Una Turbina Es Una Máquina Motriz Que Consiste De Una Parte Giratoria Llamada Rodete 53z2c

Una turbina es una máquina motriz que consiste de una parte giratoria llamada rodete, que se impulsa por un fluido en movimiento. Dependiendo de la naturaleza de este fluido, las turbinas se pueden dividir en: hidráulicas, a vapor y a gas. La función de una planta hidroeléctrica es utilizar la energía potencial del agua almacenada en un lago, a una elevación más alta y convertirla, primero en energía mecánica y luego en eléctrica. Este proceso toma en consideración varios factores entre los cuales uno de los más importantes es la caída de agua (head). Este factor es decisivo al momento de escoger el tipo de turbina hidráulica que se instala en la planta. Una caída alta (entre 800 a 2000 pies) requiere una turbina para alta presión, de impulso o tipo Pelton. Si la caída es intermedia (entre 200 y 800 pies), entonces se escoge una turbina de reacción tipo Francis. Para caídas bajas (menores de 200 pies) se utiliza un tipo de turbina de reacción tipo Kaplan. La turbina Francis es un motor hidráulico de reacción, que se emplea para caudales y alturas medias

En la figura, está representada en semicorte axial una turbina NEYRPIC, de 100.000 CV de potencia, 333 r.p.m. para un salto de 179 m. Se puede apreciar el rodete o parte móvil de turbina (1 en la figura), constituido por un cierto número de paletas o álabes que oscila entre 16 y 21, y depende del tipo de construcción.

El agua procedente de la tubería forzada entra perpendicularmente al eje de la turbina y sale paralela a él. La parte por la que entra el agua en la turbina se denomina cámara de descarga, la que está indicada por 2 en la figura. El agua, después de pasar por el rodete, impulsando a éste y haciéndolo girar, sale por un tubo denominado tubo de aspiración (3 en la figura). Para regular el caudal de agua que entra en el rodete se utilizan unas paletas directrices situadas en forma circular, y cuyo conjunto de denomina distribuidor (4 en la figura). Cada una de las paletas directrices se mueve sobre un pivote, de tal forma que llegan a tocarse en la posición de cerrado, en cuyo caso no entra agua en el rodete, y tienen sus caras casi paralelas en la posición de abierto, en cuyo caso el caudal de agua recibido por el rodete es máximo. El conjunto de paletas directrices del distribuidor se acciona por medio de un anillo móvil (5 en la figura), al que están unidas todas las paletas directrices, y este anillo móvil, a su vez está accionado por el regulador de velocidad de la turbina. Esto se puede apreciar en la figura 2, una turbina Francis vista desde abajo; donde (1) es el rodete de la turbina, unido al eje (2) de la misma. Las paletas del distribuidor están representadas por (3), y (4) expresa los pivotes sobre los que giran dichas paletas; en la figura, las paletas del distribuidor están casi totalmente abiertas.

La turbina Francis representada anteriormente es de eje vertical; también se construyen turbinas Francis de eje horizontal, tal como la representada en las figuras 3 y 4; se trata de una turbina ESCHER WYSS de 72.300 kW y 750 r.p.m. para un salto de 522

m; en este caso la cámara de descarga rodea verticalmente el rodete, mientras que la cámara de aspiración sigue siendo vertical, como en el caso de la turbina Francis de eje vertical.

Para la elección de una turbina Francis de eje horizontal o de eje vertical, se tienen en cuenta diversos criterios. La turbina Francis de eje horizontal presenta las siguientes ventajas:

a. Separación completa de la turbina y el generador. b. Disposición ventajosa de la sala de máquinas ya que la turbina y el generador están situados al mismo nivel. c. Fácil montaje. d. Facilidad de reparaciones en la turbina y en el generador. e. Costo reducido de la turbina y el generador. Respecto a la turbina de eje horizontal, la turbina Francis de eje vertical presenta los siguientes inconvenientes: a. La turbina y el generador ya no son completamente independientes puesto que ambas máquinas han de estar soportadas por un cojinete axial común. b. Al estar superpuestas la turbina y el generador, se precisa construir una sala de máquinas de, por lo menos, dos plantas. c. El montaje es más difícil. d. Los dispositivos de engrase (sobre todo del cojinete axial) son más complicados. e. El costo es superior en aproximadamente, un 20 % a igualdad las demás condiciones. En resumen, que la tendencia moderna es construir turbinas Francis de eje horizontal. Sin embargo, como las primeras turbinas Francis eran de eje vertical, las casas constructoras tienen mayor experiencia en la construcción de turbinas de este tipo, por lo que todavía se realizan muchas instalaciones con turbinas Francis de eje vertical. Sobre todo, es interesante el empleo de estas turbinas cuando, por razones de espacio disponible, conviene reducir la superficie de la sala de máquinas, todo lo que sea posible. La forma de rodete y el perfil de los álabes dependen de las características de salto y caudal. Se puede ver en la figura 5 un rodete de turbina Francis lenta, para un salto de 455 m, y en la figura 6, un rodete de turbina Francis extrarrápida, para un salto de 32 m, en que su tamaño aumenta significativamente, para aumentar su velocidad, variando también el ángulo de las paletas.

En las centrales hidráulicas con saltos de pequeña y mediana altura, la turbina Francis se monta con la cámara de descarga abierta. En las figuras se representan esquemáticamente dos turbinas Francis, de eje vertical y de eje horizontal, respectivamente, montadas en cámara abierta. En este tipo de cámara el agua llega libremente hasta la turbina, quedando ésta sumergida en el agua, tal como puede apreciarse con ambas figuras.

Para saltos de gran altura no es posible la instalación de cámara abierta, pues ésta quedaría sometida a grandes presiones. En estos casos, se emplean cámaras de descarga cerradas y para saltos aún mayores (300 m y más) cámaras de descarga en espiral; el agua llega a la turbina por la tubería forzada y sale por un tubo difusor o de aspiración. En la figura se presenta un esquema de una turbina con cámara forzada.

NÚMERO ESPECÍFICO DE REVOLUCIONES Un elemento imprescindible para proyectar instalaciones hidráulicas, es el número de revoluciones llamado específico, pues da indicaciones precisas que permiten determinar las turbinas más adecuadas para un salto de altura y caudal conocidos. Además todos los tipos de turbinas se dividen según su número específico de revoluciones y ello constituye la base para establecer series de rodetes y catálogos con todas las características que interesan en la construcción de las turbinas. La relación de número específico de revoluciones se expresa a travez de la siguiente formula:

donde: n=velocidad de la turbna en rpm p=potencia de la turbina en CV h=altura del salto en metros En el caso particular de las turbinas Francis, se utilizan en las condiciones más diversas, para desniveles pequeños y medianos hasta h=150m y más y para toda clase de caudales aún los mayores. Se construyen turbinas Francis con rodetes de marcha lenta, normales, rápidos y extrarrápidos, diferenciándose uno de otros por la forma de la rueda y de las paletas.

LA TURBINA FRANCIS Generalidades: como ya se había dicho, la turbina Francis es en la actualidad, la turbina hidráulica típica de reacción de flujo radial. Lleva este nombre en honor al ingeniero james bichano Francis (1815-1892), de origen ingles y que emigro a los Estados unidos, donde fue encargado de realizar proyectos hidráulicos utilizando turbinas centrípetas, esto es con recorrido radial del agua de afuera hacia dentro, para un debido aprovechamiento de la acción centrípeta Concepto de Turbina

Una turbina es una máquina motriz que consiste de una parte giratoria llamada rodete, que se impulsa por un fluido en movimiento. Dependiendo de la naturaleza de este fluido, las turbinas se pueden dividir en: hidráulicas, a vapor y a gas. Con el de visualizar de mejor forma nuestro

objetivo, el estudio de la turbina Francis, haremos una breve descripción de las turbinas hidráulicas. Las turbinas hidráulicas son turbomáquinas que permiten la transferencia de energía del agua a un rotor positivo de alabes, mientras el flujo pasa a través de éstos. La turbina Francis fue desarrollada por James B. Francis.. Se trata de una turbomáquina motora a reacción y de flujo mixto. Las turbinas Francis son turbinas hidráulicas que se pueden diseñar para un amplio rango de saltos y caudales, siendo capaces de operar en rangos de desnivel que van de los dos metros hasta varios cientos de metros. Esto, junto con su alta eficiencia, ha hecho que este tipo de turbina sea el más ampliamente usado en el mundo, principalmente para la producción de energía eléctrica en centrales hidroeléctricas.

Desarrollo[editar · editar código] Las norias y turbinas hidráulicas han sido usadas históricamente para accionar molinos de diversos tipos, aunque eran bastante ineficientes. En elsiglo XIX las mejoras logradas en las turbinas hidráulicas permitieron que, allí donde se disponía de un salto de agua, pudiesen competir con la máquina de vapor. En 1826 Benoit Fourneyron desarrolló una turbina de flujo externo de alta eficiencia (80%). El agua era dirigida tangencialmente a través del rodete de la turbina provocando su giro. Alrededor de1820 Jean V. Poncelet diseñó una turbina de flujo interno que usaba los mismos principios, y S. B. Howd obtuvo en 1838 una patente en los EE.UU. para un diseño similar. En 1848 James B. Francis mejoró estos diseños y desarrolló una turbina con el 90% de eficiencia. Aplicó principios y métodos de prueba científicos para producir la turbina más eficiente elaborada hasta la fecha. Más importante, sus métodos matemáticos y gráficos de cálculo mejoraron el nivel de desarrollo alcanzado (estado del arte) en lo referente al diseño e ingeniería de turbinas. Sus métodos analíticos permitieron diseños seguros de turbinas de alta eficiencia.

Partes[editar · editar código] Cámara espiral[editar · editar código] Tiene como función distribuir uniformemente el fluido en la entrada del rodete. La forma en espiral o caracol se debe a que la velocidad media del fluido debe permanecer constante en cada punto de la misma. La sección transversal de la misma puede ser rectangular o circular, siendo esta última la más utilizada.

Predistribuidor[editar · editar código] Está compuesto por álabes fijos que tienen una función netamente estructural, para mantener la estructura de la caja espiral y conferirle rigidez transversal,que además poseen una forma hidrodinámica para minimizar las pérdidas hidráulicas.

Distribuidor[editar · editar código] Es un órgano constituido por álabes móviles directores, cuya misión es dirigir convenientemente el agua hacia los álabes del rodete (fijos) y regular el caudal itido, modificando de esta forma la potencia de la turbina de manera que se ajuste en lo posible a las variaciones de carga de la red eléctrica, a la vez de direccionar el fluido para mejorar el rendimiento de la máquina. Este recibe el nombre de distribuidor Fink.

Rotor o rodete[editar · editar código] Es el corazón de la turbina, ya que aquí tiene lugar el intercambio de energía entre la máquina y el fluido. En forma general, la energía del fluido al momento de pasar por el rodete es una suma de energía cinética, energía de presión y energía potencial. La turbina convierte esta energía en energía mecánica que se manifiesta en el giro del rodete. El rodete a su vez transmite esta energía por medio de un eje a un generador eléctrico dónde se realiza la conversión final en energía eléctrica. El rotor puede tener diversas formas dependiendo del número específico de revoluciones para el cual esté diseñada la máquina, que a su vez depende del salto hidráulico y del caudal de diseño.

Tubo de aspiración[editar · editar código] Es la salida de la turbina. Su función es darle continuidad al flujo y recuperar el salto perdido en las instalaciones que están por encima del nivel de agua a la salida. En general se construye en forma de difusor, para generar un efecto de aspiración, el cual recupera parte de la energía que no fuera entregada al rotor en su ausencia.

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Álabes directores (en color amarillo) configurados para mínimo caudal (vista interior).

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Álabes directores (en color amarillo) configurados para máximo caudal (vista interior).

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Rodete de una turbina Francis, Presa Grand Coulee.

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Espiral de entrada de una turbina Francis, Presa Grand Coulee.

Aplicaciones[editar · editar código] Se utilizan para producción de electricidad. Las grandes turbinas Francis se diseñan de forma individual para cada aprovechamiento hidroeléctrico, a efectos de lograr el máximo rendimiento posible, habitualmente más del 90%. Son muy costosas de diseñar, fabricar e instalar, pero pueden funcionar durante décadas. También pueden utilizarse para el bombeo y almacenamiento hidroeléctrico, utilizando dos embalses, uno a cota superior y otro inferior (contraembalse); el embalse superior se llena mediante la turbina (en este caso funcionando como bomba) durante los períodos de baja demanda eléctrica, y luego se usa como turbina para generar energía durante los períodos de alta demanda eléctrica. Se fabrican microturbinas Francis baratas para la producción individual de energía para saltos menores de 52 metros.

Ventajas y desventajas[editar · editar código] Ventajas de la turbina Francis o también llamada VGR[editar · editar código] 

Su diseño hidrodinámico permite bajas perdidas hidráulicas, por lo cual se garantiza un alto rendimiento.

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Su diseño es robusto, de tal modo se obtienen décadas de uso bajo un costo de mantenimiento menor con respecto a otras turbinas.

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Junto a sus pequeñas dimensiones, con lo cual la turbina puede ser instalada en espacios con limitaciones físicas, también permiten altas velocidades de giro.

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Junto a la tecnología y a nuevos materiales, las nuevas turbinas requieren cada vez menos 1 mantenimiento.

Desventajas[editar · editar código] 

No es recomendado para alturas mayores de 800 m, por las presiones existentes en los sellos de la turbina.

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Hay que controlar el comportamiento de la cavitación.

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No es la mejor opción para utilizar frente a grandes variaciones de caudal debido a que el rendimiento cae al disminuir el caudal de diseño, por lo que se debe tratar de mantener un flujo 2 de caudal constante previsto, antes de la instalación.