Principios y Componentes Clave de las Turbinas Hidroeléctricas

Glosario de Conceptos Hidráulicos Fundamentales

• Azud

  : Estructura de hormigón que orienta o deriva el agua.

• Canal de Derivación

  : Canal utilizado para conducir el agua desde la presa hasta las turbinas.

• Chimenea de Equilibrio

  : Estructura utilizada para compensar el golpe de ariete.

• Golpe de Ariete

  : Fenómeno que se produce por ondas de presión en sentido contrario al flujo del agua, generando una sobrepresión.

• Velocidad Específica

  : Relación entre la velocidad de la bomba/turbina y el caudal.

• Velocidad de Embalamiento

  : Máxima velocidad que adquiere el eje de un grupo turbina-generador al pasar rápidamente de plena carga a cero.

• Presión Absoluta

  : Suma de la presión atmosférica más la presión relativa.

• Presión Relativa

  : Presión que se mide por encima de la presión atmosférica.

• Presión de Vacío

  : Presión que se mide por debajo de la presión atmosférica, siendo su valor negativo.

Principios de la Mecánica de Fluidos

• Principio de Bernoulli

  : Estudia fluidos en movimiento, relacionando caudales con presiones y estableciendo las energías que intervienen en la circulación de un fluido. La energía se mide en metros (altura de columna de fluido) porque puede dividirse en presión estática (debida a la presión contra las paredes) y presión dinámica (debida al caudal), y las presiones se expresan en metros de columna de agua.

• Régimen Laminar

  : Fluido que se mueve en láminas o capas paralelas. Si se introdujese un tubo con colorante dentro de otro tubo con fluido en régimen de circulación, el colorante no se dispersaría.

• Régimen Turbulento

  : Las partículas del fluido se mueven siguiendo trayectorias muy irregulares. Las líneas de corriente se cruzan entre sí, generando una mayor pérdida de energía por fricción.

• Régimen Transitorio

  : Las condiciones en un punto cualquiera del fluido varían con el tiempo. Es decir, se producen variaciones de presión y/o velocidad respecto al tiempo en una sección dada.

Tipos de Turbinas Hidráulicas

Turbina Pelton

Es una de las más utilizadas. Posee una rueda o rodete con una serie de cucharas.

No requiere una gran variedad de sistemas de admisión de agua, ya que se alimenta mediante tubería forzada. El chorro de agua, dirigido por uno o varios inyectores, choca contra las cucharas de manera perpendicular a su eje de giro (que puede ser horizontal o vertical), provocando el movimiento de rotación del eje de la turbina.

Se emplean en centrales hidroeléctricas con un gran salto hidráulico.

Turbina Kaplan y Semi-Kaplan

Turbina Kaplan

Cuenta con los mismos componentes que la Francis, pero su rodete está compuesto por una hélice cuyas palas son ajustables, lo que proporciona un mayor rango de operación con altos rendimientos.

Tiene dos elementos de regulación: el distribuidor y el rodete.

Turbina Semi-Kaplan

Se diferencia de la Kaplan en que no dispone de distribuidor regulable. En las turbinas Kaplan, es fundamental la zona donde se aloja el rodete, la cual se denomina cámara de rodete. Dicha cámara puede adoptar diversas formas, pero la más adecuada es la esférica, al mantener el juego entre las palas y la superficie de alojamiento.

Turbina Francis

Es una turbina de reacción. A diferencia de las turbinas de acción, el rodete debe estar completamente sumergido para funcionar eficazmente, siendo de admisión total.

Se compone de: cámara de alimentación, predistribuidor, distribuidor, rodete y tubo de aspiración.

• La entrada de agua a la turbina se realiza a través de la cámara de alimentación, cuya función es distribuir el agua por toda la periferia del rodete, pasando por el predistribuidor.
• Todas las turbinas de reacción deben disponer de un tubo de aspiración para:
  • Servir como vía de transporte del agua al canal de descarga.
  • Recuperar la altura estática y el nivel de agua del canal.
  • Recuperar la energía cinética a la salida del rodete.
• La turbina Francis se adapta muy bien a distintos saltos y caudales, y presenta un rango de operación considerable.

Rendimiento y Eficiencia de las Turbinas

El rendimiento de una turbina se define como el cociente entre la potencia mecánica transmitida al eje de la turbina y la potencia hidráulica correspondiente al caudal y salto nominales.

• Turbina Pelton

  : Muestra una curva de rendimiento bastante plana. Su rendimiento es superior al 90%, y para un caudal del 20%, el rendimiento es superior al 80%.

• Turbina Francis

  : Con cámara espiral, representa un rendimiento superior al 90% en condiciones de diseño.

• Turbina Kaplan de Doble Regulación

  : Tiene un rendimiento aceptable incluso al 20% del caudal nominal.

Mecanismo de Regulación de Turbinas

Cuando la carga disminuye, el grupo turbina-generador se acelera. Debido a las fuerzas centrífugas, las bolas del taquímetro se separan. Dicha separación provoca que la palanca A gire respecto al punto de apoyo B, y el punto C descienda, lo que hace que la palanca D actúe sobre el distribuidor, que es una válvula amplificadora de presión hidráulica.