Una turbina Pelton, también conocida como rueda hidráulica tangencial o turbina de presión, constituye una turbomáquina motora de flujo tangencial, admisión parcial y de acción. Se basa en un rodete con cucharas en su periferia que convierte la energía del chorro del agua. La energía cinética del agua es la responsable del giro de la turbina. Estas turbinas se clasifican generalmente por la posición del eje que mueven, por lo que se distinguen las de eje horizontal y vertical. Su nombre se debe al ingeniero norteamericano Lester Allen Pelton (1829-1908).
Estas turbinas se utilizan habitualmente para producir electricidad en plantas hidroeléctricas, para explotar grandes saltos hidráulicos de bajo caudal. Las centrales hidroeléctricas dotadas de este tipo de turbina cuentan, en su mayoría, con una larga tubería llamada galería de presión para transportar el fluido desde grandes alturas, en alturas a partir de 300 metros hasta unos 700 metros, incluso a veces más altura. Al final de la galería de presión se suministra el agua a la turbina por medio de una o varias válvulas de aguja, también llamadas inyectores, los cuales tienen forma de tobera para aumentar la velocidad del flujo que incide sobre las cucharas.
Os dejo a continuación unos vídeos explicativos sobre este tipo de turbina, que espero os sean de interés.
La turbina Francis, desarrollada por James B. Francis, es una turbomáquina motora a reacción y de flujo mixto. Son turbinas hidráulicas que se pueden diseñar para un amplio rango de saltos y caudales, capaces de operar en desniveles que van de los dos metros hasta varios cientos de metros. Esto, junto con su alta eficiencia, ha hecho que este tipo de turbina sea el más usado en el mundo, principalmente para la producción de energía eléctrica en centrales hidroeléctricas. Son muy costosas de diseñar, fabricar e instalar, pero pueden funcionar durante décadas.
Estas turbinas presentan un diseño hidrodinámico que garantiza un alto rendimiento debido a las bajas pérdidas hidráulicas. Son robustas, con bajo costo de mantenimiento. Sin embargo, no se recomienda su instalación con alturas de agua mayores de 800 m ni cuando existen grandes variaciones de caudal. Asimismo, es muy importante controlar la cavitación.
Figura 2. Espiral de entrada de una turbina Francis, Presa Grand Coulee.
Las partes de una turbina Francis son las siguientes:
Cámara espiral: distribuye uniformemente el fluido en la entrada del rodete. La forma en espiral o caracol se debe a que la velocidad media del fluido debe permanecer constante en cada punto de la misma. La sección transversal puede ser rectangular o circular, siendo esta última la más utilizada.
Predistribuidor: formado por álabes fijos que tienen una función netamente estructural, para mantener la estructura de la caja espiral y conferirle rigidez transversal, que además poseen una forma hidrodinámica para minimizar las pérdidas hidráulicas.
Distribuidor: constituido por álabes móviles directores, cuya misión es dirigir convenientemente el agua hacia los álabes del rodete (fijos) y regular el caudal admitido, modificando de esta forma la potencia de la turbina de manera que se ajuste en lo posible a las variaciones de carga de la red eléctrica, a la vez de direccionar el fluido para mejorar el rendimiento de la máquina. Este recibe el nombre de distribuidor Fink.
Rotor o rodete: es el corazón de la turbina, pues aquí tiene lugar el intercambio de energía entre la máquina y el fluido. En forma general, la energía del fluido al momento de pasar por el rodete es una suma de energía cinética, energía de presión y energía potencial. La turbina convierte esta energía en energía mecánica que se manifiesta en el giro del rodete. El rodete a su vez transmite esta energía por medio de un eje a un generador eléctrico dónde se realiza la conversión final en energía eléctrica. El rotor puede tener diversas formas dependiendo del número específico de revoluciones para el cual esté diseñada la máquina, que a su vez depende del salto hidráulico y del caudal de diseño.
Tubo de aspiración: es la salida de la turbina. Su función es darle continuidad al flujo y recuperar el salto perdido en las instalaciones que están por encima del nivel de agua a la salida. En general se construye en forma de difusor, para generar un efecto de aspiración, el cual recupera parte de la energía que no fuera entregada al rotor en su ausencia.
Las turbinas Francis se pueden clasificar en función de la velocidad específica del rotor y de las características del salto:
Turbina Francis lenta: para saltos de gran altura, alrededor de 200 m o más
Turbina Francis normal: indicada en saltos de altura media, entre 200 y 20 m
Turbina Francis rápidas y extrarrápidas: apropiadas para saltos de pequeña altura, inferiores a 20 m
A continuación os paso un par de vídeos explicativos que espero os sean de utilidad:
Os paso un vídeo de una Turbina Francis de la Central Hidroeléctrica de la Presa Susqueda en funcionamiento, produciendo 27,5 MW por caída hidráulica de 162 m.
Referencias:
YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2017). Máquinas, cables y grúas empleados en la construcción.Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 814. Valencia, 212 pp.
