TURBINAS PELTONEste tipo de turbina fue creada y patentada en 1889 por el norteamericano Lester Allan Pelton. El principio de funcionamiento es relativamente simple, ya que constituye una evolucin lgica de la antigua rueda hidrulica.Posee las mejores caractersticas para grandes alturas, y desde luego es la nica mquina capaz de funcionar con alturas superiores a 1.700 m. Son notables su suavidad de giro y su buen funcionamiento a carga parcial. En la figura se muestra la disposicin tpica de una turbina Pelton. La tobera lanza a la atmsfera un chorro de alta velocidad que incide sobre una serie de cucharas o labes montados en la periferia de una rueda. El par ejercido por el impacto y la desviacin del chorro provoca el giro de la rueda. Una vez transmitida su energa a la rueda, el agua sale de los labes a velocidad relativamente baja y es dirigida hacia el canal de desage. Por tanto, la turbina ha de estar colocada a suficiente altura sobre el nivel mximo de crecida para asegurar el derrame libre. En la turbina Pelton actual, la energa cintica del agua, en forma de chorro libre, se genera en una tobera colocada al final de la tubera a presin. La tobera est provista de una aguja de cierre para regular el gasto, constituyendo en conjunto, el rgano de alimentacin y de regulacin de la turbina. Encuentra justa aplicacin la turbina Pelton, en aquellos aprovechamientos hidrulicos donde la ponderacin de la carga es importante respecto al caudal.La velocidad especfica es baja, entre 10 y 60 en el sistema mtrico y entre 2y 12 en el sistema ingles aproximadamente, siendo preferibles valores centrales entre estos lmites por razones del rendimiento, el cual es del orden del 90% y se conserva bastante bien a carga parcial. Entre las turbinas Pelton mas grandes instaladas hasta el momento se encuentran las de Mont- Cenis (Alpes franceses) de 272000 HP cada una, bajo870 m de carga. ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE TURBINAS PELTON.Una instalacin tpica de Turbinas Pelton consta de los siguientes elementos: 1-. Codo de entrada.2-. Inyector: transforma la energa de presin en energa cintica. La velocidad del chorro a la salida del inyector en algunas instalaciones llega a 150 m/seg y an ms consta de tobera y vlvula de aguja.3-. Tobera.4-. Vlvula de Aguja.5-. Servomotor.6-. Regulador.7-. Mando del deflector.8-. Deflector o pantalla deflectora9-. Corro.10-. Rodete.11-. labes o cucharas.12-. Freno de la turbina.13-. Blindaje.14-. Destructor de energaCLASIFICACIN DE TURBINAS PELTON.La clasificacin ms general que puede hacerse de las turbinas Pelton es en tipos de eje horizontal y tipos de ejes vertical:1-. Turbinas Pelton de Eje Vertical: En este tipo de turbinas Pelton el nmero de chorros por rueda se reduce generalmente a uno o dos, por resultar complicada la instalacin en un plano vertical de las tuberas de alimentacin y las agujas de inyeccin. Este sistema de montaje encuentra aplicacin en aquellos casos donde se tienen aguas sucias que producen deterioros o notable accin abrasiva.Con el eje horizontal se hace tambin posible instalar turbinas gemelas para un solo generador colocado entre ambas, contrarrestando empujes axiales.2-.Turbinas Pelton de Eje Horizontal: En este tipo de turbinas Pelton se facilita la colocacin del sistema de alimentacin en un plano horizontal, lo que permite aumentar el nmero de chorros por rueda (4 a 6); con esto se puede incrementar el caudal y tiene mayor potencia por unidad. Se acorta la longitud del eje turbina- generador; se amenguan las excavaciones; se puede disminuir el dimetro de rueda y aumentar la velocidad de giro, se reduce en fin el peso de la turbina por unidad de potencia. Esto hace que la utilizacin de esta disposicin en turbinas Pelton sea ms ventajosa que la disposicin horizontal. Su aplicacin es conveniente en aquellos casos donde se tienen aguas limpias que no produzcan gran efecto abrasivo sobre los alabes e inyectores, debido a que la inspeccin y las reparaciones con este montaje se hacen ms difciles.Por otra parte, las turbinas Pelton se clasifican tambin en sencillas (un rodete y un chorro) y mltiples. Las turbinas Pelton se multiplican por el nmero de chorros, llamndose Pelton doble, triple, etc. Las turbinas Pelton sxtuples (1 rodete de eje vertical y 6 chorros) cayeron un tiempo en desuso, por la complicacin que entraa su duodcuple regulacin (6inyectores y 6 pantallas deflectoras y por tanto, 12 servomotores)EL ROL DE LA RUEDA Y LOS LABES EN LA TURBINA PELTONEl rodete o rueda Pelton, como se muestra en la figura, est constituido por un disco de acero con alabes perifricos en forma de doble cuchara. Estos pueden estar fundidos en el disco en una sola pieza o individualmente, sujetndose despus al disco por medio de bulones. El dimetro de la rueda suele ser grande, quedando determinado por la necesidad de instalar el nmero requerido de labes de dimensiones apropiadas y evitar al mismo tiempo las salpicaduras. Por tanto, depender del dimetro del chorro; la relacin entre el dimetro dela rueda y el dimetro del chorro, suele oscilar entre 10 y 14. Generalmente el montaje es horizontal resultando a veces econmico el montaje gemelo de dos ruedas Pelton, una a cada lado del alternador.RUEDA PELTON. Por otra parte, la fundicin por separado de disco y alabes ha sido la forma ms tradicional, ya que no solo se facilita la construccin (fundicin, maquinado y pulido de piezas) sino que tambin hace posible la reposicin de cucharas averiadas por la erosin. Sin embargo, modernamente se advierte una gran tendencia a fundir el disco y alabes en una sola pieza, sobre todo cuando se trata de ruedas de alta velocidad especifica. Se consigue con este procedimiento mayor rigidez y solidez; uniformidad en la resistencia y montaje rpido. Para la misma potencia, las ruedas resultan ms ligeras. Mtodos modernos de fundicin y de control de calidad (Magnaflux, Magnaglo, ultrasonidos, etc.) permiten obtener piezas sin grietas ni fisuras en el templado. El material de los alabes debe resistir a la fatiga, a la corrosin y a la erosin. Cuando estas acciones son moderadas puede bastar la fundicin de grafito laminar. Si las condiciones de trabajo son ms drsticas debe recurrirse al acero, al carbono aliado con nquel (0.7 a 0.1)- molibdeno (0.3).Aceros con 13% de cromo y los aceros austeno- ferriticos (Cr 20, Ni 8, Mo 3) presentan una resistencia extraordinaria a la cavitacin y la abrasin.El material del disco de la rueda es de acero fundido o forjado. El nmero de alabes suele ser de 17 a 26 por rueda, dependiendo de la velocidad especifica de la turbina. Para alta velocidad especfica el nmero de alabes es menor. En efecto, para una rueda de un dimetro determinado por una carga y una velocidad de giro si la velocidad especifica es alta es que el gasto es grande, lo exige alabes mayores, y por tanto caben menos en la misma periferia de la rueda. El espacio requerido por alabe suele estar entre 1.4 do y 1.6 do, siendo " do" el dimetro del chorro. El valor del coeficiente depende de la alta velocidad especfica por chorro. Para una alta velocidad especifica del chorro, el coeficiente ser menor. El nmero de alabes "z" ser pues: Siendo Dp el dimetro de la rueda Pelton medida al punto central de incidencia del chorro.ALABES PELTON, TURBINAS PELTON Y EL NUMERO ESPECIFICO DE REVOLUCIONES.Todas las turbinas hidrulicas geomtricamente semejantes tienen un mismo nmero especfico de revoluciones, "ns", siendo: ns = n Nu^1/2 Hn^-5/4 con: n = revolucin por minuto Nu = potencia til Hn = salto netoLas turbinas Pelton cuyo ns es pequeo se llaman lentas y aquellos cuyo ns es grande se llaman rpidas. En efecto, la ecuacin anterior demuestra que de dos turbinas de la misma potencia y el mismo salto neto, la que tenga un ns ms pequeo girar ms lentamente: dicha turbina es ms lenta que la otra. Sin embargo, la misma ecuacin demuestra que el trmino lento o rpido no se refiere al rpm real de la mquina. En efecto, si dos turbinas Pelton de ns pequeo y grande respectivamente giran a la misma velocidad n y tienen la misma potencia Nu, la turbina llamada lenta (aunque en este caso gira al mismo rpm que la rpida) requerir un salto mayor (para ptimo rendimiento) que la turbina llamada rpida. O bien, la misma ecuacin demuestra que si estas dos turbinas giran al mismo nmero de revoluciones y trabajan en el mismo salto neto, la turbina rpida tendr que desarrollar mayor potencia y por tanto, deber absorber mayor caudal, porque la altura neta es la misma (para ptimo rendimiento) que la turbina lenta.TURBINAS FRANCIS.La primera turbina a reaccin que funcion con xito fue construida y ensayada en 1849 por el ingeniero norteamericano J.B Francis. Su concepcin aventaj a la de la mayora de las formas anteriores en que el flujo se diriga bajo presin en sentido centrpeto, con lo que cualquier tendencia a acelerarse (embalamiento) quedaba parcialmente contrarrestada por la reduccin de flujo debida al aumento de la fuerza centrfuga. La rueda de labes o rodete tena ms bien la forma del rodete de una bomba centrfuga, siendo el flujo predominante radial, con los mismos radios de entrada y salida para todas las lneas de corriente. Cmo surgi la necesidad de conseguir mayores potencias a velocidades ms altas, se hizo imperativo adoptar el rodete para flujos ms caudalosos sin aumentar el dimetro. Esto solamente poda realizarse haciendo que el agua siguiera una direccin radial- axial. El resultado de ello fue el tipo de turbina de flujo mixto que actualmente es el modelo normal. Aunque las modernas turbinas de flujo centrpeto guardan poca semejanza con la mquina Francis original, el principio de funcionamiento es esencialmente el mismo y el nombre se ha conservado. Actualmente se emplean para alturas de 100 a 1500 ft, y como esta gama de alturas es la ms frecuente, la mquina Francis tiene una gran superioridad numrica sobre los dems tipos. Concretamente, en Escocia hay preponderancia de estas turbinas. El agua se dirige (con una apreciable componente tangencial de la velocidad) hacia el rodete por medio de una carcasa en espiral (caracol) y un cierto nmero de labes de perfil aerodinmico (labes directores) igualmente espaciados en la periferia. Estos labes directores son orientables, de modo que pueden abrir o cerrar completamente el paso del agua hacia el rodete, controlndose el grado de abertura desde el mando de la turbina a travs de un mecanismo de enlace. Sumisin es guiar el flujo hacia el rodete con el mnimo grado de turbulencia, as como regular el caudal y, por tanto, la potencia suministrada .Al ser convergentes los labes directores, la energa cintica a la entrada del rodete es mayor que en la tubera, y la costa de presin correspondiente ser menor. En su recorrido a travs del rodete, el agua experimenta otra cada de presin, hasta que finalmente sale por el centro a baja presin y con escasa o ningn componente tangencial de la velocidad. El par motor que se obtiene procede de la desviacin de la trayectoria del flujo y de la variacin de las energas de presin y cintica.Debido a los problemas (por ejemplo, estanqueidad de las juntas) que plantean las altas presiones y velocidades, existe un lmite superior para la altura con la que se puede utilizar este tipo de mquina.TURBINAS DE HELICE (KAPLAN).Este tipo de turbina de reaccin es la contrapartida de la bomba de flujo axial, siendo muy semejantes los elementos rotativos. El rodete, en forma de hlice naval, es la evolucin lgica de la turbina Francis de flujo mixto hacia una mquina ms rpida y de mayor capacidad de flujo. Esta ltima consideracin es importante por el hecho de que en una instalacin hidroelctrica hay que compensar la escasez de altura acrecentado el caudal. La gama de alturas ms usuales para este tipo de turbina abarca desde 10 ft a120 ft, siendo 200 ft la altura mxima para mquinas pequeas. El despegue y la cavitacin resultan inevitables en el interior de las turbinas de hlice que funcionan a velocidades muy altas, siendo el inicio de la cavitacin lo que marca el lmite mximo de la altura admisible. Desgraciadamente, la curva potencia- rendimiento de una turbina de hlice con labes fijos presenta un mximo muy acusado, lo que indica unas caractersticas de funcionamiento muy pobres a carga parcial. El problema fue resuelto en los comienzos de 1920 por Vctor Kaplan, profesor en Checoslovaquia, que cre una turbina en la que el ngulo de los labes se ajustaba automticamente segn la carga, estando el mecanismo de accionamiento en la ojiva y en el interior del rbol vertical. Aunque la turbina Kaplan es mucho ms costosa, la mejora de los resultados a carga parcial es tal, que la turbina con labes fijos slo se instala en emplazamientos donde la altura y la carga son constantes.La instalacin general no difiere grandemente de la que hemos visto para la turbina Francis. Los labes directores comunican al agua una componente rotacional, a lo que sigue una desviacin hacia la direccin del eje. Al acercarse al rodete, el movimiento del fluido se aproxima al de un vrtice espiral libre (vr=constante). La componente rotacional es absorbida por el rodete, con lo que la velocidad de salida es totalmente axial. El tubo de aspiracin cumple la misma misin que en la turbina Francis y su forma es similar. La turbina tipo bulbo o tubular constituye un interesante avance en el aprovechamiento de pequeas alturas. Consta de un rodete de hlice con labes fijos, o tipo Kaplan, colocado axialmente dentro de un corto conducto forzado; el generador va acoplado directamente al rodete y est alojado en un bulbo inmerso en el flujo entrante. La entrada y la salida se han de disear de forma que sean mnimas las prdidas de energa. Se calcula que la inversin que exige una instalacin completa es un 40% que correspondera a la instalacin Kaplan equivalente.