velocidad sincrónica de la turbina o velocidad de sincronismo del grupo, depende fundamentalmente de la frecuencia a ue ha de ser suministrada la corriente eléctrica, normalmente de :8 períodos por segundo, $ del n!mero de pares de polos del alternador, además de otros factores ue determinan precisamente las características de éste !ltimo, como son altura del salto de agua, potencia, tensión generada, etc. Por considerar de ciertos valores la e)presión de la fórmula ue determina el n!mero de revoluciones de funcionamiento normal de un grupo, la e)ponemos a continuación, dejando para
un apartado posterior 7.B8, el concepto de velocidad específica. Tenemos;
en la ue;
n n!mero de revoluciones por minuto *r.p.m.-.
f frecuencia del sistema :8 períodos por segundo *p.p.s -. P n!mero de pares de polos del alternador *Pe ma$!scula-. D8 segundos en un minuto. "jemplo; Euál es el n!mero de r.p.m. a ue deberá de girar el eje de un grupo, cu$o alternador tiene BD pares de polos, siendo el suministro de corriente a :8 p.p.s.
Easo de operar con el n!mero total de polos, ue identificaremos por p *pe min!scula-, la fórmula anterior se transforma del modo siguiente;
I
Tendremos, para el ejemplo anterior; BD pares de polos 5 polos
Los valores de la velocidad de giro n, en las turbinas hidráulicas están comprendidos entre F: r.p.m. $ B888 r.p.m., seg!n se deduce de la Tabla B.
68 5G 5D 56 5 58
F: FG.7 G5.5 GG. 75.G B88
G D 6 5 8
B8F.B BB:.6 B: B58.6 B5D.6 B:8
BG BD B6 B5 B B8
BDD.F BGF.: B6.5 58.G :8 588
G F D : 6 5
5F: 6G.D :88 D88 F:8 B888
/asta auí hemos tratado los valores ue han de permanecer constantes necesariamente, como son la frecuencia $, por consiguiente, la velocidad, ante los inevitables $ constantes cambios de carga o potencia solicitados al grupo' 2hora bien, recordando la e)presión de la potencia de una turbina, en E, tenemos;
de donde deducimos ue el !nico factor con amplias posibilidades de ser modificado, en función de la potencia solicitada es el caudal S ue llega al rodete, $a ue los demás valores de la ecuación son prácticamente constantes. &icha variación o acomodación del caudal de agua, ue incide sobre el rodete de la turbina, se consigue actuando sobre el distribuidor, bien sobre las válvulas de aguja en el caso de las turbinas Pelton, las palas directrices de las turbinas +rancis $ de hélice, o las palas directrices $ palas del rodete de las turbinas Oaplan. "n centrales peue#as, es posible regular el caudal de agua de forma manual, siendo el operador de la instalación uien acciona directamente los dispositivos adecuados ue permiten controlar el paso de agua hacia el rodete. 2sí sucede en el caso de peue#as turbinas Pelton, en las ue la posición de la válvula de aguja del in$ector puede ser modificada, por medio de un volante dispuesto a tal fin. Procedimiento no recomendable por e)igir la presencia constante del operador $, además, por ser una regulación lenta $ poco precisa *+ig. DB-. Fig. 1 – 5egulaci'n del caudal de agua en una turbina #elton.
Euando se trata de grandes instalaciones e)puestas a variaciones de carga entre límites mu$ amplios, el distribuidor es gobernado, controlado $ regulado mediante el euipo de regulación seg!n las órdenes recibidas de un regulador automático de velocidad, disponiendo todo el conjunto, para cumplir su misión, de un sistema de aceite a presión, del cual nos ocuparemos oportunamente. 7.B.B. ariaciones transitorias de velocidad. 3i las variaciones de carga en un grupo se produjeran siempre gradualmente, es decir, durante períodos de tiempo suficientemente prolongados, permitiendo ue la regulación de velocidad se
realizase lentamente. las variaciones de velocidad uedarían dentro de un cierto límite, determinado por la sensibilidad del regulador. 2hora bien, como es sabido, las oscilaciones de carga se pueden presentar bruscamente, esto es, durante un tiempo insuficiente para la actuación lenta de los dispositivos de regulación, con lo ue se producen variaciones transitorias de velocidad. &ependiendo de una serie de condicionantes, tales como inercia de las masas giratorias, características del grupo, etc., se puede llegar a recuperar, o no, el n!mero normal de revoluciones. "n base a dichas consideraciones, distinguiremos dos conceptos diferentes, íntimamente relacionados con el estudio de las turbinas hidráulicas, éstos son; á)ima variación transitoria de velocidad. Eorresponde a la sobrevelocidad má)ima alcanzada por el rodete, como consecuencia de producirse una descone)ión brusca del grupo respecto de la red, siempre $ cuando, el distribuidor, responda adecuadamente a la orden de cierre dada por el regulador $, los elementos ue cierran el paso de agua hacia la turbina, funcionen correctamente, válvulas, compuerta de toma, etc. &epende del regulador de velocidad $ de las características de la propia instalación. Le$ de cierre. "l má)imo aumento transitorio admitido, oscila entre el : $ el :8 9 sobre el valor de la velocidad nominal. elocidad de embalamiento. J velocidad de fuga, es la má)ima velocidad aduirida por el eje del grupo, cuando, al pasar rápidamente de plena carga a valor cero *en vacío-, el distribuidor permanece completamente abierto *caudal má)imo-, por fallo en la regulaciónI no funcionando, además, los elementos ue cortan el paso de agua a la turbina. Kepresenta el caso más desfavorable ue se puede producir. &epende de las características de la instalación $, particularmente, del tipo de turbina. 3e pueden llegar a alcanzar las velocidades indicadas en la Tabla . T2NL2 '"LJE(&2&"3 &" "N2L2("
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2lgunos grupos de eje horizontal, llevan instalado un volante de inercia, para limitar la sobrevelocidad ue se puede originar al desacoplarse, bruscamente, el generador de la red. (gualmente, favorece la uniformidad de giro, especialmente en grupos aislados no acoplados al sistema general, compensando los esfuerzos motores $ resistentes, evitando fluctuaciones de la frecuencia. 7.. Keguladores automáticos de velocidad.
ames Vatt en el siglo X((( *+ig. D-.
Fig. 2 – etalle! de un regulador de ;att.
"n base a lo indicado, oportunamente describiremos de forma mu$ sencilla, el principio de funcionamiento de un regulador, partiendo de un esuema ue podemos considerar tipo. También e)pondremos toda auella terminología, ho$ en uso, ue sirve para identificar $ definir componentes, funciones $ modos de actuar de los mismos. 7.5. Elasificación de los reguladores de velocidad. 4na clasificación, relativamente e)tensa, se puede establecer de los reguladores de velocidad en función de las características de sus componentes, manera de operar, etc. La resumiremos a los siguientes aspectos. Por los componentes fundamentales. "n la actualidad, dos procedimientos distintos se utilizan como medios esenciales, en l os ue radica el fundamento de los reguladores automáticos.
"l primero, $ más generalizado, se basa en el desplazamiento o elevación, por efecto de la fuerza centrífuga, de masas giratorias denominadas péndulos del regulador *+ig. D5-.
Fig. 3 – i$er!o! tipo! de di!po!iti$o! taco:trico! para reguladore! centr8*ugo!.
"l segundo se fundamenta en la medida directa $ e)acta de valores de frecuencia, por medio de dispositivos de alta sensibilidad, destinados a tal fin. 2mbos constitu$en, aisladamente, el dispositivo tacométrico del regulador, conocido también como cabezal de regulación, empleado en detectar el valor del n!mero de revoluciones ue tiende a dar la turbina en cada momento $, consecuentemente, a actuar sobre una serie de mecanismos como palancas, balancines, válvulas, etc., con el objeto de, a su vez, mantener la velocidad nominal del grupo, después de ue las se#ales de regulación, convenientemente amplificadas $ emitidas por dichos mecanismos los cuales en su conjunto forman el propio regulador, son recogidas $ obedecidas bien por el euipo de regulación ue gobierna al distribuidor de la turbina, o directamente por este !ltimo.
Por lo e)puesto podemos establecer una primera clasificación en los términos siguientes; '
Keguladores centrífugos.
'
Keguladores eléctricos.
Por la forma de actuar; '
Keguladores de acción directa.
'
Keguladores de acción indirecta.
La diferencia entre ambos, basados en los procedimientos mencionados anteriormente estriba en ue la se#al de regulación, emitida por el tacómetro, pase directamente del regulador al distribuidor de la turbina, reguladores de acción directaI o ue dicha se#al sea transmitida por medio del euipo de regulación, servomotores, caso del regulador de acción indirecta. "stos !ltimos son los más utilizados, dada la envergadura $ potencia de las turbinas actuales, necesitándose unos elementos au)iliares de regulación, capaces de desarrollar los elevados esfuerzos ue se reuieren para conseguir ue las palas directrices del distribuidor, etc., respondan rápidamente a las se#ales de regulación, adoptando las posiciones adecuadas, en razón al ma$or o menor caudal de agua ue deba de incidir sobre los álabes del rodete. Los reguladores de acción directa, apenas se utilizan ho$ día, salvo en instalaciones de escasa potencia por influir, sobre los mismos, efectos perjudiciales de pendulación, como consecuencia de intervenir tacómetros de grandes dimensiones, con masas giratorias de mucho peso, lo ue origina un funcionamiento inestable $ falto de precisión, por la dificultad en establecer un grado de insensibi(idad adecuado. Para subsanar dichos inconvenientes, se recurre a un amortiguador hidráulico *dashpot-, al objeto de ue el regulador act!e más pausadamente, ante la presencia de variaciones rápidas del trabajo resistente ue influ$e en la turbina. Tal amortiguador también se dispone en los reguladores de acción indirecta, cu$o dispositivo tacométrico es de dimensiones $ masas considerablemente reducidas, en comparación con las del regulador de acción directa. Jportunamente hablaremos del modo de actuar de un amortiguador. 7.6. 2ccionamiento de los reguladores de velocidad. 2l regulador, $ concretamente a su dispositivo tacométrico, se transmite continuamente la velocidad del grupo, al objeto de ue detecte las variaciones ue puedan surgir en cada instante. "n definitiva, entre el grupo $ el regulador, e)iste una cone)ión ue acciona al tacómetro, de forma mas o menos directa. "n el caso de reguladores centrífugos, la cone)ión se puede llevar a efecto mediante Transmisión por correa.
4na correa transmite el giro del eje del grupo al eje del tacómetro. 3e utiliza cuando se trata de máuinas de peue#a potencia.
Fig. – 6lientaci'n del otor el:ctrico de reg ulador ediante un generador de iane! peranente!.
"n estos casos, motor eléctrico ue acciona al tacómetro. es casi siempre de tipo asíncrono de peue#o deslizamiento, con el fin de evitar oscilaciones perjudiciales al regulador. Para los reguladores eléctricos, en los ue el dispositivo tacométrico está constituido por euipos de medida directa de la frecuencia, éstos reciben, los valores de dicha frecuencia, de un generador de imanes permanentes, en la ma$oría de los casos. La velocidad de funcionamiento
normal, está representada por una magnitud proporcional a un valor predeterminado de la frecuencia del generador de imanes *+ig. D:-.
Fig. , – 5egulador el:ctrico
/emos de considerar los modernos reguladores de velocidad constituidos por euipos electrónicos, con los ue se consigue una regulación mucho más rápida $ e)acta, a la vez ue sus dimensiones son más reducidas. La transmisión del n!mero de revoluciones del eje hacia el regulador, se logra mediante un circuito conectado al denominado generador de impulsos *pic@' up-, componente electromagnético, instalado en una determinada zona del eje del grupo adecuada a las características del mismo, ue capta $ transfiere, al componente electrónico ue hace las veces de tacómetro del regulador, las revoluciones del grupo en cada instante, en forma de impulsos de corriente. Tecnologías mas avanzadas, permiten prescindir del generador de impulsos, al detectar la velocidad mediante valores de tensión, traducidos a valores de frecuencia, tomados de los transformadores de tensión de los circuitos de protección o m edida del generador. "stando este dese)citado, es suficiente el peue#ísimo valor de tensión *8,: . o menor- originado por el magnetismo remanente. Jbservamos ue, la aplicación de la electrónica, da origen a los reguladores electrónicos, concepto ue amplía la clasificación e)puesta inicialmente. 7.:. Principio de funcionamiento de un regulador de velocidad. Para comprender de manera mu$ sencilla el principio de funcionamiento de un regulador, vamos a realizar el estudio considerando un regulador elemental, cu$os componentes claves sean fácilmente identificables tanto por su situación dentro del conjunto como en su actuación. 3eguiremos el esuema de un regulador centrífugo de acción indirecta $a ue se analiza con gran claridad, la función del dispositivo tacométrico. 2demás hemos de tener en cuenta ue en el caso de los reguladores eléctricos, a e)cepción del tacómetro, los restantes componentes son
prácticamente idénticos a los de los reguladores centrífugos. "n los reguladores ue act!an por la acción de la fuerza centrífuga, cuanto ma$or es el n!mero de revoluciones del eje del tacómetro, ma$or es la elevación o separación de las masas o péndulos, respecto de dicho eje de giro, en virtud de una tendencia del grupo a aumentar su numero de revoluciones. Eon la velocidad nominal de éste, mantienen una posición de euilibrio. Los mecanismos del euipo de regulación, e)igen unos esfuerzos superiores a los ue pueden obtenerse directamente con los elementos del propio regulador, por ello la razón de los reguladores de acción indirecta, los cuales, mediante palancas, balancines, válvulas intercaladas en el circuito de aceite a presión, $ otros mecanismos, act!an sobre los servomotores del distribuidor, intercalados también en dicho circuito de aceite. Los vástagos de los émbolos de los servomotores respectivos se enlazan, por medio de bielas, al anillo de distribución de la turbina, abriendo o cerrando el paso de agua hacia los álabes o palas del rodete, con lo ue se euilibran, en breve tiempo, los trabajos motor $ resistente. Para obtener una regulación estable, es necesario ue el efecto de la regulación sea tal ue reaccione lo más rápidamente posible al presentarse la causa perturbadora, como es la variación de carga. 2sí mismo, la turbina también ha de actuar en consonancia, contra la gran inercia de la columna de agua e)istente en la conducción o tubería forzada, ue, si es de gran longitud, influ$e desfavorablemente sobre las condiciones de estabilidad del regulador, por intervenir el fenómeno de golpe de ariete ue, si no es controlado debidamente, puede provocar el aumento instantáneo de la velocidad de la turbina en el momento ue se cierra el distribuidor, originándose un efecto contrario al deseado, cual sería el de reducir la velocidad. Jtro efecto perturbador, ue tiende a desestabilizar la acción del regulador sobre el grupo, son las ondas de presión, ue circulan arriba $ abajo por la conducción o tubería forzada, desde la toma de agua hasta el desagMe de la turbina, creadas al moverse las válvulas de aguja, palas directrices, patas del rodete, etc. Por estos motivos, la rapidez de intervención del regulador ha de ser ajustada $ mantenida entre ciertos límites. amos a entrar de inmediato en el estudio de los reguladores, en lo ue a su constitución $ actuación se refiere, considerándolos desde un punto de vista mu$ elemental.
Kegulación 23TQT(E2.
' Kegulación "3TQT(E2. 7.:.B. Kegulación astática. 3ea un regulador centrífugo de acción indirecta ue act!a sobre un servomotor, el cual, a su vez, gobierna al anillo de distribución de la turbina *+ig. DD-.
Fig. – 5egulador a!tático.
Tanto las masas giratorias, como la acción del muelle antagonista del tacómetro $ los recorridos de los émbolos de la válvula distribuidora, llamada también válvula principal, están calculados para regular la velocidad de la turbina al valor reuerido. 4na bomba, generalmente de tipo rotativo, envía aceite al circuito, sometido de forma constante a una determinada presión. Eentrémonos en los sucesivos esuemas elementales mostrados, e intentemos hacer una abstracción total en el análisis de los mismos. Partimos de una situación inicial de funcionamiento normal, en la ue el conjunto se encuentra tal $ como indica la figura DD. Eonsideremos, como principal referencia, la horizontalidad de la palanca abc, sobre cu$o e)tremo fijo c esta se apo$a $ puede girar hacia arriba o hacia abajo, seg!n actuación del tacómetro, al ue, por medio de un collar deslizante sobre su eje por la acción de las masas giratorias, se une la palanca en su e)tremo a, mediante una cone)ión adaptable $ con libertad de movimiento sobre este punto. La cone)ión del vástago de la válvula distribuidora sobre la palanca, en el punto b, también es deslizante. Easo de disminuir la carga, la turbina tenderá a aumentar su velocidad, lo cual será detectado por el tacómetro, cu$o eje girará más rápido. elevándose los péndulos $ el collar solidario a los mismos, debido a la fuerza centrifuga desarrollada, $ por consiguiente, el e)tremo a de la palanca *+ig. DF-.
Fig. 0 – 6ctuaci'n del regulador a!tático al di!inuir la carga.
Los émbolos de la válvula distribuidora, movidos desde el punto b de la palanca toman una posición tal, ue el aceite tiene camino abierto hacia el lado derecho del servomotor * seg!n disposición de la figura-, el cual acciona al anillo de distribución en el sentido de 0cerrar1 "n los reguladores actuales, el mando de la válvula distribuidora se realiza por medio de una válvula piloto, constituida por un émbolo diferencial u otro dispositivo análogo, ue permite reducir los esfuerzos reueridos a la palanca de maniobra $ al mismo tiempo aumentar la sensibilidad del regulador. 4na vez ue el paso de agua ha disminuido, la velocidad de la turbina tiende a aminorarse $ el tacómetro responde al nuevo n!mero de revoluciones, reduciendo también su velocidad, con lo ue los péndulos $ los puntos a $ b de la palanca descienden, situándose los émbolos de la válvula distribuidora en la posición de origen.
Fig. – Caracter8!tica a!tática de la *recuencia o r.p.. en *unci'n de la potencia.
Los reguladores ue se basan en tal condición, reciben el nombre de reguladores astáticos, conocidos también como isódromos *igual recorrido-, los cuales caracterizan la regulación astática o isodrómica. Los reguladores astáticos, no son utilizados normalmente, $a ue cuando se trata de repartir cargas, entre dos o más grupos, la repartición se hace de manera indeterminada, corriéndose el riesgo de ue un grupo se haga con toda la carga $ los otros ueden sin ella, por la dificultad ue e)iste en ue los reguladores va$an perfectamente de acuerdo. 2demás, un regulador astático, tiene tendencia a oscilar en caso de variaciones repentinas de carga, de tal modo ue se originarían continuamente sobrerregulaciones $ subregulaciones. 7.:.. Kegulación astática. Para hacer posible el trabajo en com!n de varias máuinas, debe de evitarse la indeterminación ue presenta el regulador astático, en el ue a un numero de revoluciones por minuto dado corresponden tantos valores de potencia como se desee, dentro de los límites del grupo. &ebe conseguirse ue a cada valor de potencia, le corresponda la adecuada velocidad o frecuencia respectiva. "sta condición viene realizada por una característica ligeramente descendente, la cual recibe el nombre de característica estática. 3e representa por una curva, prácticamente una línea recta, ue indica la le$ de dependencia entre la velocidad del grupo $ la potencia, de tal modo ue se aprecia cómo la frecuencia o el numero de revoluciones por minuto descienden al aumentar la potencia suministrada *+ig. :7-.
Fig. – Caracter8!tica e!tática de la *recuencia o r.p.. en *unci'n de la potencia.
La característica mencionada, da origen e identifica a los reguladores estáticos, ue proporcionan una regulación estática, también denominada regulación en descenso. &e manera gráfica mu$ sencilla, analizaremos el funcionamiento de un regulador estático. 3igamos el esuema representado en la +ig. F8, cu$a !nica diferencia respecto del regulador astático, radica en ue en el caso presente tenemos un nuevo dispositivo, compuesto por la barra cd $ la cu#a 22Y, esta !ltima, solidaria al vástago del servomotor, seg!n la orientación indicada *conforme disposición de la figura-, la cual sigue sus movimientos, con lo ue el punto de giro c, de la palanca abc, $a no es fijo, dependiendo su posición de la ue adopte el émbolo del servomotor, como consecuencia del desplazamiento ascendente o descendente del e)tremo d de la barra cd, sobre la cu#a 22W, seg!n se abra o cierre respectivamente el distribuidor.
Fig. 04 - 5egulador 7T>T?C@.
2 distintas posiciones de c, corresponden distintas posiciones de a, siempre $ cuando los émbolos de la válvula distribuidora se sit!en en el punto medio después de cada actuación. /aciendo comparación con el regulador astático, ahora las posiciones del e)tremo a son m ás bajas a medida ue se abre el distribuidor, de donde se deduce, ue la velocidad del tacómetro dependerá de la carga, $ consecuentemente la velocidad del grupo, de tal modo ue a ma$ores cargas corresponderán velocidades menores. Pero, sin embargo, uede bien claro ue lo ue ha de cumplirse en todo instante, es ue 3" 2
Fig. 01 – e!plaaiento a!cendente de la caracter8!tica e!tática/ edida %ue !ube la potencia !olicitada al grupo.
Eon el fin de conseguir la estabilización o amortiguación de oscilaciones en el proceso de la regulación, se emplea un amortiguador hidráulico, denominado freno de catarata *+ig. F-.
Fig. 02 - 5egulador con di!po!iti$o de aortiguaci'n o e!tati!o tran!itorio.
Jbservamos ue en la barra cd, se ha insertado un amortiguador cu$o émbolo tiene la propiedad de Zvariar[ la longitud de la misma, seg!n se transvase el aceite a un lado o a otro de dicho embolo, a través de la válvula conmutadora T, como consecuencia de la acción antagonista, positiva o negativa, ue sobre éste ejerce el muelle ue act!a en el punto c. Por estas razones, a la barra cd también se la nombra biela elástica. La válvula T presenta una cierta resistencia, ue se grad!a previamente, seg!n características de funcionamiento del regulador, por lo ue no se abre hasta ue las condiciones de deseuilibrio del muelle antagonista son las fijadas, momento en el cual da paso de aceite. Por lo tanto, ante una variación de carga, el punto c adoptara una posición en consonancia con la ue tome la cu#a 22W, comportándose todo el conjunto cd, al comienzo, como un elemento rígido. &urante un breve espacio de tiempo, el regulador opera de conformidad con el principio de regulación puramente estática, con un estatismo mu$ elevado dependiente de la inclinación de la cu#a 22W, hasta ue, debido a la acción del muelle antagonista $ de la válvula T, el embolo del amortiguador se sit!e en la posición adecuada, Zacortando[ la barra cd si la velocidad tiende a descender por e)istir un aumento de potencia, o Zalargándola[ en el caso contrario, todo ello hasta ue el muelle recobra su posición de euilibrio, instante en ue, el punto c, retorna a su posición inicial. &e esta forma, en cada variación de carga, se consigue un elevado grado de estatismo al comenzar la regulación, etapa denominada de estatismo transitorio, ue se anula cuando termina la regulación, momento en ue el regulador se comporta como un regulador astático. 7.D. Eomponentes fundamentales de un regulador de velocidad. 2parte de los componentes $a mencionados, tales como tacómetro, válvula piloto, válvula
distribuidora, etc., todo regulador cuenta con mecanismos para realizar funciones parciales mu$ definidas, ue complementan la fundamental, cual es la regulación. 3i bien, en los nuevos reguladores, son electrónicos los dispositivos ue no han de transmitir esfuerzos directos, hacemos una sucinta e)posición de los mas significativos, basándonos, por similitud de cometido, en los puramente mecánicos *+ig. F6-. 2sí tenemos; +ig. F6 R Eomponentes fundamentales de un regulador de velocidad. Eontrol de caída de velocidad. "ste dispositivo, vinculado estrechamente al euipo estabilizador, se conoce también como dispositivo de estatismo permanente, control del grado de estatismo, control de caída relativa de vacío a plena carga, control de velocidad inherente, etc. Tiene como misión, prefijar la repartición de la carga entre dos o más grupos acoplados en paralelo. Permite ajustar la caída de velocidad desde el valor cero hasta el D 9, apro)imadamente, de la velocidad de régimen a plena carga. "l valor usualmente ajustado, está comprendido entre el $ el 6 9, dependiendo de las fluctuaciones de carga previstas en el sistema. Euando se ajusta para caída de velocidad de valor cero, posición de regulación totalmente astática *velocidad constante para cualuier carga- el grupo tenderá a aceptar todas las oscilaciones de carga. "n cambio, éste se opondrá a dichas oscilaciones en ma$or grado cuanto ma$or sea el valor ajustado, es decir, menor será la proporción de las fluctuaciones de carga del sistema tomadas por los grupos. Eontrol de velocidad. J, en sentido más amplio, control de carga'velocidad, distinguiendo como control de carga cuando act!a sobre la máuina acoplada, $ control de velocidad cuando está desacoplada. "stá gobernado por un motor eléctrico, con reductora $ embrague, denominado motor de ajuste de velocidad o motor de sincronización porue se utiliza para ajustar la velocidad de sincronismo del grupo, cuando se realiza a maniobra de acoplamiento de éste, en paralelo, al sistema. "ste mecanismo puede ser controlado a distancia, a través del motor, desde los pupitres del Euadro de EontrolI o localmente, desde el propio cuerpo del regulador. &ebido a la acción ue ejerce el muelle limitador del tacómetro, le permite al Jperador mantener los valores reueridos de carga o de velocidad, seg!n proceda, haciendo los ajustes oportunos. "n condiciones de funcionamiento normal del grupo, las acciones sobre el dispositivo del control de carga, son ejercidas directamente por el llamado euipo de telerregu(ación o, lo ue es lo mismo, regulación automática a distancia, desde un centro com!n de coordinación, conocido como &espacho Eentral de aniobras *&.E..-, todo ello seg!n e)igencias del servicio en la red. Eontrol del límite de apertura.
3u denominación más usual es la de limitador de carga. Eonsiste en un mecanismo ue, accionado por motor, blouea el movimiento de la válvula piloto, estableciendo el límite de carga ue debe proporcionar el grupo, en relación con el límite de apertura permitido al distribuidor. Puede ser maniobrado a distancia o localmente. Eontrol de descone)ión por e)ceso de velocidad. También se identifica como control de descone)ión por sobrevelocidad o embalamiento. "l e)ceso de velocidad se detecta por dos procedimientos distintos. 4no, puramente mecánico, consiste en el uso de interruptores centrífugos, situados convenientemente sobre distintas zonas del eje del grupo, los cuales, seg!n proceda, intervienen en los circuitos de control, eléctricos o de aceite a presión, destinados a tal fin. Jtro está basado en la alimentación directa de los circuitos de control por medio del generador de imanes permanentes o el generador de impulsos. Para cada turbina, se suelen establecer dos valores de sobrevelocidades o escalones de e)ceso de velocidad, denominados primer escalón $ segundo escalón, disponiéndose de los controles respectivos para cada uno de ellos. "n el primer escalón, el valor de velocidad bajo control está comprendido entre el BB8 $ el B: 9 del valor nominal, dependiendo de las características del grupo, produciéndose una alarma de prevención al alcanzar el n!mero de revoluciones por minuto establecido. "l segundo escalón corresponde a velocidades del orden del B68 al B:8 9, $ provoca el cierre inmediato de la compuerta o válvula de alimentación, así como del distribuidor si no e)isten fallos en éste. "n ambos casos, a través de los controles mencionados, el regulador da órdenes de cierre total al distribuidor, si bien, cuando se trata del primer escalón, e)iste la posibilidad de espera de un comportamiento del grupo ue permita la recuperación del n!mero normal de revoluciones por minuto. "l embalamiento se da cuando, el regulador, no responde eficazmente ante un desacoplamiento con carga. 7.F. 3istema de aceite de regulación de velocidad. "n una central, cada grupo dispone del apropiado sistema de aceite a presión, destinado al correcto funcionamiento tanto del regulador en sí como del euipo de regulación ue este !ltimo gobierna, controla $ regula. &ado ue no procede particularizar sobre una instalación concreta, e)pondremos en sentido mu$ amplio las características más destacadas de dicho sistema, respecto a componentes $ funciones esenciales. /emos hablado de la necesidad de disponer de grandes esfuerzos, para accionar los servomotores ue, a su vez, regulan la posición del distribuidor. "llo se logra mediante la aplicación de elevadas presiones en el circuito de aceite ue recorre las válvulas $ mecanismos mencionados, presiones ue se consiguen con bombas de gran potencia. 2hora bien, además de éstas, son varios los elementos ue integran el sistema de aceite a presión para un solo grupo,
estando reflejados en la siguiente relación los más significativos. =rupos moto'bombas. "n las grandes instalaciones, normalmente se montan varios grupos motobombas, a fin de ue unos mantengan el servicio de forma continua $ otros entren en funcionamiento cuando la presión, necesaria en el circuito, descienda por debajo de unos valores preestablecidos. Periódicamente se alternan las funciones encomendadas a dichos grupos, para euilibrar el n!mero de horas de trabajo de los mismos. Las bombas, como $a indicamos oportunamente, suelen ser de tipo rotativo, las cuales envían aceite al sistema a una presión considerablemente elevada, llegándose a trabajar con valores superiores a los B88 @gCcm, en las instalaciones modernas, al disponer de materiales $ métodos de soldadura ue permiten la construcción de euipos compactos de reducidas dimensiones. 4n conjunto de válvulas de cambio, permite ue el aceite pase al calderín de presión de aceite' aire $, por consiguiente, al circuito del regulador $ euipo de regulación, o descargue en el depósito colector, sin presión, del cual toman los tubos de aspiración de las bombas, a través de filtros de aceite. +iltros de aceite. "n cada entrada de bomba, se instala un filtro ue retiene las impurezas ue pueden estar en suspensión en el aceite, evitando ue las mismas pasen a los delicados mecanismos de precisión del regulador impidiendo posibles fallos en los mismos como consecuencia de obstrucciones, agarrotamientos, etc. Kefrigeradores. Para ue el aceite no aduiera temperaturas elevadas, lo cual podría repercutir desfavorablemente en su correcta utilización $ conservación *grado de viscosidad, descomposición, etc.-, se colocan convenientemente euipos de refrigeración. Los refrigeradores están dise#ados de tal modo, ue el agua de refrigeración no puede acceder nunca al circuito de aceite, en caso de rotura de los conductos del serpentín de agua, por encontrarse esta a menor presión ue el aceite. Euando las bombas están paradas, grupo fuera de servicio, se debe de cerrar el paso de agua. "l agua de refrigeración del aceite de regulación puede ser tomada de la tubería de agua de refrigeración del cojinete guía de la turbina, o de otra conducción de la instalación propia para este cometido. Ealderín de presión de aceite'aire. 3e denomina calderín de regulación. "n el, se acumula $ mantiene el aceite, a una presión elevada $ estable, mediante una cámara de aire a presión, suministrado por un sistema de compresores $ calderines. &icha cámara, además de permitir utilizar gran cantidad de aceite sin perdida de presión, hace función de amortiguador, manteniendo el nivel de aceite de manera
reposada, evitando borboteo, torbellinos $ su posible gasificación. &ispone de los flotadores $ presostatos adecuados, los cuales accionan los contactos respectivos para provocar se#ales de alarma o de desacoplamiento del grupo, en caso de anormalidades, tanto por e)ceso o defecto en el nivel de aceite del calderín, como por variaciones sensibles del valor idóneo de la presión de aceite. Ealderín de presión de aire. 2demás del calderín anteriormente mencionado, por cada grupo se instale otro destinado, sólo $ e)clusivamente, a almacenamiento de aire a presión, para servir de suministro directo a la cámara de aire en el calderín de regulación, seg!n e)ijan las circunstancias de mantenimiento de este. 2sí mismo, $ dentro del euipo de regulación, conviene destacar los circuitos $ electro'válvulas pertenecientes a los dispositivos conocidos como cerrojos, master $ seguridad. Todos ellos intercalados adecuadamente en el sistema de aceite, $ cu$as misiones respectivas son; Eerrojos. "nclavar o desenclavar los servomotores de accionamiento del distribuidor al parar o poner en servicio el grupo. aster. Eonocido también como cierre de emergencia, solenoide o electro de seguridad, el cual, en el momento de arranue de la turbina, $ una vez desenclavados los cerrojos, permite el paso de aceite a presión hacia la válvula distribuidora del regulador, situándola en la posición intermedia. er figura F6. Euando el master es actuado por alguna de las protecciones del grupo, ue sobre él intervienen, hace ue la válvula distribuidora se coloue en posición ue posibilite el cierre inmediato del distribuidor. Eerrado totalmente éste, se enclavan los cerrojos. 3eguridad. Tiene como misión hacer funcionar a los servomotores en el sentido de cierre del distribuidor, una vez ue anula la acción ue sobre éstos ejerce la válvula distribuidora del regulador. "llo sucede cuando interviene alguna de las protecciones del grupo, provocando la descone)ión del mismo respecto de la red. 3e dispone de un circuito de seguridad, para el abastecimiento de aceite a presión, independiente del circuito de regulación. "stá alimentado por un grupo motobomba, $ cuenta con los correspondientes calderines de aceite $ aire. &icho circuito puede ser com!n a más de un grupo. "s característico de grupos con unas e)igencias de seguridad mu$ estrictas. Las electro'válvulas ue controlan los dispositivos descritos, pueden ser accionadas, voluntariamente, a distancia o localmente en sus emplazamientos. 7.G. (nfluencia de la regulación sobre cada tipo de turbina.
