Clasificación de Rodetes en Turbinas Hidráulicas según Velocidad Específica

1. Rodetes Radiales o Rodetes Lentos

Se definen por la relación de velocidades v_1,u > u₁ y una velocidad específica (n_s) en el rango de 50 r/min < n_s < 125 r/min.

• Aplicación: Se utilizan en saltos con una altura neta (H) elevada y un caudal (Q) bajo.
• Geometría: La altura del rodete (b₁) es pequeña y se mantiene constante tanto en la entrada como en la salida.
• Trayectoria: La trayectoria de las partículas fluidas se desarrolla en planos perpendiculares (⊥) al eje.
• Cinemática: El agua cambia su trayectoria 90° cuando sale del rodete y entra en el tubo de aspiración.
• Dimensiones y ángulos: Se cumple que D₁ >> D₂ = D₃ y el ángulo de entrada es β₁ > 90°.

2. Rodetes Normales

Caracterizados por v_1,u = u₁ y una velocidad específica de 125 rpm < n_s < 225 rpm.

• Relación de parámetros: Al aumentar n_s (lo que implica una disminución de H y un aumento de Q), se incrementa el área (A) y, por tanto, la altura b₁.
• Dimensiones: D₁ ≈ D₂ = D₃.
• Ángulos: El ángulo de entrada es β₁ = 90°.
• Características de diseño:
  • Se reduce la longitud de los álabes.
  • El área de entrada (A_entrada) tiene forma de tronco de cono.
  • El tamaño de la llanta disminuye.
  • Se reduce el espacio entre el distribuidor y el rodete.
• Flujo: La trayectoria de las partículas fluidas empieza a tener una componente axial.

3. Rodetes Rápidos

Presentan una relación v_1,u < u₁ y una velocidad específica de 225 rpm < n_s < 300 rpm.

• Entrehierro: Aumenta linealmente con n_s sin efectos negativos sobre el rendimiento hidráulico (η_h), ya que el fluido recorre un espacio en el que no hay rozamiento con los álabes.
• Trayectoria: El agua efectúa un cambio de dirección más brusco.
• Dimensiones y ángulos: D₁ < D₂ = D₃. Aumenta b₁ y el ángulo se sitúa en 0 ≤ β₁ ≤ 90°.
• Optimización: Cuanto más estrechos y largos son los álabes, mayor es el rozamiento y menor el η_h. La solución es acortar los álabes y exagerar los ángulos.
• Dinámica de presión: Los rodetes trabajan con mucha sobrepresión, por lo que el fluido es fuertemente acelerado desde la arista de entrada a la de salida: w₂ > w₁.

Resumen de Tendencias según el Incremento de n_s

A medida que aumenta la velocidad específica (n_s), se observan los siguientes cambios:

• Componente del flujo: El flujo en el rodete adquiere cada vez más una componente axial y disminuye la importancia de la componente radial.
• Geometría de los álabes: Disminuye el número y la longitud de los álabes del rodete. Valores altos de n_s están asociados con saltos de baja altura (H) y alto caudal (Q). Dado que Q = v_mA = w_mA, si el caudal es elevado, las velocidades aumentarían las pérdidas; por tanto, se disminuye el número de álabes y su longitud para mejorar el rendimiento hidráulico (η_h).
• Energía y Dimensiones: Considerando H_e = H_n − ΔH_turbina, si disminuye H_n también disminuye H_e. Al bajar H_e, deja de tener importancia el término (u₁² - u₂²) / 2g de la segunda ecuación de Euler, por lo que las dimensiones del rodete no tienen por qué ser elevadas. Por tanto, D₁ disminuye cuando H_e baja o n_s sube. Además, en rodetes más pequeños se reduce la trayectoria del flujo y las pérdidas por fricción.
• Altura del rodete (b₁): Aumenta. Recordamos la expresión de b₁ en función de Q y H_n: b₁ = Q / (π D₁ sin β₁ λ₁ √(2gH)). Por tanto, b₁ aumenta a medida que Q sube y H_n baja.
• Ángulo β₁: Tiende a disminuir.
• Potencia (P_r): Aumenta al incrementar el caudal y la velocidad de giro.