Una turbina hidráulica es una máquina que transforma la energía de un caudal de agua en energía mecánica por medio de un sistema de cuchillas giratorias. Esta energía mecánica se puede utilizar para alimentar otra máquina o un generador eléctrico .
Una turbina simple consta de un solo rotor con álabes, que proporcionan intercambio de energía con el flujo. Los álabes del rodete desvían el flujo de corriente para transformar la energía cinética y energía de presión, o para intercambiar cantidad de movimiento del fluido con un momento de fuerza en el eje.
El momento de fuerzas en el eje provoca la rotación de la turbina generando energía cinética de rotación. Si la turbina está conectada a un generador eléctrico se obtiene electricidad. En otros casos, esta energía se utiliza directamente para obtener un trabajo mecánico.
La mayoría de las turbinas hidráulicas el flujo de agua es axial o radial. Sin embargo, en una turbina de flujo transversal, el agua pasa a través de los álabes de la turbina en dirección transversal dos veces, primero en la dirección del eje y luego alejándose de él.
Clasificación: tipos de turbinas hidráulica
Las turbinas hidráulicas, utilizadas en las instalaciones de energía hidráulica, se pueden clasificar según dos criterios.
Una primera clasificación según su forma de funcionar y pueden ser de acción o de reacción. Las turbinas de acción sólo aprovechan la velocidad del flujo de agua, mientras que las de reacción también aprovechan la pérdida de presión del agua en el interior de la turbina.
Según su diseño, una turbina puede ser:
1. Turbina Pelton
Las turbinas Pelton son turbinas de acción de flujo transversal y admisión parcial. Uno de los tipos más eficientes de turbina hidráulica.
La turbina Pelton consiste en una rueda (rodete o rotor) dotada de cucharas en su periferia. Estas cucharas están especialmente diseñadas para convertir la energía hidráulica de un chorro de agua que incide sobre las cucharas.
Las turbinas Pelton están diseñadas para explotar grandes saltos hidráulicos de bajo caudal.
2. Turbina Francis
La turbina Francis se trata de una turbina de reacción de flujo interno que combina conceptos tanto de flujo radial como de flujo axial.
Consta de una parte fija, con unas guías curvadas llamadas deflectores (o distribuidor), y de una parte móvil con álabes, también curvados, llamada rotor. La inclinación de los deflectores se puede regular para ajustar el caudal aplicado a los álabes, regulando así la velocidad de la turbina.
Es un tipo de turbina muy apropiado para saltos medios-altos con caudales medios, siendo capaz de producir potencias elevadisimas.
3. Turbina Kaplan
Las turbinas Kaplan son turbinas de agua de reacción de flujo axial, con un rodillo que funciona de manera similar a la hélice de un barco.
Se emplean en centrales hidroeléctricas con saltos de agua pequeños. Las amplias palas o álabes de la turbina son impulsadas por agua a alta presión liberada por una compuerta.
El agua circula en el mismo sentido al eje. Además de poder regular la inclinación de los deflectores, también se puede regular la de los álabes del rotor. De esta forma, la turbina se adapta a las necesidades de potencia de cada momento. Se utiliza en instalaciones con pequeños saltos y grandes caudales de agua, como los de los embalses.
4. Turbina hélice
Como todas las turbinas hidráulicas la turbina hélice consiste de una corona directriz con álabes directrices y un rotor. Dependiendo del flujo se puede realizar la turbina hélice con regulación simple (ajustación de álabes directrices) o doble (ajustación de álabes directrices y de velocidad de giro del rotor).
Los álabes directrices ajustan el volumen de flujo de agua que entra al rotor. En el mismo tiempo cambian la dirección del flujo para que entre al rotor con la torsión propia así que el rotor gire.
Desde el punto de vista de la eficiencia, la turbina hélice se puede comparar con una turbina Kaplan. Además, la regulación electrónica de una turbina hélice permite lograr puntos de operación con poca agua que no se pueden lograr con una turbina Kaplan.
Partes de una turbina hidráulica
Las principales partes de una turbina hidráulica son:
- Rotor o Álabes: Son las partes móviles de la turbina. Están diseñados para ser golpeados por el flujo de agua, lo que provoca su rotación. La forma de los álabes depende del tipo de turbina, como Pelton, Francis o Kaplan.
- Eje: Conecta el rotor a un generador o sistema mecánico. El eje transmite el movimiento de rotación del rotor a la máquina generadora de electricidad o a otro dispositivo útil.
- Carcasa: Es la estructura que rodea y protege el rotor, manteniendo la dirección del flujo de agua y facilitando la transferencia de energía desde el agua al rotor. También ayuda a controlar el flujo de agua hacia el rotor.
- Turbina (Cuerpo): El cuerpo es la parte de la turbina que contiene todos los componentes. En general, es donde el agua entra, se dirige hacia los álabes, y se expulsa después de haber transferido su energía al rotor.
- Ángulo de las palas: En algunas turbinas, especialmente en las Kaplan, el ángulo de las palas es ajustable para optimizar la eficiencia según el caudal y la altura de caída del agua.
- Conducto de entrada (Tubería o Canal de Admisión): Es el conducto por donde el agua llega a la turbina, canalizando el flujo de agua hacia las palas de la turbina. La presión y la velocidad del agua son factores importantes para el rendimiento de la turbina.
- Regulador o Gobernador: Es un sistema que controla la velocidad de rotación de la turbina ajustando el flujo de agua que llega a las palas. Permite que la turbina opere a su máxima eficiencia.
- Difusor: En algunas turbinas, el difusor se encuentra al final de la turbina y tiene la función de reducir la velocidad del agua mientras aumenta la presión antes de que salga al medio ambiente. Esto ayuda a mejorar la eficiencia de la turbina.
- Válvulas: En muchos sistemas hidráulicos, se utilizan válvulas para controlar la cantidad de agua que entra en la turbina. Las válvulas también son esenciales para iniciar o detener la operación de la turbina de forma segura.