Turbinas hidráulicas: definición, tipos y funcionamiento para generar energía

Remolino

Las ruedas hidráulicas se han utilizado durante miles de años para la obtención de energía industrial. Su principal defecto es el tamaño, que limita el caudal y la altura de elevación que pueden utilizarse.

El paso de las ruedas hidráulicas a las turbinas modernas duró unos cien años. El desarrollo se produjo durante la revolución industrial, utilizando principios y métodos científicos. También se utilizaron ampliamente los nuevos materiales y métodos de fabricación desarrollados en la época.

La palabra turbina fue acuñada por el ingeniero francés Claude Bourdin a principios del siglo XIX y deriva de la palabra latina que significa "remolino" o "vórtice". La principal diferencia entre las primeras turbinas de agua y las ruedas hidráulicas es un componente de remolino del agua que transmite energía a un rotor que gira. Este componente adicional de movimiento permitía que la turbina fuera más pequeña que una rueda hidráulica de la misma potencia. Podían procesar más agua al girar más rápido y podían utilizar cabezas mucho mayores. (Más tarde se desarrollaron turbinas de impulso que no utilizaban el remolino).

Línea de tiempo

Ján Andrej Segner desarrolló una turbina de agua reactiva a mediados del siglo XVII. Tenía un eje horizontal y fue un precursor de las modernas turbinas hidráulicas. Se trata de una máquina muy sencilla que se sigue fabricando hoy en día para su uso en pequeñas centrales hidroeléctricas. Segner trabajó con Euler en algunas de las primeras teorías matemáticas sobre el diseño de turbinas.

En 1820, Jean-Victor Poncelet desarrolló una turbina de flujo interno.

En 1826, Benoit Fourneyron desarrolló una turbina de flujo exterior. Se trataba de una máquina eficiente (~80%) que enviaba el agua a través de un corredor con palas curvadas en una dimensión. La salida estacionaria también tenía guías curvadas.

En 1844, Uriah A. Boyden desarrolló una turbina de flujo exterior que mejoraba el rendimiento de la turbina Fourneyron. Su forma de rodete era similar a la de una turbina Francis.

En 1849, James B. Francis mejoró la turbina de reacción de flujo interno hasta alcanzar un rendimiento superior al 90%. También realizó sofisticadas pruebas y desarrolló métodos de ingeniería para el diseño de turbinas hidráulicas. La turbina Francis, que lleva su nombre, es la primera turbina hidráulica moderna. Hoy en día sigue siendo la turbina hidráulica más utilizada en el mundo.

Las turbinas de agua de flujo interno tienen una mejor disposición mecánica y todas las turbinas de agua de reacción modernas tienen este diseño. Además, al girar la masa de agua en forma de remolino, intenta acelerar para conservar la energía. Esta propiedad actúa sobre el rodete, además del peso descendente del agua y el movimiento de remolino. La presión del agua disminuye hasta cero al pasar por los álabes de la turbina y cede su energía.

Alrededor de 1890 se inventó el cojinete de fluido moderno, que ahora se utiliza universalmente para soportar los husillos de las turbinas de agua pesada. En 2002, los cojinetes de fluido parecen tener un tiempo medio entre fallos de más de 1.300 años.

Hacia 1913, Victor Kaplan creó la turbina Kaplan, una máquina de tipo hélice. Era una evolución de la turbina Francis, pero revolucionó la capacidad de desarrollar centrales hidroeléctricas de baja altura.

Un nuevo concepto

Todas las máquinas de agua habituales hasta finales del siglo XIX (incluidas las ruedas hidráulicas) eran máquinas de reacción; la cabeza de presión del agua actuaba sobre la máquina y producía trabajo. Una turbina de reacción necesita contener completamente el agua durante la transferencia de energía.

En 1866, el constructor de molinos californiano Samuel Knight inventó una máquina que funcionaba con un concepto completamente diferente. Inspirado en los sistemas de chorro de alta presión utilizados en la minería hidráulica de los yacimientos de oro, Knight desarrolló una rueda de cangilones que capturaba la energía de un chorro libre, que había convertido una gran altura (cientos de pies verticales en una tubería o tubería forzada) de agua en energía cinética. Se trata de una turbina de impulso o tangencial. La velocidad del agua, aproximadamente el doble de la velocidad de la periferia de la cubeta, da una vuelta en U en la cubeta y sale del canal a velocidad 0.

En 1879, Lester Pelton, experimentando con una rueda Knight, desarrolló un diseño de doble cangilón, que expulsaba el agua hacia un lado, eliminando parte de la pérdida de energía de la rueda Knight, que expulsaba parte del agua hacia el centro de la rueda. Alrededor de 1895, William Doble mejoró la forma de cubo semicilíndrico de Pelton con un cubo elíptico que incluía un corte en él para permitir que el chorro tuviera una entrada más limpia en el cubo. Ésta es la forma moderna de la turbina Pelton, que hoy alcanza hasta un 92% de rendimiento. Pelton había sido un promotor bastante eficaz de su diseño y, aunque Doble se hizo cargo de la empresa Pelton, no cambió el nombre por el de Doble porque tenía el reconocimiento de la marca.

Las turbinas Turgo y Crossflow fueron diseños de impulso posteriores.

El agua que fluye se dirige a los álabes de una turbina, creando una fuerza sobre los álabes. Como el rodete está girando, la fuerza actúa a través de una distancia (la fuerza que actúa a través de una distancia es la definición de trabajo). De este modo, la energía se transfiere del flujo de agua a la turbina.

Las turbinas hidráulicas se dividen en dos grupos: turbinas de reacción y turbinas de impulso.

Turbinas de reacción

Las turbinas de reacción son accionadas por el agua, que cambia de presión al pasar por la turbina y cede su energía. Deben estar encapsuladas para contener la presión del agua (o succión), o deben estar totalmente sumergidas en el flujo de agua.

La tercera ley del movimiento de Newton describe la transferencia de energía de las turbinas de reacción.

La mayoría de las turbinas de agua en uso son turbinas de reacción. Se utilizan en aplicaciones de baja y media altura.

Turbinas de impulso

Las turbinas de impulso modifican la velocidad de un chorro de agua. El chorro empuja los álabes curvados de la turbina, que invierten el flujo. El cambio de momento resultante (impulso) provoca una fuerza sobre los álabes de la turbina. Como la turbina está girando, la fuerza actúa a través de una distancia (trabajo) y el flujo de agua desviado queda con una energía disminuida.

Antes de llegar a los álabes de la turbina, la presión del agua (energía potencial) se convierte en energía cinética mediante una tobera y se concentra en la turbina. No se produce ningún cambio de presión en los álabes de la turbina y ésta no necesita una carcasa para funcionar. La segunda ley del movimiento de Newton describe la transferencia de energía en las turbinas de impulso.

Las turbinas de impulso se utilizan sobre todo en aplicaciones de gran altura.

Potencia

La energía disponible en una corriente de agua es;

P = η ⋅ ρ ⋅ g ⋅ h ⋅ v ˙ {\displaystyle P=\eta \cdot \rho \cdot g\cdot h\cdot {\dot {v}}

donde:

• P = {\displaystyle P=} potencia (J/s o vatios)
• η = {\displaystyle \eta =} eficiencia de la turbina
• ρ = {\displaystyle \rho =} densidad del agua (kg/m³ )
• g = {\displaystyle g=} aceleración de la gravedad (9,81 m/s² )
• h = {\displaystyle h=} cabeza (m). Para el agua en reposo, es la diferencia de altura entre las superficies de entrada y salida. Al agua en movimiento se le añade un componente adicional para tener en cuenta la energía cinética del flujo. La altura total es igual a la altura de presión más la altura de velocidad.

• v ˙ {\displaystyle {\dot {v}} = caudal (m³ /s)

Almacenamiento por bombeo

Algunas turbinas hidráulicas están diseñadas para la hidroelectricidad de bombeo. Pueden invertir el flujo y funcionar como una bomba para llenar un embalse alto durante las horas de menor demanda eléctrica, y luego volver a ser una turbina para la generación de energía durante la demanda eléctrica máxima. Este tipo de turbina suele tener un diseño Deriaz o Francis.

Eficiencia

Las grandes turbinas hidráulicas modernas funcionan con un rendimiento mecánico superior al 90% (que no debe confundirse con el rendimiento termodinámico).

Turbinas de reacción:

• Francis
• Kaplan, Hélice, Bulbo, Tubo, Straflo
• Tyson
• Rueda de agua

Turbinas de impulso:

• Pelton
• Turgo
• Michell-Banki (también conocida como turbina Crossflow u Ossberger)

La selección de la turbina se basa sobre todo en la altura del agua disponible, y no tanto en el caudal disponible. En general, las turbinas de impulso se utilizan en lugares de gran altura y las de reacción en lugares de baja altura. Las turbinas Kaplan se adaptan bien a una amplia gama de condiciones de caudal o de altura, ya que su rendimiento máximo puede alcanzarse en una amplia gama de condiciones de caudal.

Las turbinas pequeñas (en su mayoría de menos de 10 MW) pueden tener ejes horizontales, e incluso las turbinas de tipo bulbo bastante grandes, de hasta 100 MW aproximadamente, pueden ser horizontales. Las máquinas Francis y Kaplan de gran tamaño suelen tener ejes verticales porque así se aprovecha mejor la altura de elevación disponible y resulta más económica la instalación de un generador. Las ruedas Pelton pueden ser máquinas de eje vertical u horizontal porque el tamaño de la máquina es mucho menor que la altura de elevación disponible. Algunas turbinas de impulso utilizan múltiples chorros de agua por canal para aumentar la velocidad específica y equilibrar el empuje del eje.

Gama típica de cabezales

• Kaplan 2 < H < 40 (H = cabeza en metros)
• Francisco 10 < H < 350
• Pelton 50 < H < 1300
• Turgo 50 < H < 250

Las turbinas están diseñadas para funcionar durante décadas con muy poco mantenimiento de los elementos principales; los intervalos de revisión son del orden de varios años. El mantenimiento de los rodetes y las piezas expuestas al agua incluye la retirada, la inspección y la reparación de las piezas desgastadas.

El desgaste normal es la picadura por cavitación, el agrietamiento por fatiga y la abrasión por los sólidos suspendidos en el agua. Los elementos de acero se reparan mediante soldadura, normalmente con varilla de acero inoxidable. Las zonas dañadas se recortan o esmerilan, y luego se sueldan hasta alcanzar su perfil original o uno mejorado. Los rodetes de las turbinas antiguas pueden tener una cantidad significativa de acero inoxidable añadido de esta manera al final de su vida útil. Se pueden utilizar procedimientos de soldadura muy elaborados para conseguir reparaciones de la máxima calidad.

Otros elementos que requieren inspección y reparación durante las revisiones son los cojinetes, la caja de empaquetadura y los manguitos del eje, los servomotores, los sistemas de refrigeración de los cojinetes y las bobinas del generador, los anillos de sellado, los elementos de conexión de la compuerta y todas las superficies.

Las turbinas hidráulicas han tenido efectos positivos y negativos en el medio ambiente.

Son uno de los productores de energía más limpios, ya que sustituyen la quema de combustibles fósiles y eliminan los residuos nucleares. La quema de combustibles fósiles produce humo y cenizas, y gases tóxicos como el monóxido de carbono. Los residuos nucleares emiten radiaciones peligrosas y son difíciles de eliminar. Utilizan una fuente de energía renovable y están diseñadas para funcionar durante décadas. Producen cantidades importantes del suministro eléctrico mundial.

Históricamente también ha habido consecuencias negativas. Las aspas giratorias o las compuertas de las turbinas hidráulicas pueden interrumpir la ecología natural de los ríos, matando a los peces, deteniendo las migraciones y perturbando los medios de vida de la población. Por ejemplo, las tribus de indios americanos del noroeste del Pacífico se ganaban la vida con la pesca del salmón, pero la construcción agresiva de presas destruyó su modo de vida. Desde finales del siglo XX, es posible construir sistemas hidroeléctricos que desvíen a los peces y otros organismos lejos de las tomas de las turbinas sin que se produzcan daños significativos ni se pierda energía; estos sistemas requieren menos limpieza, pero son sustancialmente más caros de construir. En Estados Unidos, ahora es ilegal bloquear la migración de los peces, por lo que los constructores de presas deben proporcionar escaleras para peces.

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