Turbina de flujo cruzado

Una turbina de flujo cruzado , turbina Bánki-Michell o turbina Ossberger ^{[ 1 ]} es una turbina hidráulica desarrollada por el australiano Anthony Michell , el húngaro Donát Bánki y el alemán Fritz Ossberger. Michell obtuvo patentes para su diseño de turbina en 1903, y la empresa fabricante Weymouth la produjo durante muchos años. La primera patente de Ossberger se concedió en 1933 ("Turbina de chorro libre", 1922, Patente Imperial n.º 361593 y "Turbina de flujo cruzado", 1933, Patente Imperial n.º 615445), y fabricó esta turbina como producto estándar. Hoy en día, la empresa fundada por Ossberger, que lleva su nombre, es el principal fabricante de este tipo de turbina.

A diferencia de la mayoría de las turbinas hidráulicas , que tienen flujo axial o radial, en una turbina de flujo cruzado el agua pasa a través de la turbina transversalmente, es decir, a través de las palas. Al igual que en una rueda hidráulica , el agua se introduce por el borde de la turbina. Tras pasar por el interior del rotor, sale por el lado opuesto, dirigiéndose hacia afuera. El doble paso por el rotor proporciona una mayor eficiencia . Al salir del rotor, el agua también ayuda a limpiarlo de pequeños residuos y contaminantes. La turbina de flujo cruzado es una máquina de baja velocidad, ideal para lugares con poca altura de caída pero alto caudal.

Aunque la ilustración muestra una sola boquilla por simplicidad, la mayoría de las turbinas de flujo cruzado prácticas tienen dos, dispuestas de manera que los flujos de agua no interfieran entre sí.

Las turbinas de flujo cruzado suelen construirse como dos turbinas de diferente capacidad que comparten el mismo eje. Los rotores tienen el mismo diámetro, pero diferente longitud para manejar distintos volúmenes a la misma presión. Los rotores subdivididos se construyen generalmente con volúmenes en una proporción de 1:2. La unidad de regulación subdividida, el sistema de álabes directores en la sección aguas arriba de la turbina, proporciona un funcionamiento flexible, con un rendimiento del 33 %, 66 % o 100 %, según el caudal. Los bajos costes operativos se obtienen gracias a la construcción relativamente sencilla de la turbina.

La turbina consta de una rueda hidráulica cilíndrica o rotor con un eje horizontal, compuesta por numerosas palas (hasta 37), dispuestas radial y tangencialmente. Los bordes de las palas están afilados para reducir la resistencia al flujo de agua. Cada pala tiene una sección transversal semicircular (un tubo cortado a lo largo de toda su longitud). Los extremos de las palas están soldados a discos para formar una estructura similar a una jaula de hámster, y a veces se las denomina "turbinas jaula de ardilla"; en lugar de barras, la turbina tiene palas de acero en forma de canal.

El agua fluye primero desde el exterior de la turbina hacia su interior. La unidad reguladora, con forma de paleta o lengüeta, varía la sección transversal del flujo. El chorro de agua se dirige hacia el rotor cilíndrico mediante una boquilla . El agua entra en el rotor con un ángulo de aproximadamente 45/120 grados, transmitiendo parte de su energía cinética a las palas cilíndricas activas.

El dispositivo regulador controla el caudal en función de la potencia necesaria y el agua disponible. La relación es de 0 a 100 % del agua que se admite a 0-100 % × 30/4 álabes. La admisión de agua a las dos boquillas se regula mediante dos álabes guía. Estos dividen y dirigen el caudal para que el agua entre en el rotor de forma uniforme, independientemente de la anchura de la abertura. Los álabes guía deben sellar herméticamente los bordes de la carcasa de la turbina para que, cuando el nivel de agua sea bajo, puedan interrumpir el suministro. Por lo tanto, los álabes guía actúan como válvulas entre la tubería forzada y la turbina. Ambos álabes guía se pueden ajustar mediante palancas de control, a las que se puede conectar un control automático o manual.

La geometría de la turbina (tobera, rotor y eje) garantiza la eficacia del chorro de agua. El agua actúa sobre el rotor dos veces, pero la mayor parte de la potencia se transfiere en la primera pasada, al entrar en él. Solo un tercio de la potencia se transfiere al rotor cuando el agua sale de la turbina.

El agua fluye a través de los canales de las palas en dos direcciones: de afuera hacia adentro y de adentro hacia afuera. La mayoría de las turbinas funcionan con dos chorros, dispuestos de manera que no se afecten entre sí en el rotor. Sin embargo, es fundamental que la turbina, la altura de caída y la velocidad de la turbina estén armonizadas.

La turbina de flujo cruzado es de tipo impulso, por lo que la presión permanece constante en el rotor.

La eficiencia máxima de una turbina de flujo cruzado es algo menor que la de una turbina Kaplan , Francis o Pelton . Sin embargo, la turbina de flujo cruzado presenta una curva de eficiencia plana bajo cargas variables. Gracias a su rotor y cámara de turbina divididos, la turbina mantiene su eficiencia mientras el caudal y la carga varían desde 1/6 hasta el máximo.

Debido a su bajo precio y buena regulación, las turbinas de flujo cruzado se utilizan principalmente en unidades mini y microhidroeléctricas de menos de mil kW y con alturas de caída inferiores a 200 m (660 pies).

En particular, en las pequeñas centrales hidroeléctricas de pasada , la curva de eficiencia plana ofrece un mejor rendimiento anual que otros sistemas de turbinas, ya que el caudal de los ríos pequeños suele ser menor en algunos meses. La eficiencia de una turbina determina si se produce electricidad durante los periodos de bajo caudal. Si las turbinas utilizadas tienen una alta eficiencia máxima, pero un rendimiento deficiente a carga parcial, se obtiene un rendimiento anual menor que con turbinas de curva de eficiencia plana.

Gracias a su excelente comportamiento con cargas parciales, la turbina de flujo cruzado es ideal para la producción de electricidad sin supervisión. Su construcción sencilla facilita el mantenimiento en comparación con otros tipos de turbinas; solo requiere el mantenimiento de dos cojinetes y cuenta con tan solo tres elementos giratorios. El sistema mecánico es simple, por lo que las reparaciones pueden ser realizadas por mecánicos locales.

Otra ventaja es que suele limpiarse sola. Al salir el agua del rodete, las hojas, la hierba, etc., no se acumulan en él, evitando así pérdidas. Por lo tanto, aunque la eficiencia de la turbina sea algo menor, es más fiable que otros tipos. Normalmente no es necesaria la limpieza del rodete, por ejemplo, mediante inversión del flujo o variaciones de velocidad. Otros tipos de turbinas se obstruyen con mayor facilidad y, en consecuencia, sufren pérdidas de potencia a pesar de tener una mayor eficiencia nominal.

• turbinas hidráulicas
• Las turbinas eólicas de eje vertical a veces se denominan turbinas de flujo cruzado, ya que el flujo pasa a través del rotor de forma transversal.
• turbina helicoidal de Gorlov , en la que el eje del rotor también está posicionado perpendicularmente al flujo.