Turninas hidraulicas

Turninas hidraulicas

1. UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
FRANCISCO DE MIRANDA
AREA DE TECNOLOGÍA
DEPARTAMENTO DE ENERGETICA
UNIDAD CURRICULAR: EQUIPOS, MÁQUINAS E INSTALACIONES INDUSTRIALES

PROFESOR: ING. ELIZABETH FIERRO





Antes de abordar la temática, se explicará brevemente la historia sobre las turbinas
hidráulicas y algunas definiciones previas a ésta.
Los egipcios, 3000 años a.C. fueron los primeros en aprovechar la energía del
agua.
Los romanos usaban una rueda hidráulica denominada Molino Romano:









En la Edad media se perfeccionó su funcionamiento y permitió el desarrollo de la
industria textil y metalúrgica.
En el siglo XIX se inventaron las turbinas.
Definición de turbina: “rueda dentada acoplada a una cañería”
Descubrimientos en electricidad y electromagnetismo. Se comenzó a utilizar la
energía hidráulica como fuente de energía eléctrica.



TEMA V: TURBINAS HIDRÁULICAS
Esquema de una rueda por
impulsión por abajo
Esquema de una rueda
hidráulica impulsada por arriba

2. Turbinas Hidráulicas
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Ventajas y Desventajas de la Energía Hidráulica

Ventajas Desventajas
- Es renovable.
- No se consume. Se toma el agua en un
punto y se devuelve a otro a una cota
inferior.
- Es completamente segura para
personas, animales o bienes.
- No genera calor ni emisiones
contaminantes (lluvia ácida, efecto
invernadero...)
- Genera puestos de trabajo en su
construcción, mantenimiento y
explotación.
- Requiere inversiones muy cuantiosas
que se realizan normalmente en
comarcas de montaña muy deprimidas
económicamente.
- Genera experiencia y tecnología
fácilmente exportables a países en vías
de desarrollo
- Altera el normal desenvolvimiento en la
vida biológica (animal y vegetal) del río.
- Las centrales de embalse tienen el
problema de la evaporación de agua:
En la zona donde se construye
aumenta la humedad relativa del
ambiente como consecuencia de la
evaporación del agua contenida en el
embalse.
- En el caso de las centrales de embalse
construidas en regiones tropicales,
estudios realizados han demostrado
que generan, como consecuencia del
estancamiento de las aguas, grandes
focos infecciosos de bacterias y
enfermedades.
- Los sedimentos se acumulan en el
embalse empobreciéndose de
nutrientes el resto de río hasta la
desembocadura



La energía hidráulica se basa en
aprovechar la caída del agua desde cierta
altura. La energía potencial, durante la
caída, se convierte en cinética. El agua
pasa por las turbinas a gran velocidad,
provocando un movimiento de rotación
que finalmente se transforma en energía
eléctrica por medio de los generadores

3. Turbinas Hidráulicas
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Turbina Hidráulica
Es una turbomáquina, trabaja con un fluido
incompresible, el cual cede energía a un rotor
provisto de álabes, éstas aprovechan la anergia
hidráulica de la naturaleza, ya sea en forma de
saltos o alturas (cargas) o en forma de caudal
(ríos caudalosos), para transformarla en
energía mecánica de un eje.

Partes Principales de una Turbina Hidráulica
Una turbomáquina elemental tiene,
básicamente, una serie de álabes fijos, (distribuidor), y otra de álabes móviles, (rueda,
rodete, rotor), y el difusor o tubo de aspiración. Los diferentes tipos de turbinas poseen los
mismos componentes, pero visualmente tienen diferencias que se estudiará más adelante
en los tipos de turbinas hidráulicas.

Distribuidor
Es un órgano fijo cuya misión es dirigir el agua, desde la sección de entrada de la
máquina hacia la entrada en el rodete, distribuyéndola alrededor del mismo, (turbinas de
admisión total), o a una parte, (turbinas de admisión parcial), es decir, permite regular el
agua que entra en la turbina, desde cerrar el paso totalmente, caudal cero, hasta lograr el
caudal máximo. Es también un órgano que transforma la energía de presión en energía
de velocidad; en las turbinas hélico-centrípetas y en las axiales está precedido de una
cámara espiral (voluta) que conduce el agua desde la sección de entrada, asegurando un
reparto simétrico de la misma en la superficie de entrada del distribuidor.

Rodete
Es el elemento esencial de la turbina, estando provisto de
álabes en los que tiene lugar el intercambio de energía entre el
agua y la máquina.

4. Turbinas Hidráulicas
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Difusor o Tubo de Aspiración
Es un conducto por el que desagua el agua, generalmente con ensanchamiento
progresivo, recto o acodado, que sale del rodete y la conduce hasta el canal de fuga,
permitiendo recuperar parte de la energía cinética a la salida del rodete para lo cual debe
ensancharse.

Clasificación de las Turbinas Hidráulicas
Según la Variación de la Presión en el Rodete
Turbinas de Acción
El agua sale del distribuidor a la presión atmosférica, y llega
al rodete con la misma presión; en estas turbinas, toda la
energía potencial del salto se transmite al rodete en forma de
energía cinética.

Turbinas de Reacción
El agua sale del distribuidor con una cierta presión que
va disminuyendo a medida que el agua atraviesa los
álabes del rodete, de forma que, a la salida, la presión
puede ser nula o incluso negativa; en estas turbinas el
agua circula a presión en el distribuidor y en el rodete y, por lo tanto, la energía potencial
del salto se transforma, una parte, en energía cinética, y la otra, en energía de presión.

Según la Dirección de Entrada del Agua en las Turbinas
Axiales
(Kaplan, hélice, Bulbo), el agua entra paralelamente al eje,

5. Turbinas Hidráulicas
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Radiales
El agua entra perpendicularmente al eje, siendo centrífugas cuando el agua vaya de
dentro hacia afuera, y centrípetas, cuando el agua vaya de afuera hacia adentro,
(Francis).


Mixtas
Se tiene una combinación de las anteriores.

Tangenciales
El agua entra lateral o tangencialmente (Pelton) contra las palas, cangilones o cucharas
de la rueda.






Principales Tipos de Turbinas Hidráulicas
Turbinas Pelton
Las turbinas Pelton son las turbinas de acción más utilizadas y están recomendadas en
aquellos aprovechamientos caracterizados por grandes saltos (alrededor de 200 m y
mayores) y caudales relativamente bajos (hasta 10 m
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/seg aproximadamente).Este tipo
de turbina permite una gran flexibilidad de funcionamiento, al ser capaz de turbinar hasta
el 10% de su caudal nominal con rendimientos óptimos.

Las posibilidades de montaje son múltiples, siendo posible su instalación con eje
horizontal o vertical, con uno o varios inyectores y con uno o dos rodetes. En general, en
las minicentrales se implantan turbinas Pelton con uno o dos inyectores que actúan sobre

6. Turbinas Hidráulicas
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un único rodete. En la siguiente figura se pueden observar los componentes principales
de una turbina Pelton.

















En este tipo de turbinas la admisión del agua se realiza a gran velocidad tangencialmente
al rodete a través de la tubería de distribución y el inyector, que puede considerarse como
el distribuidor de la turbina Pelton.

El inyector está equipado de una válvula de aguja y un deflector o pantalla deflectora, la
válvula de aguja, con un desplazamiento longitudinal controlado bajo presión de aceite por
un grupo oleohidráulico, permite la regulación del caudal de agua a turbinar así como el
cierre estanco del inyector. El deflector, por su parte, impide el golpe de ariete y el
embalamiento de la turbina durante las fases de parada programada o de emergencia de
la turbina.

Descripción de las Componentes Principales de una Turbina Pelton
El Distribuidor
Está constituido por uno o varios equipos de inyección de agua, cada uno de dichos
equipos tiene como misión dirigir convenientemente un chorro de agua cilíndrico y de
sección uniforme sobre el rotor, también regula el caudal preciso que ha de fluir hacia el
1) Tubería de distribución, 2) Inyector, 3) Rodete , 4) Carcasa, 5) Eje de la
turbina, 6) Generador

7. Turbinas Hidráulicas
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rotor, llegando incluso a cortarlo totalmente cuando sea necesario. El número de equipos
de inyección, colocados circunferencialmente alrededor del rotor, depende de la potencia
y características del generador y según las condiciones del salto de agua. Así mismo, se
puede disponer de más de un rotor sobre el mismo eje, cada uno de ellos dotado del
distribuidor apropiado, hasta seis suelen ser los inyectores que proyectan chorros de agua
sobre un mismo rotor, derivando todos y cada uno de ellos de la tubería forzada

El Inyector
Es el elemento mecánico destinado a dirigir y regular el chorro de agua. Está compuesto
por:
Tobera
Constituye una boquilla, con orificio de sección circular de un diámetro entre 5 y 30 cm,
instalada al final de la cámara de distribución. Dirige el chorro de agua, tangencialmente
hacia la periferia del rotor, de tal modo que la prolongación de la tobera forma un ángulo
de 90º con los radios de rotor









Aguja
Constituye un vástago situado concéntricamente en el interior del cuerpo de la tobera con
movimiento de desplazamiento longitudinal en dos sentidos.

8. Turbinas Hidráulicas
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Deflector
Es un dispositivo mecánico que, a modo de pala o pantalla, que puede ser intercalado con
mayor o menor incidencia en la trayectoria del chorro de agua, entre la tobera y el rotor a
fin de desviar, total o parcialmente el agua, impidiendo el embalamiento del rotor.

El Rotor o Rodete
Es la pieza clave donde se transforma la energía hidráulica del agua en energía
mecánica. Esencialmente consta de los siguientes elementos:

Rueda Motriz
Está unida rígidamente al eje por medio de chavetas y anclajes adecuados. Su periferia
está mecanizada apropiadamente para ser soporte de los cangilones







Cangilones
También denominados álabes, cucharas o palas. Están
diseñados para recibir el empuje directo del chorro de
agua. Su forma es similar a la de una doble cuchara, con
una arista interior lo más afilada posible, de modo que
divide al cangilón en dos partes simétricas Sobre esta
arista donde incide el chorro de agua.

Actualmente para rotores de cualquier tamaño, los cangilones están forjados con la
misma rueda, formando pieza única, lo cual permite una economía en la construcción y
mayor seguridad de funcionamiento, dado el impacto inicial del agua que han de soportar
en el momento del arranque, la fuerza centrífuga alcanzada en caso de embalamiento.

La Carcasa
Es la envoltura metálica que cubre los inyectores, el rotor y los otros elementos
mecánicos de la turbina. Su principal objetivo es evitar que el agua salpique al exterior

9. Turbinas Hidráulicas
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cuando, luego de abandonar los cangilones. En turbinas instaladas con el eje en posición
vertical, la carcasa, situada horizontalmente, tiene en su periferia unos conductos de paso
de aire a fin de lograr el adecuado equilibrio de presiones. En el caso de turbinas con el
eje horizontal, la aireación se efectúa desde la cámara de descarga.








El Eje
Esta rígidamente unido al rotor y situado adecuadamente sobre cojinetes debidamente
lubricados, transmite el movimiento de rotación al eje del generador. El número de
cojinetes instalados así como su función, radial o radial-axial, depende de las
características del grupo turbina - generador.









Turbinas Francis
Las turbinas Francis son turbinas de reacción caracterizadas por incidir el agua sobre el
rodete, al que atraviesa, en dirección radial siendo descargada en paralelo al eje de
rotación, en dirección axial, mediante su orientación en un ángulo de 90º. En la siguiente
figura se representa una turbina Francis con cámara de entrada cerrada en forma espiral.

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1) Cámara espiral, 2) Álabe móvil, 3) Rodete, 4) Codo y tubo de descarga, 5) Eje de la
turbina, 6) Generador

La admisión del agua es regulada por el distribuidor que, conjuntamente con la cámara
espiral, tiene la misión de dar al agua la velocidad y orientación más adecuadas para
entrar en el rodete. El distribuidor puede ser de álabes orientables o fijos. El más utilizado
es el de álabes orientables.

El rodete es una pieza troncocónica formada por un conjunto de paletas fijas,
denominadas álabes, cuya disposición da lugar a la formación de unos canales
hidráulicos por los que se descarga el agua turbinada. Las turbinas Francis pueden ser
instaladas en una amplia gama de aprovechamientos, abarcando caudales desde 150
L/seg hasta 40.000 L/seg en saltos entre 2 y 250 m, su rango de funcionamiento es
aceptable, pudiendo turbinar a partir del 40% del caudal nominal de la turbina.

11. Turbinas Hidráulicas
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Descripción de las Componentes Principales de una Turbina Francis
Cámara Espiral
Está constituida por la unión sucesiva de una serie de
virolas tronco-cónicas, cuyos ejes respectivos forman
una espiral. Desde el acoplamiento con la tubería
forzada la sección interior, circular en la mayoría de los
casos, va decreciendo paulatinamente hasta que
realiza el cierre de la cámara sobre sí misma, cuyo
diámetro interior se reduce considerablemente. Esta
disposición se conoce como el caracol de la turbina y debido a su diseño se consigue que
el agua circule con velocidad constante y sin formar torbellinos, evitándose pérdidas de
carga.

En la zona periférica interna y concéntrica con el eje de la turbina se encuentra una
abertura circular formando un anillo, cuyos extremos están enlazados paralelamente al eje
de la turbina por una sucesión de palas fijas equidistantes una de otra, a través del cual
fluirá el agua, esta zona es denominada pre-distribuidor de la turbina







Distribuidor
El distribuidor está formado por un determinado número de palas móviles, cuyo conjunto
constituye un anillo que está situado concéntricamente entre el pre-distribuidor y la
turbina. Su función es la de distribuir y regular, eventualmente cortar totalmente, el caudal
de agua que fluye hacia el rotor. Los elementos componentes del distribuidor son: palas
directrices, equipo de accionamiento, servomotores, anillo de distribución y bielas

12. Turbinas Hidráulicas
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Rotor
Se trata de la pieza fundamental mediante la cual se obtiene la energía mecánica
deseada. Está unido rígidamente al eje de la turbina y perfectamente concéntrica con el
distribuidor.

Consta de un núcleo central alrededor del cual se encuentra dispuesto determinado
número de palas de superficie alabeada equidistantemente repartidas y fijadas al núcleo.
Forma una pieza única hecha por fundición o soldadura sin uniones ni fijaciones
accesorias










Las palas están unidas por su parte externa inferior a un anillo que hace cuerpo con las
mismas, en su extremo superior van unidas a otro anillo el cual va sujeto al eje de la
turbina. La longitud y mayor o menor inclinación respecto al eje de la turbina de las palas
o álabes del rotor dependen del caudal, de la altura del salto y de la velocidad específica.

Experimentalmente, se ha establecido que el número de álabes del rotor debe de ser
diferente al de álabes del distribuidor, en caso contrario se producirían vibraciones al

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coincidir los espacios de ambos conjuntos. El número de álabes del distribuidor suele ser
primo, respecto al número de álabes del rotor

Difusor
También denominado cono deflector o cono de dispersión, constituye un cuerpo en forma
troncocónica con la base mayor hacia del eje, dando la apariencia de terminación de éste.
Su función consiste en dirigir el agua que sale a través de los álabes del rotor, evitando
choques entre sí y contra los propios álabes, a fin de evitar torbellinos y otros efectos
hidráulicos perjudiciales.








Tubo de Aspiración
Consiste en un conducto, normalmente acodado, que une la turbina con el canal de
desagüe, tiene como misión recuperar al máximo la energía cinética del agua a la salida
del rotor

En su unión con la turbina se trata de un conducto
metálico de sección circular que va aumentando
gradualmente de diámetro tomando forma tronco-
cónica, tramo conocido como cono de aspiración. Sigue
a continuación la zona acodada, metálica o de
hormigón, la cual continúa con sección circular o puede
hacer una transición a sección rectangular, en este caso
la conducción es generalmente de hormigón hasta el
final. En algunas turbinas, para conseguir un equilibrio de presiones entre la parte inferior
y superior del rotor, se establece una comunicación entre ambas zonas por medio de un
conducto, que partiendo del cono de aspiración permite el paso de agua, colocándose en
dicho conducto una válvula conocida como válvula de compensación

14. Turbinas Hidráulicas
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Eje
El eje de la turbina tiene ciertas peculiaridades cuando se encuentra instalado en posición
vertical, es por medio del eje de turbina, que al estar rígidamente unido mediante un
acoplamiento al eje del generador, transmite al rotor del generador el movimiento de
rotación.

En instalaciones de este tipo, es sobre el eje del generador donde se dispone del sistema
para soportar todo el peso del conjunto formado por: los ejes, el rotor del generador, la
turbina y el empuje del agua sobre los álabes de la turbina. Este sistema es el
denominado cojinete de empuje. A más del cojinete de empuje, el eje completo del
conjunto, dispone de hasta tres cojinetes guías, dos de ellos normalmente ubicados sobre
el eje del generador y un tercero sobre el eje de la turbina. En determinados casos, por
características constructivas y referidas a condiciones de peso y sustentación o de
aireación del rotor, el eje es hueco en su totalidad.

Turbinas Kaplan
Las turbinas Kaplan se adaptan óptimamente a los aprovechamientos caracterizados por
pequeños saltos, en general inferiores a 30 m, y caudales altos, la gama de
funcionamiento es muy amplia siendo capaz de turbinar hasta el 25% del caudal nominal
de la turbina. No admite muchas posibilidades de instalación reduciéndose, en la práctica,
a turbinas con eje vertical u horizontal.













1) Distribuidor , 2) Eje de la turbina, 3) Rodete, 4) Generador

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La admisión del agua es regulada por un distribuidor con funcionamiento idéntico al
instalado en las turbinas Francis. El rodete tiene forma de hélice siendo orientables los
álabes mediante un servomotor gobernado por un grupo oleohidráulico, la descarga del
agua turbinada se realiza por el tubo de aspiración acodado construido, en general, en
hormigón y con frecuencia blindado con chapa de acero.

Descripción de los Principales Componentes de las Turbinas Kaplan
El único componente de las turbinas kaplan, que podría considerarse como distinto al de
las turbinas Francis, es el rotor o rodete.
Rotor de una Turbina Kaplan
Se asemeja a la hélice de barco, esta formado por un
numero determinado de palas o álabes, de 2 a 4 para
saltos de pequeña altura y de 5 e 9 cuando los saltos son
mayores, por supuesto dentro del campo de aplicación
de las turbinas Kaplan.

En las turbinas Kaplan, todas y cada una de las palas
del rotor están dotadas de libertad de movimiento,
pudiendo orientarse dentro de ciertos límites sobre sus
asientos respectivos situados en el núcleo, llamado
también cubo del rodete, adoptando posiciones de
mayor o menor inclinación respecto al eje de la turbina
según órdenes recibidas del regulador de velocidad

Una de las características fundamentales de
las turbinas Kaplan constituye el hecho que
las palas del rotor están situadas a una cota
más baja que la cota del distribuidor, de modo
que el flujo del agua incide sobre las palas en
su parte posterior en dirección paralela al eje
de la turbina. En algunas turbinas kaplan las
palas del rotor se pueden orientar con
mecanismos accionados por motores
eléctricos y reductores de velocidad ubicados en el interior del eje, en los rotores kaplan,

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el interior del núcleo está lleno de aceite a fin de producir la estanqueidad para evitar el
paso de agua a través de los ejes de las palas

Aplicaciones de las Turbinas Hidráulicas
En las centrales hidroeléctricas, aprovechan la energía hidráulica presente en la
naturaleza para transformarla en anergia eléctrica, presentan bajos costos de
mantenimiento. No contaminan pero requieren un de inversión inicial, presentan largos
tiempos de de construcción y son específicos para el sitio donde se construyen. Entre
ellas se tiene:

Centrales de Agua Fluyente
Se construyen en el cause o al margen de los ríos y aprovechan la velocidad del agua o
corriente para la generación de energía eléctrica. En este tipo de centrales se utilizan las
turbinas de Pelton.

Centrales de Embalses
Requieren la construcción de un embalse y una tubería de alimentación a la turbina, ésta
se coloca aguas abajo con el fin de aprovechar el cabezal estático resultante

Centrales de Embalses con Reposición de Agua
Es una modificación de la anterior, consta de dos embalses; uno que alimenta la turbina y
otro en la descarga de ésta. Esta modificación se aplica cuando se presentan cargas pico
en el primer embalse. Utiliza turbinas Francis.

Centrales Mareo – Motriz
Estas aprovechan las mareas altas para llenar el embalse que provee de fluido a la
turbina. Se utilizan las turbinas Kaplan

17. Turbinas Hidráulicas
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BIBLIOGRAFÍA

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SANABRIA C, (S/F). Turbinas Kaplan. Facultad de Ingeniería Una. [Ultima visita]. 09 de
Abril de 2011. Disponible en:
http://www.ing.una.py/DIREC_PPAL/ACADEMICO/APOYO/Maquinas_Hidraulicas/PDF/M
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