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Criterios de clasificación de las máquinas de fluido
El sentido de transferencia de energía entre la máquina y el fluido.
El grado de compresibilidad del fluido utilizado.
El principio de funcionamiento
Sentido de transferencia de la energía
Máquinas generadoras: comunican energía al fluido
Máquinas motoras: extraen energía del fluido
Máquinas reversibles: pueden funcionar como generadoras o motoras
Máquinas transmisoras: transmiten energía mediante un fluido
Grado de compresibilidad del fluido
Compresibles
Pero en máquinas hidráulicas las variaciones de volumen específico que experimenta el fluido son despreciables
Principio de funcionamiento
Máquinas dinámicas: intercambio de cantidad de movimiento entre máquina y fluido. Las más importantes las rotodinámicas
Máquinas de desplazamiento positivo: el fluido circula por ellas de forma discontinua
Elementos característicos de una bomba
Órgano fijo (estator)
Órgano móvil (rodete) —> Impulsa al líquido por el campo de presiones que crea
Partes del estator
Corona directriz
Difusor o voluta
Cámara espiral
Pero no todas las máquinas tienen esos tres elementos obligatoriamente.
En una etapa completa el fluido recorre: La corona, el rodete, el difusor y la voluta
Corona directriz
Órgano fijo cuya función es conducir el fluido hasta la sección de entrada al rodete con una velocidad de magnitud y dirección adecuadas. En bombas monoetapa, la corona directriz suele consistir en una tubería simple, que puede ser recta o acodada y que puede tener o no unos álabes para conducir el fluido a la entrada del rodete. Aguas arriba está la tubería de aspiración
Rodete
Órgano esencial de la turbomáquina. Está provisto de unos álabes por medio de los cuales se produce el intercambio de energía con el fluido. Los rodetes se clasifican en función de la dirección del flujo de líquido en su interior. Todas las bombas deben llevar rodetes
Clasificación rodetes
Radiales o centrífugos
Axiales
Diagonales
Rodetes radiales o centrífugos
Las trayectorias que describen las partículas fluidas entre los álabes están contenidas en planos perpendiculares al eje de rotación. El flujo de salida es perpendicular al eje
Rodetes axiales
Las trayectorias están contenidas en superficies cilíndricas, coaxiales con el eje de rotación de la máquina. El flujo de salida es perpendicular al eje
Rodetes diagonales
Trayectorias están contenidas en superficies cónicas coaxiales
Difusor
Su finalidad es guiar el flujo de líquido hacia la voluta de forma hidráulicamente eficiente y recuperar parte de la energía cinética, transformándola en energía de presión.
Voluta
Recoge el flujo saliente del rodete o del difusor y lo conduce hacia la brida de la tubería de impulsión. Su finalidad es recuperar energía de presión a partir de la energía cinética del fluido.
Máquinas de acción
La energía intercambiada es únicamente cinética
Máquinas de reacción
Parte de la energía intercambiada es cinética y parte es por variación de la presión.
Rodete de una turbina
La diferencia aparece en el sentido del flujo: en los rodetes radiales, por ejemplo, el flujo penetra en el rodete por la periferia del mismo y sale por el centro.
Tipos de turbinas
Francis
Hélice y Kaplan
Turbinas Dériaz
Turbinas tubulares
Turbinas Francis
Son turbinas de reacción. Sus principales elementos son: la cámara espiral, el distribuidor, el rodete y el tubo difusor.
La cámara espiral reparte el líquido a la entrada del distribuidor y le imprime una apreciable componente tangencial. Normalmente tiene la forma de una espiral (caracol) de sección transversal circular decreciente. De esta manera, se consiguen una velocidad media y presión uniformes en la entrada del distribuidor.
El distribuidor está constituido por dos coronas de álabes concéntricas, una exterior de álabes fijos(predistribuidor) y otra interior de álabes móviles (orientables). La misión de esta corona de álabes móviles es guiar el líquido hacia el rodete con la dirección más adecuada, así como regular el caudal en función de la potencia.
El rodete está formado por álabes fijos. En las turbinas Francis lentas, el flujo a la entrada es prácticamente radial. En las turbinas Francis rápidas, el flujo es diagonal.
El tubo difusor está constituido por un tubo divergente que conduce el líquido hacia un canal o tubería de descarga y su finalidad es doble. La primera es el aprovechamiento de la altura a la que normalmente está montado el rodete por encima del nivel del agua en el canal de descarga. La segunda es la recuperación de la energía cinética del líquido a la salida del rodete, que puede ascender a más del 20% de la altura neta. Para cumplir esta finalidad el tubo difusor debe ser divergente.
Campo de aplicación turbinas Francis
Saltos desde 30 m hasta 700 m y potencias desde 1 MW hasta 250 MW. Para saltos elevados se emplean las Francis radiales o lentas y para los saltos bajos se emplean las Francis diagonales o rápidas.
Se usan con caudales medios (<15m3/s)
Turbinas Hélice y Kaplan
Las turbinas hélice y Kaplan también son de reacción, pero de tipo axial. Constan fundamentalmente de una cámara espiral, un distribuidor, un rodete y un tubo de descarga.
La cámara suele estar construida en hormigón cuando la altura del salto es pequeña (menor que 20 m) pues al ser, en este caso, los caudales que circulan por la turbina son muy grandes. Cuando se trata de saltos mayores, las cámaras espirales se fabrican de chapa de acero
El distribuidor es prácticamente el mismo que el empleado en las turbinas Francis.
El rodete tiene forma de hélice y está constituido por un cubo en el que van montados los álabes encargados de transformar la energía hidráulica en mecánica. Los álabes tienen forma de perfiles aerodinámicos y en las turbinas Kaplan son orientables, pudiendo ser variado su ángulo de incidencia mediante un mecanismo alojado en el interior del cubo del rodete; por el contrario, los de las turbinas hélice se encuentran fijos, fundidos con el cubo o atornillados al mismo.
El tubo de descarga se construye generalmente con hormigón
Campo de aplicación turbinas hélice y kaplan
Las turbinas Kaplan se emplean generalmente para caudales grandes y saltos pequeños, más concretamente se utilizan para saltos de 6 m a 70 m y potencias de 20MW a 100 MW.
Comparación turbinas Kaplan y Francis
Las turbinas Kaplan se adaptan mejor a las variaciones de carga, debido a que su curva de rendimiento en función de la carga es muy plana.
Cuando las turbinas Francis funcionan con caudales inferiores al correspondiente a un 60% de la carga máxima, aparece en el tubo de descarga un fenómeno denominado antorcha que puede dar lugar a fuertes vibraciones, mientras que las turbinas Kaplan funcionan con normalidad incluso a carga parcial de 40% - 50% de carga máxima.
Las turbinas Kaplan son más fáciles de transportar, pues el rodete es desmontable y el diámetro máximo del cubo del rodete es de 3.5 m.
Para saltos superiores a los 50 m, a igualdad de potencia, las turbinas Kaplan tienen diámetros de rodete mayores que las turbinas Francis. Sólo variaciones importantes en el salto o en la carga justificarían en este caso, el empleo de turbinas Kaplan.
Turbinas Dériaz
Es una variante de la turbina Kaplan que consiste en disponer el eje de giro en los álabes del rodete inclinado respecto del eje de giro del rotor.
Campo de aplicación turbinas Dériaz
Explotación de los saltos de mediana y elevada altura, es decir de 20 m a 400 m, y una potencia máxima de 300 MW. Estas turbinas se emplean normalmente en centrales reversibles, ya que por su diseño se consigue un buen rendimiento tanto funcionando como turbina o como bomba, lo que no sucede en el caso de las turbinas Francis.
Comparación turbinas Dériaz frente a turbinas Francis
Para saltos comprendidos entre 75 y 170 m es mejor emplear la turbina Dériaz que la Francis por las siguientes razones:
El número de grupos se puede reducir entre 10 y 20% debido a que la turbina Dériaz admite una mayor sobrecarga.
Se reduce el volumen de excavación entre un 10 y 15%.
La velocidad de giro de la máquina es menor, con lo que se reduce el tamaño de la turbina.
El rendimiento cambia poco al variar la carga.
Comparación turbinas Dériaz frente a turbinas Kaplan
Para saltos comprendidos entre 35 y 70 m es mejor emplear la Turbina Dériaz que la Kaplan por:
A igualdad de potencia, la Dériaz tiene menor diámetro, con lo cual la masa de la turbina es un 10% menor.
El rendimiento de la Dériaz es un 3% mayor que el de la Kaplan para las mismas condiciones de funcionamiento.
Turbinas tubulares
Su desarrollo se debe a la creciente demanda de energía ya que permiten aprovechar saltos que antiguamente no era rentable explotar con turbinas Kaplan. La particularidad de este tipo de turbinas es que en todas ellas el eje se dispone en forma horizontal o ligeramente inclinado, con el objeto de reducir el volumen de las excavaciones.
Las turbinas tubulares no tienen cámara espiral y son alimentadas directamente desde el embalse por medio de una tubería rectilínea, generalmente muy corta, que lleva el agua al rodete a través de un distribuidor cónico de palas orientables o fijas. El rodete está constituido por una hélice con álabes orientables o fijos y su eje de giro coincide con el eje de la tubería de alimentación, lo que facilita el paso de grandes caudales. La descarga se realiza mediante una tubería divergente
Tipos de turbinas tubulares
Bulbo
Straflo
Turbinas S
Turbinas bulbo
El conjunto alternador y turbina están totalmente sumergidos.
El campo de aplicación de los grupos bulbo puede dividirse en las categorías siguientes:
Grupos para pequeñas centrales (100 KW - 5 MW) y saltos inferiores a 20 m.
Grupos para ríos de gran caudal que pueden explotar saltos de 5 m a 20 m y generar potencias de hasta 50 MW.
Grupos bulbo reversibles empleados en centrales maremotrices
Ventajas turbinas bulbo frente a las Kaplan
El flujo directo da lugar a menores pérdidas hidráulicas y por tanto a un rendimiento mayor, que puede ser superior en un 2% al de la turbina Kaplan.
Al ser las dimensiones transversales menores, se reduce la obra civil al mínimo. Este punto es indiscutible cuando el salto es inferior a 10 m.
La inversión es más rentable en cuanto a producción y funcionamiento.
Se comporta mejor frente a la cavitación y permite que la altura de montaje del rodete sea mucho más baja.
Estadísticamente entre 1970 y 1984 se han instalado 87 turbinas bulbo frente a 48 turbinas Kaplan, todas ellas de potencias superiores a los 5 MW.
Desventajas turbinas bulbo frente a las Kaplan
El diseño del sistema de refrigeración del alternador es difícil.
El montaje y revisión del grupo es más difícil. Para acceder a los mecanismos encerrados en el bulbo es necesario detener la turbina.
Se deben emplear materiales de mejor calidad en la construcción de la turbina, a fin de reducir las revisiones por mantenimiento.
No se pueden acoplar a redes independientes con débil coeficiente de autorregulación, pues los tiempos de embalamiento son muy cortos, del orden de 1.5 a 2 segundos, por lo que la respuesta a un cambio en la demanda de potencia debe ser muy rápida.
Turbinas Straflo
Esta máquina está montada horizontalmente en la dirección del flujo. El grupo straflo es una máquina de flujo axial para pequeños saltos. Su campo de aplicación cubre tanto el campo de las demás turbinas tubulares como el de las turbinas Kaplan de eje vertical, ya que es aplicable para saltos de hasta 20 m y aún mayores.
Turbinas S
Disponen un rodete axial (tipo Kaplan), en una tubería en forma de S, acoplado al generador que queda fuera del conducto de paso del agua. Estas máquinas pueden ser empleadas para saltos de 3 m a 20 m y potencias de 0.1 MW a 10 MW.
Turbinas Pelton
Las turbinas Pelton son máquinas de acción, que solamente aprovechan la energía cinética del agua, por tanto, no existe diferencia de presión entre la entrada y la salida del rodete de la máquina. En la turbina Pelton, la admisión del agua se realiza por medio de una tobera situada al final de la tubería forzada que trae agua desde el embalse hasta la turbina. El chorro que sale de la tobera impacta sobre las cucharas de la rueda originándose así la transformación de la energía cinética del fluido en giro del rodete. La regulación del caudal se realiza por variación de la sección de salida de la tobera debido al desplazamiento horizontal de una aguja situada en el eje del inyector.
El rodete está constituido por unos álabes compuestos por dos alvéolos simétricos respecto a una arista central situada en el plano de simetría del chorro. El agua incide sobre dicha arista repartiéndose de forma simétrica entre los alvéolos. El agua saliente es recogida por una carcasa que envuelve el rodete.
Campo de aplicación turbinas Pelton
El campo de aplicación de las turbinas Pelton se limita a los saltos más elevados, superiores a 200 m, con bajos caudales
Ventajas turbinas Francis frente a las Pelton
A igualdad de salto y potencia, la turbina Francis posee dimensiones globales menores, aunque las Pelton requieren un volumen de excavación mínimo.
Debido a la erosión de la arena, el rendimiento de las turbinas Francis empeora menos que el de las Pelton, ya que la erosión producida en la aguja y en las cucharas es importante.
Ventajas turbinas Pelton frente a las Francis
En las turbinas Pelton no existe peligro de cavitación, mientras que en las Francis es inevitable.
El rendimiento a carga parcial de las Pelton es prácticamente constante ya que únicamente hay que cerrar alguna tobera de los distintos chorros. Sin embargo, el rendimiento a carga parcial de las Francis decrece considerablemente respecto a su óptimo.
¿Qué principio de funcionamiento tienen las turbomáquinas?
Intercambio de cantidad de movimiento
¿Qué tipo de rodete tiene trayectorias contenidas en planos perpendiculares al eje?
Radial
¿Qué ventaja tiene la aspiración doble en una bomba?
Minimiza el empuje axial
¿Qué elemento distribuye el fluido por la periferia del rodete en una turbina?
Distribuidor
¿Qué tipo de turbina tiene álabes orientables en el rodete?
Kaplan
¿Qué fenómeno puede aparecer en turbinas Francis a baja carga?
Antorcha
¿Qué parte de la turbina recupera energía cinética del fluido?
Difusor
¿Qué tipo de bomba tiene flujo axial en el rodete?
Axial
¿Qué tipo de turbina tiene álabes fijos en el rodete?
Hélice
¿Qué parte de la bomba guía el flujo hacia la voluta?
Difusor
¿Qué tipo de turbina se adapta mejor a variaciones de carga?
Kaplan
¿Qué parte de la turbina puede construirse en hormigón para grandes caudales?
Cámara espiral