Tipos de turbinas y sus aplicaciones

La información de ésta sección ha sido extraída del libro: "Mecánica de Fluidos Incompresibles y Turbomáquinas Hidráulicas", del Catedrático Profesor D. José Agüera Soriano, perteneciente al departamento de Química Física, y Termodinámica Aplicada (Área de Máquinas y Motores Térmicos) de la Universidad de Córdoba. Sin duda alguna el mejor libro de mecánica de fluidos y máquinas hidráulicas. Para todos aquellos que necesiten profundizar en estos temas, recomiendo su adquisición y consulta.

Una turbomáquina consta fundamentalmente de una rueda de alabes, rodete, que gira libremente alrededor de un eje cuando pasa un fluido por su interior. La forma de los alabes es tal que cada dos consecutivos forma un conducto que obliga al flujo a variar su cantidad de movimiento, lo que provoca una fuerza, esta fuerza al desplazarse el alabe provoca un trabajo. La clasificación fundamental de una turbina (convierte la energía del flujo en una energía mecánica en el eje, lo contrario seria una bomba) es las de acción y las de reacción.

·     Turbinas de acción: Se llaman así cuando la transformación de la energía potencial en energía cinética se produce en los órganos fijos anteriores al rodete (inyectores o toberas). En consecuencia el rodete solo recibe energía cinética. La presión a la entrada y salida de las cucharas (o alabes) es la misma e igual a la atmosférica.

·    Turbinas de reacción: Se llama así (en el caso de pura) cuando se transforma la energía potencial en cinética íntegramente en el rodete. Este recibe solo energía potencial. La presión de entrada es muy superior a la presión del fluido a la salida. Esto ocurre en un aspersor. En la realidad no se ha desarrollado este tipo de turbina industrialmente. Se llaman así aun que habría que considerarlas como un tipo mixto.

Otra clasificación muy distinta es en función de la dirección del flujo en el rodete, lo que puede hacer que clasifiquemos a las turbomáquinas en:

·         Axiales: El desplazamiento del flujo en el rodete es paralelo al eje. Es axial y tangencial (giro).

·         Radiales: El desplazamiento en el rodete es perpendicular al eje. No tiene componente axial.

·         Mixtas: Tiene componente Axial, radial y tangencial.

En la actualidad, las turbinas que dominan el campo en las centrales hidroeléctricas son:

·         Pelton                    (de acción)

·         Francis                   (de reacción)

·         Hélice y Kaplan      (de reacción)

·         Bulbo                     (de reacción)

El rendimiento de todas ellas supera el 90%. Podemos comparar sus rendimientos en función con el porcentaje del caudal nominal para las que fueron diseñadas.

La potencia de la instalación vendrá determinada por la altura del salto y por el caudal del que se disponga en dicho salto, esto es, podemos conseguir potencia o por la altura o por el caudal, como podemos comprobar:

Para todas las turbinas hidráulicas que son geométricamente semejantes se mantiene constante la relación entre la potencia de salida y la altura del salto, a esta constante,  que diferencia a una familia de turbinas con otras se les llama velocidad especifica n_s.

La velocidad especifica n_s de las turbinas es el parámetro clave para fijar el tipo de turbina y su diseño, viene expresada por la siguiente ecuación:

En el gráfico podemos comprobar como la potencia en una turbina Pelton se consigue más por la altura que por el caudal. La altura de los saltos característicos para estas turbinas varían entre los 100 y 2000 metros. Su velocidad especifica n_s resulta baja entre 10 y 30 con un solo inyector.

Las turbinas Francis, siguen en utilización a las Pelton. Han evolucionado desde un paso del flujo a través del rodete casi radial a un paso casi axial, adaptándose bien a alturas de entre 30 y 550 metros a una gran variedad de caudales. Sus velocidades especificas están entre n_s 75 y 400.

Las turbinas hélice son una prolongación de las Francis en las que el flujo a su paso por el rodete es totalmente axial. En las turbinas hélice los alabes del rodete son fijos, en cambio en la Kaplan estos cambian automáticamente de posición, buscando que el agua entre tangente a los mismos sea cual fuere la demanda de carga de la central. La turbina Kaplan se adapta de pequeñas alturas y grandes caudales. Las alturas varían entre los 4 y 90 metros y su velocidad especifica n_s esta comprendida entre los 300 y 900.

Finalmente, la demanda creciente de energía obliga al diseño de toda clase de aprovechamiento (menores alturas y mayores caudales, aparece entonces la turbina bulbo, capaz de aprovechar saltos de entre 1 u 15 metros de altura. Con ella el campo de aplicación de las turbinas aumenta hasta n_s 1150.