TURBOMÁQUINAS HIDRÁULICAS CONCEPTO Y CLASIFICACION 

Definición. Introducción al estudio teórico de las turbomáquinas

Las turbomáquinas hidráulicas son aquellas máquinas de fluido cuyo principio de funcionamiento responde a la variación de momento cinético del fluido a su paso por los conductos de un órgano denominado rotor, dotado de alabes o paletas. 

De la definición dada, se puede extraer que el rotor o rodete es el órgano en el que máquina y fluido intercambian energía, constituyendo así la parte fundamental de la turbomáquina. El resto de los conductos que el fluido atraviesa en el interior de la máquina son canales fijos, en los que no se produce intercambio de energía, que bien actúan como conductores o guías, o bien transforman un tipo de energía en otro, a fin de disminuir perdidas en las conducciones. El estudio teórico del flujo fluido en dichos canales fijos y móviles ha de hacerse atendiendo a las leyes de la Mecánica de Fluidos. En los conductos fijos, el movimiento puede considerarse permanente y para su estudio se toma la ecuación de la energía mecánica para flujos incompresibles. En el rotor, es el flujo relativo el que, sometido a rotación uniforme con respecto a un sistema de referencia fijo a tierra, se supone estacionario. En los conductos del rotor, el fluido ejerce una fuerza resultante sobre los ´alabes que se puede calcular por aplicación de la ecuación de conservación de cantidad de movimiento al volumen de control definido por el volumen de fluido contenido en el rotor. El par en el eje de la resultante de dicha fuerza se determina con ayuda de teorema de conservación de momento cinético, resultando la expresión conocida como Ecuación de Euler, la cual proporciona la energía intercambiada en la máquina. Por ello, una definición de turbomáquina análoga a la dada al comienzo de esta sección sería: aquella máquina de fluido cuyo principio de funcionamiento se basa en la ecuación de Euler de las turbomáquinas.

En una máquina hidráulica, el agua intercambia energía con un dispositivo mecánico de revolución que gira alrededor de su eje de simetría; éste mecanismo lleva una o varias ruedas, (rodetes o rotores), provistas de álabes, de forma que entre ellos existen unos espacios libres o canales, por los que circula el agua. Los métodos utilizados para su estudio son, el analítico, el experimental y el análisis dimensional. 

El método analítico se fundamenta en el estudio del movimiento del fluido a través de los álabes, según los principios de la Mecánica de Fluidos. 

El método experimental, se fundamenta en la formulación empírica de la Hidráulica, y la experimentación. 

El análisis dimensional ofrece grupos de relaciones entre las variables que intervienen en el proceso, confirmando los coeficientes de funcionamiento de las turbomáquinas, al igual que los diversos números adimensionales que proporcionan información sobre la influencia de las propiedades del fluido en movimiento a través de los órganos que las componen.

Clasificación 

En la figura 2.1 se muestran los diferentes tipos en los que se clasifican las maquinas hidráulicas.

La naturaleza de la energía intercambiada entre el fluido y la máquina varía según el tipo de máquina hidráulica considerada. Así, mientras las maquinas gravimétricas intercambian solo energía potencial gravitatoria, las máquinas de desplazamiento positivo conllevan transferencia únicamente en forma de energía de presión. En los canales del rotor de una turbomáquina, se pone en juego tanto energía de presión como cinética en proporción variable, como se ver a, en función de la máquina.

Reduciendo nuestro interés únicamente a las turbomáquinas, estas admiten diversas clasificaciones atendiendo a diferentes criterios. Se citan a continuación los más importantes: 

• Según la dirección del flujo en el rodete, se distinguen cinco tipos: 
• Radiales 
• Axiales 
• Diagonales 
• Tangenciales 
• De flujo cruzado 
• Según el modo de admisión, se tienen: 
• Turbomáquinas de admisión total. El fluido inunda por completo el rotor, estando este presurizado. 
• Turbomáquinas de admisión parcial. Solo unos cuantos alabes del rotor están bañados por el fluido en cada instante. En la práctica, no existen turbomáquinas generadoras de admisión parcial. 
• Según el grado de reacción: 
• Turbomáquinas de reacción. Máquina y fluido intercambian energía de presión. Son máquinas de admisión total. 
• Turbomáquinas de acción, también llamadas de impulso. El intercambio de energía se realiza a presión atmosférica. Por tanto, entre máquina y fluido solo se permuta energía cinética. Son máquinas de admisión parcial. 
• Según la orientación del eje 
• Horizontal – Vertical 
• Inclinado 
• Según el número de revoluciones específico 
• Lentas 
• Normales 
• Rápidas 
• Muy rápidas o extrarrapidas

Según el fluido de trabajo: 

Turbomáquinas Hidráulicas (TH). Fluido incompresible o liquido ( ρ = cte.) 

Turbomáquinas Térmicas (TT). Fluido compresible o gas ( ρ = cte.)

Según la dirección del intercambio de energía entre fluido y rodete:

Turbomáquinas Generadoras (TG).

Son aquellas que añaden energía a un fluido. La energía mecánica absorbida por la máquina en el eje se restituye al fluido y este sale con más presión y energía cinética que la que tenía a la entrada.

Turbomáquinas Motoras (TM).

Son aquellas que extraen energía del fluido. En estas el fluido suministra a la máquina una energía preferiblemente de presión proveniente por ejemplo de la energía geodésica que poseía en el embalse y que a su vez la maquina (turbina) transforma en energía mecánica.

 

Son aquellas que extraen energía del fluido. En estas el fluido suministra a la máquina una energía preferiblemente de presión proveniente por ejemplo de la energía geodésica que poseía en el embalse y que a su vez la maquina (turbina) transforma en energía mecánica. 

Donde: EM = energía mecánica EP = energía de presión

Las Turbomáquinas Hidráulicas Generadoras (THG) son las Bombas y los Ventiladores. El fluido de trabajo en un ventilador es aire; sin embargo, el incremento de presión que experimenta el aire a través de la máquina es muy bajo por lo que se puede aproximar como un fluido incompresible (ρ = cte.). Las bombas se emplean para impulsar toda clase de líquidos (agua, aceites de lubricación, combustibles, ácidos; líquidos alimenticios: cerveza, leche, etc.; estas últimas constituyen el grupo importante de las bombas sanitarias). También se emplean las bombas para bombear líquidos espesos con sólidos en suspensión, como pastas de papel, melazas, fangos, desperdicios, etc. Los ventiladores por su parte se necesitan para distribuir aire por el equipo a través de la ductería hasta los recintos que deben tener aire acondicionado.

Las Turbomáquinas Térmicas Generadoras (TTG) son los Compresores. Los ventiladores, sopladores y compresores se utilizan para aumentar la presión del aire y mover éste u otros gases. Las diferencias básicas entre ellos se hallan en su forma y las presiones que pueden desarrollar gracias a ese diseño. Un ventilador se diseña para operar contra presiones estáticas pequeñas, hasta 2.0 𝑙𝑏/𝑝𝑢𝑙𝑔P 2 (13.8 𝐾𝑃𝑎). Las presiones típicas de operación para ventiladores son desde 0 hasta 1.5 𝐾𝑃𝑎. A presiones desde 2.0 𝑙𝑏/𝑝𝑢𝑙𝑔P 2 hasta aproximadamente 10.0 𝑙𝑏/𝑝𝑢𝑙𝑔P 2 (69 𝐾𝑃𝑎), el dispositivo que genera el movimiento del gas se le llama soplador. Para desarrollar altas presiones, tan altas como algunos miles de 𝑙𝑏/𝑝𝑢𝑙𝑔P 2 , se utilizan compresores.

Las Turbomáquinas Hidráulicas Motoras (THM) son las Turbinas Hidráulicas: Pelton, Francis, Kaplan o Axial. Estas turbinas dominan la generación de energía eléctrica aprovechando los saltos de agua correspondientes a algunos metros, hasta centenares o miles de metros de desnivel.

Las Turbomáquinas Térmicas Motoras (TTM) son las Turbinas de Gas, donde el fluido de trabajo es un gas producto de combustión y las Turbinas de Vapor, donde el fluido de trabajo es vapor de agua sobrecalentado. Las turbinas de gas y de vapor se usan también para generar electricidad. Las turbinas de gas tienen aplicación en la propulsión aérea para producir el empuje que equilibre la resistencia al avance de las aeronaves. 

En las Turbomáquinas existen canales móviles de flujo en el rotor o impulsor y canales fijos de flujo en el estator. Los canales fijos y móviles en TG actúan como difusores para la velocidad absoluta y relativa respectivamente- En TM los canales fijos y móviles actúan como toberas para la velocidad absoluta y relativa respectivamente.

Una etapa se define como la pareja de un rotor y un estator. La Fig. 1.7 muestra la conformación de una etapa en Turbomáquinas Generadoras y Motoras.

Según la variación de presión estática en los alabes: 

De acción. El aumento o reducción de la presión ocurre solamente en los canales fijos del estator. 

De reacción. El aumento o reducción de la presión ocurre tanto en los canales móviles del rotor como en los canales fijos del estator. 

El grado de reacción de una turbomáquina es la fracción de trabajo intercambiado con el fluido que es trabajo de presión que absorbe o cede el fluido. El trabajo total intercambiado es la suma de la energía dinámica y la energía de presión. Las turbomáquinas en que el grado de reacción es igual a cero se llaman de acción. Todas las bombas y los compresores son de reacción; las bombas y compresores de acción no suelen construirse. 

Las turbinas hidráulicas de acción constituyen la clase especial de las turbinas Pelton. También se construyen turbinas de vapor de impulso. Según la dirección del flujo con respecto al eje:

En la máquina radial la velocidad en ningún punto del rodete tiene componente axial (según el eje z); sólo tiene dos componentes: tangencial y radial.

En la máquina axial la velocidad en ningún punto tiene componente radial (según el eje r); sólo tiene dos componentes: axial y periférica. 

En la máquina de flujo mixto o radio-axial velocidad tiene tres componentes según los tres ejes. En ninguna máquina falta la componente tangencial de la velocidad, cuya variación a su paso por la máquina es esencial en la transmisión de la energía. 

Las turbinas hidráulicas Pelton constituyen una clase especial, porque en ellas el flujo es meramente tangencial. 

Las turbinas de vapor de las centrales térmicas modernas son máquinas axiales. 

Las turbinas hidráulicas son rara vez radiales. La turbina Francis frecuentemente es de flujo mixto. La turbina Kaplan es de flujo axial. 

La bomba centrífuga es una turbomáquina de tipo radial con flujo de adentro hacia afuera, presentando por lo general un área de paso reducida en relación con el diámetro del rotor o impulsor, con objeto de obligar al fluido a hacer un recorrido radial largo y aumentar la acción centrífuga, a fin de incrementar la carga estática, que es lo que generalmente se pretende con este tipo de bomba, aunque el caudal en parte se sacrifique.

RUEDAS HIDRÁULICAS.

Las ruedas hidráulicas son máquinas capaces de transformar la energía del agua, cinética o potencial, en energía mecánica de rotación. En ellas, la energía potencial del agua se transforma en energía mecánica, como se muestra en la Fig I.1c, o bien, su energía cinética se transforma en energía mecánica, como se indica en las Figs I.1a.b.

Su diámetro decrece con la altura H del salto de agua. Los cangilones crecen con el caudal. Los rendimientos son del orden del 50% debido a la gran cantidad de engranajes intermedios. El numero de rpm es de 4 a 8. . Las potencias son bajas, y suelen variar entre 5 y 15 kW, siendo pequeñas si se las compara con las potencias de varios cientos de MW conseguidas en las turbinas.

TURBINAS HIDRÁULICAS.

Una turbomáquina elemental o monocelular tiene, básicamente, una serie de álabes fijos, (distribuidor), y otra de álabes móviles, (rueda, rodete, rotor). La asociación de un órgano fijo y una rueda móvil constituye una célula; una turbomáquina monocelular se compone de tres órganos diferentes que el fluido va atravesando sucesivamente, el distribuidor, el rodete y el difusor. 

El distribuidor y el difusor (tubo de aspiración), forman parte del estator de la máquina, es decir, son órganos fijos; así como el rodete está siempre presente, el distribuidor y el difusor pueden ser en determinadas turbinas, inexistentes. 

El 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. 

El 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. Atendiendo a que la presión varíe o no en el rodete, las turbinas se clasifican en:

En las 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. 

En las 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. 

El 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; si por razones de explotación el rodete está instalado a una cierta altura por encima del canal de fuga, un simple difusor cilíndrico permite su recuperación, que de otra forma se perdería. Si la turbina no posee tubo de aspiración, se la llama de escape libre.

En las turbinas de acción, el empuje y la acción del agua, coinciden, mientras que en las turbinas de reacción, el empuje y la acción del agua son opuestos. Este empuje es consecuencia de la diferencia de velocidades entre la entrada y la salida del agua en el rodete, según la proyección de la misma sobre la perpendicular al eje de giro.

Atendiendo a la dirección de entrada del agua en las turbinas, éstas pueden clasificarse en:

En las axiales, (Kaplan, hélice, Bulbo), el agua entra paralelamente al eje, tal como se muestra en la Fig I.3a. 

En las radiales, el agua entra perpendicularmente al eje, Fig I.3.b, siendo centrífugas cuando el agua vaya de dentro hacia afuera, y centrípetas, cuando el agua vaya de afuera hacia adentro, (Francis). 

En las mixtas se tiene una combinación de las anteriores. 

En las tangenciales, el agua entra lateral o tangencialmente (Pelton) contra las palas, cangilones o cucharas de la rueda, Fig I.3.c.

DESCRIPCIÓN SUMARIA DE ALGUNOS TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS

TURBINAS DE REACCIÓN 

Turbina Fourneyron (1833), Fig I.4, en la que el rodete se mueve dentro del agua. Es una turbina radial centrífuga, lo que supone un gran diámetro de rodete; en la actualidad no se construye. 

Turbina Heuschel-Jonval, Fig I.5, axial, y con tubo de aspiración; el rodete es prácticamente inaccesible; en la actualidad no se construye.

Turbina Francis (1849), Fig I.6; es radial centrípeta, con tubo de aspiración; el rodete es de fácil acceso, por lo que es muy práctica. Es fácilmente regulable y funciona a un elevado numero de revoluciones; es el tipo más empleado, y se utiliza en saltos variables, desde 0,5 m hasta 180 m; pueden ser, lentas, normales, rápidas y extrarápidas. 

Turbina Kaplan (1912), Fig I.7; las palas del rodete tienen forma de hélice; se emplea en saltos de pequeña altura, obteniéndose con ella elevados rendimientos, siendo las palas orientables lo que implica paso variable. Si las palas son fijas, se denominan turbinas hélice. 

TURBINAS DE ACCIÓN.

Estas turbinas se empezaron a utilizar antes que las de reacción; entre ellas se tienen: 

Turbina Zuppinger (1846), con rueda tangencial de cucharas 

Turbina Pelton, Fig I.8, es tangencial, y la más utilizada para grandes saltos

Turbina Schwamkrug, (1850), radial y centrífuga, Fig I.9 

Turbina Girard, (1863), Fig I.10, axial, con el rodete fuera del agua; mientras el cauce no subía de nivel, trabajaba como una de acción normal, mientras que si el nivel subía y el rodete quedaba sumergido, trabajaba como una de reacción, aunque no en las mejores condiciones; en la actualidad no se utiliza.

Turbina Michel, o Banki,Fig I.11; el agua pasa dos veces por los álabes del rodete, construido en forma de tambor; se utiliza para pequeños y grandes saltos.

Definición de los elementos constructivos comunes. 

Toda turbomáquina consta de las siguientes partes fundamentales (ver Fig. 1.1): Eje. Transporta la energía mecánica hacia o desde la máquina.

Rotor o impulsor. Rueda con paletas o alabes que rota solidaria con el eje, a través del cual fluye el fluido continuamente intercambiando energía por medio del principio de conservación de cantidad de movimiento angular.

Estator. Corona con paletas o alabes fijos a la carcaza. No existe intercambio de energía con el fluido. Su función es controlar la dirección del fluido y transformar la velocidad del fluido a presión o viceversa. 

Carcaza. Envolvente de la máquina. Puede actuar como Estator sin alabes en máquinas radiales y mixtas.