CRITERIOS DE SELECCIÓN DE TURBINAS HIDRAULICAS

CRITERIOS DE SELECCIÓN

Uno de los principales criterios que se deben manejar a la hora de seleccionar el tipo de turbina a utilizar en una central, es la velocidad específica (Ns) cuyo valor exacto se obtiene a partir de la siguiente ecuación:

ecuación 1

Donde:

ne son revoluciones por minuto (rpm), N es la potencia del eje o potencia al freno y h es la altura neta o altura del salto. Estos son los valores para el rendimiento máximo.

La velocidad específica Ns es el número de revoluciones que daría una turbina semejante a la que se trata de buscar y que entrega una potencia de un caballo, al ser instalada en un salto de altura unitaria. Esta velocidad específica, rige el estudio comparativo de la velocidad de las turbinas, y es la base para su clasificación. Se emplea en la elección de la turbina más adecuada, para un caudal y altura conocidos, en los anteproyectos de instalaciones hidráulicas, consiguiendo una normalización en la construcción de rodetes de turbinas. Los valores de esta velocidad específica para los actuales tipos de turbinas que hoy en día se construyen con mayor frecuencia (Pelton, Francis, Hélices y Kaplan) figuran en el siguiente cuadro:

Velocidad específica Ns Tipo de Turbina

De 5 a 30 Pelton con un inyector

De 30 a 50 Pelton con varios inyectores

De 50 a 100 Francis lenta

De 100 a 200 Francis normal

De 200 a 300 Francis rápida

De 300 a 500 Francis doble gemela rápida o express

Más de 500 Kaplan o hélice

Tal como se mencionó anteriormente Ns sirve para clasificar las turbinas según su tipo. De hecho, Ns se podría denominar más bien característica, tipo o algún nombre similar, puesto que indica el tipo de turbina.

Al analizar la ecuación 1 se comprueba que a grandes alturas, para una velocidad y una potencia de salida dadas, se requiere una máquina de velocidad específica baja como una rueda de impulso. En cambio, una turbina de flujo axial con una alta Ns, es la indicada para pequeñas alturas. Sin embargo, una turbina de impulso puede ser adecuada para una instalación de poca altura si el caudal (o la potencia requerida) es pequeño, pero, a menudo, en estas condiciones el tamaño necesario de la rueda de impulso llega a ser exagerado.

Además, de esta ecuación se observa que la velocidad específica de una turbina depende del número de revoluciones por minuto; cantidad que tiene un límite, y además debe tenerse en cuenta que para cada altura o salto existe un cierto número de revoluciones con el que el rendimiento es máximo. También depende de la potencia N a desarrollar, función a su vez del caudal Q de que pueda disponer, y de la altura h del salto. Fijada la potencia y el caudal aprovechable, el valor de la velocidad específica indica el tipo de turbina más adecuado.

Hasta el momento, las ruedas de impulso se han utilizado para alturas tan bajas como 50 pies cuando la capacidad es pequeña, pero es más frecuente que se utilicen para alturas mayores de 500 o 1.000 pies, pues normalmente operan con una economía máxima si la carga es mayor que 900 pies. La altura límite para turbinas Francis es cercana a 1.500 pies debido a la posibilidad de cavitación y a la dificultad para construir revestimientos con el fin de soportar altas presiones; pero por lo general, suelen alcanzarse cargas de 900 pies con este tipo de turbinas. Para cargas de menos de 100 pies suelen usarse turbinas de hélice.

Figura 1 Intervalos de aplicación para turbinas hidráulicas. (Cortesía de Voith Hydro, Inc.)

Eligiendo una velocidad alta de operación, y por tanto una turbina de velocidad específica elevada, se reducirán el tamaño del rodete y el coste inicial. Sin embargo, se produce alguna pérdida de rendimiento a velocidades específicas altas.

Generalmente, es recomendable tener al menos dos turbinas en una instalación para que la central pueda seguir funcionando en el caso de que una de las turbinas esté fuera de servicio por una reparación o debido a una inspección, aunque la cantidad de turbinas disponibles dentro de una central también afecta la potencia establecida para las turbinas. La altura h está determinada principalmente por la topografía, y el flujo Q por la hidrología de la cuenca y las características del embalse o depósito. Por otra parte debe tenerse en cuenta que al seleccionar una turbina para una instalación dada, se debe verificar la inmunidad contra la cavitación.

Realmente existe un número infinito de alternativas, lo que a su vez dificulta la toma de la decisión final sobre cuál turbina escoger; por esta razón se han señalado los siguientes conceptos para considerarlos durante el proceso de selección:

Fig. 2 Límites recomendados de velocidad específica para turbinas a distintas alturas efectivas al nivel del mar siendo la temperatura del agua 80º F.

Fig. 3 Rendimiento máximo de la turbina y valores típicos de fe (factor de velocidad periférica), como funciones de la velocidad específica

Es importante tener presente que las ruedas de impulso tienen velocidades específicas bajas; mientras que las turbinas Francis tienen valores medios de Ns, y las de hélice valores altos. En la figura 2 se muestran valores típicos de máximo rendimiento y valores de fe para los distintos tipos de turbinas. Los valores de fe varían aproximadamente de la siguiente forma:

Ruedas de impulso 0.43 – 0.48

Turbinas Francis 0.7 – 0.8

Turbinas de hélice 1.4 – 2.0

* Un tamaño no demasiado grande: conociendo la velocidad tangencial de la turbina, se puede establecer su tamaño. Por su parte la velocidad tangencial se calcula de acuerdo con la siguiente ecuación:

ecuación 2

Donde: u1 es la velocidad tangencial en un punto de la periferia del elemento rotativo; f es el factor de velocidad-periférica para turbinas.

* La flexibilidad en la elección se consigue mediante la variación en el número de unidades (y por tanto la potencia al freno por unidad) y la velocidad de operación. La posibilidad de variar la elevación del eje también aporta algo de flexibilidad al proceso de selección.

* Igualmente en la elección debe estudiarse además, la simplicidad de la instalación, costos (en los que se agregarán al de la turbina, los gastos de piezas, tuberías, camales, etc.), explotación y cuantas condiciones económicas deban considerarse en los diferentes casos que se presenten.

En ocasiones, una rutina de gran importancia dentro del proceso de selección de turbinas hidráulicas, es la comparación

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