El documento clasifica las turbinas hidráulicas en centrales de agua fluyente, centrales de agua embalsada y centrales según la altura del salto. Explica los componentes básicos de una central hidroeléctrica como la turbina, el rodete, la cámara espiral y los aliviaderos. También describe brevemente los tipos de central de bombeo y da ejemplos como el Tajo de la Encantada.

1. Turbinas hidráulicas
José Agüera Soriano 2011
1

2. CLASIFICACIÓN
1. Centrales de agua fluyente
1. Centrales de agua fluyente
2. Centrales de agua embalsada
2. Centrales de agua embalsada
a) de regulación
a) de regulación
b) de bombeo
b) de bombeo
3. Centrales según la altura del salto
3. Centrales según la altura del salto
a) de alta presión
(H > 200 m)
a) de alta presión
(H > 200 m)
b) de media presión
(H entre 20 y 200 m)
b) de media presión
(H entre 20 y 200 m)
c) de baja presión
(H < 20 m)
c) de baja presión
(H < 20 m)
José Agüera Soriano 2011
2

3. nivel superior
turbina
José Agüera Soriano 2011
nivel inferior
3

4. central
José Agüera Soriano 2011
4

5. aliviaderos
José Agüera Soriano 2011
5

6. José Agüera Soriano 2011
6

7. aliviadero
canal de acceso
tubería forzada
central
José Agüera Soriano 2011
7

8. Central de Bombeo
depósito superior
chimenea de equilibrio
embalse inferior
turbina/bomba
José Agüera Soriano 2011
8

9. Tajo de la Encantada
embalse inferior
José Agüera Soriano 2011
9

10. Tajo de la Encantada
depósito superior
José Agüera Soriano 2011
10

11. Tajo de la Encantada
central
embalse
tubería forzada
chimenea de equilibrio
conducción casi horizontal
depósito
superior
José Agüera Soriano 2011
11

12. cuenca del río Duero
metros sobre el nivel del mar
Tormes
Du
ero
Duero
salto Villarino
salto Saucelle
José Agüera Soriano 2011
12

13. T
URB
INAS H
IDRÁUL
ICAS
Conceptos previos
Turbinas Pelton
Turbinas Francis
Turbinas Kaplan
Turbinas bulbo
José Agüera Soriano 2011
13

14. Flujo en tuberías con salida libre
pérdida de carga
SLL
1
2
línea piezométrica (LP)
José Agüera Soriano 2011
14

15. LP
i
2g H
2
VS
2g =
pi
γ
pB
γ
Salida por tobera
V
LE
LP
LP
V2
i
2g
pB
γ
SLL
V
plano de carga inicial
S
A'
pi
γ
SLL
A'
A
línea piezo
m
étrica con
plano de carga inicial
línea piezom
étrica con
to
bera
línlíeea L L
n
apiepoimé
V
z
etzcosin
ri a
moéera
t b
tr(ic )
Q
as
máx
pérdida de carga
2
VS
H
2g =
VS
B
A
VS
B
LE
V2
2g
S
tobera
B'
B'
Hr
Hr
H1
2
pB
VS
γ = H = 2g
in t S
oBbe
ra
V
2
VS
(Q
pB
γ = H = 2g
H1
VS
línea piezométrica (LP)
má )
x
B
S
VS
José Agüera Soriano 2011
15

16. Conducción de hidroeléctrica Villarino
L = 15000 m
H = 402 m
D = 7,5 m; H r = 40 m
D = 7,0 m; H r = 60 m
D = 8,0 m; H r = 30 m
José Agüera Soriano 2011
16

17. Potencia de un flujo
Turbina de reacción
Qm s 
ρ ⋅ Q kg/s
3
Densidad : ρ kg m 
Altura : H m 
2
2
g ⋅ H m s (J/kg)
2
Gravedad : g m s 
Caudal :
3
P = ρ ⋅ g ⋅ Q ⋅ H J/s (W)
José Agüera Soriano 2011
17

18. Turbina de acción
chimenea de equilibrio
SLL
SLL
HrAE
LP
A
rodete
H = Hn
tobera fija
José Agüera Soriano 2011
E
18
1

19. Turbina de reacción
tobera fija
tobera móvil
José Agüera Soriano 2011
19

20. cámara espiral
José Agüera Soriano 2011
20

21. Triángulos de velocidades
perfil álabe
rodete
perfil álabe
corona fija
c velocidad absoluta
u velocidad tangencial
w velocidad relativa
α ángulo c u
β ángulo w u
José Agüera Soriano 2011
21

22. Ecuación de Euler
g ⋅ H t = u1 ⋅ c1 ⋅ cosα1 − u2 ⋅ c2 ⋅ cosα 2
perfil álabe
rodete
perfil álabe
corona fija
José Agüera Soriano 2011
22

23. Semejanza de
turbomáquinas
José Agüera Soriano 2011
23

24. Velocidad específica
n ⋅ Pe∗1/ 2
ns =
(dimensional)
∗5 / 4
H
ω⋅P
nso = 1/ 2
ρ ⋅(g ⋅ H
∗1 / 2
e
∗ 5/ 4
)
(adimensional)
José Agüera Soriano 2011
24

25. Elección turbina en función de la velocidad específica
altura de salto H m
∗1 / 2
e
∗5 / 4
n⋅P
ns =
H
turbina Pelton
turbina Francis
turbina Kaplan
800
velocidad específica
José Agüera Soriano 2011
25

26. Golpe de ariete
LP después del cierre
golpe de
ariete
LP antes del cierre
chimenea de equilibrio
válvula
José Agüera Soriano 2011
26

27. Turbina Pelton
chimenea de equilibrio
SLL
SLL
HrAE
LP
A
rodete
H = Hn
inyector
José Agüera Soriano 2011
E
27
1

28. H = 100 ÷ 1800 m
ns = 10 ÷ 75
ns (óptimo) ≈ 20 (1 inyector)
Pe hasta 200 MW
Lester Allan Pelton
(1829-1908)
José Agüera Soriano 2011
28

29. tamaño y número de cucharas
José Agüera Soriano 2011
29

30. rodete Pelton
José Agüera Soriano 2011
30

31. Pelton con 1 inyector
Figura 1 inyector
inyector
deflector
José Agüera Soriano 2011
31

32. inyector Pelton
aguja de regulación
deflector
José Agüera Soriano 2011
32

33. Cucharas Pelton
d = diámetro de chorro
L = 2,1 d
mella
T = 0,85 d
B = 2,5 d
t=2 d
distancia entre cucharas
José Agüera Soriano 2011
33

34. Triángulos de velocidades
∗
∗
u1 ( teórico) = 0,50 ⋅ c1; u1 (real) ≈ 0,46 ⋅ c1
c1 ( teórico) = 2 ⋅ g ⋅ H n ; c1 (real) ≈ 0,98 ⋅ 2 ⋅ g ⋅ H n
José Agüera Soriano 2011
34

35. c2
c1
José Agüera Soriano 2011
35

36. Diámetro del rodete (D)
José Agüera Soriano 2011
36

37. Cálculo Pelton
π ⋅d2
Q=
⋅ c1 ;
4
60 ⋅ u ∗
D=
π ⋅n
t ≈ 2⋅d
∗
∗
u1 ( teórico) = 0,50 ⋅ c1; u1 (real) ≈ 0,46 ⋅ c1
c1 ( teórico) = 2 ⋅ g ⋅ H n ; c1 (real) ≈ 0,98 ⋅ 2 ⋅ g ⋅ H n
José Agüera Soriano 2011
37

38. actuación
del
deflector
José Agüera Soriano 2011
38

39. Pelton con 2 inyectores
José Agüera Soriano 2011
39

40. Pelton 4 inyectores y válvulas individuales
José Agüera Soriano 2011
40

41. José Agüera Soriano 2011
41

42. José Agüera Soriano 2011
42

43. José Agüera Soriano 2011
43

44. Turbinas Pelton (admisión parcial)
siguiente clase
Turbinas Francis (admisión total)
José Agüera Soriano 2011
44

45. Turbinas Francis
H = 30 ÷ 550 m
ns = 50 ÷ 450
ns (óptimo) ≈ 225
Pe hasta 375 MW
James B. Francis
(1815-1892)
José Agüera Soriano 2011
45

46. Primer rodete Francis
Resultaba el diámetro muy grande al tener que girar el
agua 90º a la salida del rodete; convenía pues que saliera
del mismo con una cierta componente axial.
distribuidor
rodete
José Agüera Soriano 2011
46

47. Turbina
Francis
José Agüera Soriano 2011
47

48. Rodetes Francis
1,100
2,290
0,408
0,152
ns = 165
ns = 55
1,0
1,0
g ⋅ H t = u1 ⋅ c1 ⋅ cosα1 − u2 ⋅ c2 ⋅ cosα 2
0,910
1,440
0,512
0,288
ns = 220
ns = 110
1,0
1,0
José Agüera Soriano 2011
48

49. Rodetes Francis
0,782
0,624
0,728
0,600
ns = 395
ns = 275
1,0
1,0
0,695
0,574
0,672
ns = 330
0,768
1,0
ns = 440
José Agüera Soriano 2011
1,0
49

50. J.Agüera, 2/2010
50

51. velocidad específica: 120
álabe guía
álabe estructural
álabe rodete
José Agüera Soriano 2011
cámara espiral
51

52. Turbina-bomba reversible.
Tajo de la Encantada (Málaga)
Potencia máxima: 90 MW
Revoluciones: 500 rpm
Altura máxima: 398,5 m
Caudal máximo (turbina): 27,2 m3/s
Caudal máximo (bomba): 24,5 m3/s
Velocidad específica: 100
Cuatro grupos
Potencia total: 360 MW
José Agüera Soriano 2011
52

53. rodete Francis
modelo
José Agüera Soriano 2011
53

54. Sistema de regulación turbinas de reacción
álabes guía
anillo regulador
José Agüera Soriano 2011
54

55. cerrado
José Agüera Soriano 2011
55

56. abierto
José Agüera Soriano 2011
56

57. bielas y anillo de distribución movido por dos brazos
José Agüera Soriano 2011
57

58. cámara espiral
rodete
álabes guía
José Agüera Soriano 2011
58

59. bielas y anillo de distribución movido por dos brazos
José Agüera Soriano 2011
59

60. Tubo de aspiración, o de descarga
rodete
Francis hasta un 10% de H
Kaplan entre 20% y 38%
José Agüera Soriano 2011
60

61. Cavitación
burbuja de vapor
cavidad vacía
implosión
José Agüera Soriano 2011
61

62. corrosión por cavitación
José Agüera Soriano 2011
62

63. tubos de descarga
José Agüera Soriano 2011
63

64. tubos de descarga
José Agüera Soriano 2011
64

65. Turbinas Kaplan
H = 4 ÷ 90 m
ns = 400 ÷ 900
ns (óptimo) ≈ ns bajo
Pe grandes potencias
Viktor Kaplan
(1876-1934)
José Agüera Soriano 2011
65

66. cámara espiral
álabes estructurales
álabes guía
álabes rodete
José Agüera Soriano 2011
66

67. Turbina Kaplan
álabes guía
álabes rodete
c2
José Agüera Soriano 2011
67

68. J.Agüera, 2/2010
68

69. rendimientos
Kaplan
hélice
% potencia nominal
José Agüera Soriano 2011
69

70. álabes
estructurales
álabes guía
álabes rodete
cubo rodete
José Agüera Soriano 2011
70

71. Turbina Kaplan
H = 3,8 m
tubo de aspiración,
o de descarga
José Agüera Soriano 2011
71

72. Francis: de acero
Kaplan: de hormigón armado
álabes estructurales
cámara espiral
José Agüera Soriano 2011
72

73. José Agüera Soriano 2011
73

74. José Agüera Soriano 2011
74

75. ∗1 / 2
elección de la turbina en función
n ⋅ Pe
ns =
de la velocidad específica, ns
∗5 / 4
H
altura de salto H m
Para las mareomotrices
se necesitaban turbinas
con mayores ns..
Con las bulbo, se puede
llegar hasta ns 1150.
800
velocidad específica
José Agüera Soriano 2011
75

76. Mareomotriz de La Rance (Francia)
José Agüera Soriano 2011
76

77. maqueta central mareomotriz de La Rance
José Agüera Soriano 2011
77

78. álabes estructurales
álabes guía
álabes rodete
Turbina bulbo
José Agüera Soriano 2011
78

79. La Rance (Francia)
24 turbinas 240 MW; reversibles y doble efecto
H = 1 ÷ 15 m
ns = 600 ÷ 1150
Pe = 1 ÷ 25 MW
José Agüera Soriano 2011
79

80. Rendimientos en función del caudal
Potencias normales, o
de diseño, respecto
de las nominales
Pelton
rendimientos
bulbo
re
Francis
Kaplan
Pelton: 67% al 75%
Francis: 85% al 90%
hélice: 90%
Kaplan: 67% al 75%
bulbo: 67% al 75%
% caudal Q
caudal Q (%)
José Agüera Soriano 2011
80