Este documento describe diferentes tipos de turbinas hidráulicas. Explica la teoría unidimensional para turbinas, incluyendo la clasificación según la velocidad específica, la curva característica teórica y la regulación. También cubre temas como el embalamiento de turbinas y describe turbinas de impulso como la Pelton, turbinas centrífugas como la Francis y turbinas axiales como la Kaplan.

1. TURBINAS
HIDRÁULICAS
Máquinas Hidráulicas – 6ºORG – 2005/2006
11 Abril 2006 http://web.uniovi.es/Areas/Mecanica.Fluidos/

2. 2/31
TABLA DE CONTENIDOS
• TEORÍA UNIDIMENSIONAL PARA TURBINAS
HIDRÁULICAS
Tipología básica de las turbinas hidráulicas.
Clasificación según la velocidad específica.
Curva característica teórica a partir de la ec. de Euler.
Regulación de turbinas.
Embalamiento de turbinas.
La rueda hidráulica.
• TURBINAS DE IMPULSO. TURBINAS PELTON
Origen y Elementos constructivos. Triángulos de velocidad.
Curva Característica. Condición de potencia máxima.
• TURBINAS CENTRÍFUGAS. TURBINAS FRANCIS
Origen y Elementos constructivos. Triángulos de velocidad.
Curva Característica. Regulación por distribuidor.
• TURBINAS AXIALES. TURBINAS KAPLAN
Origen y Elementos constructivos. Turbinas Hélice vs. Kaplan.
Curva Característica. Otros tipos de turbinas axiales y semiaxiales.

3. 3/31
TEORÍA UNIDIMENSIONAL PARA
TURBINAS HIDRÁULICAS
Tipología de turbinas hidráulicas (I)

4. 4/31
TEORÍA UNIDIMENSIONAL PARA
TURBINAS HIDRÁULICAS
Tipología de turbinas hidráulicas (II)
Turbina AXIAL (KAPLAN) Turbina RADIAL (FRANCIS) Turbina TANGENCIAL (PELTON)

5. 5/31
TEORÍA UNIDIMENSIONAL PARA
TURBINAS HIDRÁULICAS
VELOCIDAD
ESPECÍFICA (I)
N [ rpm] ⋅ W [CV ]
ns =
( H [ m ])
54
ns Tipo de Turbina
<= 32 PELTON
32 < ns< 450 FRANCIS
>= 450 KAPLAN
ω ⋅ Q1 2
ns = ¡OJO! La definición
( gH )
34 adimensional correcta de la
velocidad específica (utilizada
en bombas) incluye el caudal y
no la potencia.

6. 6/31
TEORÍA UNIDIMENSIONAL PARA
TURBINAS HIDRÁULICAS
VELOCIDAD
ESPECÍFICA (II)

7. 7/31
TEORÍA UNIDIMENSIONAL PARA
TURBINAS HIDRÁULICAS
VELOCIDAD
ESPECÍFICA (III)
FACTOR DE VELOCIDAD
PERIFÉRICA
U1
φe =
2 gh
¡OJO! h viene expresado en FT;
ns=4.44 Ns

8. 8/31
TEORÍA UNIDIMENSIONAL PARA
TURBINAS HIDRÁULICAS
CURVA CARACTERÍSTICA A Ejemplo: TURBINA FRANCIS
PARTIR DE LA EC. EULER
U1V1u − U 2V2u
Q Q V Q EC.EULER: H th =
V1 f = ; V2 f = V1u = 1 f = g (En el punto de diseño
S1 S2 tgα1 S1tgα1 Sustituyendo se busca que V2u=0)
V Q
V2u = U 2 − 2 f = ω R2 −
tg β 2 S 2tg β 2
Q  R1 R2  2
R2 2
W1 H th =  + ω − ω
V1f
V1 g  S1tgα1 S 2tg β 2  g
U1 a1
H HN
V1u Hth
W2 ω
V2f V2 Q
b2
2
U2 U2
V2u −
g

9. 9/31
TEORÍA UNIDIMENSIONAL PARA
TURBINAS HIDRÁULICAS
TIPO DE
APROVECHAMIENTO

10. 10/31
TEORÍA UNIDIMENSIONAL PARA
TURBINAS HIDRÁULICAS
VELOCIDAD SÍNCRONA
REGULACIÓN
La turbina hace girar un alternador que ha de generar
DE TURBINAS (I) la electricidad a una determinada frecuencia (en
Europa, 50 Hz; en EEUU y Japón, 60 Hz). Por tanto, la
Velocidad de giro impuesta por nº de velocidad de la turbina debe ser tal que conjugada
con el número de pares de polos, gire a la frecuencia
pares de polos del alternador Ha de de red (velocidad síncrona)
ser INVARIABLE
60 f 3000
Salto neto constante Altura a la que
n= = ( f = 50 Hz )
p p
trabaja la turbina fija por el salto
hidráulico: Hn FIJO
DISTRIB. HN (Turbina)
Modificación del CAUDAL de trabajo H
mediante el grado de apertura de la HN (Salto) Hth
admisión de la turbina
DISTRIBUIDOR / AGUJA
AGUJA (Pelton) Chorro
DISTRIBUIDOR (Francis y Kaplan)
Q
Ángulo del distribuidor
Admisión (sección de paso) QD- QD QD+
2
U
− 2
g

11. 11/31
TEORÍA UNIDIMENSIONAL PARA
TURBINAS HIDRÁULICAS
REGULACIÓN
η = η (W )
DE TURBINAS (II)
η = η (Q )

12. 12/31
TEORÍA UNIDIMENSIONAL PARA
TURBINAS HIDRÁULICAS
Ocurre cuando el ALTERNADOR se desacopla de la
EMBALAMIENTO
RED por avería El conjunto alternador-turbina gira
DE TURBINAS (I)
sin carga y se acelera embalándose.
Par desarrollado por la potencia hidráulica al eje:
ρ gQH th
Weje
dω M= =
M =I ω ω
dt dω
Incremento de la velocidad con el tiempo, embalamiento:
Momento Inercia conjunto turbina-alternador: I = mrG
2 dt
No es posible que se acelere indefinidamente, puesto que si crece U1, al
mantenerse constante el valor de V1 (esto es, el caudal de entrada), llega
un momento que W1 introduce grandes pérdidas por choque,
oponiéndose a la aceleración. Los límites prácticos de embalamiento son:
nmax = 1.8 nnominal (PELTON).
nmax = 2 nnominal (FRANCIS).
nmax = 2.2 ~ 2.4 nnominal (KAPLAN).

13. 13/31
TEORÍA UNIDIMENSIONAL PARA
TURBINAS HIDRÁULICAS
EMBALAMIENTO
DE TURBINAS (II)
Embalamiento en turbinas PELTON:
ω
t
ρ QR dω
ωR  Q  ∫ (1 − K cos θ ) dt = ∫ Q
H th = (1 − K cos θ )  − ω R  0 I Integrando ω0 − ωR
g  Sch  Sch
ρ gQH th dω
=I Q  Q  − ρQR (1− K cosθ )t
2
ω dt ω= − − ω0  e I
Sch R  Sch R 
Embalamiento en turbinas FRANCIS:
ω
Q  R1 R2  R 2 2
t
ρQ dω Integrando
H th =  + ω − ω
g  S1tgα1 S 2tg β 2  g
2
∫
0
I
dt = ∫
ω AQ − R2 ω
2
0
AQ  ρ QR2 
A 2
ρ QR2 2
ρ gQH th dω ω = 2 1 − e
−
I
t
 − ω0 e
−
I
t
=I  
ω dt R2  
Embalamiento en turbinas KAPLAN Ejercicio propuesto

14. 14/31
LA RUEDA HIDRÁULICA

15. 15/31
TURBINAS PELTON
LESTER A. PELTON
(1829-1908)

16. 16/31
TURBINAS PELTON
Configuraciones

17. 17/31
TURBINAS PELTON PARTES
CONSTRUCTIVAS

18. 18/31
TURBINAS PELTON
W2 = K ⋅ W1 Triángulos de velocidad
K = 0.8 ∼ 0.85
W1 U1
V1
Q = V1Sch
U1 ≈ U 2 W2
q U2
• Aplicando Bernouilli en el Salto Hidráulico:
(0.92 < CV < 0.98) V2
V1 = CV 2 gH N
• Como q < 90º el coseno es siempre negativo.
H N = H B − hp • Idealmente, si K=1 y q = 180º, se obtendría la
HB
máxima energía: (1-Kcosq)=2. Obviamente, por
razones constructivas, q no puede ser igual a
• De la Ecuación de Euler:
180º. Normalmente, se toman valores de 165º.
• Si k=1, para q=180º, (1-Kcosq)=2.
U hp
H th = (V1 − U )(1 − K cos θ ) • Si k=1, para q=165º, (1-Kcosq)=1.966.
g Supone una diferencia despeciable: 2% (!!)
W = ρ QU (V1 − U )(1 − K cos θ )

19. 19/31
TURBINAS PELTON
cos β 2 = − cos θ ωR  Q 
K ≈1
Salto Neto H th = (1 − K cos θ )  − ω R 
g  Sch 
Energía en
el Eje
ηH
Rend. Máximo si V1=2U (ver siguiente)

20. 20/31
TURBINAS PELTON
POTENCIA Y RENDIMIENTO MÁXIMO
Wth ρ QU (V1 − U )(1 − k cos θ )
η= =
WN ρ gQH N
U
Introduciendo el factor de velocidad periférica, φ=
2 gH
U U2 1
Y como, V1 = CV 2 gH N ⇒ φ = CV ⇒ H N = 2
V1 φ 2g
Sustituyendo, η = 2 (1 − k cos θ ) φ ( CV − φ )
dη C
Para rendimiento máximo, =0 ⇒ φ = V
dφ 2
CV2 O lo que es igual: V1 = 2U
ηmax = (1 − k cos θ )
2
• Si Cv=1 f = 0.5
Wmax = ρ QU 2 (1 − k cos θ ) • Si Cv= 0.94 f ~ 0.47

21. 21/31
TURBINAS FRANCIS
BOYDEN
TURBINE
(1844).
Outward Flow
Turbine
Improved by
Francis (1849)
as an Inward
Flow Turbine
JAMES B. FRANCIS
(1815-1892)

22. 22/31
TURBINAS FRANCIS
Configuraciones
Eje Vertical
Eje Horizontal

23. 23/31
TURBINAS FRANCIS PARTES
CONSTRUCTIVAS
DISTRIBUIDOR
Pala directriz
del
distribuidor
Mecanismo hidráulico para
apertura/cierre del distribuidor

24. 24/31
TURBINAS FRANCIS
Triángulos de velocidad
α1 = α 0 ⇒ Angulo del distribuidor
Vista lateral
Q
V1 f =
S1 S1 = π D1b1
V2 f =
Q
S 2 ≈ π D2b2
S2
Curva característica a partir
de la ecuación de Euler
Q  R1 R2  2
R2 2
H th =  + ω − ω
g  S1tgα1 S 2tg β 2  g
Vista frontal

25. 25/31
TURBINAS FRANCIS
REGULACIÓN CON
DISTRIBUIDOR

26. 26/31
TURBINAS FRANCIS
CARACTERÍSTICAS
GEOMÉTRICAS DEL RODETE
Evolución de la geometría de un rodete Francis
con la velocidad específica

27. 27/31
TURBINAS KAPLAN
VIKTOR KAPLAN
(1876-1934)
1st KAPLAN
TURBINE in
the U.S. (1929)

28. 28/31
TURBINAS KAPLAN
Configuraciones

29. 29/31
TURBINAS KAPLAN PARTES
CONSTRUCTIVAS
Alabes ajustables
1.- Los álabes de la Kaplan son perfilados. Las propiedades hidrodinámicas
de los perfiles se relacionan con la solidez y con el número de álabes, a
través de una función trigonométrica de la deflexión: CLs = f(Db)
2.- La solidez informa claramente del número de álabes
que presenta el rodete. Existe una relación entre el ns Z
número óptimo de álabes y la velocidad específica.
400 – 500 7-8
Para valores de ns bajos, se tienen alturas (H) mayores,
por lo que se extrae mayor energía por unidad de 500 – 600 6
volumen de agua. Por tanto, hay que proporcionar
600 – 750 5
mayor deflexión a los álabes para conseguir altos
intercambios de energía. Se tienen que retorcer más 750 – 900 4
los álabes, haciendo más costoso el guiado, > 900 3
necesitándose mayor número de álabes.
3.- El núcleo de la turbina suele ser un 40 – 50% del diámetro total de la máquina.

30. 30/31
REGULACIÓN
TURBINAS KAPLAN DE CAUDAL
Triángulos V1 W1+ V1 V1
de velocidad W1 Va V1 +
W1 V
a
a1=a0 W1 Va
W1- a1- a
Como la pala es ajustable, U1 U1 = U1+
a1+ a
1
V1 - 1
es más sencillo buscar la U1 = U1 -
orientación que cumple
funcionamiento óptimo,
V1u V1u V1u
para V2u=0:
π Q+ > Q Q- < Q
Q = Va (D 2
p −D
2
c ) (Va+ > Va ) (Va- < Va )
U 4
H th = V1u W2-
g 1) Distribución de b2 - V2 -
Vórtice Libre: W2
Va=V2 Va=V2
Vu=k/r (H cte para W2
b2
todo radio del b2
W2 rodete) U2=U1
Va=V2 W2+ U2=U1 V2 +
b2 +
b2 2) Regulación de caudal: Para ello, se cambia la configuración del
rodete, ajustando los álabes según un giro sobre su propio eje. De
U2=U1 esta manera:
Cambia el ángulo a de entrada ACCIONAR DISTRIBUIDOR
ÁLABES
Rotan los álabes sobre su eje REAJUSTE DEL RODETE
RETORCIDOS
DE BASE A Esto NO se puede plantear en un rodete FRANCIS, pues son
PUNTA rodetes de fundición (RODETE NO AJUSTABLE). Por tanto, no es
posible conseguir que V2 sea completamente axial, salvo en el
punto de diseño.

31. 31/31
TURBINAS KAPLAN
Otras configuraciones
Turbina tipo
Turbina tipo
bulbo
tubular
Turbina tipo
pozo
Turbina tipo
STRAFLO