turbinas hidraulicas

Sistemas Energéticos (Master I.I.)
S.E. T30.- Turbinas Hidráulicas
Las trasparencias son el material de apoyo del profesor
para impartir la clase. No son apuntes de la asignatura.
Al alumno le pueden servir como guía para recopilar
información (libros, …) y elaborar sus propios apuntes
Ingeniería Eléctrica y Energética
Máquinas y Motores Térmicos
Departamento:
Area:
CARLOS J RENEDO renedoc@unican.es
Despachos: ETSN 236 / ETSIIT S-3 28
http://personales.unican.es/renedoc/index.htm
Tlfn: ETSN 942 20 13 44 / ETSIIT 942 20 13 82
Objetivos:
El objetivo de este tema es desarrollar las máquina hidráulicas motoras de
mayor aplicación industrial: las turbinas hidráulicas

10.- Introducción a las Máquinas Hidráulicas
20.- Bombas
30.- Turbinas hidráulicas
31.- Generalidades de las Turbinas Hidráulicas
32.- Turbinas Pelton
33.- Turbinas Francis
34.- Turbinas Kaplan y Deriaz
35.- Estudio de las Turbinas Hidráulicas
40.- Ventiladores
50.- Hélices
31.- Generalidades de las Tur. Hid.
4
Máquinas de Fluidos
Máquinas Hidráulicas Máquinas Térmicas
Turbomáquinas Volumétricas
Generador Motor

5
Una Turbina es un dispositivo mecánico capaz de convertir en trabajo (en
forma de movimiento de rotación) la energía presente en una masa de fluido
Una Turbina Hidráulica es una turbomáquina motora, que absorbe energía de
una corriente fluida (agua) y restituye energía mecánica
Por lo tanto, realiza la función inversa a las bombas; de hecho, existen
turbomáquinas hidráulicas diseñadas para llevar a cabo las dos funciones (en
algunas centrales hidroeléctricas de bombeo)
Puesto que se trata de una turbomáquina, su principio de funcionamiento se
basa en la ecuación de Euler
La aplicación más extendida de las turbinas hidráulicas es la generación de
energía eléctrica
En Hidráulica Industrial también se emplean
motores hidráulicos o oleohidráulicos
6
Elementos Constitutivos (I):
El paso de una corriente fluida a través de una turbina provoca cambios
en la magnitud y dirección de la velocidad del fluido, lo cual da lugar a la
aparición de un par en el eje (Teorema del momento cinético)
Los elementos necesarios para que esto suceda son análogos a los de
una bomba, pero dispuestos en orden inverso:
• Canal de llegada o tubería forzada
• Caja espiral
• Distribuidor
• Rodete
• Tubo de aspiración
No en todos los casos existen todos los
elementos citados, depende del tipo de turbina

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Elementos Constitutivos (I):
El paso de una corriente fluida a través de una turbina provoca cambios
en la magnitud y dirección de la velocidad del fluido, lo cual da lugar a la
aparición de un par en el eje (Teorema del momento cinético)
Los elementos necesarios para que esto suceda son análogos a los de
una bomba, pero dispuestos en orden inverso:
• Canal de llegada o tubería forzada
• Caja espiral
• Distribuidor
• Rodete
No en todos los casos existen todos los
elementos citados, depende del tipo de turbina
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Elementos Constitutivos (II):
Analogía entre los elementos de una turbina y los de una bomba:
• Canal de llegada o tubería forzada debe tener una válvula de cierre
lento para evitar el golpe de ariete
• La caja espiral de una turbina es análoga a la voluta de una bomba
centrífuga; transforma presión en velocidad (al contrario que la voluta)
• El distribuidor de una turbina es análogo a la corona directriz de una
bomba. Actúa transformando presión en velocidad (* también es un
órgano de regulación)
• El rodete de una turbina es análogo al rodete de una bomba. Absorbe
energía del fluido y la convierte en energía mecánica
• El tubo de aspiración de una turbina es análogo al tubo de
aspiración de una bomba. Es el órgano de desagüe y su función es
crear una succión a la salida de la turbina (depresión)

9
Elementos Constitutivos (II):
Analogía entre los elementos de una turbina y los de una bomba:
• Canal de llegada o tubería forzada debe tener una válvula de cierre
En las turbinas Pelton (de acción) hay
algún “cambio” en los elementos:
lento para evitar el golpe de ariete
• No tiene cámara espiral
• La caja espiral de una turbina es análoga a la voluta de una bomba
centrífuga; transforma presión en velocidad (al contrario que la voluta)
• El distribuidor de una turbina es análogo a la corona directriz de una
bomba. Actúa transformando presión en velocidad (* también es un
órgano de regulación)
• El rodete de una turbina es análogo al rodete de una bomba. Absorbe
energía del fluido y la convierte en energía mecánica
• El tubo de aspiración de una turbina es análogo al tubo de
aspiración de una bomba. Es el órgano de desagüe y su función es
crear una succión a la salida de la turbina (depresión)
• El distribuidor es un inyector que consta
de una tobera y una válvula de aguja
• Los álabes del rodete son “cucharas”
10
Clasificación (I):
• Según el grado de reacción (s ):
s = 0
s ¹ 0
Turbina de acción
Turbina de reacción
• Según el número específico de
revoluciones (ns ):
Turbina lenta
Turbina normal
Turbina rápida
Turbina extrarrápida
presión
H
• Según la posición del eje:
Turbina horizontal
Turbina vertical
t
H
s =

11
Clasificación (II):
• Según el modo de admisión del líquido:
Turbina de admisión parcial
Turbina de admisión total
• Según la dirección del líquido
a la entrada:
Turbina tangencial
Turbina axial
Turbina radial
Turbina diagonal
El líquido ataca a una parte del rodete
El líquido ataca a todo el rodete
• Según el modo de operación:
Turbina reversible
Turbina no reversible
12
Clasificación según el grado de reacción (s) (I):
Esta clasificación depende de la variación de la presión al paso de la
corriente fluida a través del rodete
p
H
Altura de presión absorbida por el rodete
s = =
Análogamente al caso de las bombas, se define el grado de reacción de
las turbinas como la relación entre la altura de presión absorbida por el
rodete y la altura total absorbida
• Turbinas de acción (s = 0)
El movimiento del agua y el de rodete tienen el mismo sentido
• Turbinas de reacción (s ¹ 0)
El movimiento del agua y el de rodete tienen distinto sentido
t
H
Altura total absorbida por el rodete

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Clasificación según el grado de reacción (s) (II):
H
p
H
t
s =
• Turbinas de acción (s = 0): el agua sale del distribuidor y entra al rodete
con presión manométrica nula (el rodete no está inundado) y en él no se
modifica la presión. Toda la energía se transmite al rodete en forma de energía
cinética. Son turbinas de admisión parcial
A lo largo de la tubería forzada, la altura de presión aumenta a costa de la
altura geodésica. La altura de velocidad permanecerá cte si la sección es cte
En el distribuidor, la altura de presión relativa baja a cero y se convierte (salvo
pérdidas) en energía cinética
El rodete trabaja a presión constante (p1 = p2) y puesto que la turbina no tiene
tubo de aspiración, se cumple que p1 = p2 = ps = patm. La altura de velocidad
disminuye ya que una gran parte se convierte en energía útil en el eje
14
Clasificación según el grado de reacción (s) (II):
H
p
H
t
s =
• Turbinas de acción (s = 0): el agua sale del distribuidor y entra al rodete
con presión manométrica nula (el rodete no está inundado) y en él no se
modifica la Tubería presión. forzada
Toda la energía se transmite al rodete en forma de energía
cinética. Son turbinas de admisión parcial
p= 0 pabs atm
altura geodésica. Distribuidor
La altura de velocidad permanecerá cte si la sección es cte
0
En el distribuidor, la altura de presión relativa baja a cero y se convierte (salvo
pérdidas) en Rodete
energía cinética
El rodete trabaja a presión constante (p1 = 1
p2) y puesto que la turbina no tiene
tubo de aspiración, se cumple que p1 = p2 = ps = patm. La altura de velocidad
disminuye ya que una gran parte se convierte en energía útil en el eje
2
E
S
1 bar
Pasa a Ecinética
p1 = p2 = ps = patm
(cte en el rodete)
Ecinética
Eeje

15
Clasificación según el grado de reacción (s) (III):
p
H
t
H
s =
• Turbinas de reacción (s K 0): el agua sale del distribuidor y entra al rodete
con cierta presión manométrica positiva. A su paso pierde dicha presión
llegando a ser nula e incluso negativa. Son turbinas de admisión total
altura geodésica (si el fluido llega por canal en lámina libre se mantiene cte). La
altura de velocidad permanecerá cte si la sección es cte
En el distribuidor, la altura de presión disminuye (aunque no hasta la presión
atmosférica). La altura cinética aumenta, salvo pérdidas, a costa de la presión
En el rodete la presión sigue disminuyendo (p1 p2) pudiendo llegar a ser
inferior a la atmosférica (en el caso de que exista tubo de aspiración). La altura
cinética disminuye también. El rodete transforma energía de presión y cinética
en energía útil en el eje
En el tubo de aspiración la energía de presión aumenta desde un valor
negativo (relativo) hasta la presión atmosférica a costa de disminuir la energía
cinética
16
Clasificación según el grado de reacción (s) (III):
p
H
t
H
s =
• Turbinas de reacción (s K 0): el agua sale del distribuidor y entra al rodete
con cierta presión manométrica positiva. A su paso pierde dicha presión
llegando a Tubería ser nula forzada
e incluso negativa. Son turbinas de admisión total
pabs = 0 patm
altura geodésica (si el fluido llega por canal en lámina 1 bar
libre se mantiene cte). La
Distribuidor
altura de velocidad permanecerá cte si la sección es cte
0
E
En el distribuidor, la altura de presión disminuye (aunque no hasta la presión
atmosférica). Rodete
La altura cinética aumenta, salvo pérdidas, a costa de la presión
En el rodete la presión sigue disminuyendo 1
(p1 p2) pudiendo llegar a ser
inferior a la atmosférica (en el caso de que exista tubo de aspiración). p pLa altura
1 atm
cinética disminuye también. El rodete transforma energía de presión y cinética
en energía útil en el eje
Tubo de
Con T. asp.
En el tubo de aspiración la energía de presión aumenta desde p pun valor
aspiración
2 atm
negativo (relativo) hasta la presión atmosférica 2
a costa de disminuir la energía
cinética
S
Pasa a Ecinética
Ecinética y Epresión
Eeje
En el nivel libre

17
Clasificación según el grado de reacción (s) (IV):
Las turbinas que se construyen actualmente, según s:
H
p
H
t
s =
Acción: sólo se construyen de flujo tangencial tipo Pelton
Reacción:
de flujo diagonal
(excepcionalmente radial)
de álabes fijos, tipo Francis
de álabes orientables, tipo Deriaz
de flujo axial
de álabes fijos, tipo hélice
de álabes orientables, tipo Kaplan
Kaplan Francis Pelton
Salto Neto (m) 2 a 50 15 a 400 hasta 800
Diámetro del rodete (m) 1 a 10 0,3 a 8 0,3 a 6
Potencia en el eje (MW) Hasta 250 Hasta 750 Hasta 400
18
Clasificación según el número específico de revoluciones (ns) (I):
La velocidad específica es la velocidad de giro del rodete de la turbina
modelo de una serie de turbinas semejantes que con un salto de 1 m es
capaz de producir una potencia en el eje de 1 C.V
1/ 2
Pot
5 / 4
n = n ×
s H
Q
1/ 2
= × × . h
n 3,65 n 3 / 4
H
s
Para el agua
Al igual que sucede con las bombas, existe una relación directa entre el
valor de ns y la forma del rodete
• Las turbinas Pelton tienen bajos ns ( 75)
• Las turbinas Francis y Kaplan tienen ns mayores (60 ns 1.000)
Una turbina de un determinado ns cualquiera funcionará con
rendimiento óptimo cuando la potencia desarrollada, la altura neta y el
número de revoluciones sean tales que sustituyendo sus valores en la
ecuación anterior se obtenga ns

19
Clasificación según el número específico de revoluciones (ns) (II):
En un salto y con un determinado caudal, las turbinas lentas giran a
velocidades menores que las rápidas
1/ 2
Pot
Q
1/ 2
n = n × = × × . h
5 / 4
s H
n 3,65 n 3 / 4
H
s
En la práctica:
• Las turbinas lentas se instalan en saltos elevados
pueden girar más rápido que las rápidas
Para el agua
1/ 2
Pot
n = n ×
• Si giran a la velocidad de sincronismo, las turbinas lentas absorben
menos caudal que las rápidas
n grande Q grande
1/ 2 s
s
n pequeño Q pequeño
n cte Q
s

= ×
5 / 4
s H
20
Clasificación según el número específico de revoluciones (ns) (II):
En un salto y con un determinado caudal, las turbinas lentas giran a
velocidades menores que las rápidas
1/ 2
Pot
Q
1/ 2
n = n × = × × . h
5 / 4
s H
n 3,65 n 3 / 4
H
s
En la práctica:
• Las turbinas lentas se instalan en saltos elevados
pueden girar más rápido que las rápidas
Para el agua
1/ 2
Pot
n = n ×
• Si giran a la velocidad de sincronismo, las turbinas lentas absorben
menos caudal que las rápidas
n grande Q grande
1/ 2 s
s
n pequeño Q pequeño
n cte Q
s

= ×
5 / 4
s H

21
Clasificación según el número específico de revoluciones (ns) (III):
Pot
n = n ×
…
b) ns = 45
c) ns = 110
d) ns = 200
e) ns = 400
f) ns = 800
1/ 2
5 / 4
s H
Turbina axial
Turbina radial
22
1/ 2
Clasificación según el número específico de revoluciones (ns) (IV):
Pot
5 / 4
n = n ×
s H

23
Clasificación según el número especifico de revoluciones (ns) (V):
De acuerdo al valor de ns las turbinas se pueden clasificar como:
Velocidad específica en r.p.m. Tipo de turbina Altura del salto en m .
Hasta 18 Pelton de un inyector 800
De 18 a 25 Pelton de un inyector 800 a 400
De 26 a 35 Pelton de un inyector 400 a 100
De 26 a 35 Pelton de dos inyectores 800 a 400
De 36 a 50 Pelton de dos inyectores 400 a 100
De 51 a 72 Pelton de cuatro inyectores 400 a 100
De 55 a 70 Francis muy lenta 400 a 200
De 70 a 120 Francis lenta 200 a 100
De 120 a 200 Francis normal 100 a 50
De 200 a 300 Francis rápida 50 a 25
De 300 a 450 Francis extrarrápida 25 a 15
De 400 a 500 Hélice extrarrápida 15
De 270 a 500 Kaplan lenta 50 a 15
De 500 a 800 Kaplan rápida 15 a 5
De 800 a 1100 Kaplan extrarrápida Menos de 5
24
Clasificación según el número especifico de revoluciones (ns) (VI):
Aplicación práctica: seleccionar el tipo de turbina y la velocidad de giro
• Los datos de partida son las características del salto: altura (H) y caudal (Q)
• Se estima la potencia (Pot) suponiendo un rendimiento “normal”
Pot n r × × × h
• A partir de la gráfica se determina el tipo de turbina y el valor de ns
• Conocidos H, Q, Pot y ns se determina el régimen de giro de la turbina
• El valor final de n habrá de ser una velocidad de sincronismo
• Con dicho valor de n se recalcula el valor de ns
60 f
• Con estos datos se puede dimensionar la turbina modelo
H Q
H
n = n ×
• A partir de ésta se calcula la turbina prototipo aplicando las leyes de
semejanza
[C.V.]
75
=
5 / 4
n
1/ 2
i s,i Pot
p
n
×
=

25
Clasificación según el número especifico de revoluciones (ns) (VI):
Ejemplo: Seleccionar el tipo de turbina así como la velocidad de giro.
H 35 m n =
Q 20 m / s 3 =
26
Ecuación de EULER:
Es la ecuación fundamental de las turbomáquinas, y por lo tanto la que
rige el comportamiento de las turbinas hidráulicas
U2
W1
C1
U1
1
a1
C2
W2
a2
2
Fluido (C) Rotor (U) Relativa
U1 C1 Entrada
U2 C2 Salida
Forma del álabe
[C − U ]
[ ] W1 = C1 − U1
[ ] W2 = C2 − U2
a b
[CLU ]
C = U + W
r1
r2
u c u c
H 2 2u 1 1u
g
G.H.
−
Generadores Hid. =
u c u c
H 1 1u 2 2u
g
M.H.
−
Motores Hid. =
1ª Ec. EULER
[WL − U ]

27
Coeficientes de Velocidad (I):
Las velocidades no se pueden elegir al azar, deben
ser aquellas que produzcan el rendimiento óptimo
max n c = 2×g×H
C1 W1
v
=
Cualquier otra velocidad se puede expresar como una fracción de la
anterior. Se denomina coeficiente de velocidad a la relación entre una
velocidad cualquiera y la velocidad absoluta máxima disponible
n
u
1
u
2 g H
k
=
1 × ×
n
1u
c
c
2 g H
k
=
1u × ×
a1
1
U1
La velocidad absoluta máxima disponible en la turbina será la obtenida al
convertir en altura dinámica toda la altura geométrica y la altura de
presión. Según la ec. de Bernoulli, esta velocidad será:
2 g
H
2
vel ×
28
Coeficientes de Velocidad (II):
Cuando la turbina funciona en condiciones de rendimiento óptimo, estos
coeficientes de velocidad son los coeficientes óptimos de velocidad
1 1 n u = x 2×g×H
2 2 n u = x 2×g×H
1 1 n c = j 2× g×H
2 2 n c = j 2× g×H
1 1 n w = l 2× g×H
2 2 n w = l 2×g×H
1u 1 n c = μ 2×g×H
2u 2 n c = μ 2×g×H
1m 1m n c = k 2×g×H
2m 2m n c = k 2×g×H
C1
C1u
C1m
a1
xxxx:::: Xi ffff:::: Fi

29
Coeficientes de Velocidad (III):
Para determinar el valor de estos coeficiente óptimos, se ensaya la
turbina bajo un salto de valor:
1
Hn ×
2 g
=
De manera que :
1 1 u = x
2 2 u = x
1 1 c = j
2 2 c = j
1 1 w = l
2 2 w = l
1u 1 c = μ
2u 2 c = μ
1m 1m c = k
2m 2m c = k
Sometida a ensayo una turbina bajo un salto definido, las velocidades a
las cuales se consigue el rendimiento máximo coinciden con los
coeficientes óptimos de velocidad
30
Las Turbinas Pelton son:
• de presión, por ser ésta cte en el rodete (= a la atmosférica)
• de chorro libre, este está a la presión atmosférica
• de admisión parcial, el líquido ataca sólo una parte del rodete
• tangenciales, el líquido ataca tangencialmente al rodete
• de acción, el agua y el rodete tienen el mismo sentido
Su utilización es idónea en saltos de gran altura (alrededor de 200 m y
mayores), y caudales relativamente pequeños (hasta 10 m3/s)
Lo más característico son sus álabes en forma de cazoleta

31
Componentes:
Son esencialmente los siguientes:
• Distribuidor
• Rodete
Cámara de distribución
Sistema de regulación
Rueda
Alabes
• Eje
• Sistema de Frenado
• Carcasa
• Cámara de Descarga
• Blindaje
• Destructor de Energía
− Tobera
− Aguja
− Deflector
Inyector
32
Componentes:
• Distribuidor
• Rodete
Rueda
Alabes
• Eje
• Sistema de Frenado
• Carcasa
• Cámara de Descarga
• Blindaje
• Destructor de Energía
− Tobera
− Aguja
− Deflector
Inyector
Rueda
Alabes
− Tobera
− Aguja
− Deflector
Inyector
Distribuidor
Rodete
Alabes
Descarga
Aguja
Cámara de
distribución
Carcasa
Regulación
Eje

33
Componentes: Distribuidor (I)
Está constituido por uno o varios equipos de inyección de agua, cada uno
formado por varios elementos mecánicos
Tiene como misiones:
• Dirigir un chorro de agua (cilíndrico y
de sección uniforme) hacia el rodete
• Regular el caudal que ha de fluir hacia
dicho rodete, llegando a cortarlo
totalmente cuando proceda
• Para paradas rápidas debe contar con
una pantalla deflectora que desvíe el
chorro a la salida
Sistemas de
inyección
34
Componentes: Distribuidor (II)
El número de equipos de inyección, colocados circunferencialmente
alrededor de un rodete, depende de la potencia y características del
grupo, según las condiciones del salto de agua
En turbinas Pelton con eje vertical pueden ser hasta seis los equipos que
proyectan chorros de agua sobre un mismo rodete, derivando todos y
cada uno de ellos de la tubería forzada
En turbinas Pelton con eje horizontal los inyectores instalados son
normalmente uno o dos

35
Componentes: Distribuidor (II)
El número de equipos de inyección, colocados circunferencialmente
alrededor de un rodete, depende de la potencia y características del
grupo, según las condiciones del salto de agua
En turbinas Pelton con eje vertical pueden ser hasta seis los equipos que
proyectan chorros de agua sobre un mismo rodete, derivando todos y
cada uno de ellos de la tubería forzada
En turbinas Pelton con eje horizontal los inyectores instalados son
normalmente uno o dos
36
Componentes: Distribuidor (III)
Se puede disponer de más de un rodete en el
mismo eje, cada uno de ellos dotado de el/los
distribuidor/es apropiado/s

37
Componentes: Distribuidor (IV)
Cada equipo de inyección está formado por los siguientes elementos (I):
• Cámara de distribución
Consiste en la prolongación de la tubería forzada, acoplada a ésta mediante
brida de unión, posteriormente a la situación de la válvula de entrada a
turbina, según la trayectoria normal del agua
Tiene como misión fundamental conducir el caudal de agua. Igualmente,
sirve de soporte a los demás mecanismos que integran el distribuidor
• Inyector:
Es el elemento mecánico destinado a dirigir y regular el chorro de agua.
Transforma la energía de presión en cinética (la velocidad del agua puede
ser superior a 150 m/s). Está compuesto por:
una tobera
una aguja
un deflector
un regulador de velocidad
38
Componentes: Distribuidor (IV)
Cada equipo de inyección está formado por los siguientes elementos (I):
• Cámara de distribución
Consiste en la prolongación de la tubería forzada, acoplada a ésta mediante
brida de unión, posteriormente a la situación de la válvula de entrada a
turbina, según la trayectoria normal del agua
Tiene como misión fundamental conducir el caudal de agua. Igualmente,
sirve de soporte a los demás mecanismos que integran el distribuidor
• Inyector:
Chorro
Es el elemento mecánico destinado a dirigir y regular el chorro de agua.
Transforma la energía de presión en cinética (la velocidad del agua puede
ser superior a 150 m/s). Está compuesto por:
una tobera
una aguja
un deflector
un regulador de velocidad
Aguja
Deflector
Tobera

39
Componentes: Distribuidor (V)
Cada equipo de inyección está formado por los siguientes elementos (II):
• Inyector:
Aguja
Es un vástago de acero muy duro situado
concéntricamente en el interior del cuerpo
de la tobera, guiado mediante cojinetes
sobre los cuales tiene movimiento de
desplazamiento longitudinal en dos sentidos
Tobera
Se trata de una boquilla, normalmente con
orificio de sección circular (puede tratarse de
otra sección), de un diámetro aproximado
entre 5 y 30 cm, instalada en la terminación
de la cámara de distribución
40
• Inyector:
Aguja
Tobera
Deflector
Es un dispositivo mecánico que, a modo de pala o pantalla, puede ser
intercalado con mayor o menor incidencia en la trayectoria del chorro
de agua, entre la tobera y el rodete
Sirve para evitar el embalamiento y el golpe de ariete (cierres bruscos)
Regulador de velocidad
Conjunto de dispositivos electro-mecánicos, (servomecanismos,
palancas, bielas, …) diseñados para mantener constante la velocidad
del grupo, a fin de que la frecuencia de la corriente generada tenga,
en todas las circunstancias de carga, 50 Hz

41
• Inyector:
Aguja
Tobera
Deflector
Es un dispositivo mecánico que, a modo de pala o pantalla, puede ser
intercalado con mayor o menor incidencia en la trayectoria del chorro
de agua, entre la tobera y el rodete
Sirve para evitar el embalamiento y el golpe de ariete (cierres bruscos)
Regulador de velocidad
Conjunto de dispositivos electro-mecánicos, (servomecanismos,
palancas, bielas, …) diseñados para mantener constante la velocidad
del grupo, a fin de que la frecuencia Deflector
de la corriente generada tenga,
en todas las circunstancias de carga, 50 Hz
42
Componentes: Rodete (I)
Es la pieza clave donde se transforma la componente cinética de la
energía del líquido en energía mecánica o, dicho de otra manera, en
trabajo según la forma de movimiento de rotación
Está compuesto por:
• Rueda motriz
• Alabes, cucharas o cazoletas

43
Componentes: Rodete (II)
• La rueda motriz está unida rígidamente al eje, montada en el mismo por
medio de chavetas y anclajes adecuados
• Los álabes, pueden ser piezas independientes o constituir una pieza
única, están diseñados para recibir el empuje directo del chorro de agua.
Su forma es similar a la de una doble cuchara, con una arista interior
afilada y situada centralmente en dirección perpendicular hacia el eje
(divide al álabe en dos partes simétricas de gran concavidad). Esto
permite compensar los empujes axiales
Cada álabe lleva en su extremo periférico una escotadura centrada en
forma de W. Con ello se consigue que las cazoletas no reciban el chorro
de agua hasta que su arista se encuentre en la posición perpendicular
respecto al eje del chorro, aprovechando al máximo el caudal y el impulso
que éste le proporciona al acompañarle durante un corto trayecto
44
• La rueda motriz está unida rígidamente al eje, montada en el mismo por
medio de chavetas y anclajes adecuados
• Los álabes, pueden ser piezas independientes o constituir una pieza
única, están diseñados para recibir el empuje directo del chorro de agua.
Su forma es similar a la de una doble cuchara, con una arista interior
afilada y situada centralmente en dirección perpendicular hacia el eje
Escotadura
(divide al álabe en dos partes simétricas de gran concavidad). Esto
permite compensar los empujes axiales
Cada álabe Arista lleva interior
en su extremo periférico una escotadura centrada en
forma de W. Con ello se consigue que las cazoletas no reciban el chorro
de agua hasta que su arista se encuentre en la posición perpendicular
respecto al eje del chorro, aprovechando al máximo el caudal y el impulso
que éste le proporciona al acompañarle durante un corto trayecto

45
Componentes: Rodete (III)
f
d
h
b
2/5 h
Diámetro del chorro: d
Anchura de la cazoleta: b = 3,75 d
Altura de la cazoleta: h = 3,50 d
Profundidad de la cazoleta: f = 1,5 d
Diámetro del rodete: D
6,5
d
D
ns 4 6 8 10 12 14 18 22 26 32
2 d si : 5
Nº caz. 40 37 34 30 28 26 22 20 17 15
D
nº cazoletas 15
×
= +
46
Componentes: Rodete (IV)
• Rodete lento, ns 3,5
(pequeños caudales)
1/ 2
Pot
Q
n = n × = × × . h
5 / 4
s
H
n 3,65 n 3 / 4
H
1/ 2
s
es pequeño
d
D
• Rodete rápido, ns 35
(grandes caudales relativos)
es grande
d
D

47
Componentes: Eje
Rígidamente unido al rodete y situado adecuadamente sobre cojinetes
debidamente lubricados, transmite el movimiento de rotación al eje del
alternador
En el mismo eje pueden estar unidas varias turbinas y un generador
48
Componentes: Sistema de Frenado
Además de intercalar totalmente el deflector, se puede disponer de un
circuito derivado de la cámara de distribución que permite proyectar agua
uno o varios contrachorros incidente sobre la zona convexa de los álabes,
favoreciendo el rápido frenado del rodete
Deflector
Contrachorro

49
Componentes: Carcasa
Es la envoltura metálica que cubre los inyectores, rodete y otros
elementos mecánicos de la turbina
Su misión consiste en evitar que el agua salpique al exterior cuando,
después de incidir sobre los álabes los abandona
50
Componentes: Cámara de Descarga
Es la zona por donde cae el agua libremente hacia el desagüe, después
de haber movido al rodete. También se conoce como tubería de
descarga
Para evitar deterioros debidos a la acción de los chorros de agua,
especialmente de los originados por la intervención del deflector, se suele
disponer en el fondo de la cámara de descarga de un colchón de agua de
2 a 3 m de espesor. Con el mismo fin, se instalan blindajes, bloques de
granito o placas, situadas adecuadamente, que protegen la obra de
hormigón
Componentes: Blindaje y Destructor de Energía
Protegen la infraestructura contra el efecto destructor del chorro desviado

E Entrada
S Salida
1 Codo de entrada
2 Inyector
3 Tobera
4 Válvula de aguja
5 Servomotor
6 Regulador
7 Mando del deflector
8 Deflector
9 Chorro
10 Rodete
11 Alabes o cucharas
12 Contrachorro
13 Blindaje
14 Destructor de energía
51
E
S 3 2
4
6
8
10
11
12
14
13
9
1 5
7
52
Funcionamiento de una Turbina Pelton:
La sucesiva transformación de la energía se efectúa del modo siguiente:
• La energía potencial gravitatoria del agua embalsada (energía de
presión hasta los orificios de las toberas) se convierte, salvo pérdidas,
en energía cinética al salir el agua a través de dichos orificios en
forma de chorros libres (Ecuación de Bernoulli)
• Se dispone de la máxima energía cinética en el momento en que el
agua incide tangencialmente sobre el rodete, empujando a los álabes
y obteniéndose el trabajo mecánico deseado
• Las formas cóncavas de las cucharas hacen cambiar la dirección del
chorro de agua, saliendo éste, ya sin energía apreciable, por los
bordes laterales sin ninguna incidencia posterior sobre los álabes
sucesivos. De este modo, el chorro de agua transmite su energía
cinética al rodete, donde queda transformada en energía mecánica

53
Funcionamiento de una Turbina Pelton:
• La energía potencial gravitatoria del agua embalsada (energía de
Tubería forzada
presión hasta los orificios de las toberas) p= 0 se convierte, psalvo pérdidas,
abs atm
en energía cinética al salir el agua a través de dichos orificios en
forma de chorros libres (Ecuación de Bernoulli)
1 bar
Inyector
• Se dispone de la máxima energía cinética 0
E
en el momento en que el
agua incide tangencialmente sobre el rodete, empujando a los álabes
Rodete
y obteniéndose el trabajo mecánico deseado
1
• Las formas cóncavas de las cucharas hacen cambiar la dirección del
chorro de agua, saliendo éste, ya sin energía apreciable, por los
bordes laterales sin ninguna incidencia posterior sobre los álabes
sucesivos. De este modo, el chorro de agua transmite su energía
cinética al rodete, donde queda transformada 2
S
en energía mecánica
Pasa a Ecinética
p1 = p2 = ps = patm
(cte en el rodete)
Ecinética
Eeje
54
Triángulos de velocidades (I):
Genérico para Máquinas Hidráulicas:
a b
[CLU ] [WL − U ]
Triángulo en la entrada y otro Triángulo en la salida
Velocidad del fluido Velocidad relativa
a

C W
U
Velocidad periférica del rodete
c = u + w
C
a
Cu
Cm
W
Wu
Wm
u m c = c + c u m w = w + w
Para Turbinas Pelton:
Triángulo en la entrada Triángulo en la salida
r U1 = U2
a1=0
1= 180º
U W1
C1
C2 W2
a2 = ?
2= ?
U
r
2 U
r
1 U
r
2 U
r
2 C
1 C
r
2 C

55
Triángulos de velocidades (II):
1= 180º
U W1 1
r
r
r
r
2 C
r
1 C
r
C2 W2
• Al ser la trayectoria del líquido tangencial a los álabes, el diámetro
a la entrada y a la salida de la rueda es el mismo, y por tanto
• Si no hubiese pérdidas en el inyector, el chorro de agua saldría
con una velocidad teórica c1 dada por la ecuación de Torricelli:
• Sin embargo, debido a las pérdidas la velocidad real es:
• Idealmente una T. Pelton alcanza su hmáx cuando:
1 n c = 2×g×H
0,97
1 1 n
1
c 2 g H
j »
= j × × ×
a1=0
C1
2 U
1 U
2 U
2 C
1 2 U = U
1
u » × = × × ×
1 1 n c 0,45 2 g H
2
a2 = ?
2= ?
U2
56
Triángulos de velocidades (III):
1= 180º
U W1 1
r
r
r
r
2 C
r
1 C
r
C2 W2
• Interesa que c2 = 0 (que toda la energía cinética se aproveche), ya
que la energía cinética no aprovechada en la turbina es:
• Debido al rozamiento con el álabe, se cumple que:
• Idealmente a1 = 0º y β1 = 180º; en la práctica a1 17º y 1 = 163º
0 1
c2
×
2 1 w w
y
= y ×
a1=0
C1
2 U
1 U
2 U
2 C
2 g
17º ; 163º 1 1 a » b »
a2 = ?
2= ?
U2
C1
a1 » 17
W1 U1 1» 163º

57

m
m
kg
m
m[kg]
v [m/ s]
= F
2 = r Q v
Fuerza sobre los álabes:
( ) ([ ] [ ]) F = r ×Q× c1 − c2 = r ×Q× u1 + w1 − u2 + w2
Puesto que en una T. Pelton u1 = u2 la expresión anterior queda como:
( ) F = r ×Q× w1 − w2
La componente que da lugar a un par en el eje es la tangencial:
( ( ) ( )) x 1 1 2 2 F = r ×Q× w × cos p − b − w × cos p − b
¡¡Cuidado con la definición de los ángulos!!
( ( )) x 1 2 2 F = r ×Q× w − w × cos p − b

r =

= =
s
v
s
Q
m
s
v
t [s]
t [s]
m[kg] a [m/ s ] m[kg]
3
3
Fuerza de una corriente:
C es la velocidad del fluido
C W
a
U
58
Una turbina Pelton trabaja en un salto de 240 m. Los diámetros del chorro y rodete
son 150 mm y 1.800 mm. Si: c = 0,98 × 2 × g ×
H ;a1=0º;β2= 15º; w2=0,7.w1; y u1=0,45.c1
1 Calcular:
• La fuerza tangencial ejercida por el chorro en las cucharas
• La potencia transmitida por el agua al rodete
• El rendimiento hidráulico de la turbina
• El rendimiento total si el mecánico es del 0,97
Torricelli Velocidad salida = 2 × g×H
r
2 U
r
1 U
r
2 C
r
1 C
2=15

59
Las Turbinas Francis se conocen como turbinas de sobrepresión por ser
ésta variable en el rodete, o también como turbinas de admisión
centrípeta ó total por encontrarse el rodete sometido a la influencia directa
del agua en toda su periferia
Entran en la clasificación de turbinas radiales-axiales y de reacción
El campo de aplicación es muy extenso, dado el avance tecnológico
conseguido en la construcción de este tipo de turbinas. Se pueden
emplear en saltos de distintas alturas dentro de una amplia gama de
caudales (entre 2 y 200 m3/s aproximadamente)
Las turbinas Dériaz son, esencialmente, turbinas Francis de álabes
orientables
60
Componentes:
• Cámara espiral
• Distribuidor
Palas directrices
Sistema de accionamiento
• Rodete
• Eje

61
Componentes:
• Cámara espiral
• Distribuidor
Palas directrices
Sistema de accionamiento 1 Caja espiral
• Rodete
• Eje
2 Distribuidor
3 Rodete
4 Codo de salida
5 Tubo de Aspiración
6 Nivel Inferior
7 Mando del deflector
S Salida
4
1
3
2
5
S
6
62
Componentes: Cámara Espiral
La cámara espiral más habitual está formada por la unión sucesiva de una
serie de virolas tronco-cónicas, cuyos ejes respectivos forman una espiral
Esta disposición constructiva permite que el agua atraviese la cámara a
velocidad sensiblemente constante, evitándose la formación de torbellinos
que darían lugar a pérdidas de carga
En la zona periférica interna se encuentra
el antedistribuidor, formado por una serie
de palas fijas equidistantes unas de otras
cuya curvatura y orientación consiguen que
la proyección del agua salga dirigida casi
radialmente

63
Componentes: Cámara Espiral
La cámara espiral más habitual está formada por la unión sucesiva de una
serie de virolas tronco-cónicas, cuyos ejes respectivos forman una espiral
e Esta disposición Q
constructiva permite que el agua atraviese la cámara a
velocidad sensiblemente constante, evitándose la formación de torbellinos
que darían lugar a pérdidas 1/8 Q
de carga
7/8 Q
c r
c En la r
zona periférica interna se encuentra
el antedistribuidor, formado por una serie
de palas fijas equidistantes unas de otras
cuya curvatura y orientación consiguen que
3/8 Q
la proyección del agua salga dirigida casi
radialmente
e e c r
2/8 Q
Rodete
5/8 Q
e c r
6/8 Q
e c r
Distribuidor
Cámara Espiral
ce cte en toda la espiral
4/8 Q
64
Componentes: Distribuidor
El distribuidor está formado por un determinado número de palas
móviles cuya función es la de distribuir, regular o cortar totalmente el
caudal de agua que fluye hacia el rodete
El distribuidor lo componen principalmente los siguientes elementos:
• Palas o álabes directrices orientables
Dirigen el líquido al rodete con un mínimo de pérdidas y transforman parte de
la energía de presión en energía cinética
El hecho de que los álabes se puedan orientar permite la regulación de la
turbina, al poder variar el caudal que llega al rodete

65
• El sistema de accionamiento de los álabes
Son los elementos mecánicos a base de servomecanismos, palancas y bielas
que constituyen el equipo de regulación de la turbina y está gobernado por el
regulador de velocidad
Distribuidor Fink
Anillo
Bielas
Brazo
Alabes Rodete
Cerrado Abierto
66
Distribuidor Fink
Anillo
Bielas
Cerrado Abierto
Brazo
Alabes Rodete
Bielas de mando
Bieletas
Anillo de
maniobra
Cerrado Abierto

67
Distribuidor Fink
Anillo
Bielas
Cerrado Abierto
Brazo
Alabes Rodete
Bielas de mando
Bieletas
Anillo de
maniobra
Cerrado Abierto
68
Componentes: Rodete (I)
Se trata de la pieza fundamental de la turbina, donde se obtiene la
energía mecánica deseada
Consta de un núcleo central, alrededor del cual se encuentra dispuesto
un número determinado de álabes, aproximadamente entre 12 y 21,
equidistantemente repartidos y solidarios al mismo, formando pieza única
en bloque por fundición o soldadura, es decir, sin uniones ni fijaciones
accesorias
La longitud de los álabes y su mayor
o menor inclinación respecto al eje de
la turbina, depende del caudal, de la
altura del salto y, en consecuencia,
de la velocidad específica

69
a b
[CLU ] [WL − U ]
El Triángulo de Velocidades es como el genérico para M. H.:
Triángulo en la entrada y otro Triángulo en la salida
Velocidad del fluido Velocidad relativa
a

C W
U
Velocidad periférica del rodete
c = u + w
C
a
Cu
Cm
W
Wu
Wm
u m c = c + c u m w = w + w
b 1 1u 1 90º c u Rodetes rápidos
b = = 1 1u 1 90º c u Rodetes normales
b 1 1u 1 90º c u Rodetes lentos
70
Rodete Rápido Rodete Normal Rodete Lento
C W
a
1 90
U
a b
[CLU ] [WL − U ]
a
C W
1 = 90
U
C W
a 1 90
U
[ ] 1u 1 C U [ ] 1u 1 C = U [ ] 1u 1 C U
D1
D2
ns 50 a 100
[ ] 1 2 D D
D1
D2
ns 300 a 500
[ ] 1 2 D D
D2
[ ] 1 2 D » D
ns 125 a 200
D1
Componentes: Rodete (III)

71
a b
Componentes: Rodete (IV) [CLU ] [WL − U ]
El Triángulo de Velocidades para una turbina Francis es:
C1
U1
1
W1
a1
C2
a2
2
c = u + w
Distribuidor
UW 2 2
U1 U1
U1
a1 a1 CC 1 1
a1 viene determinado por el distribuidor
1 y 2 vienen determinados por el álabe
72
Componentes: Tubo de Aspiración (I)
Consiste en una conducción, recta ó acodada, troncocónica que une la
turbina propiamente dicha con el canal de desagüe
Adquiere más importancia con ns altos
Turbina Eje Horizontal Turbina Eje Vertical
Codo
Tubo de Aspiración

73
Componentes: Tubo de Aspiración (II)
Sus funciones son:
• Aprovechar la altura de salto disponible entre la salida del rodete y el
nivel de aguas abajo
• Recuperar al máximo posible la energía cinética residual a la salida
del rodete (c2)
La energía cinética residual a la salida del rodete es despreciable en turbinas
lentas. Sin embargo, en turbinas Francis rápidas representa del orden del
30% del salto neto mientras que en las turbinas Kaplan extrarrápidas supera
el 60%
74
Componentes: Tubo de Aspiración (II)
Sus funciones son:
• Aprovechar la altura de salto disponible entre la salida del rodete y el
nivel de aguas abajo
• Recuperar al máximo posible la energía cinética residual a la salida
del rodete (c)
2La energía 1 cinética residual a la salida del rodete 1
es despreciable en turbinas
lentas. Sin embargo, en turbinas Francis rápidas representa del orden del
30% del salto neto mientras que en las turbinas Kaplan extrarrápidas supera
el 60%
Caso A
(sin tubo)
Caso B
(con tubo)
p2 = patm
p2
Hs
2 2
3
p3 = patm
patm
vacio p2

75
Componentes: Tubo de Aspiración (III)
1 1
2 2
patm
A B
Aplicando Bernoulli entre la entrada y la salida de ambas turbinas se
obtiene la energía aprovechada en cada caso (HT. A y HT.B):
Hs
3
patm

2
ent z
c
T.A 1 2 LossA H = H −H − h
2
sal

c
2
1 z h

sal
3 L.T L.t.a.
c
c
atm
1
1
2
1

3 L.T L.t.a.
3
2
3
1
1
2
1
z h h
g
p
z
g
p
c
c
c
2 g
z h h
g
p
2 g
z
g
p
2 g
− −

+
r ×
+ −
r ×
+
×
=
= − −

+
r ×
+
×
+ −
r ×
+
×
=
2 L.T.
atm
2
2
1
1
g
p
2 g
z
g
p
2 g
−

+
r ×
+
×
+ −
r ×
+
×
=
T.B 1 3 LossB H = H −H − h
energía perdida
en la Turbina
energía perdida en el
tubo de aspiración

+
r ×
+
× ent Turbina Loss
sal
ent
g
p
2 g
z H h
g
p
2 g
A B
1 1
76
Componentes: Tubo de Aspiración (IV)
2 2
patm
A B
La ganancia de energía al instalar el tubo de aspiración es:
Hs
3
patm
T.B T.A DH = H −H

H − −
3 L.T L.t.a.
atm
1
1
2
1
c
T.B z h h
g
p
z
g
p
2 g

+
r ×
+ −
r ×
+
×
=

H −
2 L.T
atm
2
2
1
1
2
1
c
c
T.A z h
g
p
2 g
z
g
p
2 g

+
r ×
+
×
+ −
r ×
+
×
=

2
2 z h

c
2
2 z z h
2 g
c [ ]= + −

DH = = = 3 L.t.a.

+ +
r ×
−

+
r ×
+
×
atm
2
atm
g
p
z
g
p
2 g

+
× 2 3 L.t.a.
2
2 H h
2 g
s L.t.a.
c
+ −
×
=
Recupera energía de
la velocidad de salida
Recupera energía
de la cota

77
Componentes: Tubo de Aspiración (V)
1 1
2 2
patm
A B
En el tubo de aspiración se producen dos tipos de pérdidas:
• Por fricción en tubo
El tubo se diseña de modo que sean lo más reducidas posibles
• Por descarga del tubo en el canal
El tubo troncocónico tiene menor velocidad de salida
L.t.a. h
=
De este modo la energía recuperada en el tubo de aspiración es:
Hs
3
patm
2
2 H h h
2 g
[ ] s L.F.t.a. L.s.t.
c
H + − +
×
D =
c
2 g
h
2
s.t.
L.s.t. ×
2
2 H h
2 g
s L.F.t.a.
2
s.t.
−
c c
H + −
×
D =
L.F.t.a. h
78
Componentes: Tubo de Aspiración (VI)
1 1
2 2
patm
A B
Hs
3
patm
Aplicando Bernoulli entre la entrada y la salida de la T.B se puede calcular
la nueva presión en pto 2:

2
2 z

+
3
r ×
+
2
3
c
×

= − −

+
r ×
+
c
× 2 L.F.t.a. L.s.t.
3
2
g
p
2 g
z h h
g
p
2 g

2
2 z h h z
[ ] ( ) 2 L.F.t.a. L.s.t. 3
2
g
p
c
2 g
= + −

+
r ×
+
×

[ ] 2 L.F.t.a. L.s.t.
2
2
c

2 z h h
3
2 g
z
g
p
+ +

+
×
= −
r ×
2
2
c

( ) [ ] L.F.t.a. L.s.t.
2 h h
3 2
2 g
z z
g
p
+ +

×
= − −
r ×
[ ] L.F.t.a. L.s.t.
2
2
c

2 h h
s
2 g
H
p
+ +

×
= − +
g
Expresado en
presión relativa
p2 es negativa
vacio
c
2 g
h
2
s.t.
=
L.s.t. ×
−
c c

2 h
L.t.a.
2
s.t.
2
2
s
2 g
H
p
+

×
= − +
g

79
Componentes: Tubo de Aspiración (VII)
Se define el rendimiento del difusor como:
2
−
2
2 s.t.
H h
2 g
c c
H + −
−
×
c c
−
s L.F.t.a.
c c
2 g
h
2 g
2
s.t.
2
2
L.t.a
2
s.t.
2
2
D =
d
×
−
×
h =
2
2 H
2 g
d s
2
s. t.a.
c c
H × h +
×
−
D =
Entonces, la ganancia de salto neto
generada por el tubo se expresa como:
Lo que pone de manifiesto la doble función del tubo de aspiración:
• Aprovechar la altura entre la salida del rodete y el nivel de aguas abajo (Hs)
• Recuperar al máximo posible la energía cinética residual a la salida del rodete (c2)
80
Componentes: Tubo de Aspiración: Consideraciones Prácticas (I)
El tubo de aspiración se diseña para que cs.t.a. sea pequeña
Las experiencias de Rogers y Moody demuestran que para conseguir un
buen funcionamiento y evitar problemas de cavitación la presión a la
salida del rodete no debe ser inferior a un mínimo.
Rogers y Moody proponen las siguientes funciones que relacionan dichos
valores:
p
( ) a
c
= ( ) 2
g H
f n
n
2
1 s =
r× ×
2
f n = j
n
2
2
2 s 2 g H
× ×
=

81
Componentes: Tubo de Aspiración: Consideraciones Prácticas (II)
La función f1(ns) viene representada en las siguientes curvas:
g = r× g
82
Componentes: Tubo de Aspiración: Consideraciones Prácticas (III)
La función f2(ns) viene representada en la siguiente curva:
g = r× g

83
Componentes: Tubo de Aspiración: Cavitación
La presión a la salida del rodete puede llegar a descender de manera
peligrosa, favoreciendo el fenómeno de la cavitación
d s
2
c
2 atm 2 H
2 g
g
p
g
p
×h −
×
−
r×
=
r ×
Expresado en
presión absoluta
Puede suceder debido a:
• Velocidad excesiva a la salida del rodete
• Altura de aspiración excesiva
La solución más económica no consiste en construir una turbina en la
cual se excluya totalmente la cavitación
En la práctica se construyen turbinas en las cuales se llega a producir
una cavitación “controlada”. Esto producirá un cierto desgaste en los
álabes, pero sin que llegue a afectar de manera inaceptable al
rendimiento de la máquina
Esto se ha de tener presente a la hora de planificar el mantenimiento de
las centrales hidroeléctricas
84
Funcionamiento de una Turbina Francis:
• La energía potencial gravitatoria del agua embalsada se convierte,
salvo pérdidas, una parte en energía de presión y otra parte en
cinética a su llegada a la turbina
• En el distribuidor la altura de presión disminuye a costa de aumentar
la altura cinética, aunque esta conversión no es tan completa como en
el caso de las turbinas de acción
• La entrada de agua en el rodete se realiza de forma prácticamente
radial, incidiendo sobre los álabes y cediendo a éstos la mayor parte
posible de su energía
• En consecuencia, la presión disminuye notablemente y también la
velocidad del agua a la salida del rodete. El tubo de aspiración permite
aprovechar la energía disponible en el flujo de salida

85
Funcionamiento de una Turbina Francis:
• La energía potencial gravitatoria del agua embalsada se convierte,
Tubería forzada
pabs = 0 patm
salvo pérdidas, una parte en energía de presión y otra parte en
cinética a su llegada a la turbina
1 bar
Distribuidor
Pasa a E• En el distribuidor la altura de presión disminuye a costa de aumentar
cinética
0
E
la altura cinética, aunque esta conversión no es tan completa como en
el caso Rodete
de las turbinas de acción
1
• La entrada de agua en el rodete se realiza de forma prácticamente
p pradial, incidiendo Ey Esobre Elos álabes y cediendo a éstos la mayor 1 atm
parte
cinética presión
eje
posible de su energía
Tubo de
Con T. asp.
• En consecuencia, la presión disminuye notablemente py ptambién la
aspiración
2 atm
velocidad del agua a la salida del rodete. 2
El tubo de aspiración permite
aprovechar la energía disponible en el flujo S
de salida
En el nivel libre
86
Parámetros de diseño (I):
Teniendo en cuenta los coeficiente óptimos de velocidad, se obtiene una
expresión del número específico de revoluciones en función de las
características de la turbina
1m 1 1 1m n 1 1 Q = c × p×D ×b = k × 2× g×H × p×D ×b 1m n 1 1 Q = 13,91×k × H ×D ×b
r × Q × H
× h
= n 0,1855 k H 3
D b
1 1
Pot = × r × × × × × h
= × × × × × h 1 1
1m n
75
3
1m n Pot 185,5 k H D b
p × ×
D n
u 2 g H 1
1 1 n
1 H
D
n 84 ,55 ×
= x × × × = n
60
1
x
= ×
1
= × x × × ×h
s 1 1m D
1
b
n 1.150 k
x
×
84,55 × H × 185,5 × k × H × D × b
×h
4
5
n
1 1
3
n 1m n
1
1
H
D
1/ 2
= 5 / 4
Pot
n = n ×
s Pot

87
Parámetros de diseño (II):
88
Una turbina Francis de eje vertical tiene: diámetros de entrada y salida del rodete
45 y 30 cm; ancho del rodete a la entrada y salida de 5 y 7 cm; los álabes ocupan
un 8% del área a la entrada del rodete, en la salida están afilados; ángulo de salida
del distribuidor 24º; ángulo de entrada y salida a los álabes del rodete 85º y 30º; las
pérdidas hidráulicas en la turbina son de 6 m.c.a.; velocidad de entrada en la
turbina 2 m/s; altura geométrica 54 m; rendimientos mecánico y volumétrico 94% y
100%; no hay tubo de aspiración
Calcular:
• r.p.m
• Alturas neta y útil
• Rendimientos hidráulico y total
• Caudal
• Potencias interna y al freno

34.- Turbinas Kaplan
89
Generalidades (I):
La turbina KAPLAN es, en esencia, una turbina de hélice de álabes
orientables
La turbina DERIAZ es, en esencia, una turbina Francis de álabes
orientables
La principal ventaja que presentan estas turbinas es la posibilidad de
ajustar su geometría, según la carga demandada, a las condiciones de
óptimo rendimiento. Un rodete puede trabajar como infinitos rodetes
Esto produce un cambio importante en el comportamiento de la
turbomáquina a cargas parciales
Dato cronológico: La turbina Kaplan fue presentada en el año 1.925, la
turbina Deriaz en 1.956
La regulación de las turbinas hidráulicas se realiza mediante la variación
del caudal suministrado, a igualdad de salto
90
Generalidades (I):
orientables
orientables

91
Generalidades (I):
orientables
orientables
92
Generalidades (II):
Comportamiento del rendimiento a carga parcial
T. Hélice
ns = 650
T. Hélice
ns = 1050
T. Kaplan
ns = 200
T. Francis
ns = 250
T. Francis
ns = 500
T. Pelton
ns = 20
100
Rendimiento
50
T. Kaplan
ns = 500
ht
Q/Qdiseño
0 0,5 1

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