Turbinas hidráulicas

La turbina hidráulica es el equipo esencial de una central hidroeléctrica. A partir de la energía cinética y potencial que posee el agua, se consigue una energía mecánica que se transfiere a un eje conectado a un generador que produce energía eléctrica.

Las turbinas hidráulicas se clasifican en dos grupos: turbinas de acción y turbinas de reacción.

Turbinas de acción

Son aquellas que aprovechan únicamente la velocidad del flujo de agua para hacerlas girar. El tipo más utilizado es la denominada turbina Pelton, aunque existen otros como la Turgo, con inyección lateral.

1. Turbinas Pelton. Esta turbina se emplea en grandes saltos con poco caudal. Está formada por un rodete móvil con alabes de doble cuenco. El chorro de agua entra en la turbina dirigido y regulado por uno o varios inyectores, incidiendo en los alabes y provocando el movimiento de giro de la turbina. El inyector (o inyectores) dirigen agua a presión contra la serie de paletas en forma de cuchara montadas alrededor del borde del rodete, cada paleta invierte el flujo de agua, disminuyendo su energía, las paletas se montan por pares para mantener equilibradas las fuerzas en la rueda. Teniendo en cuenta el grado de incompresibilidad del agua, casi toda la energía disponible se extrae en la primera etapa de la turbina a diferencia de las turbinas térmicas.

El diseñador de esta turbina, Lester Allan Pelton, carpintero y montador de ejes y poleas, inventó la turbina Pelton en 1879 mientras trabajaba en California. Obtuvo su primera patente en 1880. Existen turbinas Pelton de todos los tamaños. Hay turbinas de varias toneladas montadas en vertical sobre cojinetes hidráulicos en las centrales hidroeléctricas. En general, a medida que la altura de la caída de agua aumenta, menor volumen de agua puede generar la misma potencia. Cada instalación tiene, por lo tanto, su propia combinación de presión, velocidad y volumen de funcionamiento más eficiente. Normalmente, las pequeñas instalaciones usan paletas estándar y adaptan la turbina a una de las familias de generadores y ruedas, adecuando para ello las canalizaciones. Las pequeñas turbinas se pueden ajustar algo con la variación del número de inyectores y palas a instalar en la turbina, así como diferentes diámetros de la turbina.

En las grandes instalaciones hidroeléctricas, el diseño se realiza a medida determinando, en primer lugar, el par admisible, volumen, caudal nominal presión máxima para adaptar su funcionamiento al entorno de la instalación y a un generador, normalmente estándar. Asimismo, la potencia se regula a través de los inyectores, que aumentan o disminuyen el caudal de agua. En las paradas de emergencia, se emplea un deflector que dirige el chorro directamente al desagüe, evitando que la turbina se acelere demasiado. Esto permite un cierre lento de los inyectores, sin golpes de presión en la tubería forzada.

Estas turbinas tienen una alta disponibilidad y bajo coste de mantenimiento, además su rendimiento es bastante alto, tanto en condiciones nominales como en caudales hasta un 80% inferior al nominal. La versatilidad de este tipo de máquinas hace que sea muy apropiada en condiciones parciales de trabajo, además de permitir una amplia variación de caudales en su funcionamiento. Se puede instalar con eje horizontal o vertical, y con uno o varios inyectores.

2. Turbinas Ossberger. Es una turbina de flujo cruzado, de doble impulsión o de libre desviación. Su accionamiento se realiza a través de un inyector de sección rectangular provisto de un alabe longitudinal que regula y orienta el caudal que entra en la turbina, y un rodete de forma cilíndrica, con sus múltiples palas dispuestas como generatrices y soldadas por los extremos a discos terminales. Funciona a un régimen de giro específico, por tanto, se puede incluir en la clasificación de turbinas de régimen lento. El primer impulso se produce cuando el caudal entra en la turbina (8) orientado por el alabe del inyector (2) hacia las palas del rodete (3). Cuando este caudal ha atravesado el interior del rodete (3) proporciona el segundo impulso, al salir del mismo y caer por el tubo de aspiración (7).

En la práctica, este sentido de circulación ofrece además la ventaja de que el follaje, hierba y lodos, que durante la entrada del agua se prensan entre los alabes, vuelven a ser expulsados con el agua de salida con la contribución de la fuerza centrífuga después de medio giro del rodete. Se puede considerar una turbina con un rodete de limpieza automática. En los casos en los que el caudal del río lo requiere, se ejecuta la turbina Ossberger en construcción de células múltiples para poder adaptarse a diversas explotaciones. Se puede ajustar el tamaño de la célula en caudales con un intervalo de seis veces de diferencia con tan solo restringir la entrada del mismo a una zona del rodete.

El rendimiento total medio de las turbinas Ossberger se calcula para potencias pequeñas en un 80 % para todo el campo de trabajo. Para las unidades medianas y grandes, se han medido rendimientos de hasta un 86 %. No obstante, estos rendimientos son generalmente superados en la práctica. En la turbina dividida Ossberger, la entrada del agua propulsora se regula por medio de dos palas directrices perfiladas de fuerza compensada. Las palas directrices dividen y dirigen la corriente de agua haciendo que esta llegue al rodete sin efecto de golpe con independencia de la abertura de entrada. Ambas palas giratorias se hallan perfectamente ajustadas en la carcasa de la turbina. Las pérdidas por fuga (rendimiento volumétrico) son tan escasas que las palas directrices pueden servir de órgano de cierre en saltos de poca altura. De esta manera, no es preciso que se prevea ninguna válvula de cierre entre la tubería de presión y la turbina.

La turbina Ossberger fue diseñada para funcionar durante largos periodos de tiempo en régimen continuo, no requiere medios especiales para su mantenimiento. Su instalación es frecuente en países en vías de desarrollo ya que su instalación y puesta en marcha no requiere grandes conocimientos hidráulicos.

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:

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

3. 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.
4. 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. 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.

Turbinas microhidráulicas

La turbina de Vortex gravitacional, o turbina Zotlöterer en honor a su inventor, es una turbina inventada y patentada en 2007 y ganadora del “Energy Globe Award Kärnten 2007”. A diferencia de las turbinas convencionales, las de vórtice, o de gravedad, no intentan evitar el flujo turbulento del agua que atraviesa por ella, sino que aprovechan el flujo turbulento creado por un remolino debido a una depresión de agua.

Las turbinas de vórtice aprovechan la energía del agua producida por la gravedad. El flujo de agua es conducido a un tanque de rotación donde se origina el vórtice o remolino. En el eje del remolino se coloca la turbina Zotlöterer que aprovecha la velocidad cinética del agua.

Las turbinas de vórtices pueden trabajar en un rango amplio de caudales y requieren pequeños desniveles de cota. Si bien la velocidad nominal de la turbina depende de la dimensión del vórtice provocado, la velocidad de rotación de la turbina es lenta, entre 15 rpm y 40 rpm, por lo que no daña a la vida piscícola del río.

La potencia de la turbina también depende de la velocidad del vórtice, pero puede estar comprendida entre 200W y hasta 40KW, aunque se estima que pueden instalarse hasta plantas de 1MW. La eficiencia de la turbina es, sin embargo, menor a las turbinas convencionales, siendo la de la turbina de Vortex del 80 % cuando trabaja a la velocidad nominal.