La turbina es el elemento que aprovecha la energía cinética
y potencial del agua para producir un movimiento de rotación, que transferido
mediante un eje al generador produce energía eléctrica. En cuanto al modo de funcionamiento, las
turbinas hidráulicas se pueden clasificar en dos grupos:
- Turbinas de acción.
- Turbinas de reacción.
La diferencia entre ambos tipos es que las turbinas de
acción aprovechan únicamente la velocidad de flujo de agua para hacerlas girar,
mientras que las de reacción aprovechan, además, la presión que le resta a la
corriente en el momento de contacto. Es decir, mientras que las turbinas de
reacción aprovechan la altura total disponible hasta el nivel de desagüe, las
de acción aprovechan únicamente la altura hasta el eje de turbina. El tipo de
turbina de acción más conocido es la Pelton, pero existen otros tipos como
pueden ser la Turgo con inyección lateral y la turbina de doble impulsión o
flujo cruzado, también conocida por turbina Ossberger o Banki-Michell. Dentro
de las turbinas de reacción, las más conocidas son la Francis y la Kaplan.
Turbina Pelton
Es la turbina de acción más utilizada. Consta de un disco
circular, o rodete, que tiene montados en su periferia una especie de cucharas
de doble cuenco o álabes.. El chorro de
agua, dirigido y regulado por uno o varios inyectores incide sobre estas
cucharas provocando el movimiento de giro de la turbina.
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| Turbina Pelton |
La potencia se regula a través de los inyectores que
aumentan o disminuyen el caudal de agua.
En las paradas de emergencia se utilizará un deflector de chorro, que lo
dirige directamente hacia el desagüe, evitando así el embalamiento de la
máquina. De esta forma se puede realizar un cierre lento de los inyectores sin
provocar golpes de presión en la tubería forzada. Este tipo de turbina, se emplea en
aprovechamientos hidroeléctricos de salto elevado y pequeño caudal.
Turbina de flujo cruzado
Este tipo de turbina de acción se conoce también como de
doble impulsión, Ossberger o Banki-Michell. Está constituida principalmente por
un inyector de sección rectangular provisto de un álabe longitudinal que regula
y orienta el caudal que entra en la turbina, y un rodete de forma cilíndrica,
con sus múltiples palas dispuestas como generatrices y soldadas por los
extremos a discos terminales.
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| Turbina flujo cruzado |
El caudal que entra en la turbina es orientado por el álabe
del inyector, hacia las palas del rodete, produciendo un primer impulso.
Posteriormente, atraviesa el interior del rodete y proporciona en segundo
impulso y cae por el tubo de aspiración.
Estas turbinas tienen un campo de aplicación muy amplio,
pudiendo instalarse en aprovechamientos con saltos comprendidos entre 1 y 200
metros y con un rango de variación de caudales muy grande. La potencia unitaria
que se puede instalar está limitada aproximadamente a 1 MW.
Turbina Turgo
Es una turbina de
impulso similar a la Pelton con la diferencia de que el chorro es
diseñado para incidir sobre el plano del rodete con ángulo (generalmente de
20°). En esta turbina, el agua entra por un lado del rodete y sale por el otro
costado. Como consecuencia el flujo que la turbina Turgo puede aceptar es mayor
que el de una turbina Pelton por lo que estas turbinas pueden tener un diámetro
de rodete menor que el de una Pelton para una potencia equivalente. A
diferencia de la Pelton la Turgo es eficiente es un amplio rango de velocidades
y no necesita sellos alrededor del eje.
La Turbina Turgo es utilizada para presiones
medias y altas para caídas entre 20-300m cuando se presentan grandes
variaciones del caudal y muchas materias en suspensión del agua a turbinar. Puede ser instalada en
los proyectos donde normalmente se utilizarían Turbinas Pelton con múltiples
chorros o Turbinas Francis de baja velocidad.
La Turgo tiene ciertas desventajas,
primeramente es más difícil de fabricar que una Pelton ya que los álabes son
complejos en su forma y más frágiles que los cangilones de la Pelton. En
segundo lugar las turbinas Turgo producen una significativa carga axial la cual
debe ser soportada con los cojinetes adecuados.
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| Turbina Turgo |
Turbina Francis
Pertenece al grupo de las turbinas de reacción, es decir que
el flujo se produce dentro de una cámara cerrada bajo presión. La Francis se
caracteriza por que recibe el flujo de agua en dirección radial, orientándolo
hacia la salida en dirección axial; por lo que se considera como una turbina de
flujo radial.
Este tipo de turbina está compuesto por:
- Un distribuidor que contiene una serie de álabes fijos o
móviles que orientan el agua hacia el rodete.
- Un rodete formado por una corona de paletas fijas,
torsionadas de forma, que reciben el agua en dirección radial y lo orientan
axialmente.
- Una cámara de entrada, que puede ser abierta, o cerrada de
forma espiral para dar una componente radial al flujo de agua.
- Un tubo de aspiración o de salida de agua, que puede ser
recto o acodado, y se encarga de mantener la diferencia de presiones necesaria
para el buen funcionamiento de la turbina.
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| Turbina Francis |
Una instalación con turbina hélice, se compone básicamente
de una cámara de entrada que puede ser abierta o cerrada, un distribuidor fijo,
un rodete con 4 ó 5 palas fijas en forma de hélice de barco y un tubo de
aspiración. También hay otra variante de la hélice consistente en una turbina
con distribuidor regulable y rodete de palas fijas.
Las turbinas Semikaplan y Kaplan, son variantes de la hélice
con diferentes grados de regulación. Tanto la Kaplan como la Semikaplan poseen
el rodete con palas ajustables que les proporciona posibilidad de
funcionamiento en un rango mayor de caudales. La turbina Kaplan, además, tiene
un distribuidor regulable, lo que le da un mayor rango de funcionamiento con
mejores rendimientos, a costa de una mayor complejidad y costos más elevados.
El mecanismo de orientación de los álabes del rodete y el
distribuidor, es controlado por el regulador de la turbina.
La utilización de un tipo u otro de turbina en un
determinado aprovechamiento está condicionada por aspectos técnico-económicos:
- En una central de tipo fluyente, caracterizada por tener un
salto prácticamente constante, y un
caudal muy variable, es aconsejable la utilización de una turbina Kaplan o
Semikaplan.
- En una central con regulación propia, que funciona con
caudal casi constante entre unos niveles máximo y mínimo de embalse, se puede
emplear una turbina Hélice o Hélice con distribuidor regulable a fin de
disminuir la inversión.
En cada caso particular, será necesario evaluar el
incremento de producción que se obtiene al instalar una turbina Kaplan y
decidir si este incremento justifica o no la mayor inversión necesaria respecto
a instalar una turbina Semikaplan o Hélice.
La instalación de este tipo de turbina es con eje vertical,
en cámara abierta o cerrada, pero puede darse la necesidad de otro tipo de
instalaciones con eje horizontal o ligeramente inclinado. Entre estos tipos están
las turbinas tubulares y de bulbo
Las Turbinas tubulares se denominan comúnmente en S. Su
implantación puede ser de eje horizontal, inclinado o vertical y tiene un
rendimiento ligeramente mayor a las Kaplan en cámara (entre el 1% o 2%). Las turbinas bulbo llevan el generador
inmerso en la conducción, protegido por una carcasa impermeable. El rendimiento
es aproximadamente un 1% superior al de la turbina tubular, y aunque la obra civil necesaria se reduce, la
complejidad de los equipos es superior y dificulta su mantenimiento.
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| Ilustración |
Generadores
La energía eléctrica en las centrales hidroeléctricas se
produce en los aparatos llamados generadores o alternadores. El alternador, o
grupo de alternadores acoplados al eje de la turbina que gira por la acción del
agua genera una corriente alterna de alta intensidad y baja tensión, esta
corriente posteriormente pasa a un transformador que la convierte en alta
tensión y baja corriente, apta para su transporte a grande distancias con un
mínimo de pérdidas. Más tarde, en los centros de consumo, un nuevo
transformador la transforma en una corriente de baja tensión para su aplicación
directa a los receptores domésticos e industriales.
Solidario con el eje de la turbina y del alternador, gira un
generador de corriente contínua llamado excitatriz, que se utiliza para excitar
magnéticamente los polos del estator del generador, creando un campo magnético
que posibilita la generación de corriente alterna en el rotor.
El generador es una máquina, basada en la inducción
electromagnética, que se encarga de transformar la energía mecánica de
rotación, que proporciona la turbina, en energía eléctrica. El principio de funcionamiento está basado en
la ley de Faraday. Cuando un conductor eléctrico se mueve en un campo
magnético, se produce una corriente eléctrica a través de él. El generador (o alternador) está compuesto por
dos partes fundamentales:
- El rotor (o inductor móvil), que se encarga de generar un
campo magnético variable al girar arrastrado por la turbina.
- El estator (o inducido fijo), sobre el que se genera la
corriente eléctrica aprovechable.
En centrales menores de 1000 KW la tensión de trabajo del
generador es de 380 o 500 voltios, y para potencias más elevadas la generación
se produce en media tensión (3000, 5000 o 6000 voltios).
El generador puede ser de dos tipos: Síncrono o asíncrono.
Generador síncrono
En este tipo de generadores, la conversión de energía
mecánica en eléctrica se produce a una velocidad constante llamada velocidad de
sincronismo, que viene dada por la expresión:
P NS
= 60 f
Donde:
Ns = Velocidad de sincronismo expresada en r.p.m.
f = Frecuencia, en Hz (60 Hz en El Salvador.)
p = Número de pares
de polos del generador.
El campo magnético es creado por las bobinas arrolladas en
los polos del rotor, para lo cual, por dichas bobinas debe de circular una
corriente eléctrica continua. Para producir esta corriente continua, pueden
emplearse diferentes sistemas de excitación: Autoexcitación estática. La
corriente proviene de la propia energía eléctrica generada, previamente
transformada de alterna en continua.
Excitación con diodos giratorios. Se crea una corriente alterna
invertida, con polos en el estator y se
rectifica por un sistema de diodos, situado en el eje común. Excitación auxiliar. La corriente necesaria
se genera mediante una dinamo auxiliar regulada por un reostato.
Generador asincrónico
Dada la simplicidad, robustez y bajo costo de los
clásicos motores eléctricos, éstos han comenzado
a usarse cono generadores eléctricos. Para ello es necesario que el par
mecánico comunicado al rotor produzca una velocidad de giro superior a la de
sincronismo. Este exceso de velocidad produce un campo giratorio excitador.
Interesa que la diferencia sea pequeña para reducir las pérdidas en el cobre
del rotor.
Es necesaria la colocación de una batería de condensadores
que compense la energía reactiva generada.
La corriente para la creación del campo magnético se toma de la red, a
la que se debe estar conectado. El
empleo de este tipo de generadores no precisa regulador de velocidad en la
turbina. Para arrancar el grupo se abre el distribuidor de la turbina hasta que
se llega a una velocidad próxima a la de sincronismo y en este momento se conecta
a la red por medio de un interruptor automático.
