Turbinas Hidráulicas

Mantenimiento Mecánico.
Prof. Ing. Luis Suárez
Turbinas
• Una turbina hidráulica es una turbomáquina motora
hidráulica, que aprovecha la energía de un fluido que
pasa a través de ella para producir un movimiento de
rotación que, transferido mediante un eje, mueve
directamente una máquina o bien un generador que
transforma la energía mecánica en eléctrica.

Clasificación de Acuerdo al Diseño
del Rodete
• Kaplan
• Pelton
• Francis

Clasificación de Acuerdo al Cambio
de Presión en el Rodete
• Turbinas de acción: Son aquellas en las que el fluido
de trabajo no sufre un cambio de presión importante
en su paso a través de rodete.
• Turbinas de reacción: Son aquellas en las que el fluido
de trabajo si sufre un cambio de presión importante en
su paso a través de rodete.

Grado de Reacción
• El grado de reacción mide la relación entre la altura de
presión y la altura total.
• Las turbinas de acción aprovechan únicamente la
velocidad del flujo de agua, mientras que las de reacción
aprovechan además la pérdida de presión que se
produce en su interior.

Turbina de Acción
• Aprovechan la velocidad del flujo de agua.
• El fluido de trabajo no sufre un cambio de
presión importante.
• Son de admisión parcial.
• El rodete no está inundado.
• Se encuentra a la presión atmosférica.
• No tiene tubo de aspiración.

Partes de una Turbina de Acción
• Tubería forzada‡
• Distribuidor ‡
• Rodete

Turbina de Reacción
• Aprovechan además la pérdida depresión que
se produce en su interior.
• Fluido de trabajo si sufre un cambio de presión
importante.
• Son de admisión total.
• La presión a la entrada del rodete es superior a
la atmosférica.
• El rodete está inundado.
• La salida de la tubería se encuentra en el nivel
de aguas abajo.

Partes de una Turbina de Reacción
• Tubería forzada‡
• Distribuidor
• ‡Rodete‡
• Tubo de aspiración

Turbinas Pelton
• Es uno de los tipos más eficientes.
• Es de flujo trasversal, admisión parcial y
de acción.
• Consiste en una rueda dotada de
cucharas en su periferia que convierten la
energía de un chorro de agua que incide
sobre ellas.
• Están diseñadas para explotar grandes
saltos (100 a 2000m) de bajo caudal.

• Las centrales cuentan con una larga tubería
llamada galería de presión.
• Al final de la cual se tiene una o varias válvulas
de aguja (inyectores) con forma de tobera para
aumentar la velocidad del flujo.‡
• Para que el diámetro del rodete no sea muy
pequeño se recurre a varias toberas (1 a 6), y si
fuera preciso se aumenta también el numero de
ruedas (1 a 3).

Partes de una Turbinas Pelton
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. Álabes o cucharas.
12. Freno de la turbina
13. Blindaje
14. Destructor de energía

Funcionamiento de una
Turbina Pelton
• La tobera lanza el chorro contra las cucharas.
• El doble de la distancia entre el eje de la rueda y
el centro del chorro se denomina diámetro
Pelton.
• En la abertura de las boquillas existen dos
formas distintas de desviadores de chorro:
– El que se introduce en el chorro y lo corta.
– El que lo empuja porque abarca solo una
parte del chorro.

• Tiene un excelente rendimiento debido a
la posibilidad de hacer mínima la pérdida
por velocidad residual y por fricción del
agua sobre las cucharas.

Mantenimiento de una
Turbina Pelton
• Desde el punto de vista mecánico ofrecen, en
general mayor seguridad en su funcionamiento.
Después de un corto período se presenta un
desgaste en la aguja, en la boca de la tobera,
en los ángulos diedros de las palas y en el
deflector, debido a la acción abrasiva de la
arena.

Turbinas Francis
• Turbina a reacción y de flujo mixto.
• Algunas son capaces de variar el ángulo
de sus álabes.
• Están diseñadas para trabajar con saltos
de agua y caudales medios.
• Operan desde 60m a 600m.
• Su alta eficiencia, ha hecho que sea la
más ampliamente usada, principalmente
para la producción de energía.

Partes de una Turbina Francis
1. Caja espiral
2. Predistribuidor
3. Distribuidor: El distribuidor Fink. Consta de dos bielas
movidas por servomotor de aceite que hacen girar el
anillo donde pivota un extremo de las pequeñas bielas,
las cuales a su vez hacen girar a los álabes que
pivotan en torno a un eje fijo. Sustituye al inyector de
las turbinas Pelton.

4. Rodete
5. Tubo de aspiración: tiene dos funciones:
• Recuperar la energía cinética que tiene el agua a la
salida del rodete. Exige que la sección del tubo
crezca en la dirección del flujo.
• Recuperar energía geodésica que tiene el agua a la
salida del rodete.
4. Codo de entrada en el tubo de aspiración.

Turbina Francis
• El agua llega radialmente sobre el rodete y al
atravesarlo se desvía en un ángulo recto para
descargarse en sentido paralelo al eje de
rotación.
• La transformación de energía cinética no es
completa porque la velocidad de entrada del
agua en el rodete es menor que la que
correspondería al salto existente.
• Pueden posicionarse horizontal o verticalmente.

Aplicaciones de una
Turbina Francis
• Son muy costosas de diseñar, fabricar e
instalar, pero pueden funcionar durante
décadas.
• Pueden usarse para el bombeo y
almacenamiento hidroeléctrico.
• Se fabrican microturbinas baratas para la
producción individual de energía para saltos
mínimos de 3 metros.

Turbina Francis
• Este tipo de turbinas es el que está más sujeto
a los efectos perjudiciales que produce la arena.
• Las revisiones periódicas necesarias dependen
de la altura del salto y de las cualidades del
agua.

• La revisión se extenderá a los siguientes puntos:
– ‡Juego existente entre el rodete y el distribuidor.
– ‡Estado de los laberintos circulares, de los álabes
móviles, del codo de aspiración y de la envolvente‡.
– Estado de los anillos de protección del distribuidor y
de la superficie de los álabes distribuidores.

• Cuando trabajan con saltos elevados, pueden
vibrar anormalmente en ciertas condiciones de carga
que seremedian en las formas siguientes:‡
– Comprobar si la rueda está bien centrada en el
distribuidor
– Comprobar el acoplamiento del generador.
– Comprobar la eficacia del dispositivo de entrada de
aire en el tubo de aspiración.
– Verificar el juego del soporte.
– Comprobación de la dilatación longitudinal del eje.

Turbina Kaplan
• Son turbinas de reacción y de admisión axial
• Usadas para pequeñas alturas (2 a 80m).
• Sus rodetes son de pocos álabes relativamente
estrechos, muy parecidos a las hélices de los
buques.
• Pueden ser de dos o cuatro palas para los
saltos reducidos.
• Pueden disponerse de forma vertical, horizontal
u oblicua.

Clasificación de Turbinas Kaplan
• Los álabes del rodete son regulables,
mientras que los de los distribuidores
pueden ser fijos o regulables.
• Si ambos son regulables, es una turbina
Kaplan verdadera; si solo son regulables
los del rodete, es una turbina Semi-
Kaplan.

Partes de una Turbina Kaplan
• Compuerta de admisión de la turbina
• ‡Distribuidor Fink‡
• Rodete‡
• Tubo de aspiración

Turbina Kaplan
• Las palas son impulsadas por agua a alta presión
liberada por una compuerta.
• Para regular la entrada, se emplea un distribuidor Fink.
• Los álabes del rodete giran sincrónicamente alrededor
de su eje.
• Funcionan como si un solo rodete desempeñara el papel
de infinito número de rodetes.

Mecanismo de Orientación
de los Álabes

Turbina Kaplan
• ‡Es necesario comprobar periódicamente la
estanqueidad del núcleo de las palas motoras, que tiene
la doble misión de impedir la salida hacia fuera del
aceite y de evitar que el agua penetre en el núcleo.
• ‡Las turbinas que sólo puedan regularse por medio de
los álabes móviles y que experimenten fuertes y
duraderas variaciones de carga, exigen que se revise
más a menudo la rueda motriz.

Turbina de Hélice
• Iguales a las turbinas Kaplan, no varían el
ángulo de sus palas. Son turbinas de reacción y
flujo axial.
• Los álabes del rodete como los del distribuidor
son fijos, por lo que solo se utilizan cuando el
caudal y el salto son prácticamente constantes.

Cavitación
• Se produce en las turbina de reacción. Consiste en la
vaporización localizada del agua, en las zonas de mayor
depresión de la cara posterior de los álabes,
dependiendo de la temperatura, presión atmosférica y
de la depresión en el tubo de aspiración.

• La cavitación o aspiraciónes en vacío es un efecto
hidrodinámico que se produce cuando el agua o
cualquier otro fluido en estado líquido pasa a gran
velocidad por una arista afilada, produciendo una
descompresión del fluido.
• Puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del
liquido de tal forma que cambia inmediatamente a
estado de vapor, formándose burbujas.
• Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor
presión e implotan (el vapor regresa al estado líquido
de manera súbita, «aplastándose» bruscamente las
burbujas) produciendo una estela de gas y un arranque
de metal de la superficie en la que origina este
fenómeno.

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