TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS
Jesús Bustos
TIPOS DE TURBINAS HIDRAULICAS Una máquina hidráulica es un dispositivo capaz de convertir energía hidráulica en energía mecánica; pueden ser motrices (turbinas), por esto es de vital importancia saber elegir la turbina adecuada para cada sistema hidroeléctrico.
Las turbinas se pueden clasificar de varias maneras estas son: 1.
2.
Turbinas axiales: el agua entra en el rodete en la dirección del eje. Turbinas radiales: el agua entra en sentido radial, no obstante el agua puede salir en cualquier dirección.
De acuerdo al modo de obrar del agua:
3.
Según la dirección en que entra el agua:
Turbinas de chorro o de acción simple o directa. Turbinas de sobrepresión o de reacción.
Según la dirección del eje:
Horizontales. Verticales.
Hay otras clasificaciones, según las condiciones de construcción, no obstante la clasificación más importante es la que las separa de acuerdo al modo de obrar el agua, estas son de reacción o de chorro. Aunque hay muchas turbinas que entran en estas clasificaciones las más importantes son las turbinas Pelton, Francis y Kaplan. Una caída alta (entre 800 a 2000 pies) requiere una turbina para alta presión, de impulso o tipo Pelton. Si la caída es intermedia (entre 200 y 800 pies), entonces se escoge una turbina de reacción tipo Francis. Para caídas bajas (menores de 200 pies) se utiliza un tipo de turbina de reacción tipo Kaplan.
Turbinas de chorro En la turbina Pelton, el agua tiene una presión muy alta. La válvula de aguja, que se usa para controlar el flujo de agua, deja pasar un chorro de agua que choca con los álabes de la turbina transfiriéndole su energía y haciendo girar la turbina. Esta, a su vez, hace girar un generador que está acoplado al eje de la turbina para producir energía eléctrica, como medida de seguridad se usa una válvula esférica.
TURBINAS DE REACCION Las turbinas de reacción son de dos tipos: Francis y Kaplan. En ellas ocurre un proceso similar, excepto que la presión es más baja, la entrada a la turbina ocurre simultáneamente por múltiples compuertas de admisión (wicket gates) dispuestas alrededor de la rueda de álabes (runner) y el trabajo se ejerce sobre todos los álabes simultáneamente para hacer girar la turbina y el generador.
Turbina Francis y Propeller Estas turbinas se caracterizan por lo siguiente:
Están formadas por una espiral que va a alimentar al rodete. Se utilizan para caídas medianas. Tienen un distribuidor que orienta el agua hacia el rodete. Asemejan una bomba centrífuga. El agua no está a la presión atmosférica. Descargan a contra presión. Generalmente están provistas de una válvula mariposa como medida de prevención.
TURBINA KAPLAN Esta se caracteriza por lo siguiente:
Se utilizan para caídas bajas. El rodete recuerda la forma de una hélice de barco. El ángulo de inclinación de las palas del rodete es regulable. Se utilizan para gastos muy grandes. La regulación se efectúa por medio de un distribuidor como en las Francis y además con el ángulo de inclinación de la s palas en el rodete.
CONTROL DE VELOCIDAD DE TURBINAS Regulación de velocidad por medio del caudal de agua en la turbina: Para obtener una velocidad constante del grupo generador, existiendo una variación de carga en el sistema ∆Pi, es necesario que en todo momento la potencia disponible al ingreso del grupo generador deba ser igual a la potencia eléctrica a la salida del generador más las pérdidas internas del grupo. Este equilibrio se logra regulando la cantidad de agua que ingresa a la turbina, de tal manera que si se produjera un aumento en la demanda, se abrirá una válvula que permita el mayor ingreso de agua a la turbina, ocasionando que la potencia generada se iguale a la demanda. Este tipo de regulación se realiza de dos maneras: manual o automáticamente.
Regulación manual:
La regulación manual se utiliza principalmente para micro centrales con una potencia menor a 50kW, se emplean donde no existen grandes fluctuaciones en la demanda de energía. Para la utilización de este sistema, es necesario tener un operador en la casa de máquinas, que vigile en la variación de frecuencia del sistema y que compense estas variaciones haciendo variar el caudal de agua en la turbina. Esto se realiza por medio de la válvula de aguja o de álabes directrices, según el tipo de turbina que se instale.
Regulación automática:
La regulación automática proporciona un sistema con frecuencia y voltaje estable, y se utiliza cuando en el sistema eléctrico existen grandes fluctuaciones instantáneas en la demanda. Por su elevado costo este sistema resulta poco apropiado en micros centrales y es más utilizado en centrales de más de 100kW de potencia.
Regulación de la velocidad por regulación de carga: En la regulación por carga, el grupo generador entrega una potencia constante, por lo cual no existe la regulación de caudal de agua. Pero se debe cuidar que el grupo genere una potencia mayor o igual a la máxima potencia esperada en la demanda. El exceso de potencia generada se disipa en forma de calor, a través de banco de cargas como pueden ser: resistencia sumergida en agua o al aire, o empleando tiristores que deriva la energía no consumida por la demanda. Este tipo de regulación se puede realizar de manera manual o automática.
Regulación manual de carga:
La función del regulador de carga consiste en conectar o desconectar el excedente de carga según aumente o disminuya la frecuencia del sistema a causa de la variación de la demanda. El banco de cargas que pueden utilizar son los siguientes: resistencias, tiristores, focos incandescentes, baterías, etc. La ventaja de este tipo de regulación es: El operador puede realizar está regulación fuera de la casa de máquinas, ya que el banco de cargas a instalarse puede estar alejado de la misma.
Regulación automática de carga:
La regulación automática de carga ha encontrado su campo de aplicación principalmente en el rango de las pequeñas centrales hidroeléctricas, para potencias menores de 100 kW. Las principales ventajas de estos reguladores son: simplicidad del diseño de las turbinas al no existir la necesidad de regular el caudal, menor costo, operación y mantenimiento sencillos, no produce sobrepresiones en la tubería de presión, mayor rapidez en la respuesta a cambios de carga.
Sistema gobernador: El sistema gobernador detecta la variación de la velocidad de giro de los generadores, que se dan por desequilibrios instantáneos entre generación y demanda. Estas variaciones resultan ser las mismas que las variaciones de frecuencia. El gobernador al detectar estas variaciones actúa de forma automática sobre la correspondiente válvula evitando que la frecuencia siga cayendo indefinidamente en el caso de pérdida de generación. El AGC (Control Automático de Frecuencia) se encarga de restablecer la frecuencia a su valor nominal y ajustar el intercambio neto de potencia entre áreas interconectadas a su valor programado. En esta regulación solo participan los generadores locales, los cuales incrementan su producción para restablecer a su valor programado de potencia con los demás sistemas. El gobernador se compone de un sensor electrónico y sistema compuesto generalmente por una parte mecánica, una eléctrica y una hidráulica para ajustar la posición de la válvula. El gobernador debe actuar cuando existe un error entre la frecuencia eléctrica generada y la frecuencia de referencia. El gobernador se modela con el siguiente diagrama de bloques.
Figura: Modelo del generador, la carga, la turbina y el gobernador. Dónde: R = Estatismo permanente (0.03 a 0.15 p.u.) r = Estatismo transitorio (0.03 a 1.2 p.u.) Tr = Constante de tiempo asociada a la compensación transitoria (0.5 a 64 seg.) Tg = Constante de tiempo del regulador (0.3 a 0.6 seg.) D = Coeficiente de amortiguamiento M = momento de inercia Tw = tiempo de arranque del agua en la turbina (0.5 a 4 seg.)
DIMENSIONAMIENTO DE TURBINAS Dimensionamiento de una turbina Francis: La velocidad específica está relacionada con cabeza neta de diseño por:
n s
3470H n
0.625
Expresión que servirá como velocidad específica de prueba, que permitirá hallar la velocidad sincrónica de la máquina y una velocidad específica definitiva para el dimensionamiento de la turbina y sus partes.
a) Dimensiones del rodete: Se obtiene el coeficiente de velocidad periférica ku que para la turbina Francis se expresa: D3 n k u 60 2 gH n
Dónde: D3: Diámetro de salida o de descarga. n: Velocidad sincrónica De la ecuación anterior se puede despejar el diámetro D3, una vez se han reemplazado los valores constantes:
D3
84 .5k u
Hn
n Similarmente al desarrollo anterior para la turbina Pelton, el coeficiente de velocidad periférica es función de la velocidad específica, según la ecuación: k u
0.31 2.5 * 10
3
n s
Las otras dimensiones se obtienen en función de la velocidad específica, y referidas al diámetro D3. D3 D1
0.4
94 .5 n s
b) Dimensiones del caracol de la turbina Francis. Las principales dimensiones del caracol se obtienen a partir de las ecuaciones, obtenidas como función de la velocidad específica n s y referidas al diámetro D3.
APLICACIONES DE TURBINAS Si se utiliza una máquina adecuada, la energía existente en el agua que fluye o en el agua almacenada en un nivel apropiado, puede convertirse en potencia mecánica, que puede utilizarse para muchas aplicaciones o usos. Antiguamente, las máquinas accionadas por la potencia del agua se usaron para tareas como: trillar maíz, levantar pesos, aserrar madera, moler caña de azúcar, despulpar café, entre otros. En nuestro medio aún se utilizan para los dos últimos usos. Estas máquinas se denominaron ruedas hidráulicas. Las máquinas hidráulicas moderna que accionan generadores eléctricos se conocen como turbinas hidráulicas. Hay turbinas de varias toneladas montadas en vertical sobre cojinetes hidráulicos en las centrales hidroeléctricas. Las turbinas Pelton más pequeñas, solo de unos pocos centímetros, se usan en equipamientos domésticos.
CONCLUSIONES El tipo de turbinas a utilizar en una central hidroeléctrica se escoge en función de la altura de caída del agua. Para caídas altas las más convenientes son las turbinas Pelton puesto que soportan altas presiones, para caídas intermedias son de utilidad las turbinas de reacción tipo Francis y para caídas bajas las de tipo Kaplan. Las turbinas de reacción presentan la ventaja de que no sólo aprovechan la velocidad del flujo de agua sino también la pérdida de presión que se produce en su interior. El control de la velocidad en las turbinas es muy importante para mantener constante la velocidad del flujo del generador ante variaciones en la carga.
BIBLIOGRAFÍA
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