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Las máquinas rotodinámicas o turbomáquinas aprovechan las variaciones de la energía cinética que el fluido experimenta a su paso por la máquina. Una turbina hidráulica es una turbomáquina hidráulica, en la cual el trabajo mecánico proviene de la variación de la cantidad de movimiento del agua al fluir a través de un sistema de álabes, o en otros casos una desviación y una aceleración.

2.3.1 Clasificación de las turbinas. Las turbinas hidráulicas se pueden clasificar

según diferentes criterios:

Según la variación de la presión estática a través del rodete

 Turbinas de acción o impulso. Cuando la presión estática permanece constante entre la entrada y la salida del rodete

 Turbinas de reacción. Cuando la presión estática disminuye entre la entrada y la salida del rodete.

Según la dirección del flujo a través del rodete. Este tipo de clasificación determina la forma geométrica del rodete y será precisado en función del número específico de revoluciones, y son:

 Turbinas de flujo tangencial

 Turbinas de flujo radial

 Turbinas de flujo semi-axial

 Turbinas de flujo axial

Según el grado de admisión del rodete. Considerando la alternativa de que los álabes del rodete estén sometidos parcial o simultáneamente a la acción del flujo de agua:

 Turbinas de admisión parcial.

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2.3.2 Partes de una turbina hidráulica. Los elementos fundamentales de una turbina

hidráulica son los siguientes:

2.3.2.1 El Distribuidor. Es un elemento estático, pués no posee velocidad angular y en

él no se produce trabajo mecánico. Sus funciones son:

a. Acelerar el flujo del agua al transformar total (turbinas de acción), o parcialmente (turbinas de reacción) la energía potencial del agua en energía cinética.

b. Dirigir el agua hacia el rodete, siguiendo una dirección adecuada. c. Actuar como un órgano regulador del caudal.

El distribuidor adopta diferentes formas; puede ser del tipo inyector en las turbinas de acción, o de forma radial, semi axial y axial en las turbinas de reacción.

2.3.2.2 El rodete. Llamado también rotor o rueda, este elemento es el órgano

fundamental de las turbinas hidráulicas. Consta esencialmente de un disco provisto de un sistema de álabes, paletas o cucharas, que está animado por una cierta velocidad angular.

La transformación de la energía hidráulica del salto en energía mecánica se produce en el rodete, mediante la aceleración y desviación, o por la simple desviación de flujo de agua a su paso por los álabes.

2.3.2.3 Tubo de aspiración. Este elemento muy común en las turbinas de reacción, se

instala a continuación del rodete y por lo general tiene la forma de un conducto divergente; puede ser recto o acodado y cumple las siguientes funciones:

 Recuperar la altura entre la salida del rodete y el nivel del canal de desagüe.

 Recupera una parte de la energía cinética correspondiente a la velocidad residual del agua en la salida del rodete, a partir de un diseño del tipo difusor.

2.3.3 Tipos de turbinas hidráulicas [13]. Existen dos grandes tipos de turbinas: de

acción y de reacción: a estos dos grupos corresponden las turbinas modernas que hoy en día se emplean en las centrales hidráulicas, sean estas pequeñas o grandes.

21 Turbinas de acción

 Turbinas Pelton de 1 o más inyectores.

 Turbinas Turgo.

 Turbinas Michell – Banki. Turbinas de reacción

 Bomba rotodinámica operando como turbina.

 Turbina Francis, en sus variantes: lenta, normal y rápida.

 Turbina Deriaz.

 Turbina Kaplan y de Hélice.

 Turbinas Axiales, en sus variantes tubular, bulbo y de generador periférico.

Tabla 1. Características principales de turbinas hidráulicas

TURBINA Inventor y año de patente (rpm, HP, m)rpm Q m³/s H m P kw ɳmax % A C C I Ó N

PELTON Lester Pelton (EE.UU) 1880 1Ch: 30 2Ch: 30-50 4Ch: 30-50 6Ch: 50-70 0,05 -50 30 – 1800 2 - 300000 91

TURGO Eric Crewdson

(EE.UU) 1920 60–260 0,025 – 10 15 - 300 may-00 85 MICHELL - BANKI A.G. Michell (Australia) 1903 D. Banki (Hung) 1917 – 1919 40–160 0,025 – 5 1 - 50 (200) 1 - 750 82 R E A C C I Ó N Bomba rotodinámica Dionisio Papin (Francia) 1848 30–170 0,05 - 0,25 10 - 250 5 - 500 80

FRANCIS James Francis (G. Bretaña)1848

L: 60-150 N: 150-250 R: 250-400

1 - 500 2 -750 2 - 750000 92

DERIAZ P. Deriaz (Suiza)

1956 60 - 400 500 30 - 130 100.000 92 KAPLAN y de Hélice V. Kaplan (Austria) 1912 300 - 800 1000 5 - 80 2 - 200000 93 Axiales Tubular Bulbo Generador periférico Kuhne - 1930 Hugenin - 1933 Harza – 1919 300 - 800 600 5 - 30 100.000 93

Nota. velocidad especifica; Ch: chorro; L: lento; N: normal; R: rápida

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2.3.4 Fenómenos en las turbinas hidráulicas

Los fenómenos que se pueden producir en las turbinas hidráulicas son los siguientes: Velocidad de embalamiento. Se entiende por velocidad de embalamiento, cuando la turbina descargada con el distribuidor abierto, suele ser 1,8 a 2,2 veces la velocidad de régimen según el tipo de turbina. Si se supone a la turbina en régimen estacionario (funcionamiento normal) y por cualquier circunstancia desaparece la carga y el regulador no actúa, la turbina se acelera.

Cavitación. Consiste en la formación, dentro de las masas líquidas, de espacios huecos o cavidades llenas de gas o vapor, producidas por una vaporización local debido a acciones dinámicas. Técnicamente, el fenómeno es más complejo, y se debe a reducciones de presión dentro del seno de los líquidos, cuando se mueven a grandes velocidades, manteniendo la temperatura ambiente, condiciones que favorecen la vaporización.

Golpe de ariete. Al interrumpir con rapidez la corriente de un líquido que circula con cierta velocidad a través de un conducto, se producen fuertes variaciones de presión sobre las paredes interiores de éste y del elemento que corta el caudal suministrado como consecuencia del cambio brusco en el movimiento del líquido. Además de las deformaciones motivadas por las sobre presiones y depresiones mencionadas, se presentan vibraciones y otros efectos perjudiciales que pueden ocasionar roturas, aplastamientos y otros desperfectos en la tubería.

Efecto ventilante. Se produce dentro de la carcasa, cuando se tiene un espacio muy grande entre la carcasa y el rodete, en este caso funcionara como ventilador, este aire frenara al rodete de la turbina por falta de una buen diseño de la carcasa.