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Turbinas hidráulicas

Turbinas hidráulicas

Una turbina es una turbomáquina que convierte la energía de flujo de un fluido (líquido o gas) 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 .

El nombre de turbina fue propuesto por Claude Burdin durante un concurso de ingeniería en 1828. Este nombre proviene de la turbina latina, que significa corriente de Foucault.

Una turbina simple consta de un solo rotor con álabes, que proporcionan intercambio de energía con el flujo. Los primeros ejemplos de turbinas son turbinas eólicas y molinos de agua, es decir, para la energía eólica y la energía hidráulica. Las turbinas son, por lo tanto, un elemento importante para el desarrollo de la energía renovable.

Las turbinas de gas, vapor y agua generalmente tienen una carcasa alrededor del rotor. Esta carcasa conduce el flujo en la dirección deseada, lo que beneficia la eficiencia.Las turbinas de vapor se utilizan en determinadas instalaciones de energía solar térmica de generación eléctrica. Este tipo de turbinas también se utilizan en centrales térmicas que utilizan combustibles fósiles o en centrales nucleares

El reverso de una turbina es un compresor. Los compresores se utilizan en algunas turbinas de gas y están disponibles en dos configuraciones: el compresor radial y el compresor axial, que llevan el nombre de la dirección en la que fluye el fluido durante la compresión.

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 una segona clasificación de turbina en función del diseño.

En cuanto a su forma de funcionar, la turbina hidráulica se puede clasificar en dos grupos:

  • Turbinas hidráulicas de acción: sólo aprovechan la velocidad del flujo de agua.
  • Turbinas hidráulicas de reacción: aprovechan tanto la velocidad como la pérdida de presión del agua en el interior de la turbina.

En función del diseño del rotor de la turbina se pueden diferenciar los siguientes tipos de turbina:

  • La turbina de Hélice: turbinas de reacción de tipo axial, como un hélice colocada en el palo horizontal.
  • La turbina Kaplan : turbinas de reacción de tipo axial, son como turbinas de hélice que además pueden variar el ángulo y las palas de la hélice durante su funcionamiento. Son más eficientes con grandes caudales y saltos de agua pequeños.
  • La turbina Pelton : turbinas de acción de flujo transversal (turbina en disposición vertical) y admisión parcial. Son una evolución de los molinos de agua. Están diseñadas para trabajar con saltos de agua muy grandes pero con pequeños caudales.
  • La turbina Francis : turbinas hidráulicas de reacción y de flujo mixto. Diseñadas para saltos de agua y caudales medios.

Turbina Pelton

Uno de los tipos más eficientes de turbina hidráulica es la turbina Pelton. 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. Las centrales hidroeléctricas dotadas de este tipo de turbina cuentan, en su mayoría, con una larga tubería llamada galería de presión para transportar al fluido desde grandes alturas.

Al final de la galería de presión se suministra el agua a la turbina por medio de una o varias válvulas de aguja, también llamadas inyectores, los cuales tienen forma de tobera para aumentar la velocidad del flujo que incide sobre las cucharas.

Turbina Francis

La turbina Francis fue desarrollada por James B. Francis. Se trata de una turbina de reacción de flujo interno que combina conceptos tanto de flujo radial como de flujo axial.

La turbina Francis es lo que se llama una turbina "de reacción", ya que el elemento impulsor (normalmente agua) se aplica a través de ella, y es la misma circulación del elemento impulsor lo que la hace mover . Es una de las tres principales familias de turbinas ( Pelton, Francis y Kaplan).

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 elevadísimas.

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 istalaciones de energía hidráulica con saltos de pequeña estatura. 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 manera que la turbina se adapta a las necesidades de potencia de cada momento. Se utiliza en instalaciones de energía renovable de tipo hidráulica para pequeños saltos y grandes caudales, como los de los embalses.

Turbina hélice

Como todas las turbinas hidráulicas la turbina hélice consiste de una corona directriz con álabes directrices y un rotor. Dependiente 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 arreglan el volumen de flujo 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.

El rotor de una turbina hélice tiene 3-5 álabes conectados fijos al eje del rotor. Según la teoría de flujo de un álabe hay un flujo ideal para la eficiencia ideal de un álabe. Como el flujo y altura de caída del agua que entra la turbina no es constante se deben ajustar los álabes del rotor al flujo real. El flujo real se caracteriza por la presión (energía potencial) y la velocidad (energía cinética) que varian según el volumen del río, los tiempos o la regulación de presas río abajao. Para maximar la eficiencia de la turbina se adapta el giro de rotación del rotor a la característica del flujo. Ese principio requiere un generador síncrono y una conversión del corriente para ajustarle para el suministro de la red.

En contrario, el principio de regulación de una turbina Kaplan es la ajustación de los álabes del rotor (regulación mecánica).

Del punto de eficiencia la turbina hélice se puede comparar con una turbina Kaplan. Además, la regulación electrónica de una turbina hélice (regulación de velocidad del rotor) permite lograr puntos de operación con poca agua que no se pueden lograr con una turbina Kaplan. Eso es porque la turbina Kaplan opera con velocidad de giro constante y cuando no hay suficiente agua no se puede mantener la alta velocidad de giro. La turbina hélice suministra aún con poca velocidad de giro.

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Última revisión: 25 de octubre de 2018