Análisis Comparativo de Turbinas Hidráulicas: Francis, Pelton y Kaplan

Distribuidor de una Turbina Francis

El distribuidor de una turbina Francis guía el agua hacia el rotor, regulando el caudal y, por ende, la potencia de la turbina. Su objetivo es ajustarse a las variaciones de carga de la red. Este elemento no genera energía, sino que transforma la energía de presión en energía cinética.

Para realizar estas funciones, dispone de álabes guía o directrices que giran alrededor de pivotes accionados por un mecanismo exterior. En su posición cerrada, se debe garantizar la estanqueidad para evitar fugas y el paso de agua a través de la turbina.

Parámetro de Posición de los Álabes

El parámetro utilizado para identificar la posición de los álabes del distribuidor es la mínima distancia entre dos álabes contiguos. Esto equivale al máximo diámetro de un cilindro que podría pasar entre dos álabes.

Formas y Dimensiones del Rotor

El rotor de una turbina Francis puede adoptar diversas formas y dimensiones según la altura y el caudal, es decir, según la velocidad específica.

• Altura elevada y caudal pequeño: El rotor tendrá una sección de entrada pequeña y un recorrido del flujo casi radial. Esto permite transformar en energía cinética una parte importante de la energía de presión.
• Altura pequeña y caudal grande: El rotor tendrá una sección de entrada grande y un flujo casi axial.

Existe una variedad de situaciones intermedias entre estos dos extremos.

Conclusiones sobre el Rotor al Aumentar la Velocidad Específica

• El flujo en el rotor se vuelve más axial y menos radial.
• Disminuye el número y la longitud de los álabes del rotor.
• Disminuye el diámetro D1 del rotor, acercándose la relación D1/D2 a 1. El diámetro de salida del distribuidor también disminuye.
• Aumenta la anchura del rotor a la entrada (b1) debido al aumento del caudal. También aumenta el ancho de salida de los álabes directores.
• Aumenta el ángulo de entrada de la corriente y el ángulo de salida de los álabes directrices.
• Aumenta la potencia específica de la turbina al aumentar la velocidad de giro.

Tubo de Descarga

El tubo de descarga, también conocido como tubo de aspiración, trabaja en depresión. Es una tubería de sección creciente ubicada a la salida del rotor que permite:

• Recuperar parte de la energía cinética perdida por la velocidad tangencial del agua.
• Recuperar parte de la altura de caída, creando una depresión a la salida del rotor.

Para lograrlo, se dispone este elemento divergente y largo a la salida del rotor, creando un vacío. Este vacío, junto con el que provoca el posible mayor nivel del rotor respecto al canal de desagüe, debe evitar la cavitación. La conicidad suave del tubo de aspiración reduce las pérdidas de carga, lo que lo hace relativamente largo. Por esta razón, suele construirse con un codo de unos 90º.

Comparación entre Turbinas Francis y Pelton

La curva de rendimiento de la turbina Francis es menos plana que la de la turbina Pelton debido a las pérdidas por choque a la entrada y salida del rotor cuando funciona en condiciones fuera de diseño. Por lo tanto, la turbina Francis se adapta peor que la Pelton a las fluctuaciones de carga. Sin embargo, en condiciones de diseño, la Francis alcanza mejores rendimientos.

Diferencias entre Turbinas Francis y Kaplan

La principal diferencia entre las turbinas Francis y Kaplan radica en el diseño de sus álabes:

• Turbina Kaplan: Flujo axial, utilizada en represas de baja cabeza (baja altura) y gran caudal. Sus álabes son regulables.
• Turbina Francis: Flujo mixto, utilizada en aplicaciones con baja o alta cabeza. Sus álabes no son regulables.

Las turbinas Kaplan, de admisión radial, se asemejan a la hélice de un barco. Las turbinas Francis, más versátiles, son más comunes en centrales hidroeléctricas.

Turbina Dériaz

La turbina Dériaz, una turbina Francis de álabes orientables como la Kaplan, combina características de una Francis rápida y una Kaplan. Fue construida por primera vez en 1957 por el ingeniero Paul Dériaz para la central de las Cataratas del Niágara. Se basa en la turbina Kaplan con una doble evolución sobre la misma.