Clasificación y Principios de Funcionamiento de Turbinas Hidráulicas: Pelton y Francis
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Clasificación y Funcionamiento de las Turbinas Hidráulicas
Las turbinas hidráulicas se dividen en dos grandes categorías principales: las de acción y las de reacción.
Tipos Principales de Turbinas Hidráulicas
Existen en la actualidad dos grandes tipos:
- Turbinas de Acción: A este grupo pertenece la turbina Pelton.
- Turbinas de Reacción: Incluyen la turbina Francis y sus derivadas: hélice, Kaplan, bulbo, Deriaz y Straflo.
Componentes Esenciales y Transformación de Energía
Toda turbina hidráulica posee un órgano principal, denominado rodete o rueda, que gira sobre su eje. El agua pasa por este rodete de manera continua, transformando su energía hidráulica en energía mecánica.
Además, las turbinas constan de una serie de elementos situados aguas arriba del rodete, cuya misión es introducir el agua con la dirección y condiciones precisas. A su salida, las turbinas de reacción disponen de otro órgano cuyo objeto es evacuar el agua hacia el canal de desagüe.
El Proceso de Conversión Energética
El agua, antes de efectuar el salto, tiene toda su energía en forma de energía de posición. El salto se efectúa de manera canalizada en la tubería forzada. Al término de esta tubería, justo antes de que el agua entre en la turbina, la energía de posición se ha convertido en energía cinética y, el resto, en energía de presión.
Diferencias Fundamentales en la Admisión de Agua
Existen diferencias cruciales en cómo el agua interactúa con el rodete, relacionadas con la conversión de energía y el contacto con la atmósfera:
- Turbinas Pelton (Acción): El agua, al pasar a la rueda, entra en contacto con la atmósfera, transformándose toda la energía de presión en energía cinética, actuando sobre el rodete.
- Turbinas Francis y Derivadas (Reacción): El agua, al entrar en el rodete, no toma contacto con la atmósfera, por lo que en dicho punto la energía de presión se ha transformado en cinética tan solo de manera parcial.
Otra diferencia esencial entre ambos tipos de turbinas es la admisión:
- Admisión Puntual (Pelton): El agua llega a su rodete en uno o varios puntos.
- Admisión Total (Francis y Derivadas): El agua accede al rodete por los 360º de su periferia.
Aplicaciones y Diseño de las Turbinas de Acción (Pelton)
La turbina Pelton se utiliza en centrales hidroeléctricas que disponen de un salto relativamente grande y un caudal relativamente pequeño. Las turbinas de acción se emplean en aquellos casos en que la relación caudal-altura sea reducida, lo que corresponde a velocidades específicas bajas.
Componentes de la Turbina Pelton
La turbina Pelton consta fundamentalmente del inyector y de la rueda o rodete. El inyector tiene las siguientes misiones:
- Introducción del agua de manera puntual y en la dirección conveniente en el rodete.
- Conversión de toda la energía de presión en energía cinética.
- Regulación del caudal.
El inyector es una prolongación de la tubería forzada que termina en forma atoberada, reduciéndose la sección, con salida a la atmósfera. Puede tener de 1 a 6 inyectores.
Velocidad Específica (Número de Camerer)
Para el caso concreto del número de Camerer, la velocidad específica ($N_s$) de las turbinas de acción está comprendida entre 5 y 36 rpm aproximadamente.
Aplicaciones y Diseño de las Turbinas de Reacción
El grupo de turbinas de reacción dispone como órganos más fundamentales el distribuidor, el rodete y el tubo difusor.
El distribuidor tiene unos fines análogos al inyector en las turbinas Pelton, es decir, sirve para:
- Transformar, en este caso parcialmente, la energía de presión con que el agua accede a él en energía cinética.
- Introducir el agua en los 360º del rodete en la dirección conveniente.
- Regular el caudal.
Las turbinas de reacción se utilizan para una gama muy amplia de alturas y caudales, pero en todo caso para una relación caudal-altura mayor que las correspondientes a las turbinas de acción. La turbina Francis y sus derivadas se emplean en centrales con alturas relativamente menores y caudales relativamente mayores.
Relación Caudal-Altura y Tipos de Reacción
Los valores más bajos de la relación caudal-altura corresponden a las turbinas Francis, y los más elevados a las turbinas hélice, Kaplan, Deriaz, bulbo y Straflo, más o menos por este orden.
Clasificación de Turbinas por Velocidad Específica ($N_s$)
La velocidad específica ($N_s$) es un parámetro clave para la selección de turbinas, medida en revoluciones por minuto (rpm):
| Tipo de Turbina | Rango de Velocidad Específica ($N_s$ en rpm) |
|---|---|
| Pelton de una boquilla | $2 < N_s < 30$ |
| Pelton de varias boquillas | $30 < N_s < 60$ |
| Francis lenta | $60 < N_s < 200$ |
| Francis normal | $N_s \approx 200$ |
| Francis rápida | $200 < N_s < 400$ |