Es un motor rotativo que convierte en energía mecánica la energía de una corriente de agua, vapor de agua o gas. El elemento básico de la turbina es la rueda






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T U R B I N A S

        

Turbina, es un motor rotativo que convierte en energía mecánica la energía de una corriente de agua, vapor de agua o gas. El elemento básico de la turbina es la rueda o rotor, que cuenta con palas, hélices, cuchillas o cubos colocados alrededor de su circunferencia, de tal forma que el fluido en movimiento produce una fuerza tangencial que impulsa la rueda y la hace girar.

Esta energía mecánica se transfiere a través de un eje para proporcionar el movimiento de una máquina, un compresor, un generador eléctrico o una hélice. 

 

¿Qué es la Hidráulica? Es el proceso mediante el cual la energía potencial del agua se convierte en energía eléctrica a través del trabajo de rotación de una turbina.

    

Las turbinas se clasifican en turbinas hidráulicas o de agua, turbinas de vapor y turbinas de combustión. Hoy la mayor parte de la energía eléctrica mundial se produce utilizando generadores movidos por turbinas. Los molinos de viento que producen energía eléctrica se llaman turbinas de viento. 

      

  • ¿Cómo funcionan las Turbinas hidráulicas?

                       

Para mantener una salida constante de voltaje en una instalación hidroeléctrica la velocidad de la turbina debe mantenerse constante, independientemente de las variaciones de la presión del agua que las mueve.

Esto requiere gran número de controles que, tanto en la turbina de Francis como en la de Kaplan, varían el ángulo de las palas. En las instalaciones de ruedas Pelton, el flujo del agua se controla abriendo y cerrando las boquillas eyectoras. En este caso, se utiliza una boquilla de derivación de descarga, dado que los cambios rápidos de corriente en canales de caída largos podrían producir aumentos repentinos en la presión, llamados martillos de agua, que pueden ser muy dañinos.

Con estos ajustes, se mantiene constante el flujo de agua a través de las boquillas. Para ello se cierran las boquillas de descarga, lo que se hace con mucha lentitud para evitar martillos de agua. 

               

  • Avances en el diseño de las turbinas

Las turbinas pueden ser de varios tipos, según los tipos de centrales: Pelton (saltos grandes y caudales pequeños), Francis (salto más reducido y mayor caudal), Kaplan (salto muy pequeño y caudal muy grande) y de hélice. Las centrales dependen de un gran embalse de agua contenido por una presa. El caudal de agua se controla y se puede mantener casi constante. El agua se transporta por unos conductos o tuberías forzadas, controlados con válvulas para adecuar el flujo de agua por las turbinas con respecto a la demanda de electricidad. El agua sale por los canales de descarga.

 

La tendencia en las turbinas hidráulicas modernas es utilizar caídas mayores y máquinas más grandes. Según el tamaño de la unidad, las turbinas Kaplan se utilizan en caídas de unos 60 m, y en el caso de las turbinas Francis de hasta 610 m.    

 

Muchas de las pequeñas instalaciones en presas construidas antes de 1930 han sido abandonadas debido a su alto coste de mantenimiento y la mano de obra que requieren. Sin embargo, el aumento de los costos de los combustibles fósiles ha hecho volver la mirada hacia este tipo de sistemas de poca caída. Con el desarrollo de turbinas de hélice normalizadas con ejes casi horizontales, las instalaciones pequeñas han recuperado su atractivo original. 

            

Se han diseñado turbinas que actúan como bombas cuando funcionan a la inversa, invirtiendo el generador eléctrico para que funcione como un motor. Dado que no es posible almacenar la energía eléctrica de forma económica, este tipo de bombas turbina se utiliza para bombear agua hacia los embalses, aprovechando la energía eléctrica generada por las centrales nucleares y térmicas durante las horas de poco consumo. El agua embalsada se emplea de nuevo para generar energía eléctrica durante las horas de consumo elevado. En los últimos años se han desarrollado turbinas para caídas de hasta 600 m y con capacidades de más de 400 MW. 

       

  • Sección transversal de una presa

           

En las presas se genera electricidad liberando un flujo controlado de agua a alta presión a través de un conducto forzado. El agua impulsa unas turbinas que mueven los generadores y producen así una corriente eléctrica.

A continuación, esta corriente elevada de baja tensión pasa por un elevador de tensión que la transforma en una corriente reducida de alta tensión. La corriente se transporta por cables de alta tensión hasta las subestaciones eléctricas donde se reduce la tensión para ser empleada por los usuarios. El agua sale de la presa por el desagüe. 



BREVE HISTORIA DE LAS TURBINAS HIDRÁULICAS
Las ruedas hidráulicas comunes que obran principalmente por el peso del agua, por ser las más elementales y obvias fueron también las primeras turbinas que construyó el hombre. Las primeras ruedas hidráulicas se construyeron posiblemente .

Diferentes tipos de ruedas hidráulicas:
a) alimentación superior (rueda gravitatoria pura)

b) alimentación lateral;

c) de paletas planas;

d) de impulsión inferior;

e) paletas de alimentación inferior;

f) turbina Banki
En Asia, China y la India, hace unos 2200 años; de Asia pasaron a Egipto y desde allí a Europa (unos 600 años después que en Asia) y América. Leonardo Da Vinci, Galileo y Descartes , entre otros, realizaron estudios teóricos y matemáticos sobre las ruedas hidráulicas. Mención especial merece el francés Parent (1666- 1716) físico y matemático de París y miembro de la Real Academia de Ciencias, estudia por vez primera el funcionamiento de las ruedas hidráulicas, y genialmente prevé que existe una relación óptima entre la velocidad de la rueda y la velocidad de la corriente de agua. Las mejoras hechas a las ruedas comunes dieron como resultado la construcción de las ruedas de impulso y de reacción las cuales presentan la ventaja de aprovechar la energía cinética y, por lo tanto, ser de menor tamaño.
Las figuras siguientes presentan los tipos principales de ruedas hidráulicas y en ellas se puede notar su evolución en el uso, no sólo de la energía gravitacional sino también de la variación de la cantidad de movimientos (principio de Euler), constituyéndose así estas ruedas en las precursoras de las modernas turbinas hidráulicas. El uso de la energía hidráulica no es nada nuevo y se remonta a más de 2000 años atrás, pero se desarrollo lentamente durante espacio de 18 siglos, debido al inconveniente de que las instalaciones deberían situarse junto a los ríos; mientras que las maquinas de vapor se podían instalar en cualquier lado.
Al evolucionar la tecnología de la transmisión eléctrica, está permitió el gran desarrollo de las plantas hidroeléctricas y por consiguiente, de las turbinas hidráulicas. En este nuevo esquema de transformación de energías: energía hidráulica energía eléctrica energía mecánica, las ruedas hidráulicas-debido en gran parte a que en ellas el agua entra y actúa únicamente en parte de la circunferencia no así en .
Turbina hidráulica propuesta por Euler las turbinas en las cuales el agua lo hace en toda la circunferencia - tienen dos desventajas fundamentales: rendimiento bajo y velocidad de rotación muy lenta (4 a 10 rpm). Las turbinas hidráulicas nacieron para superar estas desventajas, y su evolución ha sido el aumento cada vez mayor de la velocidad de rotación y de su eficiencia con el fin de conseguir potencias específicas más altas, lo que permite generación eléctrica a más bajo costo.
El estudio de las turbomáquinas hidráulicas como ciencia no se crea hasta que Euler en 1754 publica su famosa memoria de Berlín sobre maquinaria hidráulica, en la que expone su teoría de las máquinas de reacción :"Théorie plus compléte des machines qui sont mises en mouvement par la reaction de l' eau" 1.
En esta memoria desarrolla Euler por vez primera la ecuación fundamental de las turbomáquinas, deducidas igualando el par a la variación de la cantidad de movimiento del fluido en su paso por el rotor. En la figura 2 puede verse un dibujo de la turbina hidráulica ideada por Euler. Posteriormente el ingeniero francés Claude Burdin (1790- 1873), profesor de la escuela de minas de Saint Etienne, en su célebre memoria de la academia de Ciencias desarrolla la teoría "des turbines hydrauliques ou machines rotatoire á grande vitesse" 2 acuña por vez primera la palabra "turbina " para el vocabulario Nota del editor: "Teoría más completa de máquinas que son puestas en movimiento por la reacción del agua" 2 Nota del editor: "Teoría de turbinas hidráulicas o máquinas rotatorias a gran velocidad" técnico. La palabra turbina viene del latín turbo- INEM , que significa rotación o giro.
Burdin fue un ingeniero teórico; pero su discípulo Fourneyron (1802-1867) fue un ingeniero práctico, y logró en 1827 construir la primera turbina hidráulica experimental digna de tal nombre; más aún a lo largo de su vida, Fourneyron construirá un centenar más de turbinas hidráulicas para diferentes partes del mundo.
Esta turbina que tuvo un éxito clamoroso, porque era capaz de explotar saltos mayores que los explotables con las antiguas ruedas hidráulicas, era radial centrífuga, de inyección total, y escape libre; aunque Fourneyron previó también el tubo de aspiración, cuyo estudio realizó él mismo.
Desde 1837 las turbinas hidráulicas de Henschel y Jonval compiten con las de Fourneyron . Otras turbinas hidráulicas anteriores al siglo XX fueron la de Fontaine , y sobre todo la desarrollada en 1851 por Girard , que era de acción de inyección total y que alcanzó una notable difusión en Europa.

Los tipos mencionados no son los únicos, y, aunque algunas de estas turbinas han logrado sobrevivir y aún siguen en funcionamiento, han dejado de construirse por las razones siguientes:
1) rendimiento bajo sobre todo en cargas parciales de (70-75% a plena carga hasta 50-55% a 50% de la carga).

2) velocidad de giro muy reducida, y, como consecuencia,

3) potencia por unidad muy baja.
En 1891 la central de Niágara causó sensación con una potencia instalada de 1470 kW. A comienzos del siglo XX aparecen las turbinas hidráulicas de gran velocidad y gran rendimiento, únicas que se construyen en la actualidad.
A grandes rasgos se puede resumir así el desarrollo de las turbinas hidráulicas:
El siglo XVIII es el siglo de su gestación.
El siglo XIX el de su nacimiento (en este siglo nacieron en América las Turbinas Pelton y las Turbinas Francis ) .
El siglo XX el de su desarrollo.

A principios de este siglo aparecen las turbinas hidráulicas de gran velocidad.
1905 ­ en USA existen turbinas hidráulicas de 7360 kW girando a 250 rpm (turbinas Francis gemelas), Y 1915- creación de la Turbina Kaplan, Y 1918- la turbina Banki Y 1914- la turbina Turgo Y 1950- la turbina Deriaz Y 1970- la turbina Bulbo Las turbinas hidráulicas, como ha podido notarse, son máquinas cuyo desarrollo no pertenece a las últimas décadas.
Hace más de 2000 años que el hombre hace uso de ellas y poco más de un siglo que las principales casas constructoras de Europa, Asia y América realizan un esfuerzo sistemático con el objeto de perfeccionarlas.

Su evolución no ha terminado sino por el contrario se ha acelerado en los últimos años ya que las necesidades de energía limpia cada día son mayores y los sitios disponibles exigen turbinas más rápidas, más compactas y sobre todo más eficientes. En el campo de la ciencia y la tecnología así como en todas las ramas del saber humano siempre habrá algo que descubrir y mejorar, por lo que la investigación debe ser permanente, tal como lo muestra el desarrollo de las turbinas hidráulicas, y, que se ilustra en la siguiente narración titulada "El error del obispo Wright".
tomada del libro. "La oración de la rana" de Anthony de Mello, S.J.: Hace muchos años, un obispo de la costa este de los Estados Unidos se hallaba visitando una pequeña universidad religiosa de la costa oeste, alojándose en casa del rector de la universidad, un joven y progresista catedrático de Física y Química. Un día el rector invitó a los miembros

de su facultad a cenar con el obispo, para que pudieran beneficiarse del saber y la experiencia de éste.
Después de la cena, la conversación se centró en torno al tema del milenio, del que el obispo aseguró que no podía tardar en llegar. Y una de las razones que adujo para ello era que ya se había descubierto todo en el terreno de la naturaleza y se habían hecho todos los inventos posibles.
El rector, con toda cortesía, mostró su desacuerdo y dijo que, en su opinión, la humanidad se encontraba en los umbrales de una era de grandes descubrimientos.

El obispo desafió al rector a que mencionara uno de ellos, y el rector dijo que tenia esperanza de que en el plazo de cincuenta años, más o menos, los humanos podrían volar. Aquello le produjo al obispo un ataque de risa. "Si Dios hubiera querido que los humanos voláramos, nos habría dado alas.
El volar está reservado a las aves y a los ángeles."El obispo se apellidaba Wright y tenía dos hijos llamados Orville y Wilbur, que fueron los inventores del aeroplano.
Turbinas Hidráulicas

       En la actualidad, los motores hidráulicos que se utilizan exclusivamente en centrales eléctricas, son las denominadas turbinas hidráulicas, cuyo principio de funcionamiento es el mismo que el de las ruedas hidráulicas, descritas anteriormente. Ahora, también la energía de movimiento del agua se transforma en el movimiento de giro de un eje.

       Sin embargo, se diferencian de las ruedas hidráulicas en su construcción y en las mayores velocidades obtenidas, de forma que su rendimiento es mucho más elevado que el de las ruedas hidráulicas y, además pueden construirse para potencias mucho mayores.

       Las turbinas hidráulicas tienen formas constructivas muy variadas, para adaptarse a las distintas características de altura y caudal de los saltos de agua que se han de aprovechar. Ante todo, hay turbinas de acción y turbinas de reacción según el principio de funcionamiento de ambos tipos de motores. 

       También hay turbinas radiales si el agua choca radialmente sobre el rodete de la turbina, turbinas axiales, si el agua choca siguiendo la dirección del eje de la turbina y turbinas radiales-axiales, si la entrada el agua se efectúa radialmente y la salida se realiza en la dirección del eje. Además hay turbinas de eje horizontal y turbinas de eje vertical.

       Por lo general, las turbinas de acción se emplean para saltos de agua de pequeño caudal y gran altura de salto; las turbinas de reacción se utilizan para saltos y caudales medios y, también, para saltos de gran caudal y poca altura.

Generalidades de las Turbinas

       Las condiciones de funcionamiento de las turbinas hidráulicas difieren esencialmente de las correspondientes a los motores térmicos ya que en estos puede suponerse que se dispone siempre del agente motor (combustible, vapor, etc.) mientras que el funcionamiento de las turbinas hidráulicas varía con las forzosas oscilaciones del caudal disponible.

Cierto es que con embalses adecuados puede conseguirse, en algunos casos, cierta regulación del caudal, diurna, mensual o anual, consiguiendo un caudal constante o un caudal proporcional a la carga instantánea; pero, en otras ocasiones, esto no es posible.

Como, por otra parte, ha de intentarse conseguir el máximo aprovechamiento económico del agua disponible, es de gran interés conocer las relaciones entre caudal, altura de salto, potencia, velocidad y rendimiento, con objeto de conocer, en cada caso, cuál es el tipo más adecuado de turbina y, también el porqué de la elección de un tipo determinado de turbina,

para un aprovechamiento hidroeléctrico dado.
 

Bombas Centrífugas

       En la bomba centrífuga la dirección de flujo es entrada axial y salida radial. 
Se distinguen de acuerdo con su construcción, diversos tipos de bombas centrífugas.

Esto se debe a las condiciones bajo las cuales tienen que funcionar, como son altura de elevación y caudal. 

Bombas centrífugas de una sola etapa

       La construcción más simple de una bomba centrífuga corresponde a una bomba de una sola etapa con rodete radial, rueda de guía de salida y envolvente circular.

       Respecto al funcionamiento se puede notar que el efecto producido por la rotación del rodete surge de la tendencia del fluido adyacente a las caras anteriores de las paletas, a desplazarse radialmente hacia afuera como consecuencia de la fuerza centrífuga, siendo lanzado desde los bordes de las paletas hacia la envolvente.

Como resultado de este movimiento, se origina una menor presión en el centro; para reemplazar el fluido descargado por el ventilador, se genera un flujo axialmente hacia dentro del rodete. 

       Después de salir del rodete, el líquido recurre la rueda de guía, donde la energía cinética se transforma en energía de presión, y sale después por la envolvente circular a la cañería de presión.

Bombas centrífugas de varias etapas

       Al no poderse obtener, por razones prácticas, una gran diferencia de nivel o un gran caudal con una sola etapa, se construyen bombas con dos o más etapas, que dejan pasar el líquido sucesivamente por varios rodetes y ruedas de guía.

Tratándose de presiones altas, las etapas se conectan en serie, y para caudales importantes en paralelo, pudiéndose hacer toda clase de combinaciones. 

       Después de la última etapa el líquido pasa por un recipiente circular o en espiral comunicado con la cañería de presión. 

       Los rendimientos por etapas son bajos, y se alcanzan altas presiones con menor caudal.
 Turbó bombas: son aquellas en que el incremento de energía que recibe el fluido se debe a la variación del momento cinético que experimenta el mismo al pasar por el rodete.

Dentro de este grupo podemos establecer tres tipos en función de la trayectoria que sigue el fluido a lo largo del rodete.

     Centrifugas: caudales moderados y alturas notables (H/Q alto)

     Axiales: grandes caudales y altura reducida (H/Q bajo)

     Helicocentrífugo: es un tipo intermedio a los otros dos (H/Q intermedio)



   Bombas de desplazamiento positivo: se aplica una determinada fuerza a una serie de cámaras de trabajo que se van llenando y vaciando de forma periódica, trasladando con ello pequeñas cantidades discretas de fluido desde la aspiración hasta la impulsión. El aumento de la energía del fluido se efectúa directamente en forma de energía de presión.

Las bombas centrifugas son las más empleadas en sistemas de distribución de agua y presentan un tratamiento mas sencillo como consecuencia de que los filetes fluidos que atraviesan su rodete se comportan, al menos teóricamente, del mismo modo. Por este motivo estudiaremos su comportamiento.

Una turbó máquina consta fundamentalmente de una rueda de álabes, llamada rodete, que gira libremente alrededor de un eje pasando un fluido por su interior.

En el rodete tiene lugar una transformación de energía mecánica en energía de flujo en el eje de la maquina.

A este tipo de turbomáquinas consumidoras de energía mecánica corresponden las bombas hidráulicas, los ventiladores y los turbocompresores.

Según la dirección del flujo en el rodete, las turbomáquinas pueden clasificarse en:

   Axiales: el desplazamiento del fluido en el rodete es paralelo al eje, no tiene componente radial, solo componentes tangencial y axial.

   Radiales: el desplazamiento del flujo en el rodete es perpendicular al eje

   Mixtas: el desplazamiento del flujo en el rodete tiene las tres componentes: axial, radial y tangencial.

Vamos a centrarnos en el estudio de las bombas hidráulicas.

La importancia que tiene las bombas como convertidores de energía mecánica (procedente del motor que los arrastra) en energía hidráulica (fundamentalmente en forma de energía cinética y de presión) es tal que podemos afirmar que después de los motores eléctricos, son las bombas los elementos que con mayor frecuencia encontramos en la industria.


La clasificación más común que se hace de las bombas es aquella que atiende a su principio de funcionamiento. De aquí se obtiene dos grandes grupos de bombas:

 Las bombas centrifugas podemos distinguir los siguientes componentes:

 

   Una entrada unida a la tubería de aspiración

   Un rodete móvil solidario al eje que transmite la rotación desde el motor.

   Un difusor que reduce la velocidad de salida

   Una cámara espiral CE (voluta o caracol) que recoge todos los filetes a la salida del difusor y conducirlos hasta la sección de salida.

   Sección de salida donde se acopla la tubería de impulsión.

 
El rodete es elemento que posibilita el intercambio de energía mecánica en energía hidráulica, en tanto el difusor y la cámara espiral una parte de energía adquirida por el fluido en forma cinética se transforma en energía de presión.

De los rodetes definidos anteriormente, es el centrifugo el que admite un tratamiento teórico mas simple y por ello se ha realizado su estudio para llevarlo a la práctica.

 

El comportamiento real de las bombas centrifugas se deduce de las curvas características reales de la bomba, las cuales obtiene el fabricante ensayando la bomba en un banco de pruebas. A su vez, desde el punto de vista conceptual, estas curvas características se pueden obtener a partir del comportamiento teórico de la bomba.
Las curvas características de mayor interés son:

 

     Altura en función del caudal: H = H(Q)

     Potencia en función del caudal: P = P(Q)

     Rendimiento en función del caudal: h = h(Q)

 

Todas ellas deben venir detalladas en los catálogos de bombas, y caracterizan perfectamente las prestaciones y calidad de la turbomáquina.
Cada una de ellas se puede obtener de las otras dos a través de la formula siguiente.
 



 

donde:

Pa: es la potencia consumida por el motor

Q: caudal impulsado por la bomba

Hb: altura manométrica que proporciona la bomba

g: peso especifico del fluido

hg: rendimiento global de la bomba

 

Por tanto las curvas características empleadas son dos:

 

   Altura en función de caudal.



Hb = A + B Q + C Q2

 

   Rendimiento en función del caudal.

 

hg = D Q + E Q2


Las leyes de semejanza hidráulica sirven en general para predecir el comportamiento de turbomáquinas hidráulicas geométricamente semejantes, cuando se conoce el comportamiento de una de estas maquinas girando a una velocidad de rotación determinada.
Las expresiones de las leyes de semejanza aplicadas a puntos de funcionamiento homólogos de una misma bomba son:

 
;

 
donde a es la relación de velocidades de giro de la bomba.
 



 

En muchas aplicaciones no es necesario mantener la velocidad constante a lo largo del tiempo, para ello utilizaremos las leyes de semejanza para trasladar las curvas características a las correspondientes velocidades de funcionamiento.

 

Para obtener las nuevas ecuaciones de las curvas características de la bomba, nos valdremos de las leyes de semejanza:

 
-Ecuación curva característica altura-caudal a distinta velocidad.

 

Hbo= A + B Qo + C Qo2 ; ;


A través de las tres ecuaciones anteriores obtenemos:


Hb = A a2 + B a Q + C Q2

-Ecuación curva característica rendimiento-caudal a distinta velocidad.
hg = D Qo + E Qo2 ;

A través de las dos ecuaciones anteriores obtenemos:





Primero deberemos obtener la ecuación de la curva característica de la bomba dada por el fabricante, para ello escogeremos tres puntos de la curva y hallaremos su correspondiente curva teórica (semejante a una parábola) por el método de Gauss-Jordan o por el método de mínimos cuadrados.


Q(m3/h)

Hb(m)

50

104

250

90

400

74


Con estos dos métodos conseguiremos obtener las constantes de la curva A, B y C, así como su curva característica:


A:

106,1905

B:

-138,8571

C:

-1357,7143



Hb = 106,1905 - 138,8571 Q -1357,7143 Q2

Después tendremos que hallar la frecuencia a la cual debe de ir el motor para el punto requerido. Para ello despejaremos N1 de la ecuación:
2


Para obtener N1 tendremos que resolver un sistema de ecuación de segundo grado, y así podremos saber la velocidad a la que girara la bomba para el caudal y la altura dada.

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