1. Concepto y Partes Principales de Bombas y Turbinas

Tanto las bombas como las turbinas son máquinas hidráulicas que transforman la energía de una forma a otra.

Una bomba es una máquina que aporta al líquido energía de tipo hidráulico utilizando energía mecánica. Son máquinas motoras que utilizan la energía mecánica para transformarla en energía de presión para el fluido.

Partes de una Bomba Rotodinámica

Las bombas rotodinámicas son máquinas rotativas que constan de las siguientes partes:

• Rodete: Es el órgano intercambiador de energía. Está unido al eje de la máquina y compuesto por varios elementos denominados álabes que son los que aportan energía cinética al fluido a partir de la energía mecánica con que es accionado.
• Corona directriz: No es un elemento presente en todas las bombas. Su presencia optimiza el funcionamiento de la máquina ya que transforma ordenadamente la energía cinética en energía de presión. Para ello está compuesta por álabes fijos que direccionan el fluido de forma óptima y, con pérdidas mínimas.
• Caja espiral: Recoge el fluido y lo conduce hasta la salida de la bomba con pérdidas mínimas de energía. En esta parte de la máquina se transforma energía dinámica en energía de presión de forma muy eficiente.
• Tubo difusor: Comprende el último elemento encargado de la transformación de la energía.

Por otra parte, las turbinas son máquinas generadoras que transforman la energía hidráulica del fluido en energía mecánica (que a su vez puede ser transformada en energía eléctrica). Las turbinas hidráulicas podrían ser definidas como una turbomáquina motora, es decir, una bomba rotodinámica a la inversa. Emplean la presión de un líquido para generar energía eléctrica en lugar de consumirla.

Partes de una Turbina Hidráulica

• Tubería forzada: Es el conducto por el que se alimenta la turbina, conduce el líquido hasta la turbomáquina. Antes de llegar a los alabes de la turbina se encuentra con una compuerta o válvula que suele estar accionada por un grupo hidráulico a través de elementos de desplazamiento positivo.
• Caja espiral, carcasa o caracol (en turbinas de reacción): Este componente es esencial ya que transforma la presión del fluido en velocidad.
• Distribuidor (turbinas de reacción): Se corresponde con los álabes fijos de una bomba, en este caso y al igual que la caja espiral transforma la presión en velocidad.
• Rodete: Con funciones inversas a la bomba. En este caso en lugar de ser el elemento que acciona, es accionado por el líquido.
• Elemento de desagüe: Una vez utilizada la presión del fluido se conduce a otro conducto o hacia el canal de salida.

2. Diferencia entre Salto Útil y los Demás

Los saltos a considerar son los siguientes:

• Salto bruto (Hb): Altura existente entre el punto de la toma de agua del azud y el punto de descarga del caudal que se turbina al río.
• Salto útil (Hu): Desnivel existente entre la superficie libre del agua en la cámara de carga hasta el nivel de desagüe en la turbina.
• Salto neto (Hn): Es la diferencia entre el salto útil y las pérdidas de carga producidas a lo largo de todas las conducciones. Representa la máxima energía que se podrá trasformar en trabajo en el eje de la turbina.
• Pérdidas de carga primarias (Hp): Son las pérdidas por fricción del agua contra las paredes del canal y sobre todo en la tubería forzada.
• Pérdidas de carga secundarias (Hs): Son las pérdidas que se producen por cambios en la dirección de flujo, al pasar a través de una rejilla o de una válvula. Se miden como pérdidas de presión y se calculan mediante fórmulas y coeficientes derivados de la mecánica de fluidos.

3. Clasificación de Turbinas

La turbina hidráulica es el equipo esencial de una central hidroeléctrica. A partir de la energía cinética y potencial que posee el agua, se consigue una energía mecánica que se transfiere a un eje conectado a un generador que produce energía eléctrica. Las turbinas hidráulicas se clasifican en dos grupos: turbinas de acción y turbinas de reacción.

Turbinas de Acción

Son aquellas que aprovechan únicamente la velocidad del flujo de agua para hacerlas girar. El tipo más utilizado es la denominada turbina Pelton.

Turbinas Pelton

Esta turbina se emplea en grandes saltos con poco caudal. Está formada por un rodete móvil con álabes de doble cuenco. El chorro de agua entra en la turbina dirigido y regulado por uno o varios inyectores, incidiendo en los álabes y provocando el movimiento de giro de la turbina.

El inyector (o inyectores) dirigen agua a presión contra la serie de paletas en forma de cuchara montadas alrededor del borde del rodete. Cada paleta invierte el flujo de agua, disminuyendo su energía. Las paletas se montan por pares para mantener equilibradas las fuerzas en la rueda.

Teniendo en cuenta el grado de incompresibilidad del agua, casi toda la energía disponible se extrae en la primera etapa de la turbina a diferencia de las turbinas térmicas.

Turbinas Ossberger

Es una turbina de flujo cruzado, de doble impulsión o de libre desviación. Su accionamiento se realiza a través de un inyector de sección rectangular provisto de un álabe longitudinal que regula y orienta el caudal que entra en la turbina, y un rodete de forma cilíndrica, con sus múltiples palas dispuestas como generatrices y soldadas por los extremos a discos terminales.

Funciona a un régimen de giro específico, por tanto se puede incluir en la clasificación de turbinas de régimen lento.

Ofrece la ventaja de que el follaje, hierba y lodos que durante la entrada del agua se prensan entre los álabes, vuelven a ser expulsados con el agua de salida con la contribución de la fuerza centrífuga después de medio giro del rodete. Se puede considerar una turbina con un rodete de limpieza automática.

Turbinas de Reacción

Las turbinas de reacción se accionan a través de la presión que el líquido ejerce sobre los álabes. Esta presión decrece desde el borde de ataque hasta la salida del álabe.

En este tipo de turbinas el rotor aprovecha la presión con la que el agua sale de los álabes. Esto hace que el agua al salir del rotor tenga una presión por debajo de la atmosférica.

Las turbinas de reacción que se suelen instalar son las Francis y las Kaplan. Como elementos generales de estas turbinas se detallan los siguientes:

• Carcasa o caracol: Estructura con forma de espiral que transforma la energía hidráulica en energía cinética, conduciendo el agua alrededor del distribuidor.
• Distribuidor: Está formado por dos coronas concéntricas; el estator (álabes fijos) y el rotor (álabes móviles).
• Rodete: Es un elemento móvil que se acciona a través de la energía cinética y de presión del agua.

Turbinas Francis

La turbina Francis es una turbina de reacción, por tanto el fluido cambia de presión a medida que se desplaza a través de la turbina, cediendo su energía. En este tipo de turbina es necesario instalar una carcasa que contenga el líquido. De aquí, desciende hasta el distribuidor consiguiendo un aumento de presión. Una vez que el agua atraviesa el distribuidor es conducida hacia el rodete, el órgano de intercambio de energía.

Las turbinas Francis son turbinas hidráulicas que se pueden aplicar en un amplio rango de saltos y caudales, siendo capaces de operar en rangos de desnivel que van de los diez metros hasta varios cientos de metros.

Los elementos que componen este tipo de turbinas son los siguientes:

• Distribuidor.
• Rodete.
• Cámara de entrada.
• Tubo de aspiración o de salida de agua.

Turbinas Kaplan

Las instalaciones en las que se instala una turbina hélice exigen como elementos auxiliares un distribuidor fijo, un rodete con 4 o 5 palas fijas cuya forma recuerda a la hélice de barco, y un tubo de aspiración.

Las turbinas Kaplan son turbinas de agua de reacción de flujo axial, se emplean en saltos de pequeña altura. Las amplias palas o álabes de la turbina son impulsadas por agua a alta presión que se conduce a través de una compuerta.

Los álabes del rodete y de los distribuidores son regulables en las turbinas Kaplan, en el caso de que solamente se puedan regular los del rodete, la turbina será una turbina semi – Kaplan.

4. Criterios de Instalación de las Diversas Turbinas

• Kaplan: Saltos reducibles y caudales variables.
• Francis: Saltos mayores y variaciones de caudal moderadas.
• Pelton: Grandes saltos, independientemente de la variación de caudal.