Turbinas de reacción

Las turbinas de reacción se accionan a través de la presión que el líquido ejerce sobre los álabes. Esta presión decrece desde el borde de ataque hasta la salida del alabe. En este tipo de turbinas, el rotor aprovecha la presión con la que el agua sale de los álabes.

Esto hace que el agua, al salir del rotor, tenga una presión por debajo de la atmosférica. Las turbinas de reacción que se suelen instalar son las Francis y las Kaplan.

Como elementos generales de estas turbinas, se detallan los siguientes:

1. Carcasa o caracol. Estructura con forma de espiral que transforma la energía hidráulica en energía cinética, conduciendo el agua alrededor del distribuidor.
2. Distribuidor. Está formado por dos coronas concéntricas; el estator (álabes fijos) y el rotor (álabes móviles).
3. Rodete. Es un elemento móvil que se acciona a través de la energía cinética y de presión del agua.

Turbinas Francis

La turbina Francis fue desarrollada por James B. Francis. Se trata de una turbina de reacción de flujo interno que combina conceptos tanto de flujo radial como de flujo axial. Las turbinas Francis son turbinas hidráulicas que se pueden aplicar en un amplio rango de saltos y caudales, siendo capaces de operar en rangos de desnivel que van de los 10 m hasta varios cientos de metros.

La versatilidad inherente a esta turbina, así como su alto rendimiento, hace que esta tipología de turbina de reacción sea el más utilizado a nivel mundial. En las figuras siguientes se aprecia cómo se regulan los álabes externos o del distribuidor desde su cierre (menos caudal a más presión o viceversa, es decir, más caudal con menos presión.

La turbina Francis es una turbina de reacción, por tanto, el fluido cambia de presión a medida que se desplaza a través de la turbina, cediendo su energía. En este tipo de turbina es necesario instalar una carcasa que contenga el líquido.

En la imagen siguiente se muestra el caracol y la carcasa de una turbina Francis. La sección del caracol va descendiendo hasta la entrada al distribuidor, de esta forma se consigue un aumento de presión. Esta reducción se ha de realizar teniendo en cuenta las pérdidas de carga secundarias asociadas, así como los efectos secundarios asociados como el golpe de ariete.

Una vez que el agua atraviesa el distribuidor es conducida hacia el rodete, el órgano de intercambio de energía.

Las grandes turbinas Francis se diseñan de forma individual en función de las características de cada emplazamiento, a efectos de lograr la máxima eficiencia posible, habitualmente más del 90%. Son muy costosas de diseñar, fabricar e instalar, pero su vida útil es de décadas.

Como hemos comentado, el rendimiento de las turbinas Francis es superior al 90% en condiciones óptimas de funcionamiento. Permite variaciones de caudales entre el 40 y el 105% del caudal de diseño, y en salto entre 60 y el 25% del nominal.

Los elementos que componen este tipo de turbinas son los siguientes:

1. Distribuidor. Conjunto de alabes fijos y móviles que direccionan el agua hacia el rodete.
2. Rodete. Corona de álabes fijos que redireccionan el agua desde radial a axial.
3. Cámara de entrada. Se puede instalar abierta o cerrada, se diseñan en espiral para dar una componente radial al agua.
4. Tubo de aspiración o de salida de agua. Su función es mantener la diferencia de presiones entre la entrada y la salida de la turbina, necesaria para su correcto funcionamiento.

Turbinas Kaplan

Las instalaciones en las que se instala una turbina hélice exigen como elementos auxiliares un distribuidor fijo, un rodete con cuatro o cinco palas fijas cuya forma recuerda a la hélice de barco, y un tubo de aspiración.

Las turbinas Kaplan son turbinas de agua de reacción de flujo axial, se emplean en saltos de pequeña altura. Las amplias palas o álabes de la turbina son impulsadas por agua a alta presión que se conduce a través de una compuerta.

Los álabes del rodete y de los distribuidores son regulables en las turbinas Kaplan; en el caso de que solamente se puedan regular los del rodete, la turbina será una turbina semiKaplan.

Para su regulación, los álabes del rodete giran alrededor de su eje, accionados solidariamente a unas bielas articuladas que se desplazan hacia arriba o hacia abajo por el interior del eje hueco de la turbina. Para realizar este desplazamiento, es necesaria la asistencia de un grupo hidráulico que estará conectado a un PLC con un programa de regulación de carga o similar.

Las turbinas Kaplan y semiKaplan pertenecen a las turbinas de hélice, siendo su característica principal que los álabes del rodete y el distribuidor son variables (en el caso de la semiKaplan tan solo los del rodete). En el resto de las turbinas de hélice, no existe esta alternativa y, por tanto, solamente se utilizan cuando el caudal y el salto son prácticamente constantes.

Las turbinas Kaplan y semiKaplan son variantes de la turbina de hélice con diferentes grados de regulación. Ambas poseen el rodete con palas ajustables, que proporcionan la posibilidad de funcionar en un rango mayor de caudales.

Las turbinas Kaplan se regulan a través de un distribuidor regulable que permite obtener un mayor rango de funcionamiento, con mejores rendimientos. Su coste es también más elevado. Se deberán analizar las características del salto para cuantificar si es rentable su instalación.

El rendimiento promedio es de un 90%. Este tipo de turbinas se instalan con muy buenos resultados en saltos pequeños con caudales variables o grandes.

Como se puede deducir por sus características, este tipo de turbinas se utilizan en centrales de tipo fluyente con un salto considerado constante y con variaciones de caudal importantes. El rango de utilización en cuanto a la presión de este tipo de turbinas abarca desde valores del 60 al 140% de la presión de diseño, y en caudal, del 40 al 105% del caudal nominal. En función de las subcategorías, estos valores se modificarán.

Se suelen instalar con eje vertical, en cámara abierta o cerrada, aunque en ocasiones es más conveniente otro tipo de instalaciones con eje horizontal o incluso con una ligera inclinación.

En este último caso tenemos las turbinas:

1. Tubulares. Se pueden instalar horizontalmente, en un plano inclinado o en vertical. Su rendimiento es ligeramente superior a las Kaplan.
2. De Bulbo. El generador está sumergido dentro de una carcasa impermeable. El rendimiento, ligeramente superior a las tubulares y la obra civil asociada, es menor, aunque los equipos son más complejos como consecuencia el mantenimiento de los mismos.