turbina hidráulica

El término turbina fue introducido por el ingeniero francés Claude Burdin a principios del siglo XIX y deriva de la palabra griega "τύρβη", que significa "remolino" o " vórtice ". La principal diferencia entre las primeras turbinas hidráulicas y las ruedas hidráulicas radica en el movimiento turbulento del agua, que transmite energía a un rotor giratorio. Este componente adicional de movimiento permitía que la turbina fuera más pequeña que una rueda hidráulica de la misma potencia. Podían procesar más agua al girar a mayor velocidad y aprovechar alturas de elevación mucho mayores. (Posteriormente, se desarrollaron turbinas de impulso que no utilizaban este movimiento turbulento).

Las primeras turbinas hidráulicas conocidas datan del Imperio Romano . Se encontraron dos emplazamientos de molinos de turbina helicoidal de diseño casi idéntico en Chemtou y Testour , en la actual Túnez , que datan de finales del siglo III o principios del siglo IV d. C. La rueda hidráulica horizontal con aspas anguladas se instalaba en el fondo de un eje circular lleno de agua. El agua del canal del molino entraba en el foso tangencialmente, creando una columna de agua en remolino que hacía que la rueda, completamente sumergida, funcionara 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 fabrica hoy en día para su uso en pequeñas centrales hidroeléctricas. Segner colaboró ​​con Euler en algunas de las primeras teorías matemáticas del diseño de turbinas. En el siglo XVIII, el Dr. Robert Barker inventó una turbina hidráulica de reacción similar que se popularizó como demostración en aulas. ^{[ 3 ]} El único ejemplo conocido que se conserva de este tipo de motor utilizado en la producción de energía, que data de 1851, se encuentra en 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 (aproximadamente un 80%) que impulsaba el agua a través de un rotor con álabes curvados en una dimensión. La salida fija también contaba con guías curvas.

En 1844, Uriah A. Boyden desarrolló una turbina de flujo hacia afuera que mejoró el rendimiento de la turbina Fourneyron. La forma de su rotor era similar a la de una turbina Francis .

En 1849, James B. Francis mejoró la turbina de reacción de flujo interno, alcanzando 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 y sigue siendo la más utilizada en el mundo. La turbina Francis también se conoce como turbina de flujo radial, ya que el agua fluye desde la circunferencia exterior hacia el centro del rotor.

Las turbinas de agua de flujo interno poseen una mejor disposición mecánica, y todas las turbinas de reacción modernas utilizan este diseño. A medida que el agua gira hacia adentro, se acelera y transfiere energía al rotor. La presión del agua disminuye hasta alcanzar la presión atmosférica, o en algunos casos subatmosférica, a medida que el agua pasa a través de las palas 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, fabricada inicialmente por Holyoke Machine Company y posteriormente mejorada por ingenieros en Alemania y Estados Unidos. ^{[ 5 ]} El diseño combinaba eficazmente 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 con un rendimiento óptimo del 90 % de eficiencia a bajas velocidades, este diseño experimentaría muchas mejoras en las décadas siguientes en derivados con nombres como "Victor", "Risdon", "Samson" y "New American", dando paso a una nueva era de la ingeniería de turbinas estadounidense. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

Las turbinas hidráulicas, particularmente en América, se estandarizarían en gran medida con el establecimiento del Canal de Pruebas de Holyoke , descrito como el primer laboratorio hidráulico moderno en los Estados Unidos por Robert E. Horton y Clemens Herschel , quien se desempeñó como su ingeniero jefe durante 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 caudales, para medir correctamente la eficiencia de la energía hidráulica de diferentes modelos de turbinas. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]} Si bien los hidrólogos europeos mantenían cierto escepticismo sobre los cálculos de los vertederos , la instalación permitió realizar pruebas de eficiencia estandarizadas entre los principales fabricantes hasta 1932, momento en el que proliferaron instalaciones y métodos más modernos. ^{[ 13 ] [ 14 ] : 100}

Hacia 1890 se inventó el cojinete hidráulico moderno , que actualmente se utiliza universalmente para soportar los pesados ​​ejes de las turbinas hidráulicas. En 2002, los cojinetes hidráulicos presentaban un tiempo medio entre fallos superior a los 1300 años.

Hacia 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 centrales hidroeléctricas de baja altura.

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 necesita contener completamente el agua durante la transferencia de energía.

En 1866, el constructor de molinos californiano 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 denomina 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 dentro del cangilón y cae del rotor a baja velocidad.

En 1879, Lester Pelton , experimentando con una rueda Knight, desarrolló una rueda Pelton (de diseño de doble álabe) que expulsaba el agua hacia los lados, eliminando así parte de la pérdida de energía de la rueda Knight, que devolvía parte del agua hacia el centro. Hacia 1895, William Doble mejoró la forma semicilíndrica del álabe de Pelton con un álabe elíptico que incluía un corte para permitir una entrada más limpia del chorro. Esta es la forma moderna de la turbina Pelton, que hoy alcanza hasta un 92% de eficiencia. Pelton había sido un promotor muy eficaz de su diseño y, aunque Doble se hizo cargo de la empresa Pelton, no cambió el nombre a Doble porque ya tenía reconocimiento de marca.

Las turbinas Turgo y de flujo cruzado fueron diseños de impulso posteriores.

Las turbinas de reacción son accionadas por el agua, cuya presión cambia a medida que fluye a través de ellas y cede su energía. Deben estar encapsuladas para contener la presión (o succión) del agua, o bien estar completamente sumergidas en el flujo de agua.

La tercera ley de Newton describe la transferencia de energía en las turbinas de reacción.

La mayoría de las turbinas hidráulicas en uso son de reacción y se emplean en aplicaciones de baja (< 30 m o 100 pies ) y media ( 30–300 m o 100–1000 pies ) altura de caída. En las turbinas de reacción, la caída de presión se produce tanto en las palas fijas como en las móviles. Se utilizan principalmente en presas y grandes centrales hidroeléctricas.    

Las turbinas de impulso modifican la velocidad de un chorro de agua. El chorro empuja las palas curvas de la turbina, cambiando así la dirección del flujo. El cambio resultante en el momento ( impulso ) genera una fuerza sobre las palas. Dado que la turbina gira, esta fuerza actúa a través de una distancia (trabajo) y el flujo de agua desviado queda con energía reducida. Una turbina de impulso es aquella en la que la presión del fluido que fluye sobre las palas del rotor es constante y todo el trabajo realizado se debe al cambio en la energía cinética del fluido.

Antes de impactar contra las palas 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 palas de la turbina, y esta no requiere una carcasa para su funcionamiento.

La segunda ley de Newton describe la transferencia de energía en las turbinas de impulso.

Las turbinas de impulso se utilizan con frecuencia en aplicaciones con alturas de caída muy elevadas (>300  m o 1000 pies). 

La potencia disponible en una corriente es:

${\displaystyle P=\eta \cdot \rho \cdot g\cdot h\cdot Q}$

dónde:

• ${\displaystyle P=}$potencia (J/s o vatios)
• ${\displaystyle \eta =}$eficiencia de la turbina
• ${\displaystyle \rho =}$densidad del fluido (kg/ ^m³ )
• ${\displaystyle g=}$aceleración de la gravedad (9,81  m/ ^s² )
• ${\displaystyle h=}$altura (m). Para agua estancada, esta es la diferencia de altura entre las superficies de entrada y salida. El agua en movimiento tiene un componente adicional que tiene en cuenta la energía cinética del flujo. La altura total es igual a la altura de presión más la altura de velocidad .
• ${\displaystyle Q=}$Caudal volumétrico (m³ ^/ s)

Algunas turbinas hidráulicas están diseñadas para la generación de energía hidroeléctrica por bombeo . Pueden invertir el flujo y funcionar como bombas ^{[ 1 ]} para llenar un embalse alto durante las horas de menor demanda eléctrica, y luego volver a funcionar como turbina hidráulica para generar energía durante las horas de máxima demanda. Este tipo de turbina suele ser de diseño Deriaz o Francis . Ejemplos de ello son la central Fengning de 3,6 GW en China, la central Bath County de 3 GW en EE. UU. y muchas otras .

Las grandes turbinas hidráulicas modernas funcionan con eficiencias mecánicas superiores al 90%. ^{[ 17 ]}

• turbina Kaplan
• turbina Francis
• turbina Tyson
• turbina Deriaz
• turbina helicoidal de Gorlov

• rueda hidráulica
• rueda Pelton
• turbina Turgo
• Turbina de flujo cruzado (también conocida como turbina Bánki-Michell o turbina Ossberger)
• turbina Jonval
• rueda hidráulica de sobreimpulso inverso
• turbina de tornillo
• Turbina Barkh

La velocidad específica${\displaystyle n_{s}}$La forma de una turbina la caracteriza de manera independiente de su tamaño. Esto permite que un nuevo diseño de turbina se adapte a un diseño existente de rendimiento conocido. La velocidad específica es también el criterio principal para seleccionar el tipo de turbina adecuado para un emplazamiento hidroeléctrico específico. La velocidad específica es la velocidad a la que gira la turbina para un caudal Q determinado, con una altura de caída unitaria, y por lo tanto, es capaz de producir una potencia unitaria.

Las leyes de afinidad permiten predecir el rendimiento de una turbina a partir de pruebas con modelos. Se puede probar una réplica en miniatura del diseño propuesto, de aproximadamente 0,3 m de diámetro, y aplicar las mediciones de laboratorio a la aplicación final con gran precisión. Las leyes de afinidad se derivan exigiendo 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 rotor. La diferencia de altura y el caudal se pueden representar gráficamente para diferentes valores de apertura de las compuertas, lo que genera un diagrama de Hill que muestra la eficiencia de la turbina en diversas condiciones.

La velocidad de embalamiento de una turbina hidráulica es su velocidad a caudal máximo y sin carga en el eje. La turbina se diseñará para soportar las fuerzas mecánicas de esta velocidad. El fabricante proporcionará la velocidad de embalamiento nominal.

Una compuerta de entrada , o paleta guía , es un anillo de compuertas (o paletas) que rodea una turbina hidráulica y controla el flujo de agua que entra en ella; al variar la apertura entre ellas, se controla la velocidad de giro de la turbina y, por lo tanto, la cantidad de electricidad generada. ^{[ 21 ]}