Examining Graph Convergence

La maquina hidráulica es un dispositivo capaz de convertir energía hidráulica en energía mecánica; pueden ser motoras como en el caso de las turbinas, o generadoras como es el grupo de las bombas, modificando la energía total de la vena fluida que las atraviesa. En el estudio de las

turbomáquinas hidráulicas no se tienen en cuenta efectos de tipo térmico, aunque a veces habrá necesidad de recurrir a determinados conceptos termodinámicos; todos los fenómenos que se estudian serán en régimen permanente, caracterizados por una velocidad de rotación de la máquina y un caudal, constantes. 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 conocidos como rodetes ó 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, el análisis dimensional, y el estadístico.

-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.

-El método estadístico se basa en la recolección, análisis e interpretación de datos, que busca explicar condiciones regulares en fenómenos que causan incertidumbre en el diseño de este conjunto de máquinas.

Este conjunto de métodos de diseño de las maquinas de fluido de carácter hidráulico. Es en conjunto la forma de alcanzar la definición geométrica, para que en unas condiciones dadas por el tipo de fluido y sus propiedades, se alcance el diseño mas optimo para realizar la actividad de transformación.

Turbina hidráulica; la turbomáquina motora

La capacidad fundamental de la turbina hidráulica, es la producción de energía mecánica a partir de la energía cinética o de presión que posee el fluido. Esta energía que posee el agua como ya vimos, se debe a la posición que ocupa dentro del campo gravitatorio. La energía mecánica generada, en última estancia se transforma en energía eléctrica para ser consumida en las diferentes aéreas geográficas. La turbina hidráulica forma parte de los ingenios de la era moderna, pero la energía del agua ya se aprovechaba en las lindes de las cuencas mediante molinos dotados con ruedas hidráulicas. Hay que destacar que las primeras turbomáquinas que creo el hombre para su aprovechamiento fueron los molinos de agua y los molinos de viento. En la evolución de las turbomáquinas hidráulicas motoras, puede apreciarse los conceptos utilizados hoy en día para el diseño de las mismas. La necesidad de producir más energía, junto al abaratamiento de la técnica ha promovido diseños más eficaces. Llegando a crear un conjunto de maquinas con unos rendimientos excelentes, y para condiciones de utilización amplias.

Evolución de las turbinas hidráulicas

Desplazando las antiguas ruedas hidráulicas, las cuales trabajaban con bajas revoluciones y pequeños saltos y caudales, Además de su distinta concepción de las turbinas actuales, podemos decir que la primera turbina hidráulica apareció para sustituir a la rueda hidráulica, donde esta última no era capaz de operar. Fue la turbina Fourneyron en 1833 la que comenzó la fabricación de turbinas ante la demanda de más energía, y el aprovechamiento de alturas mayores. Es entonces cuando se acuña el termino turbo-inem que significa remolino, rotación. Junto a las turbinas Fourneyron convivieron en el siglo XIX. Los modelos Heuschel-Jonval, Fontaine, y Girard. Esta última fue la de más profusión de este siglo, debido a su sistema de alimentación total de acción. El siglo XIX en las turbinas hidráulicas supuso una gestación de los avances que esperaban al siglo XX, La generación eléctrica cambio por completo el concepto de diseño. Las turbinas de siglo XIX se caracterizaron por tener rendimientos de carga optima en torno al 75% pero en otras cargas excepcionalmente superaban el 50%, las velocidades de giro eran muy bajas, difícilmente superaban el medio centenar de revoluciones. Esto se traducía en una baja potencia por unidad instalada. Comenzando el siglo XX aparece la turbina Pelton, una turbomáquina motora que suministraba altas velocidades de giro, su geometría era mucho mas compacta, he introducía el concepto de los inyectores en las turbinas de acción. Le siguieron la turbina Francis en 1905, esta turbina fue la primera turbina de reacción de alta velocidad. En 1914 aparece la turbina Turgo la cual es una variación de la turbina Pelton. Seguidamente en 1915 aparece la primera turbina Kaplan, esta turbina de reacción de admisión total, desarrollo el concepto de alabes infinitos ya que la misma estaba dotada de regulación de los alabes para obtener el rendimiento optimo para cualquier estado de carga. En un breve transcurso de tiempo también apareció la Michel-Banki, turbina caracterizada por su tambor de alabes de flujo cruzado. En la última mitad del siglo XX aparece la turbina Deriaz la cual es de flujo diagonal y aprovecha características mixtas entre las turbinas Kaplan y Francis. En 1970 se aprovechan las turbinas Kaplan y hélice, para generar los grupos bulbo. Estos grupos tienen grandes ventajas como son su utilización de forma reversible turbina-bomba, y su empleo en aplicaciones alejadas de las cuencas hidrográficas como es en la energía mareomotriz. En la última década del siglo XX y lo que resta del siglo XXI, la tendencia en fabricación de turbinas se ha enfocado a realizar grupos más compactos y económicamente óptimos. Generando el campo de instalaciones de lo que conocemos como energía minihidráulica. El diseño de turbinas actualmente se centra en los tipos que aparecieron en el siglo XX, pero la técnica esta enfocada a resolver los principales problemas en maquinas hidráulicas, la cavitación, los costes de las obras civiles, y la optimización de los buenos rendimientos que posee este tipo de maquinaria. El progreso de la obtención de energía a partir de los aprovechamientos hidráulicos comenzó en el siglo XIX con unos pocos kilovatios en los mejores casos, hasta la obtención de varios cientos de megavatios en la actualidad.

3.4.5 Tipos de turbinas hidráulicas en la actualidad

La utilización de estas maquinas hoy en día esta centrada en cuatro tipos fundamentales, Las turbinas Pelton, Francis, Kaplan, y bulbo; Y de forma más limitada las turbinas Turgo, Michell- Banki, y Deriaz.

11. Figura: Tipos de turbinas hidráulicas

De los tres tipos fundamentales la que mayor difusión a tenido ha sido la turbina Francis, debido a que la variedad de saltos en los que puede operar es muy amplio; junto a la reducción de costes por Kw instalado originados por los avances introducidos en este tipo de turbina, su propia difusión a impulsado este desarrollo tecnológico. La turbina Francis esta formada por un rodete en forma de tambor en el que están distribuidos los alabes en números que oscilan entorno a los 10 y los 40 alabes. El rodete de la turbina Francis posee diferente radio de entrada y de salida, con lo que los triángulos de velocidades se definen respecto los ángulos de alabe y la velocidad tangencial en cada punto. Esta constituida entorno a una cámara espiral necesariamente ya que es una turbina de admisión total, su construcción se presenta tanto con eje vertical (Normalmente grupos grandes) como con eje horizontal (Grupos pequeños); en este último caso existe un caso excepcional que es la turbina Francis de doble cámara espiral con los rodetes comunicando la potencia al mismo eje. Al estar constituida por alabes fijos, el rendimiento ante variaciones de caudal sigue una curva muy apuntada hacia el punto optimo de operación; centrándose el diseño de esta turbina en hacer coincidir el punto optimo de operación con el punto de diseño.

Otro tipo de turbina muy extendida en la actualidad es la Turbina Pelton, esta turbomáquina esta centrada en grandes saltos con muy pequeños caudales, la cota máxima conocida en estas turbinas se encuentra en 2000 m de altura neta. Una de las grandes ventajas de estas turbomáquinas es su bajo coste por Kw instalado, así como el bajo coste de mantenimiento y la

facilidad del mismo. Esta basada en una rueda de cucharas en las que inciden uno o varios chorros de forma tangencial, el rodete a su vez se encuentra a la presión atmosférica de forma que la energía en su totalidad es cinética (Turbina de acción). El diseño hidráulico de este tipo de turbinas resulta sencillo, sin embargo la fatiga a la que esta sometido el eje así como las cucharas es compleja de estudiar. Cabe indicar que el tipo Turgo es una variación de la turbina Pelton, en la que el rodete utiliza media cuchara y el chorro incide axial – tangencial.

La turbina Kaplan por ser la turbomáquina tratada en este documento, se vera con mas profundidad; de manera que se expondrá ahora de forma elemental. El rodete de esta maquina esta diseñado como una hélice, en la cual los alabes se pueden orientar buscando en combinación con el distribuidor obtener una curva de rendimiento a diferentes caudales prácticamente plana. También existen turbinas con los alabes fijos en este caso se trata de turbinas hélices, aunque resultan similares a las turbinas Kaplan están diseñadas para trabajar con caudal y salto constante. El coste por Kw instalado es elevado debido al sistema de regulación y a la gran envergadura de estas turbomáquinas. Estas Turbinas operan con grandes caudales y reducidos desniveles, siendo habitual su instalación en centrales de agua fluyente.

La turbina bulbo es el resultado de adaptar las turbinas hélice y Kaplan a unas necesidades especificas. El objetivo de estas turbomáquinas es operar en centrales de bombeo y turbinado con pequeños desniveles. El generador se encuentra sumergido junto al rodete en el canal de carga, estando el primero alojado en una cámara de acero llamada submarino. Una novedad que incorpora el grupo bulbo es que el eje es paralelo a las líneas de flujo mejorando el rendimiento del rodete, otra novedad es que incorpora el tubo de aspiración en forma de sifón para ciertas construcciones, este sistema únicamente se puede emplear con estas turbinas. Estos sistemas son reversibles pudiendo actuar como bomba o como turbina, esto es posible ya que los alabes están diseñados para permitir la circulación cerrada. Por sus características también se han empleado en centrales mareomotrices. Su coste es elevado, sin embargo en instalaciones de mini hidráulica es un tipo de turbina muy flexible que se adapta bien a las instalaciones, por lo que han aparecido diseños basados en los grupos bulbo; que han reducido mucho los costes de este tipo de turbinas. Principales componentes de las turbinas hidráulicas

Las turbinas se caracterizan actualmente por estar formadas por muchos elementos comunes y significativos. Esta serie de elementos varían de unas turbinas a otras pero en muchos casos el principio es el mismo.

-Inyector: Es el distribuidor exclusivo de las turbinas Pelton, el objetivo de este elemento es convertir la energía de presión del fluido en energía cinética. Conforma una salida en chorro utilizando una tobera, que esta controlada con una válvula de aguja que asienta sobre la tobera. -Deflector: Sirve para evitar el golpe de ariete y el embalamiento de la turbina. Consiste en una pantalla que se encuentra entre el inyector y el rodete, que permite desviar el chorro de entrada. Resulta ser un elemento de control rápido, mientras que la regulación de la válvula de aguja es más tardía, impidiendo la respuesta ante variaciones del par resistente del generador. Este elemento también es específico de las turbinas Pelton.

-Cuchara: La concepción de los alabes de las turbinas pelton es muy distinta a los rodetes de turbinas Francis y Kaplan. Las Turbinas Pelton basadas en acción pura, tienen alabes con forma cóncava muy pronunciada, que situados en la periferia del rodete están expuestos a los chorros tangenciales de los inyectores. El objetivo de esta geometría es desviar el chorro obteniendo el máximo impulso, y permanecer expuesto al mismo de forma máxima.

-Destructor de energía: Sistema que protege la infraestructura de la maquina ante la presencia de un chorro desviado, al poseer este una gran capacidad de erosión. Algunos destructores de energía están realizados con grandes bloques de piedra o bloques de hormigón, también los hay formados por envolturas de acero con una composición alta de cromo y níquel. Este sistema también es particular de las turbinas Pelton.

-Cámara espiral: Este elemento esta presente tanto en turbinas Kaplan como en turbinas Francis, su objetivo es suministrar al rodete el fluido en forma de admisión total. De esta forma todos los alabes del rodete captan la energía del fluido de forma continua. La cámara espiral puede estar diseñada con varios tipos de secciones desde circular a trapezoidal, esta geometría responde a la forma de fabricación así como los materiales utilizados como son el acero o el hormigón armado. Según sea el caudal utilizado por la turbina, la espiral se diseña siguiendo una función exponencial para la variación del diámetro. Entre las técnicas utilizadas para la conformación en acero de este elemento se encuentra la fundición, el soldado de placas, y el roblonado que se encuentra en desuso. Para el caso de la fundición esta enfocada a micro turbinas o excepcionalmente alguna instalación de mini hidráulica. Algunas centrales de agua fluyente poseen una configuración única de la cámara espiral, ya que esta conectada con la cámara de carga directamente formando una construcción de hormigón armado.

-Distribuidor: Consiste en un sistema que permite la aceleración del fluido, transformando parte de la energía de presión en energía cinética. También se encarga de dirigir el flujo en la dirección de los alabes. Cuando es un distribuidor de alabes orientables desempeña otra función que es dirigir el flujo ante la disminución de caudal reduciendo las perdidas de rendimiento que conlleva. Este sistema es específico de las turbinas de reacción. El distribuidor según el tipo de maquina puede estar diseñado sobre generatriz cilíndrica o tronco cónica, este ultima configuración esta extendida en turbinas bulbo y en las turbinas Deriaz. El distribuidor fijo además realiza en muchas turbinas una tarea estructural evitando el aplastamiento de la cámara espiral, cuando la cámara espiral tiene gran curvatura es muy sensible a la carga del eje y el rodete si está en configuración vertical luego el distribuidor transmite esta carga hacia la cimentación. El caso mas general del mecanismo del distribuidor de alabes orientables esta basado en varios perfiles dirigidos por un sistema de bielas unidas a un anillo giratorio que es operado por un servomecanismo. En el caso de distribuidores con reducido número de perfiles, particularmente existen mecanismos pilotados individualmente. En la posición de cierre los álabes se apoyan entre sí, de manera que impiden prácticamente el paso del agua al rodete.

-Rodete: Parte móvil de la turbina donde se realiza el intercambio de energía con el fluido. El rodete es el elemento más complejo de diseñar cuando se trata de turbinas de reacción. En el caso de una turbina Pelton consiste en un cubo que tiene adosadas en su periferia una serie de cucharas, estas son diseñadas individualmente. Sin embargo las turbinas de reacción se deben diseñar el rodete respecto de dos frentes. Particularmente cada uno de los alabes y finalmente el

comportamiento del cubo de rodete o en el caso de las turbinas Francis el tambor. La adaptación del rodete a las condiciones del salto es crítica, ya que el diseño del mismo interviene directamente en la capacidad de conversión de energía. Los dos puntos de mejora de una instalación realizada son el generador y el rodete, la evolución de estas partes conlleva a un mejor aprovechamiento de los recursos hidráulicos. El rodete de turbina esta caracterizado por el comportamiento que presenta ante la dirección del flujo, la dirección del flujo en un rodete marca la forma geométrica que este tendrá, también determina junto a las condiciones de salto el numero especifico de revoluciones y por tanto el modelo primitivo en el que se basa el diseño. En la imagen podemos observar la evolución del rodete, así como la tendencia del flujo radial hacia el flujo axial.

El rodete de las turbinas hidráulicas al transformar la energía en una sola etapa formada por el rodete y el distribuidor, poseen por ello una singularidad en los triángulos de velocidades que definen la geometría del rodete, esta singularidad se manifiesta en la superposición de la velocidad absoluta y la velocidad meridional. Este solapamiento se puede presentar tanto a la salida como entrada de los alabes. Los rodetes de las turbinas Francis están diseñados a partir del concepto de alabes finitos, esto indica que la regulación de este tipo de turbinas ante variaciones del caudal, altura neta, par resistente es limitada. Luego el rendimiento ira progresivamente descendiendo a partir del punto de diseño. Sin embargo los rodetes de turbinas Kaplan no están afectados tan severamente por las variaciones hidráulicas, ya que introducen el concepto de alabes infinitos con un sistema servo mecánico de control de los alabes. También puede prescindir de la regulación de alabes, siendo de esta forma una turbina de rodete hélice, aprovechando únicamente las ventajas de un numero especifico de revoluciones alto para turbinar grandes caudales.

12. Figura: Evolución del rodete con el número especifico de revoluciones

-Cierres laberinticos: Se diseñan para minimizar las pérdidas de agua que tienen lugar en la

turbina. Estas pérdidas pueden ser de dos tipos:

--Pérdidas de cortocircuito: Se deben al flujo que circula por el intersticio entre la carcasa y el rodete en el sentido del resto del flujo entrante. Al no llegar a los álabes del rodete no se produce intercambio de energía y genera un descenso en el rendimiento.

--Pérdidas al exterior: Es el caudal que sale hacia el exterior de la carcasa, por lo que su salida no es junto al flujo principal, como ocurría en las pérdidas de cortocircuito.

Los cierres laberínticos o hidráulicos buscan minimizar las pérdidas de fuga incrementando la resistencia que el agua debe vencer para salir. Generan una resistencia de superficie al alargar el recorrido y una resistencia de forma al intrincarlo. Estos cierres constan de dos anillos de