Turbina Pelton
Turbina Pelton de la central hidroelctrica de Walchensee en
Alemania. Una turbina Pelton es una de las ms eficientes tipos de
turbinas hidrulicas.
FuncionamientoLa tobera o inyector lanza directamente el chorro
de agua contra la serie de paletas en forma de cuchara montadas
alrededor del borde de una rueda. Cada paleta invierte el flujo de
agua, disminuyendo su energa. El impulso resultante hace girar la
turbina. Las paletas se montan por pares para mantener equilibradas
las fuerzas en la rueda. La turbina Pelton es un tipo de turbina de
impulso y es la ms eficiente en aplicaciones donde se cuenta con un
gran desnivel de agua. Dado que el agua no es un fluido
compresible, casi toda la energa disponible se extrae en la primera
etapa de la turbina. Por lo tanto, la turbina Pelton tiene una sola
rueda, al contrario de las turbinas que operan con fluidos
compresibles.
HistoriaLester Allan Pelton, carpintero y montador de ejes y
poleas, invent la turbina Pelton en 1879 mientras trabajaba en
California. Obtuvo su primera patente en 1880.
Una historia dice que Pelton invent su rueda cuando se fij en
cmo el agua salpicaba fuera de las fosas nasales de una vaca
mientras esta beba de un chorro de agua. Otra historia indica que
se inspir en una noria en la que rbol se haba aflojado mientras
estaba trabajando en l. El chorro de agua golpe el borde de la
paleta de la noria e invirti su direccin (en lugar de llenar la
paleta). Pelton observ un incremento en la velocidad de la
desalineada rueda.
AplicacionesExisten turbinas Pelton de todos los tamaos. Hay
turbinas de varias toneladas montadas en vertical sobre cojinetes
hidrulicos en las centrales hidroelctricas. Las turbinas Pelton ms
pequeas, solo de unos pocos centmetros, se usan en equipamientos
domsticos. En general, a medida que la altura de la cada de agua
aumenta, menor volumen de agua puede generar la misma potencia. La
energa es la fuerza por la distancia y por lo tanto presiones ms
altas pueden aplicar la misma fuerza con menor caudal msico. Cada
instalacin tiene por lo tanto su propia combinacin de presin,
velocidad y volumen de funcionamiento ms eficiente. Usualmente las
pequeas instalaciones usan paletas estandarizadas y adaptan la
turbina a una de las familias de generadores y ruedas adecuando
para ello las canalizaciones. Las pequeas turbinas se pueden
ajustar algo variando el nmero de toberas y paletas por rueda y
escogiendo diferentes dimetros por rueda. Las grandes instalaciones
de encargo disean el par torsor y volumen de la turbina para hacer
girar un generador estndar.
Turbina Francis
Rodete de una turbina Francis. La turbina Francis fue
desarrollada por James B. Francis. Se trata de una turbina de
reaccin de flujo interno que combina conceptos tanto de flujo
radial como de flujo axial. Las turbinas Francis son turbinas
hidrulicas que se pueden disear para un amplio rango de saltos y
caudales, siendo capaces de operar en rangos de desnivel que van de
los diez metros hasta varios cientos de metros. Esto, junto con su
alta eficiencia, ha hecho que este tipo de turbina sea el ms
ampliamente usado en el mundo, principalmente para la produccin de
energa elctrica mediante centrales hidroelctricas.
DesarrolloLas norias y turbinas hidrulicas han sido usadas
histricamente para accionar molinos de diversos tipos, aunque eran
bastante ineficientes. En el siglo XIX las mejoras logradas en las
turbinas hidrulicas permitieron que, all donde se dispona de un
salto de agua, pudiesen competir con la mquina de vapor.
En 1826 Benoit Fourneyron desarroll una turbina de flujo externo
de alta eficiencia (80%). El agua era dirigida tangencialmente a
travs del rodete de la turbina provocando su giro. Alrededor de
1820 Jean V. Poncelet dise una turbina de flujo interno que usaba
los mismos principios, y S. B. Howd obtuvo en 1838 una patente en
los EE.UU. para un diseo similar. En 1848 James B. Francis mejor
estos diseos y desarroll una turbina con el 90% de eficiencia.
Aplic principios y mtodos de prueba cientficos para producir la
turbina ms eficiente elaborada hasta la fecha. Ms importante, sus
mtodos matemticos y grficos de clculo mejoraron el estado del arte
en lo referente al diseo e ingeniera de turbinas. Sus mtodos
analticos permitieron diseos seguros de turbinas de alta
eficiencia.
Teora de operacin
labes directores (en color amarillo) configurados para mnimo
caudal (vista interior).
labes directores (en color amarillo) configurados para mximo
caudal (vista interior). La turbina Francis es una turbina de
reaccin, lo cual significa que el fluido cambia de presin a medida
que se desplaza a travs de la turbina, perdiendo su energa. Se
necesita una carcasa para contener el caudal de agua. La admisin
tiene forma de espiral. Los labes directores dirigen el agua
tangencialmente hacia el rodete. Este flujo radial acta sobre los
labes del rodete, causando que este gire. Los labes directores,
tambin conocidos como labes giratorios, distribuidores o wicket
gate (en ingls) pueden ser ajustables para permitir un
funcionamiento eficiente en un rango amplio de condiciones del
caudal de agua. A medida que el agua se mueve a travs del rodete su
radio de giro disminuye, actuando sobre l. Imagnese una bola
girando por dentro una cuerda alrededor de un crculo. Si se empuja
la cuerda para hacerla ms corta, la bola gira ms rpido. Esta
propiedad ayuda a las turbinas de flujo interno a extraer la energa
del agua. En la salida, el agua acta sobre unas caractersticas
tazas situadas en el rodete, dejndola sin remolinos y con muy poca
energa cintica o potencial. El tubo de salida tiene una forma
especialmente diseada para ayudar a decelerar el fujo de agua y
recuperar energa cintica.
Rodete de una turbina Francis, Presa Grand Coulee.
Espiral de entrada de una turbina Francis, Presa Grand
Coulee.
[editar] AplicacionesLas grandes turbinas Francis se disean de
forma individual para cada emplazamiento, a efectos de lograr la
mxima eficiencia posible, habitualmente ms del 90%. Son muy
costosas de disear, fabricar e instalar, pero pueden operar durante
dcadas. Adicionalmente a la produccin de electricidad, pueden ser
usadas para el bombeo y almacenamiento hidroelctrico, donde un
embalse superior es llenado por la turbina (en este caso
funcionando como bomba) durante los perodos de baja demanda
elctrica, y luego es usada como turbina para generar energa durante
los perodos de alta demanda elctrica. Se fabrican microturbinas
Francis baratas para la produccin individual de energa para saltos
mmimos de 3 metros.
Turbina KaplanDe Wikipedia, la enciclopedia libreSaltar a
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Una turbina Kaplan vertical Las turbinas Kaplan son turbinas de
agua de reaccin de flujo axial, con un rodete que funciona de
manera semejante a la hlice de un barco. Se emplean en saltos de
pequea altura. Las amplias palas o labes de la turbina son
impulsadas por agua a alta presin liberada por una compuerta. Los
labes del rodete en las turbinas Kaplan son siempre regulables y
tienen forma de una hlice, mientras que los labes de los
distribuidores pueden ser fijos o regulables. Si ambos son
regulables, se dice que la turbina es una turbina Kaplan verdadera;
si solo son regulables los labes del rodete, se dice que la turbina
es una turbina SemiKaplan. Las turbinas Kaplan son de admisin
radial mientras que las semi-Kaplan puede ser de admisin radial o
axial. Para su regulacin, los labes del rodete giran alrededor de
su eje, accionados por unas manijas, que son solidarias de unas
bielas articuladas a una cruceta, que se desplaza hacia arriba o
hacia abajo por el interior del eje hueco de la turbina. Este
desplazamiento es accionado por un servomotor hidrulico, con la
turbina en movimiento. Las turbinas de hlice se caracterizan porque
tanto los alabes del rodete como los del distribuidor son fijos,
por lo que solo se utilizan cuando el caudal y el salto son
prcticamente constantes.
