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Se abordará en este artículo el elemento clave de las centrales hidroeléctricas, la turbina hidráulica. Las turbinas son los equipos mecánicos que transforman la energía hidráulica, ya sea forma cinética y/o potencial, a energía mecánica y mediante el generador a energía eléctrica. Se estructuró este texto comenzando a describir el funcionamiento de las turbinas, los tipos de turbinas que existen para la generación hidroeléctrica y los criterios de selección de cada turbina con base en las condiciones fluviométricas y topográficas.
Funcionamiento
La turbina es la componente de la central hidroeléctrica que transforma la energía potencial del agua en energía mecánica. Esta energía mecánica es generada debido al movimiento de rotación la turbina, la que a través de un eje conectado al generador se transforma en energía eléctrica. El dimensionamiento de las turbinas depende del caudal y de la altura de carga, parámetros que se utilizan para determinar la turbina más adecuada para la central que se proyecta.
En términos generales, los componentes que conforman una turbina son: el distribuidor, el rodete y el descargador o difusor. Las turbinas hidráulicas se clasifican en dos grandes grupos de acuerdo a su funcionamiento dependiendo de las fuerzas que actúan sobre ellas:
- Turbinas de acción.
- Turbinas de reacción.
En el caso de las turbinas de acción, la energía hidráulica se aprovecha como energía cinética mediante un flujo de agua a alta velocidad, haciéndola girar y transformando la energía en energía mecánica. En este caso la turbina está a presión atmosférica. Por otro lado, las turbinas de reacción aprovechan la energía cinética y presión de la energía hidráulica para hacer girar el rodete y transformar la energía en mecánica.
Tipologías
Las turbinas se dividen en las siguientes dos grandes clases, en función del proceso utilizado para la conversión de energía hidráulica en energía mecánica de rotación:
- Turbinas de acción.
- Turbinas de reacción.
Las turbinas de acción usan únicamente la energía cinética del agua para transformarla a energía mecánica. Las más comunes son las turbinas Pelton, aunque también están las turbinas Turgo y las turbinas de flujo transversal (denominadas también Ossberger o Banki-Michell). Las turbinas de reacción emplean la energía potencial y cinética del agua para transformarla a energía mecánica. Dentro de esta categoría están las turbinas Francis y turbinas Kaplan.
Turbina Pelton
Las turbinas Pelton son uno de los modelos de turbinas más utilizados en centrales hidroeléctricos y uno de los más antiguos. Están conformadas por un rodete con álabes en su perímetro. El agua se dirige a los álabes mediante uno o varios inyectores (máximo de 5), haciendo girar el rodete. En el interior de los inyectores hay una válvula de aguja que permite controlar el caudal de inyección.
Las turbinas Pelton pueden ser de eje horizontal, con 1- 3 inyectores, o de eje vertical con 2-5 inyectores. Este tipo de turbina se usa para alturas de carga mayores a 100 m y caudales bajos, situación que se da en sectores cordilleranos y precordilleranos. Algunas ventajas de las turbinas Pelton son:
- Sencillez de fabricación.
- Fácil montaje.
- Bajo costo de mantenimiento.
- Rendimiento máximo alto (>90%), con curva de rendimiento plano, manteniendo un rendimiento para una variedad de caudales.
Dadas las características de las turbinas, son ideales para operar con cargas parciales y flexibilidad de caudales, manteniendo un rendimiento estable.
Turbina Turgo
Las turbinas Turgo son similares a las turbinas Pelton, con la diferencia que los álabes son en forma de semiesfera y el chorro incide en un ángulo de 20° respecto al plano diametral del rodete. Otra diferencia respecto a las turbinas Pelton es que el chorro incide sobre varios álabes en manera simultánea. Por sus características, estas turbinas permiten trabajar con alturas más bajas que las turbinas Pelton para condiciones de caudal similar, y pueden ser una alternativa a las turbinas Francis dado que su rendimiento no se ve alterada por variaciones de caudales. El rango de operación de las turbinas Turgo es similar a las Pelton, entre 50 y 300 m de altura de carga.
Turbina de flujo transversal (Ossberger o Banki-Michell)
Estas turbinas, a diferencia de las turbinas Pelton y Turgo, tienen un inyector del tipo rectangular y de mayor sección. El agua se inyecta desde la parte superior impactando los álabes que están diseñados para recibir todo el impacto del chorro, mediante el cual se hace girar el rodete y permite la salida del caudal por la parte inferior de la turbina.
Una de las mayores ventajas de estas turbinas es el rango amplio de operación entre 3 y 200 m de altura de carga. El rendimiento de estas turbinas es inferior a las Pelton, siendo aproximadamente entre 85 – 88 %, sin embargo, dado la simplicidad de su construcción son más económicas.
Turbina Francis
Estas turbinas constan de un distribuidor en forma de caracol que contiene una serie de álabes fijos y móviles que orientan el agua hacia el rodete. El agua de esta manera ingresa en forma radial por el distribuidor. A medida que avanza hacia el rodete, que contiene una corona de álabes fijos, se convierte en dirección axial. Las turbinas Francis pueden ser de eje vertical o de eje horizontal y operan en un amplio rango de alturas de carga, desde 10 a 700 m, sin embargo, las variaciones de caudales influyen mucho en su rendimiento.
El rendimiento máximo de estas turbinas es superior al 90%. Estas turbinas permiten una flexibilidad de operación entre 40 – 105% del caudal para el que están diseñadas y entre un 60 – 125% de la altura de carga.
Turbina Kaplan
Estas turbinas tienen un distribuidor que recibe el agua y lo direcciona hacia los álabes permitiendo el giro del rodete. Las turbinas Kaplan tienen álabes regulables, que pueden ser entre 3 a 8. Se pueden ajustar dependiendo de las condiciones de caudal y altura de carga; así permitiendo de esta manera una buena eficiencia en un amplio rango de estos parámetros. Estas turbinas generalmente se instalan en condiciones de baja altura de carga, menos de 100 m, y grandes caudales, por ejemplo, en canales de riego. Similar a las turbinas Francis, las turbinas Kaplan tienen un rendimiento máximo de aproximadamente 90%. Sin embargo, este rendimiento no es tan sensible a las variaciones de caudal y altura de carga.
Criterios de selección
Como una primera aproximación del campo de aplicabilidad de las diferentes turbinas, en la siguiente gráfica se representa a grandes rasgos las combinaciones de caudal y altura de carga para lo cual operan las distintas turbinas.
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