turbinas ruedas hidraúlicas capítulo 4

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CENTRALES HIDRÁULICAS

TURBINAS HIDRÁULICAS
INTRODUCCIÓN
En el capítulo anterior se hizo referencia a la transformación energética que se
presenta en la tubería. La energía potencial del agua se transforma en energía de
presión y en energía cinética. Tal energía puede transformarse en trabajo cuando
el agua golpea un objeto tal que la dirección del flujo del agua cambie y el objeto
se muevacomo resultado de la acción del agua. La magnitud de la velocidad del
agua se reduce debido a la fricción que se presenta por el flujo del agua a través
de la superficie del objeto, y la energía entregada por el agua se transforma
también en trabajo útil.
Si se utiliza una máquina adecuada, la energía existente en el agua que fluye o en
el agua almacenada en un nivel apropiado, puede convertirse enpotencia
mecánica, que puede utilizarse para muchas aplicaciones o usos. Antiguamente,
las máquinas accionadas por la potencia del agua se usaron para tareas como:
trillar maíz, levantar pesos, aserrar madera, moler caña de azúcar, despulpar café,
entre otros. En nuestro medio aún se utilizan para los dos últimos usos. Estas
máquinas se denominaron ruedas hidráulicas.
Las máquinas hidráulicasmoderna que accionan generadores eléctricos se
conocen como turbinas hidráulicas.

CONCEPTOS DE CABEZAS

Cabeza bruta (Hb). Es la diferencia de nivel existente entre la superficie del agua
en el embalse y la cota de descarga en la turbina.

Cabeza máxima (Hmax). Es la cabeza bruta que se obtiene al operar la planta con
una turbina al 5% de su capacidad nominal ( Q ≈ 0.05Qn ) y con la cota del
embalse anivel del vertedero. Bajo esta condición, las pérdidas hidráulicas son
despreciables y pueden no tenerse en cuenta.

Cabeza mínima (Hmin). Es la cabeza neta que se obtiene al operar la planta con
todas las turbinas a plena carga y con la cota del embalse a un nivel mínimo de
operación. Bajo esta condición, las pérdidas hidráulicas son máximas.

ISMAEL SUESCÚN MONSALVE

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CENTRALESHIDRÁULICAS

Cabeza neta (Hn). También llamada cabeza efectiva, se define como la diferencia
entre la cabeza bruta y las pérdidas totales por fricción y pérdidas en accesorios
en el sistema de conducción. En el cálculo de ésta no se incluyen las pérdidas
propias de la turbina. La cabeza neta es la cabeza disponible para realizar el
trabajo sobre la turbina.

Cabeza nominal (Hr). Es la cabeza neta a plenaapertura de la turbina que
entrega la capacidad nominal del generador. Generalmente se encuentra en la
placa de la turbina.

POTENCIA DE LA TURBINA
Se puede demostrar que la potencia de la turbina está dada por la expresión:

P = 9.81 H n Q η [kW ]
Donde:
Hn:

(4.1)

Cabeza neta de diseño en metros.

Q:

Caudal nominal en m 3 s .

η:

Eficiencia de la turbina.

VELOCIDAD ESPECÍFICA
De las leyes desimilaridad de las máquinas hidráulicas que definen similitud
geométrica, cinemática y dinámica, se deduce la relación analítica para la
velocidad específica. La similitud geométrica requiere una razón común entre
dimensiones correspondientes. La cinemática, requiere una razón común para las
velocidades correspondientes y la dinámica requiere una razón común para las
fuerzas correspondientes (porejemplo fricción, gravedad, y tensión superficial).
La velocidad específica (Ns), es aquella velocidad a la cual gira un modelo
geométricamente semejante a la turbina real o prototipo, bajo una cabeza de un
metro para producir una potencia de 1 kW.

Ns =
Donde:
N:

N P
H n1.25

(4.2)

Velocidad sincrónica [rpm].

P:

Potencia de la turbina [kW ].

Hn :

Cabeza neta de diseño [m] .

ISMAEL SUESCÚNMONSALVE

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CENTRALES HIDRÁULICAS

Para determinar la velocidad específica definitiva, se procede de la forma
siguiente:
1. Se halla una velocidad específica que se denominará de prueba, con base
en curvas de fabricantes o ecuaciones empíricas.
2. De la ecuación (4.2) se despeja N reemplazando la Ns por el valor obtenido
en el numeral 1.
3. Se determina, entonces, un número de polos de la...