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INTRODUCCION
Por TURBINA, palabra relacionada con el torbellino creado por un fluido, se entiende todo dispositivo mecánico capaz de convertir en trabajo, en la forma de movimiento de rotación, la energía cinética presente en masas de agua, vapor ó gas, al encontrarse éstas dotadas de una determinada velocidad de desplazamiento .
La aplicación inmediata del trabajo mecánico desarrollado en la turbina, es la dehacer girar al rotor del generador de energía eléctrica, en el cual se realiza la transformación de la energía mecánica en energía eléctrica. Todo ello, como consecuencia de estar rígidamente unidos, generalmente, los ejes de ambas máquinas, turbina-Generador, formando un eje único con el que se obtiene sincronismo de giro entre si mismas, es decir, idéntico número de revoluciones durante espacios de tiempo iguales.
En base a la anterior consideración, Podemos decir que turbina hidráulica es la máquina destinada a transformar la energía hidráulica, de una corriente o salto de agua, en energía mecánica. Por lo tanto, toda turbina convierte la energía del agua, manifestada
bien en su forma de presión (energía potencial o de posición) como en la de velocida
(energía cinética), es el trabajo mecánico existente en un eje de rotación. En término generales y sin ánimo de ser reiterativos, podemos definir a las turbinas hidráulicas como motores hidráulicos destinados a aprovechar las corrientes y saltos de agua.
Una turbina hidráulica es accionada por el agua en movimiento, una vez que ésta debidamente encauzada hacia el elemento de turbina denominado distribuidor, el cual circularmente, distribuye, regula y dirige un caudal de agua que tiende a incidir, con mayor o menor amplitud, hacia el centro del circulo descrito, sobre un rotor o rueda móvil conocida con el nombre de rodete, que, conjuntamente con el eje en el que está montado ha de estar perfectamente equilibrado dinámica y estáticamente .
De lo expuesto se deduce cómo la energía del agua, originalmente la mayoría de los casos en forma de energía potencial de tipo gravitatorio, se convierte en energía cinética a pasar sucesivamente por el distribuidor y el rodete, debido a la diferencia de nivel existente entre la entrada y la salida de la conducción . En consecuencia, se provocan cambios en la magnitud y dirección de la velocidad del fluido, lo que hace que se produzcan fuerzas tangenciales en el rodete, generándose así energía mecánica al girar éste.
El rendimiento de las instalaciones con turbinas hidráulicas, siempre es elevado, pudiendo llegar desahogadamente al 90 % o más, después de tener en cuenta todas las pérdidas hidráulicas por choque, de caudal, de fricción en el generador, mecánicas, etc.
Los problemas de la regulación de velocidad son importantes, principalmente a causa de las grandes masas de agua que entran en juego, con sus aceleraciones positivas y negativas, que se transforman en ondas de presión. La continuidad de las columnas de agua transmite las ondas, produciéndose fuertes choques o golpe de arite que es necesario evitar o por lo menos controlar.
TIPOS DE TURBINAS HIDRAULICAS
- TurbinasFRANCíS (b)
- TurbinasKAPLAN (c)
Para establecer esta relación en el orden indicado, nos basamos en el empleo de turbinas en función de la altura del salto, si bien no hay limites perfectamente definido que separen los márgenes de utilización de unos tipos respecto de los demás.
Las turbinas Pelton (1), se conocen como turbinas de presión por ser ésta constante en la zona del rodete, de chorro libre, de impulsión, o de admisión parcial por ser atacada por el agua sólo una parte de la periferia del rodete. Así mismo entran en la clasificación de turbinas tangenciales y turbinas de acción
Su utilización es idónea en saltos de gran altura (alrededor de 200 m y mayores), y caudales relativamente pequeños (hasta 10 m3/s aproximadamente).
Por razones hidroneumáticas, y por sencillez de construcción, son de buen rendimiento para amplios márgenes de caudal (entre 30% y 100 % del caudal máximo). Por ello se colocan pocas unidades en cada central que requiere turbinas de estas características.
Pueden ser instaladas con el eje en posición vertical u horizontal, esta última disposición la más adecuada, la cual nos servirá de referencia para hacer las descripciones necesarias.
Los componentes esenciales de una turbina Pelton.
Componentes de una turbina Pelton
- Distribuidor - Cámara de descarga
- Rodete - Sistema hidráulico de frenado
- Carcasa - Eje
Descripción de cada uno de ellos.
Está constituido por uno o varios equipos de inyección de agua. Cada uno de dichos equipos, formado por determinados elementos mecánicos, tiene como misión dirigir, convenientemente, un chorro de agua, cilíndrico y de sección uniforme, que se proyecta sobre el rodete, así como también, regular el caudal preciso que ha de fluir hacia dicho rodete, llegando a cortarlo totalmente cuando proceda .
El número de equipos de inyección, colocados circunferencialmente alrededor de un rodete, depende de la potencia y características del grupo, según las condiciones del salto de agua. Así mismo, se puede disponer de más de un rodete en el mismo eje, cada uno de ellos dotado del distribuidor apropiado .
Hasta seis suelen ser los equipos que proyectan chorros de agua sobre un mismo.
rodete, derivando todos y cada uno de ellos de la tubería forzada. Dicho número equipos de inyección, se insta la en turbinas Pelton con eje vertical, siendo, normalmente uno o dos inyectores los instalados cuando la disposición del eje es horizontal .
Para mejor comprensión, describiremos los elementos que forman un solo equipo de inyección, mediante el cual se obtiene un chorro de agua. Estos elementos son:
Cámara de distribución
Consiste en la prolongación de la tubería forzada, acoplada a ésta mediante brida de unión, posteriormente a la situación de la válvula de entrada a turbina, según la trayectoria normal del agua También se nombra cámara de inyectores.
Tiene como misión fundamental, conducir el caudal de agua. Igualmente, sirve de soporte a los demás mecanismos que integran el distribuidor .
Inyector
Es el elemento mecánico destinado a dirigir y regular el chorro de agua. Esta compuesto por:
Tobera
Se entiende como tal, una boquilla, normalmente con orificio de seccion circular (puede tratarse de otra sección), de un diámetro aproximado entre 5 y 30 cm, instalada en la terminación de la cámara de distribución .
Proyecta y dirige, tangencialmente hacia la periferia del rodete, el chorro agua, de tal modo que la prolongación de éste forma un ángulo prácticamente 90 grados con los imaginarios radios de aquel, en los sucesivos puntos de choque incidencia del agua. Con lo últimamente expuesto se explica el concepto turbina tangencial.
Aguja
Está formada por un vástago situado concéntricamente en el interior del cuerpo de la tobera, guiado mediante cojinetes sobre los cuales tiene un 1 movimiento de desplazamiento longitudinal en dos sentidos .
Uno de los extremos del vástago, el orientado hacia el orificio de salida la tobera, termina en forma esférico-cónica a modo de punzón, fácilmente recambiable, el cual regula el caudal de agua que fluye por la misma, de acuerdo con mayor o menor grado de acercamiento hacia el orificio, llegando a cortar totalmente el paso de agua cuando se produce el asentamiento de dicho punzon sobre el mencionado orificio, según las ciscunstancias de funcionamiento grupo .
En el otro extremo , están dispuestos mecanismos tales como muelle de cierre de seguridad, que tiende a cerrar el orificio de tobera, presionando al punzón sobre el mismo, cuando la turbina está parada, o se pone fuera de servicio de manera brusca debido a un determinado defecto que afecte al grupo. También, sobre dicho extremo, actúan una serie de palancas o de servo-mecanismos, que regulan la posición del punzón, al que de ahora en adelamte llamaremos aguja o válvula de aguja, según las órdenes recibidas del regula de velocidad, al que nos referiremos más adelante.
Deflector
Es un dispositivo mecánico que, a modo de pala o pantalla, puede ser intercalado con mayor o menor incidencia en la trayectoria del chorro de agua, entre la tobera y el rodete, presentando la parte cóncava hacia el orificio de tobera .
Tiene como misión desviar, total o parcialmente según proceda, el caudal de agua, impidiendo el embalamiento del rodete al producirse un descen repentino de la carga. Su intervención, evita variaciones bruscas de presión en tubería forzada, al permitir una respuesta más lenta de la válvula de aguja, an fuertes oscilaciones de carga.
La situación del deflector se controla con el regulador de velocidad; al igual que las distintas secciones de paso de agua por las toberas, al controlar las posiciones de la válvula de aguja. Oportunamente se ampliarán estas actuaciones.
Equipo de regulación de velocidad
Está constituido por un conjunto de dispositivos electro-mecánicos, a base de servomecanismos, palancas y bielas. Su función, como veremos en el momento oportuno, es la de mantener constante la velocidad del grupo, a fin de que la frecuencia de la corriente generada tenga, en todas las circunstancias de carga, 50 períodos por segundo Este valor es general en toda Europa; sin embargo, en Amérioa del Norte y algunos países de Hispanoamérica, el valor normalizado es de 60 p.p.s.
Rodete de una turbina Pelton
Es la pieza clave donde se transforma la energía hidráulica del agua, en su forma cinética, en energía mecánica o, dicho de otra manera, en trabajo según la forma de movimiento de rotación. Esencialmente consta de los siguientes elementos
Rueda motriz
Está unida rígidamente al eje, montada en el mismo por medio de chavetas y anclajes adecuados. Su periferia está mecanizada apropiadamente para ser soporte de los denominados cangilones.
Cangilones
Son piezas de bronce o de acero especial para evitar, dentro de lo posible, las corrosiones y cavitaciones, concepto este último que será tratado convenientemente.
Están diseñados para recibir el empuje directo del chorro de agua. Su forma es similar a la de una doble cuchara, con una arista interior lo más afilada posible y situada centralmente en dirección perpendicular hacia el eje, de modo que divide al cangilón en dos partes simétricas de gran concavidad cada una, siendo sobre dicha arista donde incide el chorro de agua. En sección, el conjunto toma forma de W (omega abierta).
Su situación sobre la rueda motriz, se consigue por dos procedimientos. Uno de ellos consiste en montarlos de uno en uno o de dos en dos, sobre la periferia de la misma, haciendo la fijación mediante tornillos y cuñas, de tal manera que no existan juegos ni holguras. Modernamente, y para rodetes de cualquier tamaño, los cangilones están forjados con la misma rueda, formando pieza única, lo cual permite una economía en la construcción; y mayor seguridad defuncionamiento, dado el impacto inicial del agua que han de soportar en el momento del arranque, la fuerza centrífuga alcanzada en caso de embalamiento, etcétera.
Cada cangilón lleva, en su extremo periférico, una escotadura en forma de W (uve doble), perfectamente centrada. Tiene como objeto conseguir que, la parte cóncava del cangilón precedente, según el sentido de giro, reciba el chorro de agua cuando su arista se encuentra en posición lo más perpendicular posible, respecto al eje del chorro, aprovechando al máximo el caudal y el impulso que éste le proporciona al acompañarle durante un corto trayecto, razón por la cual las turbinas Pelton se denominan turbinas de impulsión. Dichas escotaduras favorecen un mayor acercamiento de las toberas hacia el rodete.
Es la envoltura metálica que cubre los inyectores, rodete y otros elementos mecánicos de la turbina .
2.-chorro de agua
3.- Rodete
4.- cangilones
5.-Equipo de regulación
6.-Válvula
7.-carcasa
8.-cámara de descarga
Su misión consiste en evitar que el agua salpique al exterior cuando, después de incidir sobre los cangilones, abandona a éstos.
Dispone de un equipo de sellado, en las zonas de salida del eje, a fin de eliminar fugas de agua. Puede estar formado por un laberinto metálico dotado de drenajes, o bien por juntas de estanqueidad, prensaestopas, etc.
Cuando se trata de turbinas Pelton instaladas con el eje en posición vertical, la carcasa, situada horizontalmente, tiene convenientemente distribuidos en su periferia unos conductos de paso de aire para aireación del rodete, lográndose, alrededor del mismo, el adecuado equilibrio de presiones. En el caso de turbinas con el eje horizontal, la aireación se efectúa desde la cámara de descarga.
Se entiende como tal la zona por donde cae el agua libremente hacia el desague, después de haber movido al rodete. También se conoce como tubería dedescarga.
Para evitar deterioros debidos a la acción de los chorros de agua, especialmente de los originados por la intervención del deflector, se suele disponer, en el fondo de la cámara de descarga, de un colchón de agua de 2 a 3 m de espesor. Con el mismo fin, se instalan blindajes o placas, situadas adecuadamente, que protegen la obra de hormigón.
Consiste en un circuito de agua derivado de la cámara de distribución.
El agua, proyectada a gran velocidad sobre la zona convexa de los cangilones, favorece el rápido frenado del rodete, cuando las circunstancias lo exigen
Rígidamente unido al rodete, y situado adecuadamente sobre cojinetes debidamente lubricados, transmite el movimiento de rotación al eje del alternador .El número de cojinetes instalados así como su función, radial o radial-axial, depende de las características de cada grupo.
Una vez identificados los elementos componentes de las turbinas Pelton, y conocidas las funciones respectivas, se comprende fácilmente el funcionamiento de las mismas.
La sucesiva transformación de la energía se efectúa del modo siguiente. La energía potencial gravitatoria del agua embalsada, o energía de presión hasta los orificios de las toberas, se convierte, prácticamente sin pérdidas, en energía cinética, al salir el agua a través de dichos orificios en forma de chorros libres, a una velocidad que corresponde a toda la altura del salto útil, estando referida ésta, para el caso concreto de las turbinas Pelton, al centro de los chorros considerados.
Se dispone de la máxima energía cinética en el momento en que el agua incide tangencialmente sobre el rodete, empujando a los cangilones que lo forman, obteniéndose el trabajo mecánico deseado.
Las formas cóncavas de los cangilones hacen cambiar la dirección del chorro de agua,
saliendo éste, ya sin energía apreciable, por los bordes laterales, sin ninguna incidencia posterior sobre los cangilones sucesivos. De este modo, el chorro de agua transmite su energía cinética al rodete, donde queda transformada instantáneamente en energía mecánica.
La válvula de aguja, gobernada por el regulador de velocidad, cierra más o menos el orificio de salida de la tobera, consiguiendo modificar el caudal de agua que fluye por ésta, al objeto de mantener constante la velocidad del rodete, evitándose embalamiento o reducción del número de revoluciones del mismo, por disminución o aumento respectivamente de la carga solicitada al generador.
La arista que divide a cada cangilón en dos partes simétricas, corta al chorro de agua, seccionándolo en dos láminas de fluido, teóricamente del mismo caudal, precipitándose cada una hacia la concavidad correspondiente. Tal disposición permite contrarrestar mutuamente los empujes axiales que se originan en el rodete, equilibrando presiones sobre el mismo, al conseguir cambiar, simétrica y opuestamente, los sentidos de ambas láminas de agua .
Conclusiones
Agapito Tito, Luis Alberto
Gallardo Chinchay, Orlando
Luna Huamaní, Ivette
Zárate Taipe, César L.