Turbina de agua

Turbina Kaplan y vista de corte de generador eléctrico.

El corredor de la pequeña turbina de agua

Una turbina de agua es una máquina rotatoria que convierte la energía cinética y la energía potencial del agua en trabajo mecánico.

Las turbinas de agua se desarrollaron en el siglo XIX y se usaron ampliamente para la energía industrial antes de las redes eléctricas. Ahora, se utilizan principalmente para la generación de energía eléctrica. Las turbinas de agua se encuentran principalmente en represas para generar energía eléctrica a partir de la energía potencial del agua.

Historia

La construcción de un generador de agua Ganz en Budapest en 1886

Las ruedas hidráulicas se han utilizado durante cientos de años para generar energía industrial. Su principal defecto es el tamaño, que limita el caudal y la altura que se puede aprovechar. La migración de las ruedas hidráulicas a las turbinas modernas tomó alrededor de cien años. El desarrollo ocurrió durante la revolución industrial, utilizando principios y métodos científicos. También hicieron un uso extensivo de nuevos materiales y métodos de fabricación desarrollados en ese momento.

Remolino

La palabra turbina fue introducida por el ingeniero francés Claude Burdin a principios del siglo XIX y se deriva de la palabra griega "τύρβη" para "girar" o un "vórtice". La principal diferencia entre las primeras turbinas de agua y las ruedas hidráulicas es un componente de remolino del agua que pasa energía a un rotor giratorio. Este componente adicional de movimiento permitió que la turbina fuera más pequeña que una rueda hidráulica de la misma potencia. Podrían procesar más agua girando más rápido y podrían aprovechar cabezas mucho más grandes. (Más tarde, se desarrollaron turbinas de impulso que no usaban remolino).

Cronología

Molino de turbina romana en Chemtou, Túnez. El flujo de agua tangencial de la fresa hizo que la rueda horizontal sumergida en el eje girara como una verdadera turbina.

Un corredor de turbinas Francis, con un valor de casi un millón de hp (750 MW), instalado en la presa Grand Coulee, Estados Unidos.

Un corredor tipo hélice valoró 28.000 hp (21 MW)

Las primeras turbinas de agua conocidas datan del Imperio Romano. Se encontraron dos sitios de molinos de turbinas helicoidales de diseño casi idéntico en Chemtou y Testour, en la actual Túnez, que datan de finales del siglo III o principios del IV d.C. La rueda hidráulica horizontal con palas en ángulo se instaló en la parte inferior de un eje circular lleno de agua. El agua de la carrera del molino entró tangencialmente al pozo, creando una columna de agua arremolinada que hizo que la rueda completamente sumergida actuara como una verdadera turbina.

Fausto Veranzio en su libro Machinae Novae (1595) describe un molino de eje vertical con un rotor similar al de una turbina Francis.

Johann Segner desarrolló una turbina de agua reactiva (rueda Segner) a mediados del siglo XVIII en el Reino de Hungría. Tenía un eje horizontal y fue un precursor de las modernas turbinas de agua. Es una máquina muy simple que todavía se produce hoy en día para su uso en sitios hidroeléctricos pequeños. Segner trabajó 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 hizo popular como demostración en una sala de conferencias. El único ejemplo sobreviviente conocido 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.

En 1820, Jean-Victor Poncelet desarrolló una turbina de flujo hacia adentro.

En 1826, Benoît Fourneyron desarrolló una turbina de flujo hacia afuera. Esta era una máquina eficiente (~80%) que enviaba agua a través de un corredor con aspas curvadas en una dimensión. La salida estacionaria también tenía 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 rodete era similar a la de una turbina Francis.

En 1849, James B. Francis mejoró la turbina de reacción de flujo interno a más del 90 % de eficiencia. También realizó pruebas sofisticadas y desarrolló métodos de ingeniería para el diseño de turbinas de agua. La turbina Francis, llamada así por él, es la primera turbina hidráulica moderna. Todavía es la turbina de agua más utilizada en el mundo hoy en día. La turbina Francis también se llama turbina de flujo radial, ya que el agua fluye desde la circunferencia exterior hacia el centro del rodete.

Las turbinas de agua de flujo interno tienen una mejor disposición mecánica y todas las turbinas de agua de reacción modernas tienen este diseño. A medida que el agua se arremolina hacia adentro, acelera y transfiere energía al corredor. La presión del agua disminuye a la atmosférica, o en algunos casos a la subatmosférica, a medida que el agua pasa a través de los álabes 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, inicialmente fabricada por Holyoke Machine Company y posteriormente mejorada por ingenieros en Alemania y Estados Unidos. El diseño combinó efectivamente los principios de flujo hacia adentro del diseño Francis con la descarga hacia abajo 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 al 90 % de eficiencia a velocidades más bajas, este diseño vería muchas mejoras en las décadas siguientes en derivados bajo nombres como "Victor", "Risdon", "Samson&# 34; y "Nuevo americano," marcando el comienzo de una nueva era de la ingeniería de turbinas estadounidense.

Las turbinas de agua, particularmente en las Américas, se estandarizarían en gran medida con el establecimiento del Holyoke Testing Flume, descrito como el primer laboratorio hidráulico moderno en los Estados Unidos por Robert E. Horton y Clemens Herschel, el último de los cuales serviría como su ingeniero jefe por un tiempo. 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 usó para desarrollar el medidor Venturi, el primer medio preciso para medir grandes flujos, para medir adecuadamente Eficiencia energética del agua por diferentes modelos de turbinas. Si bien los hidrólogos europeos mantuvieron el escepticismo sobre ciertos cálculos de vertederos, la instalación permitió pruebas de eficiencia estándar entre los principales fabricantes hasta 1932, momento en el cual habían proliferado instalaciones y métodos más modernos.

Alrededor de 1890, se inventó el cojinete fluido moderno, que ahora se usa universalmente para soportar ejes de turbinas de agua pesada. A partir de 2002, los rodamientos fluidos parecen tener un tiempo medio entre fallas de más de 1300 años.

Alrededor de 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 sitios hidroeléctricos de baja caída.

Nuevo concepto

Figura de la patente original de Pelton (octubre 1880)

Todas las máquinas hidráulicas comunes hasta finales del siglo XIX (incluidas las ruedas hidráulicas) eran básicamente máquinas de reacción; la cabeza de presión de 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 de California, Samuel Knight, inventó una máquina que llevó el sistema de impulso a un nuevo nivel. Inspirándose en los sistemas de chorro de alta presión utilizados en la minería hidráulica en los campos auríferos, Knight desarrolló una rueda de cangilones que capturaba la energía de un chorro libre, que había convertido una cabeza alta (cientos de pies verticales en una tubería o tubería forzada) de agua en energía cinética. A esto se le llama turbina de impulso o tangencial. La velocidad del agua, aproximadamente el doble de la velocidad de la periferia del balde, da una vuelta en U en el balde y cae del corredor a baja velocidad.

En 1879, Lester Pelton, experimentando con una rueda Knight, desarrolló una rueda Pelton (diseño de doble cubeta), que expulsaba el agua hacia un lado, eliminando parte de la pérdida de energía de la rueda Knight que expulsaba parte del agua contra el centro de la rueda. Aproximadamente en 1895, William Doble mejoró la forma del balde semicilíndrico de Pelton con un balde elíptico que incluía un corte para permitir que el chorro entrara en un balde más limpio. Esta es la forma moderna de la turbina Pelton que hoy en día alcanza hasta un 92% de eficiencia. Pelton había sido un promotor bastante efectivo de su diseño y, aunque Doble se hizo cargo de la empresa Pelton, no cambió el nombre a Doble porque tenía reconocimiento de marca.

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

Teoría de funcionamiento

El agua que fluye se dirige hacia las palas de un rodete de turbina, creando una fuerza en las palas. Dado que el corredor está girando, la fuerza actúa a lo largo de una distancia (la fuerza que actúa a lo largo de una distancia es la definición de trabajo). De esta manera, la energía se transfiere desde el flujo de agua a la turbina.

Las turbinas de agua se dividen en dos grupos: turbinas de reacción y turbinas de impulso.

La forma precisa de los álabes de las turbinas hidráulicas depende de la presión de suministro de agua y del tipo de impulsor seleccionado.

Turbinas de reacción

Las turbinas de reacción reciben la acción del agua, que cambia de presión a medida que se mueve a través de la turbina y cede su energía. Deben estar encerrados para contener la presión del agua (o succión), o deben estar completamente sumergidos en el flujo de agua.

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

La mayoría de las turbinas de agua en uso son turbinas de reacción y se utilizan en aplicaciones de cabeza baja (<30 m o 100 ft) y media (30–300 m o 100–1000 ft). En la turbina de reacción, la caída de presión se produce tanto en los álabes fijos como en los móviles. Se utiliza principalmente en presas y grandes centrales eléctricas.

Turbinas de impulso

Las turbinas de impulso cambian la velocidad de un chorro de agua. El chorro empuja las palas curvas de la turbina, lo que cambia la dirección del flujo. El cambio resultante en la cantidad de movimiento (impulso) provoca una fuerza en las palas de la turbina. Dado que la turbina está girando, la fuerza actúa a lo largo de una distancia (trabajo) y el flujo de agua desviado queda con energía disminuida. 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 de salida se debe al cambio en la energía cinética del fluido.

Antes de golpear las palas de la turbina, la presión del agua (energía potencial) se convierte en energía cinética mediante una boquilla y se enfoca en la turbina. No se produce ningún cambio de presión en los álabes de la turbina y la turbina no requiere una carcasa para funcionar.

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

Las turbinas de impulso se utilizan a menudo en aplicaciones de cabeza muy alta (>300 m/1000 pies).

Poder

La potencia disponible en una corriente es;

${displaystyle P=eta cdot rho cdot gcdot hcdot {dot {dot {q}}$

donde:

• ${displaystyle P=$ potencia (J/s o watts)
• ${displaystyle eta =}$ eficiencia de la turbina
• ${displaystyle rho =}$ densidad de líquido (kg/m³)
• ${displaystyle g=}$ aceleración de la gravedad (9,81 m/s²)
• ${displaystyle h=}$ cabeza (m). Para el agua quieta, esta es la diferencia de altura entre las superficies de entrada y salida. Moving water has an additional component added to account for the kinetic energy of the flow. La cabeza total es igual a la cabeza de presión más cabeza de velocidad.
• ${displaystyle { dot {}}}$= caudal (m)³/s)

Hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo

Algunas turbinas de agua están diseñadas para hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo. Pueden invertir el flujo y operar como una bomba para llenar un depósito alto durante las horas de menor consumo eléctrico, y luego volver a ser una turbina de agua para generar energía durante el pico de demanda eléctrica. Este tipo de turbina suele tener un diseño de turbina Deriaz o Francis.

Este tipo de sistema se utiliza en El Hierro, una de las Islas Canarias: "Cuando la producción eólica supera la demanda, el exceso de energía bombea agua desde un depósito inferior en el fondo de un cono volcánico hasta un depósito superior en la cima del volcán a 700 metros sobre el nivel del mar. El embalse inferior almacena 150.000 metros cúbicos de agua. El agua almacenada actúa como una batería. La capacidad máxima de almacenamiento es de 270 MWh. Cuando la demanda aumenta y no hay suficiente energía eólica, el agua se liberará a cuatro turbinas hidroeléctricas con una capacidad total de 11 MW."

Eficiencia

Las grandes turbinas hidráulicas modernas funcionan con eficiencias mecánicas superiores al 90 %.

Tipos de turbinas de agua

Varios tipos de corredores de turbina de agua. De izquierda a derecha: rueda Pelton, dos tipos de turbina Francis y turbina Kaplan.

Una turbina de Francis en la planta de almacenamiento de bombas de la montaña Raccoon

Turbinas de reacción

• Turbina VLH
• Francis turbine
• Turbina Kaplan
• Turbina Tyson
• Deriaz turbine
• Gorlov helical turbina

Turbina de impulso

• Rueda de agua
• Rueda de pelton
• Turgo turbina
• Turbina de flujo cruzado (también conocida como la turbina Bánki-Michell, o la turbina Ossberger)
• Turbina Jonval
• Bola de agua caliente inversa
• Turbina de mierda
• Turbina Barkh

Diseño y aplicación

La selección de la turbina se basa en la carga de agua disponible y, en menor medida, en el caudal disponible. En general, las turbinas de impulso se usan para sitios de cabeza alta y las turbinas de reacción se usan para sitios de cabeza baja. Las turbinas Kaplan con paso de pala ajustable se adaptan bien a una amplia variedad de condiciones de caudal o cabeza, ya que su eficiencia máxima se puede lograr en una amplia gama de condiciones de caudal.

Las turbinas pequeñas (en su mayoría de menos de 10 MW) pueden tener ejes horizontales, e incluso las turbinas tipo bulbo bastante grandes, de hasta 100 MW aproximadamente, pueden ser horizontales. Las máquinas Francis y Kaplan muy grandes suelen tener ejes verticales porque esto hace el mejor uso del cabezal disponible y hace que la instalación de un generador sea más económica. Las ruedas Pelton pueden ser máquinas de eje vertical u horizontal porque el tamaño de la máquina es mucho menor que el cabezal disponible. Algunas turbinas de impulso utilizan múltiples chorros por rodete para equilibrar el empuje del eje. Esto también permite el uso de un rodete de turbina más pequeño, lo que puede reducir los costos y las pérdidas mecánicas.

Rango típico de cabezas

Velocidad específica

La velocidad específica ${displaystyle No.$ de una turbina caracteriza la forma de la turbina de una manera que no está relacionada con su tamaño. Esto permite que un nuevo diseño de turbina sea escalado de un diseño existente de rendimiento conocido. La velocidad específica es también los principales criterios para combinar un sitio hidrológico específico con el tipo de turbina correcto. La velocidad específica es la velocidad con la que la turbina gira para una descarga particular Q, con cabeza de unidad y por lo tanto es capaz de producir energía unitaria.

Leyes de afinidad

Las leyes de afinidad permiten predecir la salida de una turbina en función de las pruebas del modelo. Se puede probar una réplica en miniatura de un diseño propuesto, de aproximadamente un pie (0,3 m) de diámetro, y se pueden aplicar las medidas de laboratorio a la aplicación final con gran confianza. Las leyes de afinidad se derivan al requerir 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 rodete de la turbina. La altura diferencial y el flujo se pueden trazar para varios valores diferentes de apertura de la compuerta, lo que produce un diagrama de colinas que se usa para mostrar la eficiencia de la turbina en condiciones variables.

Velocidad de fuga

La velocidad desbocada de una turbina de agua es su velocidad a pleno flujo y sin carga en el eje. La turbina estará diseñada para sobrevivir a las fuerzas mecánicas de esta velocidad. El fabricante proporcionará la clasificación de velocidad fuera de control.

Sistemas de control

Desde mediados del siglo XVIII se han utilizado diferentes diseños de gobernadores para controlar las velocidades de las turbinas de agua. Durante los primeros 100 años de los controles de velocidad de las turbinas hidráulicas se utilizó una variedad de sistemas flyball, o gobernadores de primera generación. En los primeros sistemas de bola voladora, el componente de bola voladora contrarrestado por un resorte actuaba directamente sobre la válvula de la turbina o la compuerta para controlar la cantidad de agua que ingresa a las turbinas. Los sistemas más nuevos con gobernadores mecánicos comenzaron alrededor de 1880. Uno de los primeros gobernadores mecánicos es un servomecanismo que comprende una serie de engranajes que utilizan la velocidad de la turbina para impulsar la bola voladora y la potencia de la turbina para impulsar el mecanismo de control. Se siguió mejorando la amplificación de potencia de los gobernadores mecánicos mediante el uso de engranajes y el comportamiento dinámico. Para 1930, los gobernadores mecánicos tenían muchos parámetros que podían configurarse en el sistema de retroalimentación para controles precisos. En la última parte del siglo XX, los gobernadores electrónicos y los sistemas digitales comenzaron a reemplazar a los gobernadores mecánicos. En los gobernadores electrónicos, también conocidos como gobernadores de segunda generación, el flyball fue reemplazado por un sensor de velocidad de rotación pero los controles aún se hacían a través de sistemas analógicos. En los sistemas modernos, también conocidos como gobernadores de tercera generación, los controles se realizan digitalmente mediante algoritmos que se programan a la computadora del gobernador.

Puerta peatonal

Puertas de bolsillo (amarillo) que rodean una turbina tipo Francisco.

Una compuerta postiza, o paleta guía, es un componente de las turbinas de agua para controlar el flujo de agua que ingresa a la turbina. Una serie de pequeñas aberturas de las compuertas peatonales rodean la turbina. Cuando las compuertas de ventanilla se abren más, fluirá más agua hacia el corredor de la turbina, lo que da como resultado una mayor potencia de salida. El control de apertura y cierre de la compuerta peatonal permitirá controlar la energía de salida generada por las turbinas para que coincida con los niveles de energía de salida deseados.

Materiales de los álabes de turbina

Dado que los álabes de una turbina de agua están constantemente expuestos al agua y a fuerzas dinámicas, deben tener una alta resistencia a la corrosión y resistencia. El material más común que se utiliza en las superposiciones de los rodetes de acero al carbono de las turbinas de agua son las aleaciones de acero austenítico que tienen entre un 17 % y un 20 % de cromo para aumentar la estabilidad de la película, lo que mejora la resistencia a la corrosión acuosa. El contenido de cromo en estas aleaciones de acero excede el mínimo de 12% de cromo requerido para exhibir cierta resistencia a la corrosión atmosférica. Tener una mayor concentración de cromo en las aleaciones de acero permite una vida útil mucho más larga de las palas de la turbina. Actualmente, los álabes están hechos de aceros inoxidables martensíticos que tienen una alta resistencia en comparación con los aceros inoxidables austeníticos por un factor de 2. Además de la resistencia a la corrosión y la resistencia como criterios para la selección del material, la soldabilidad y la densidad del álabe de la turbina. Una mayor capacidad de soldadura permite una reparación más fácil de las palas de la turbina. Esto también permite una mayor calidad de soldadura, lo que resulta en una mejor reparación. La selección de un material con baja densidad es importante para lograr una mayor eficiencia porque las palas más ligeras giran más fácilmente. El material más común utilizado en las palas de las turbinas Kaplan son las aleaciones de acero inoxidable (SS). Las aleaciones de acero inoxidable martensítico tienen secciones más delgadas de alta resistencia que el acero al carbono estándar y una masa reducida que mejora las condiciones de flujo hidrodinámico y la eficiencia de la turbina de agua. Se ha demostrado que el SS(13Cr-4Ni) tiene una mejor resistencia a la erosión en todos los ángulos de ataque a través del proceso de granallado con láser. Es importante minimizar la erosión para mantener altas eficiencias porque la erosión impacta negativamente en el perfil hidráulico de las palas, lo que reduce la relativa facilidad de rotación.

Mantenimiento

Una turbina de Francisco al final de su vida mostrando corrosión, cansancio y un fracaso catastrófico. Trabajos de reparación anteriores que utilizaron varillas de soldadura de acero inoxidable son visibles.

Las turbinas están diseñadas para funcionar durante décadas con muy poco mantenimiento de los elementos principales; los intervalos de revisión son del orden de varios años. El mantenimiento de los corredores y las piezas expuestas al agua incluye la extracción, inspección y reparación de las piezas desgastadas.

El desgaste normal incluye la corrosión por picaduras por cavitación, el agrietamiento por fatiga y la abrasión por sólidos suspendidos en el agua. Los elementos de acero se reparan mediante soldadura, normalmente con varillas de acero inoxidable. Las áreas dañadas se cortan o rectifican, luego se sueldan de nuevo a su perfil original o mejorado. Los rodetes de turbina viejos pueden tener una cantidad significativa de acero inoxidable agregado de esta manera al final de su vida útil. Se pueden usar procedimientos de soldadura elaborados para lograr reparaciones de la más alta calidad.

Otros elementos que requieren inspección y reparación durante las revisiones incluyen los cojinetes, la caja de empaque y las camisas del eje, los servomotores, los sistemas de enfriamiento para los cojinetes y las bobinas del generador, los anillos de sello, los elementos de articulación de la compuerta peatonal y todas las superficies.

Impacto ambiental

Walchensee Hydroelectric Power Station en Baviera, Alemania, ha estado en funcionamiento desde 1924

Las turbinas de agua generalmente se consideran generadoras de energía limpia, ya que la turbina prácticamente no provoca ningún cambio en el agua. Utilizan una fuente de energía renovable y están diseñados para funcionar durante décadas. Producen cantidades significativas del suministro eléctrico mundial.

Históricamente, también ha habido consecuencias negativas, en su mayoría asociadas con las represas que normalmente se requieren para la producción de energía. Las represas alteran la ecología natural de los ríos, matando potencialmente a los peces, deteniendo las migraciones e interrumpiendo la vida de los pueblos. medios de subsistencia Por ejemplo, las tribus nativas americanas en el noroeste del Pacífico tenían medios de subsistencia basados en la pesca del salmón, pero la construcción agresiva de represas destruyó su forma de vida. Las represas también causan consecuencias menos obvias, pero potencialmente graves, que incluyen una mayor evaporación del agua (especialmente en regiones áridas), acumulación de sedimentos detrás de la represa y cambios en la temperatura del agua y en los patrones de flujo. En los Estados Unidos, ahora es ilegal bloquear la migración de peces, por ejemplo, el esturión blanco en América del Norte, por lo que los constructores de represas deben proporcionar escalas para peces.