Tipos de turbinas y generadores.

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.

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.

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.

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.

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.

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.