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Una turbina hidráulica es una máquina rotatoria que convierte la energía cinética y la energía potencial del agua en trabajo mecánico.
Las turbinas hidráulicas se desarrollaron en el siglo XIX y se utilizaban ampliamente para la energía industrial antes de que existieran las redes eléctricas . En la actualidad, se utilizan principalmente para la generación de energía eléctrica. Las turbinas hidráulicas se encuentran principalmente en represas para generar energía eléctrica a partir de la energía potencial del agua.
Las ruedas hidráulicas se han utilizado durante cientos de años para generar energía industrial. Su principal defecto es el tamaño, que limita el caudal y la altura que se pueden aprovechar. La migración de las ruedas hidráulicas a las turbinas modernas tardó unos cien años. El desarrollo se produjo durante la Revolución Industrial , utilizando principios y métodos científicos. También hicieron un uso extensivo de nuevos materiales y métodos de fabricación desarrollados en ese momento.
El término turbina fue introducido por el ingeniero francés Claude Burdin a principios del siglo XIX y se deriva de la palabra griega "τύρβη" que significa "remolino" o " vórtice ". La principal diferencia entre las primeras turbinas hidráulicas y las ruedas hidráulicas es un componente de remolino del agua que transmite energía a un rotor giratorio. Este componente adicional de movimiento permitió que la turbina fuera más pequeña que una rueda hidráulica de la misma potencia. Podían procesar más agua al girar más rápido y podían aprovechar cargas mucho mayores. (Más tarde, se desarrollaron turbinas de impulso que no utilizaban remolino).
Las primeras turbinas hidráulicas conocidas datan del Imperio Romano . Se encontraron dos yacimientos de molinos con turbinas helicoidales de diseño casi idéntico en Chemtou y Testour , en la actual Túnez , que datan de finales del siglo III o principios del IV d. C. La rueda hidráulica horizontal con aspas en ángulo se instaló en el fondo de un pozo circular lleno de agua. El agua del canal del molino entraba en el pozo de forma tangencial, creando una columna de agua en remolino que hacía que la rueda completamente sumergida actuara como una verdadera turbina. [1]
Fausto Veranzio en su libro Machinae Novae (1595) describió un molino de eje vertical con un rotor similar al de una turbina Francis . [2]
Johann Segner desarrolló una turbina hidráulica reactiva ( rueda de Segner ) a mediados del siglo XVIII en el Reino de Hungría . Tenía un eje horizontal y fue precursora de las turbinas hidráulicas modernas. Es una máquina muy simple que todavía se produce hoy en día para su uso en pequeñas centrales hidroeléctricas. Segner trabajó con Euler en algunas de las primeras teorías matemáticas del diseño de turbinas. En el siglo XVIII, un tal Dr. Robert Barker inventó una turbina hidráulica de reacción similar que se hizo popular como demostración en las salas de conferencias. [3] El único ejemplo conocido que sobrevive de este tipo de motor utilizado en la producción de energía, que data de 1851, se encuentra en la Hacienda Buena Vista en Ponce, Puerto Rico . [4]
En 1820, Jean-Victor Poncelet desarrolló una turbina de flujo interno.
En 1826, Benoît Fourneyron desarrolló una turbina de flujo hacia afuera. Se trataba de una máquina eficiente (~80%) que enviaba agua a través de un rodete con álabes curvados en una dimensión. La salida estacionaria también tenía guías curvas.
En 1844, Uriah A. Boyden desarrolló una turbina de flujo hacia afuera que mejoraba el rendimiento de la turbina Fourneyron. La forma de su rodete era similar a la de una turbina Francis .
En 1849, James B. Francis mejoró la turbina de reacción de flujo interno hasta alcanzar una eficiencia superior al 90 %. También realizó pruebas sofisticadas y desarrolló métodos de ingeniería para el diseño de turbinas hidráulicas. La turbina Francis , que lleva su nombre, es la primera turbina hidráulica moderna. Hoy en día, sigue siendo la turbina hidráulica más utilizada en el mundo. La turbina Francis también se denomina turbina de flujo radial, ya que el agua fluye desde la circunferencia exterior hacia el centro del rodete.
Las turbinas de agua de flujo hacia adentro tienen una mejor disposición mecánica y todas las turbinas de agua de reacción modernas tienen este diseño. A medida que el agua se arremolina hacia adentro, se acelera y transfiere energía al rodete. La presión del agua disminuye hasta la atmosférica, o en algunos casos hasta la subatmosférica, a medida que el agua pasa a través de las aspas de la turbina y pierde energía.
En 1876, John B. McCormick , basándose en los diseños de Francis, demostró la primera turbina moderna de flujo mixto con el desarrollo de la turbina Hercules, inicialmente fabricada por Holyoke Machine Company y posteriormente mejorada por ingenieros en Alemania y Estados Unidos. [5] El diseño combinó de manera efectiva los principios de flujo hacia adentro del diseño de Francis con la descarga descendente de la turbina Jonval , con flujo hacia adentro en la entrada, axial a través del cuerpo de la rueda y ligeramente hacia afuera en la salida. Inicialmente funcionando de manera óptima con un 90% de eficiencia a velocidades más bajas, este diseño vería muchas mejoras en las décadas posteriores en derivados con nombres como "Victor", "Risdon", "Samson" y "New American", marcando el comienzo de una nueva era en la ingeniería de turbinas estadounidense. [6] [7]
Las turbinas hidráulicas, particularmente en las Américas, se estandarizarían en gran medida con el establecimiento del Holyoke Testing Flume , descrito como el primer laboratorio hidráulico moderno en los Estados Unidos por Robert E. Horton y Clemens Herschel , el último de los cuales serviría como su ingeniero jefe por un tiempo. [8] [9] Inicialmente creado en 1872 por James B. Emerson a partir de los canales de prueba de Lowell , después de 1880 el laboratorio hidráulico de Holyoke, Massachusetts fue estandarizado por Herschel, quien lo utilizó para desarrollar el medidor Venturi , el primer medio preciso para medir grandes flujos, para medir adecuadamente la eficiencia de la energía hidráulica por diferentes modelos de turbinas. [10] [11] [12] Si bien los hidrólogos europeos tenían escepticismo sobre ciertos cálculos de vertederos , la instalación permitió pruebas de eficiencia estándar entre los principales fabricantes hasta 1932, momento en el que habían proliferado instalaciones y métodos más modernos. [13] [14] : 100
Alrededor de 1890 se inventó el cojinete de fluido moderno , que ahora se utiliza universalmente para soportar ejes de turbinas de agua pesada. A partir de 2002, los cojinetes de fluido parecen tener un tiempo medio entre fallas de más de 1300 años.
Alrededor de 1913, Viktor Kaplan creó la turbina Kaplan , una máquina de tipo hélice. Fue una evolución de la turbina Francis y revolucionó la capacidad de desarrollar plantas hidroeléctricas de baja presión.
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Todas las máquinas hidráulicas comunes hasta finales del siglo XIX (incluidas las ruedas hidráulicas ) eran básicamente máquinas de reacción; la presión del agua actuaba sobre la máquina y producía trabajo. Una turbina de reacción debe contener completamente el agua durante la transferencia de energía.
En 1866, el mecánico de molinos de California Samuel Knight inventó una máquina que llevó el sistema de impulso a un nuevo nivel. [15] [16] Inspirado por los sistemas de chorro de alta presión utilizados en la minería hidráulica en los campos de oro, Knight desarrolló una rueda de cangilones que capturaba la energía de un chorro libre, que había convertido una gran altura (cientos de pies verticales en una tubería o conducto forzado ) de agua en energía cinética. Esto se llama turbina de impulso o tangencial. La velocidad del agua, aproximadamente el doble de la velocidad de la periferia del cangilón, hace un giro en U en el cangilón y cae fuera del corredor a baja velocidad.
En 1879, Lester Pelton , mientras experimentaba con una rueda de caballero, desarrolló una rueda Pelton (diseño de doble cubo), que expulsaba el agua hacia un lado, eliminando así parte de la pérdida de energía de la rueda de caballero, que expulsaba parte del agua hacia el centro de la rueda. Alrededor de 1895, William Doble mejoró la forma de cubo semicilíndrico de Pelton con un cubo elíptico que incluía un corte para permitir que el chorro entrara más limpio en el cubo. Esta es la forma moderna de la turbina Pelton, que hoy alcanza una eficiencia de hasta el 92%. Pelton había sido un promotor bastante eficaz de su diseño y, aunque Doble se hizo cargo de la empresa Pelton, no cambió el nombre a Doble porque tenía reconocimiento de marca.
Las turbinas turgo y de flujo cruzado fueron diseños de impulso posteriores.
El agua que fluye se dirige hacia las aspas de un rodete de turbina, lo que crea una fuerza sobre las aspas. Como el rodete está girando, la fuerza actúa a lo largo de una distancia (la fuerza que actúa a lo largo de una distancia es la definición de trabajo ). De esta manera, la energía se transfiere del flujo de agua a la turbina.
Las turbinas hidráulicas se dividen en dos grupos: turbinas de reacción y turbinas de impulsión .
La forma precisa de las palas de la turbina de agua es una función de la presión de suministro de agua y del tipo de impulsor seleccionado.
Las turbinas de reacción funcionan con agua, que cambia de presión a medida que se mueve a través de la turbina y cede su energía. Deben estar revestidas para contener la presión del agua (o succión), o deben estar completamente sumergidas en el flujo de agua.
La tercera ley de Newton describe la transferencia de energía para las turbinas de reacción.
La mayoría de las turbinas hidráulicas que se utilizan son turbinas de reacción y se utilizan en aplicaciones de alturas de impulsión bajas (<30 m o 100 pies) y medias (30–300 m o 100–1000 pies). En las turbinas de reacción, la caída de presión se produce tanto en las palas fijas como en las móviles. Se utilizan en gran medida en presas y grandes centrales eléctricas.
Las turbinas de impulso cambian la velocidad de un chorro de agua. El chorro empuja las palas curvas de la turbina, lo que cambia la dirección del flujo. El cambio resultante en el momento ( impulso ) provoca una fuerza en las palas de la turbina. Como la turbina está girando, la fuerza actúa a través de una distancia (trabajo) y el flujo de agua desviado queda con energía reducida. Una turbina de impulso es una en la que la presión del fluido que fluye sobre las palas del rotor es constante y todo el trabajo de salida se debe al cambio en la energía cinética del fluido.
Antes de llegar a las aspas de la turbina, la presión del agua ( energía potencial ) se convierte en energía cinética mediante una boquilla y se concentra en la turbina. No se produce ningún cambio de presión en las aspas de la turbina y esta no necesita una carcasa para funcionar.
La segunda ley de Newton describe la transferencia de energía para turbinas de impulso.
Las turbinas de impulso se utilizan a menudo en aplicaciones con alturas de elevación muy elevadas (>300 m/1000 pies).
La potencia disponible en una corriente es:
dónde:
Algunas turbinas hidráulicas están diseñadas para la generación de energía hidroeléctrica mediante bombeo. Pueden invertir el flujo y funcionar como una bomba [1] para llenar un depósito alto durante las horas de menor demanda eléctrica y luego volver a funcionar como una turbina hidráulica para generar energía durante las horas pico de demanda eléctrica. Este tipo de turbina suele tener un diseño de Deriaz o Francis .
Este tipo de sistema se utiliza en El Hierro, una de las Islas Canarias: "Cuando la producción eólica supera la demanda, el exceso de energía bombeará agua desde un depósito inferior en el fondo de un cono volcánico a un depósito superior en la cima del volcán a 700 metros sobre el nivel del mar. El depósito inferior almacena 150.000 metros cúbicos de agua. El agua almacenada actúa como una batería. La capacidad máxima de almacenamiento es de 270 MWh. Cuando la demanda aumenta y no hay suficiente energía eólica, el agua se liberará a cuatro turbinas hidroeléctricas con una capacidad total de 11 MW". [17] [18]
Las grandes turbinas hidráulicas modernas funcionan con eficiencias mecánicas superiores al 90%.
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La selección de la turbina se basa en la carga de agua disponible y no tanto en el caudal disponible. En general, las turbinas de impulso se utilizan para sitios con cargas elevadas y las turbinas de reacción para sitios con cargas bajas . Las turbinas Kaplan con paso de pala ajustable se adaptan bien a una amplia gama de condiciones de caudal o carga, ya que su máxima eficiencia se puede lograr en una amplia gama de caudales.
Las turbinas pequeñas (en su mayoría de menos de 10 MW) pueden tener ejes horizontales, e incluso las turbinas de bulbo bastante grandes de hasta 100 MW aproximadamente pueden ser horizontales. Las máquinas Francis y Kaplan muy grandes suelen tener ejes verticales porque esto permite aprovechar al máximo la caída de presión disponible y hace que la instalación de un generador sea más económica. Las ruedas Pelton pueden ser máquinas de eje vertical u horizontal porque el tamaño de la máquina es mucho menor que la caída de presión disponible. Algunas turbinas de impulso utilizan varios chorros por rodete para equilibrar el empuje del eje. Esto también permite el uso de un rodete de turbina más pequeño, lo que puede reducir los costos y las pérdidas mecánicas.
La velocidad específica de una turbina caracteriza la forma de la misma de una manera que no está relacionada con su tamaño. Esto permite que un nuevo diseño de turbina se pueda adaptar a escala a partir de un diseño existente de rendimiento conocido. La velocidad específica también es el criterio principal para adaptar un sitio hidroeléctrico específico al tipo de turbina correcto. La velocidad específica es la velocidad con la que gira la turbina para un caudal Q particular, con una altura unitaria y, por lo tanto, es capaz de producir energía unitaria.
Las leyes de afinidad permiten predecir el rendimiento de una turbina basándose en pruebas de modelos. Se puede probar una réplica en miniatura de un diseño propuesto, de aproximadamente un pie (0,3 m) de diámetro, y aplicar las mediciones de laboratorio a la aplicación final con gran confianza. Las leyes de afinidad se derivan al exigir la similitud entre el modelo de prueba y la aplicación.
El flujo a través de la turbina se controla mediante una válvula grande o mediante compuertas dispuestas alrededor del exterior del rodete de la turbina. La altura diferencial y el flujo se pueden representar gráficamente para distintos valores de apertura de compuerta, lo que produce un diagrama de Hill que se utiliza para mostrar la eficiencia de la turbina en distintas condiciones.
La velocidad de embalamiento de una turbina hidráulica es la velocidad a pleno caudal y sin carga en el eje. La turbina estará diseñada para soportar las fuerzas mecánicas de esta velocidad. El fabricante proporcionará la velocidad nominal de embalamiento.
Desde mediados del siglo XVIII se han utilizado distintos diseños de reguladores para controlar la velocidad de las turbinas hidráulicas. Durante los primeros 100 años de control de la velocidad de las turbinas hidráulicas se utilizaron diversos sistemas de bola flotante , o reguladores de primera generación. En los primeros sistemas de bola flotante, el componente de bola flotante, contrarrestado por un resorte, actuaba directamente sobre la válvula de la turbina o la compuerta para controlar la cantidad de agua que entraba en las turbinas. Los sistemas más nuevos con reguladores mecánicos comenzaron alrededor de 1880. Un regulador mecánico temprano es un servomecanismo que comprende una serie de engranajes que utilizan la velocidad de la turbina para impulsar la bola flotante y la potencia de la turbina para impulsar el mecanismo de control. Los reguladores mecánicos continuaron mejorando la amplificación de potencia mediante el uso de engranajes y el comportamiento dinámico. En 1930, los reguladores mecánicos tenían muchos parámetros que se podían configurar en el sistema de retroalimentación para controles precisos. En la última parte del siglo XX, los reguladores electrónicos y los sistemas digitales comenzaron a reemplazar a los reguladores mecánicos. En los reguladores electrónicos, también conocidos como reguladores de segunda generación, el flyball fue reemplazado por un sensor de velocidad rotacional , pero los controles se seguían realizando mediante sistemas analógicos . En los sistemas modernos, también conocidos como reguladores de tercera generación, los controles se realizan digitalmente mediante algoritmos que se programan en la computadora del regulador. [20]
Una compuerta , o álabe guía , es un anillo de compuertas (o álabes) que rodea una turbina de agua y que controla el flujo de agua que ingresa a ella; variar la apertura entre ellas controla la velocidad de giro de la turbina y, por lo tanto, la cantidad de electricidad generada. [21]
Dado que las palas de turbina en una turbina de agua están constantemente expuestas al agua y a fuerzas dinámicas, necesitan tener una alta resistencia a la corrosión y fuerza. El material más común utilizado en superposiciones sobre corredores de acero al carbono en turbinas de agua son aleaciones de acero austenítico que tienen entre un 17% y un 20% de cromo para aumentar la estabilidad de la película, lo que mejora la resistencia a la corrosión acuosa. El contenido de cromo en estas aleaciones de acero excede el mínimo del 12% de cromo requerido para exhibir cierta resistencia a la corrosión atmosférica. Tener una mayor concentración de cromo en las aleaciones de acero permite una vida útil mucho más larga de las palas de turbina. Actualmente, las palas están hechas de aceros inoxidables martensíticos que tienen una alta resistencia en comparación con los aceros inoxidables austeníticos por un factor de 2. [22] Junto con la resistencia y la resistencia a la corrosión, la soldabilidad y la densidad son criterios importantes para la selección del material de las palas de turbina. Una mayor soldabilidad permite reparaciones más fáciles y de alta calidad. La baja densidad permite una mayor eficiencia a través de una rotación más fácil. El material más común utilizado en las palas de turbinas Kaplan son las aleaciones de acero inoxidable (SS). Las aleaciones de acero inoxidable martensítico tienen una alta resistencia que permite secciones más delgadas que el acero al carbono estándar; la masa reducida mejora las condiciones de flujo hidrodinámico y la eficiencia de la turbina de agua. [22] Se ha demostrado que el SS (13Cr-4Ni) tiene una resistencia a la erosión mejorada en todos los ángulos de ataque a través del proceso de granallado láser . [23] Es importante minimizar la erosión para mantener altas eficiencias porque la erosión impacta negativamente el perfil hidráulico de las palas, lo que reduce la relativa facilidad de rotación. [24]
Las turbinas están diseñadas para funcionar durante décadas con muy poco mantenimiento de los elementos principales; los intervalos de revisión son del orden de varios años. El mantenimiento de los rodetes y las piezas expuestas al agua incluye la extracción, inspección y reparación de las piezas desgastadas.
El desgaste normal incluye corrosión por picaduras debido a cavitación , agrietamiento por fatiga y abrasión debido a sólidos suspendidos en el agua. Los elementos de acero se reparan mediante soldadura, generalmente con varillas de acero inoxidable . Las áreas dañadas se cortan o se rectifican y luego se vuelven a soldar para recuperar su perfil original o uno mejorado. Los rodetes de turbinas antiguos pueden tener una cantidad significativa de acero inoxidable agregado de esta manera al final de su vida útil. Se pueden utilizar procedimientos de soldadura elaborados para lograr reparaciones de la más alta calidad. [25]
Otros elementos que requieren inspección y reparación durante las revisiones incluyen cojinetes , cajas de empaque y manguitos de ejes, servomotores, sistemas de enfriamiento para los cojinetes y bobinas del generador, anillos de sello, elementos de conexión de compuertas y todas las superficies. [26]
Las turbinas hidráulicas se consideran generalmente generadoras de energía limpia, ya que no provocan prácticamente ningún cambio en el agua. Utilizan una fuente de energía renovable y están diseñadas para funcionar durante décadas. Producen cantidades significativas del suministro eléctrico mundial.
Las consecuencias negativas de las turbinas hidráulicas se asocian principalmente a las represas que normalmente se requieren para su funcionamiento. Las represas alteran la ecología natural de los ríos, lo que puede matar peces, detener las migraciones y perturbar los medios de vida. Las represas también causan consecuencias menos obvias, pero potencialmente graves, que incluyen un aumento de la evaporación del agua (especialmente en regiones áridas), acumulación de sedimentos detrás de la represa [ aclarar ] y cambios en la temperatura del agua y los patrones de flujo. En los Estados Unidos , ahora es ilegal bloquear la migración de peces, por lo que los constructores de represas deben proporcionar escalas para peces para especies como el salmón y el esturión blanco . [ cita requerida ]
Como resultado de las pruebas de modelos experimentales, ha habido un desarrollo gradual y progresivo en la uniformidad de las ruedas hidráulicas y los patrones de ruedas hidráulicas desde que se abrió el canal de pruebas de Holyoke, que no existía antes de ese momento, de modo que las ruedas en la actualidad son más uniformes en los Estados Unidos.
He llamado al canal de prueba de Holyoke el primer laboratorio hidráulico moderno. Había otros antes de 1881, pero eran de dimensiones tan modestas o diminutas que no producían resultados adecuados, sin duda, a la práctica moderna.
[El artículo] reproduce una carta de Herschel al difunto Dr. Unwin describiendo su invención del medidor Venturi. La carta está fechada el 5 de junio de 1888 y dirigida desde la oficina del ingeniero hidráulico de Holyoke Water Power Co., Mass. En su carta, Herschel dice que probó un medidor Venturi de una pulgada, bajo una altura de 210 pies: 'Ahora estoy convencido de que aquí hay un principio nuevo y significativo que se puede aplicar al arte de medir fluidos, incluidos fluidos como aire comprimido, gases de iluminación o combustibles, vapor, etc. Además, que la forma del medidor debe tener forma de trompeta en ambas direcciones; Un medidor de este tipo medirá volúmenes que fluyen en cualquier dirección, lo que en ciertas localidades se convierte en un atributo útil...'
