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Í N D I C E Introducción..��������...���������������...�� 1 Capitulo I: Generalidades�������������������. 21.1.- Breve descripción del funcionamiento de una central hidroeléctrica��������������.���������. 2 1.2. Historia����������������..���������..� 41.2.1.- Clasificación de las centrales hidráulicas���������.�.. 61.2.1.1.- Centrales de alta presión���������..������...�� 61.2.1.2.- Centrales de media presión��������������.��� 61.2.1.3.- Centrales de baja presión������������...�����. 61.2.1.4.- Las centrales hidráulicas también se clasifican����.����.. 71.2.1.4.1.- Centrales de agua corriente������������.��� 71.2.1.4.2.- Centrales de agua embalsada����������..���� 71.2.1.5.- Elementos de una central hidráulica����������..��� 81.2.1.5.1.- Presa������������������������...� 91.2.1.5.2.- Canal de derivación������������������� 91.2.1.5.3.- Tuberías de presión�������������...........��� 101.2.1.5.4.- Torres de equilibrio������������������.� 101.2.1.5.5.- Compuertas���������������������...� 111.2.1.5.6.- Accionamiento de las compuertas�������................... 121.2.1.5.7.- Sistema de válvulas���������.................................... 121.2.1.5.8.- Cámara de turbinas��.............................................................. 131.2.1.5.8.1.- Ventajas e inconvenientes de las turbinas de eje vertical tanto para cámaras abiertas como cerradas��������. 141.2.1.5.8.2.- Ventajas e inconvenientes de las turbinas de eje horizontal tanto para cámaras abiertas como cerradas��������. 141.2.1.5.9.- Tubo de aspiración����������������............ 151.2.1.5.10.- Canal de desfogue�������������...................... 151.2.1.5.11.- Casa de máquinas���������������............... 16 1.3.- Tipos de Turbinas Hidráulicas��������..����.......... 171.3.1.- Turbina Francis�������������������.............. 171.3.1.1.- Clasificación de Rodetes���������������............ 171.3.2.- Turbina Kaplan�������������������.............. 191.3.2.1.- Partes constitutivas de una turbina Kaplan�������............. 191.3.3.- Turbina Pelton���������������.............................. 251.3.3.1.- El rodete o rueda Pelton�����������������...... 25
1.3.3.2.- Canjilones����������������������.......... 261.3.3.3.- Inyector�������������������������� 271.3.4.- Turbina Michell-Banki������.................................................. 291.3.4.1.- Principales características................................................................ 301.3.4.2.- Principio de funcionamiento���................................................... 301.3.5.- Turbina Turgo����...................................................................... 321.3.5.1.- Teoría de operación��.................................................................. 331.3.6.- Turbina Deriaz��������....................................................... 34 1.4.- Generación de Energía en México������������� 361.4.1.- Datos sobre Generación Eléctrica���.����������... 361.4.2.- Desarrollo de la Capacidad Instalada y de la Generación���.. 37 1.5.- Descripción de la Turbina Bulbo�������������.� 381.5.1.- Turbina Bulbo������������������.................... 381.5.2.- Arreglo General������������...................................... 381.5.2.1.- Componentes Principales................................................................. 391.5.2.1.1.- Cono Fijo���������...................................................... 401.5.2.1.2.- Cámara del rodete y cono del tubo de aspiración�................ 411.5.2.1.3.- Escotilla del Generador��������.................................. 421.5.2.1.4.- Protector Fijo���������������������� 431.5.2.1.5.- Partes Rotatorias��������������....................... 441.5.2.1.5.1.- Rodete�������������......................................... 451.5.2.1.5.2.- Flecha de la Turbina��������...................................... 461.5.2.1.6.- Caja de Sellos de la Flecha��������............................ 461.5.2.1.7.- Chumacera de la Turbina����������........................ 481.5.2.1.7.1.- Mecanismo de retroalimentación y tubería de aceite����... 511.5.2.1.7.2.- Unidad de transferencia de aceite������������... 511.5.2.1.8.- Mecanismo de los Álabes Motrices o Paletas Reguladoras.... 521.5.3.- Importancia de pruebas por CFD (Computacional Flow Dynamics)��������������� 541.5.4.- Normas que Aplican������������������......... 561.5.4.1.- Comisión Electrotécnica Internacional (CEI o IEC)�������. 561.5.4.2.- Organización Internacional para la Estandarización (ISO)���� 56 Capitulo II: Aplicación de la Turbina Bulbo�������.......... 582.1.- Principales ríos de México.............................................................. 582.1.1.- El río Usumacinta������������................................... 592.1.2.- Factibilidad de la aplicación de Turbinas Bulbo en el río Usumacinta��������������������.. 60
2.1.2.1.- Zonas beneficiadas en el estado de Chiapas���������.. 612.1.2.2.- Zonas beneficiadas en el estado de Tabasco���������.. 612.1.3.- Aplicación de Turbinas Bulbo en Boca del Cerro�������. 62 Conclusiones��������������������������... 66 Bibliografía���������������������������� 68
Introducción.
La demanda de Generación de Energía Eléctrica en México va en aumento por lo
que tenemos que garantizar el suministro y la cobertura de energía eléctrica,
principalmente en el área rural en un futuro a corto plazo, mediante tecnología
limpia considerando la preservación del territorio donde se implementará, las
relaciones predominantes en ese espacio geográfico, el hábitat natural, el
individuo y la sociedad.
México es un país que cuenta con una extensa hidrografía con abundantes lluvias
y caudales importantes, se pueden diferenciar tres grandes vertientes la del
Pacífico, la del Golfo y la del Caribe, existe una vertiente interior que desembocan
en los bolsones del Altiplano, esto nos permite tener las condiciones idóneas para
el aprovechamiento del potencial hidroeléctrico que nos proporciona el cauce de
los ríos que es un recurso natural renovable y que los previsibles conflictos
político-económicos por el racionamiento y escasez de hidrocarburos (petróleo,
gas natural), reservados para la generación de energía eléctrica, queden
superados.
Los cuatro principales ríos llevan al Golfo de México un total de 2.2 millones de
lt/s, siendo: el río Usumacinta con 900 mil lt/s, el río Grijalva con 700 mil lt/s, el río
Coatzacoalcos con 400 mil lt/s y el río Papaloapan con 200 mil lt/s.
La Turbina Bulbo opera mediante el flujo del cauce del río de forma axial y radial
sin contaminar el aire ni el agua, ideal para el aprovechamiento de estos recursos,
abatiendo el costo de la infraestructura inherente a la generación de energía
eléctrica, con un impacto al entorno ambiental y social menor en el lugar donde se
construye.
Asimismo este Proyecto Hidroeléctrico nos dará la seguridad que no causará
daños a nuestro patrimonio arqueológico, social y cultural, ya que el agua
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contenida en una presa representa un potencial peligro de desbordamiento del
agua en caso de una precipitación súbita.
Por lo tanto este documento tiene como objetivo:
Desarrollar un Proyecto que sirva de referencia para la adquisición de estos
equipos.
Capitulo I: Generalidades.
1.1.- Breve descripción del funcionamiento de una central
hidroeléctrica.
Las centrales hidroeléctricas utilizan la energía potencial del agua como fuente
primaria para generar electricidad. Estas plantas se localizan en sitios en donde
existe una diferencia de altura entre la central eléctrica y el suministro de agua.
De esta forma, la energía potencial del agua al caer por gravedad se convierte en
energía cinética que es utilizada para impulsar el rodete de la turbina y hacerla
girar para producir energía mecánica. Acoplado a la flecha de la turbina se
encuentra el grupo turbina-alternador dispone de un generador de corriente
continua que tiene como fin producir una corriente eléctrica continua suficiente
para excitar los electroimanes del rotor del alternador, quienes, a su vez inducen
en su giro una corriente eléctrica al estátor; en las terminales de éste aparece
entonces una corriente eléctrica alterna de media tensión y alta intensidad.
Mediante transformadores, la corriente pasa a ser de baja intensidad y alta
tensión, de forma que pueda transportarse, con las menores pérdidas posibles, a
los centros de distribución y de consumo.
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Es un recurso natural disponible en las zonas que presentan suficiente cantidad de
agua, y una vez utilizada, es devuelta río abajo.
Su desarrollo requiere construir pantanos, presas, canales de derivación, y la
instalación de grandes turbinas y equipamiento para generar electricidad. Una
característica importante es la imposibilidad de su estandarización, debido a la
diversidad de los lugares en donde se dispone de aprovechamiento hidráulico,
dando lugar a una gran variedad de diseños, métodos constructivos, tamaños y
costos de inversión.
Todo ello implica la inversión de grandes sumas de dinero, por lo que no resulta
competitiva en regiones donde el carbón o el petróleo son baratos. Sin embargo,
el peso de las consideraciones medioambientales y el bajo mantenimiento que
precisan una vez que estén en funcionamiento centran la atención en esta fuente
de energía.
Figura. 1.- Diagrama de una Central Hidroeléctrica.
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1.2.- Historia.
La fuerza del agua ha sido utilizada durante mucho tiempo para moler trigo, pero
fue con la Revolución Industrial, y especialmente a partir del siglo XIX, cuando
comenzó a tener gran importancia con la aparición de las ruedas hidráulicas para
la producción de energía eléctrica. Poco a poco la demanda de electricidad fue en
aumento. El bajo caudal del verano y otoño, unido a los hielos del invierno hacían
necesaria la construcción de grandes presas de contención, por lo que las ruedas
hidráulicas fueron sustituidas por máquinas de vapor en cuanto se pudo disponer
de carbón.
La primera central hidroeléctrica moderna se construyó en 1880 en
Northumberland, Gran Bretaña. El renacimiento de la energía hidráulica se produjo
por el desarrollo del generador eléctrico, seguido del perfeccionamiento de la
turbina hidráulica y debido al aumento de la demanda de electricidad a principios
del siglo XX. En 1920 las centrales hidroeléctricas generaban ya una parte
importante de la producción total de electricidad.
A principios de la década de los noventa, las primeras potencias productoras de
energía hidroeléctrica eran Canadá y Estados Unidos. Canadá obtiene un 60% de
su electricidad de centrales hidráulicas. En todo el mundo, este tipo de energía
representa aproximadamente la cuarta parte de la producción total de electricidad,
y su importancia sigue en aumento. Los países en los que constituye fuente de
electricidad más importante son Noruega (99%), Zaire (97%) y Brasil (96%). La
central de Itaipú, en el río Paraná, está situada entre Brasil y Paraguay; se
inauguró en 1982 y tiene la mayor capacidad generadora del mundo. Como
referencia, la presa Grand Coulee, en Estados Unidos, genera unos 6500 Mw. y
es una de las más grandes.
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En algunos países se han instalado centrales pequeñas, con capacidad para
generar entre un kilovatio y un megavatio. En muchas regiones de China, por
ejemplo, estas pequeñas presas son la principal fuente de electricidad. Otras
naciones en vías de desarrollo están utilizando este sistema con buenos
resultados.
En México cuenta con un enorme potencial (Aprox. 8,000 MW anuales) para la
generación de energía en plantas hidroeléctricas. Entre el 2001 y al término de
2006 habrán entrado en operación 37 nuevas centrales con una capacidad de más
de 13 mil megawatts. En el mes de julio de 2006 se dió el banderazo para iniciar el
llenado de la presa El Cajón, en Nayarit, la cual, representa la obra de
infraestructura más grande en los últimos diez años en el país.
Está previsto que la presa, que representó una inversión de casi 800 millones de
dólares, entró en operación en noviembre de 2007, con una capacidad de
generación de 750 megawatts, y que permitirá ahorrar aproximadamente dos
millones de barriles de petróleo al año en la generación de electricidad, se
pretende que este mismo año empiece la construcción de otra planta
hidroeléctrica, La Yesca, que tendrá una capacidad de generación de 750
megawatts.
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Figura. 2.- Generadores Eléctricos producen electricidad
mediante turbinas movidas por agua.
1.2.1.- Clasificación de las centrales hidráulicas.
1.2.1.1.- Centrales de alta presión:
Carga hidráulica superiores a los 200 m. Como máquinas motrices se utilizan,
generalmente, turbinas Pelton o, para cargas de menor altura, turbinas Francis
lentas.
1.2.1.2.- Centrales de media presión:
Carga hidráulica comprendidas entre 20 y 200 m. Las máquinas motrices
empleadas son las turbinas Francis medias y rápidas, correspondiendo estas
últimas a cargas de menor altura, dentro de los límites indicados.
1.2.1.3.- Centrales de baja presión:
Carga hidráulica, inferiores a 20 m. Es la zona de utilización de las turbinas
Francis extra rápidas, de las turbinas de hélice y, sobre todo, de las turbinas
Kaplan.
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1.2.1.4.- Las centrales hidráulicas también se clasifican como sigue:
• Centrales de agua corriente.
• Centrales de agua embalsada.
1.2.1.4.1.- Centrales de agua corriente.
Llamadas también de agua fluyente, se construyen en los lugares en que la
energía hidráulica debe ser utilizada en el instante en que se dispone de ella, para
accionar las turbinas hidráulicas.
No cuentan prácticamente con reserva de agua, oscilando el caudal suministrado
según las estaciones del año. En la temporada de precipitaciones abundantes (de
aguas altas), desarrollan su potencia máxima, y dejan pasar el agua excedente.
Durante la época seca (aguas bajas), la potencia disminuye en función del caudal,
llegando a ser casi nulo en algunos ríos en la época de calor.
Su construcción se realiza mediante presas sobre el cauce de los ríos, para
mantener un desnivel constante en la corriente de agua.
1.2.1.4.2.- Centrales de agua embalsada.
Se alimenta del agua de grandes lagos o de pantanos artificiales (embalses),
conseguidos mediante la construcción de presas. El embalse es capaz de
almacenar los caudales de los ríos afluentes, llegando a elevados porcentajes de
captación de agua en ocasiones. Esta agua es utilizada según la demanda, a
través de conductos que la encauzan hacia las turbinas.
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1.2.1.5.- Elementos de una central hidráulica.
Los elementos constructivos que constituyen una central hidráulica son:
• Presa.
• Canal de derivación.
• Tubería de presión.
• Torres de equilibrio
• Compuertas.
• Accionamiento de las compuertas.
• Sistemas de válvulas.
• Cámara de turbinas.
• Tubo de aspiración.
• Canal de desfogue.
• Casa de máquinas.
Figura. 3.- Vista de la presa �El Cajón�. Nayarit.
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1.2.1.5.1.- Presa.
Se llama presa en general a una construcción que se levanta en el lecho del río
para contener el agua, produciendo una elevación de su nivel que permite la
derivación de ella, o bien para almacenar el agua regulando el caudal del río. La
presa es el elemento más importante de una central hidroeléctrica depende en
gran medida de las condiciones orográficas de terreno, así como también el curso
de agua donde se realiza la instalación. Por los materiales que están constituidas
las presas pueden ser de: tierra, mampostería y hormigón.
Las presas más utilizadas son las de hormigón y pueden ser de gravedad o de
bóveda. Las primeras resiste la presión del agua por su propio peso. Las de
bóveda necesitan menos materiales que la de gravedad y se suelen utilizar en
gargantas estrechas.
1.2.1.5.2.- Canal de derivación.
El canal de derivación se utiliza para conducir el agua desde la presa de
derivación hasta las turbinas de la central. Cuando la carga es superior a unos 15
metros conviene dar paso al caudal del agua en la sala de turbinas por medio de
tuberías de presión y, para ello, debe tener una cámara de presión donde termina
el canal y comienza la tubería.
Por lo general, y para evitar filtraciones en el terreno, los canales de derivación
están revestidos interiormente de mampostería, hormigón en masa u hormigón
armado.
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1.2.1.5.3.- Tuberías de presión.
En las instalaciones hidroeléctricas, las tuberías de presión se llaman así porque
al ubicarse en la parte inferior de la conducción soporta la gran presión del agua
en su recorrido final hacia las turbinas.
En su inicio suele incluir una válvula tipo �mariposa� para suspender el paso del
agua si existe algún problema en la conducción por la tubería de presión. La
tubería se divide en tantas ramificaciones como turbinas haya en la casa de
máquinas. Cada ramificación de la tubería de presión finaliza dentro de la casa de
máquinas en su respectiva válvula esférica de admisión, la cual permite o impide
que el agua llegue a la turbina respectiva.
1.2.1.5.4.- Torres de equilibrio.
Debido a las variaciones de carga del alternador o a condiciones imprevistas se
utilizan las torres de equilibrio que evitan las sobrepresiones en las tuberías de
presión y álabes de las turbinas. A estas sobrepresiones se las denomina golpe de
ariete. Cuando la carga de trabajo de la turbina disminuye bruscamente se
produce una sobrepresión positiva, ya que el regulador automático de la turbina
cierra la admisión de agua.
Las torres de equilibrio consisten en un pozo vertical situado lo más cerca posible
de las turbinas. Cuando existe una sobre presión de agua encuentra menos
resistencia para penetrar al pozo que a la cámara de presión de las turbinas
haciendo que suba el nivel de la torre de equilibrio. En el caso de depresión
ocurrirá lo contrario y el nivel bajará.
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Con esto se consigue evitar el golpe de ariete. Actúa de este modo la torre de
equilibrio como un muelle hidráulico o un condensador eléctrico, es decir,
absorbiendo y devolviendo energía. Las tuberías de presión, suelen ser de acero
con refuerzos regulares a lo largo de su longitud, o de concreto armado, reforzado
con anillos de hierro que deben estar ancladas al terreno mediante soleras
adecuadas.
1.2.1.5.5.- Compuertas.
Las compuertas se utilizan para cerrar las conducciones de agua (canales-
tuberías), así como para regular el caudal de agua en dichas conducciones.
Únicamente hay que tener en cuenta que las compuertas sometidas a grandes
presiones (por ejemplo, en las tomas de agua) habrán de ser de construcción más
robusta que las compuertas que o de resistir pequeñas presiones (por ejemplo, en
los canales de derivación abiertos).
Figura. 4.- Vista general del montaje de compuertas. �El Cajón�.
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1.2.1.5.6.- Accionamiento de las compuertas.
Para elevar una compuerta es necesario un esfuerzo que ha de ser superior al
peso propio de la compuerta y a los rozamientos originados por la presión
hidráulica; solamente las compuertas de pequeñas dimensiones pueden
accionarse manualmente.
Para las compuertas de mayor peso se utilizan varios dispositivos:
• cremallera con rueda sencilla o varias ruedas.
• cremallera con accionamiento de engranaje y tornillo sin fin.
• torno de husillo horizontal.
Para las grandes compuertas se utilizan así exclusivamente dispositivos oleo-
hidráulicos con servomotor.
1.2.1.5.7.- Sistema de válvulas.
El sistema de válvulas, se utilizan para abrir y cerrar el paso del agua por las
tuberías de presión. Según el empleo a que están destinados, los sistemas de
cierre pueden ser:
• Sistemas de seccionamiento, cuya misión es cerrar el paso del agua hacia
las turbinas, cuando sea necesario.
• Sistemas de seguridad, que deben cerrar el conducto, no solamente en el
caso en que el caudal sobrepase el nivel de flujo que pasa normalmente
por la turbina, sino también, en caso de sobrevelocidad de esta última.
Estas válvulas están provistas, casi siempre, de dispositivos automáticos
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de cierre, que entran en acción cuando la velocidad del agua sobrepasa
un valor máximo, fijado de antemano.
En las instalaciones hidroeléctricas se encuentran muchos tipos de sistemas de
válvulas, que cumplen además funciones muy diferentes. Las más frecuentes son:
• Válvulas de compuerta.
• Válvulas de mariposa.
• Válvulas esféricas.
La elección del tipo más apropiado depende de las dimensiones, de la forma de la
sección que se ha de cerrar, de la presión, de la necesidad de una regulación de
apertura parcial, etc.
1.2.1.5.8.- Cámara de turbinas.
Se denomina cámara de turbinas al espacio destinado en una central
hidroeléctrica para el alojamiento de las turbinas hidráulicas.
La cámara de turbinas puede ser abierta, si está en comunicación con el exterior,
o cerrada, en el caso contrario.
Actualmente, en casi todas las cargas de agua, se utiliza turbinas en cámara
cerrada, a la que afluye el agua procedente de las tuberías de presión. Esta
disposición, tiene la gran ventaja de que las tuberías pueden situarse en el lugar
más conveniente, los efectos de cimentación, canal de desfogue, etc., ya que la
tubería de presión, que une la cámara de presión con las turbinas puede tener el
diseño y longitud más adecuado.
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1.2.1.5.8.1.- Ventajas e inconvenientes de las turbinas de eje vertical tanto para
cámaras abiertas como cerradas:
Ventajas:
• Posibilidad de montar los generadores por encima del nivel de agua,
hasta la altura más conveniente, por pequeña que sea la carga.
• Economía de instalación.
Inconvenientes:
• Si la turbina ha de accionar un generador de eje horizontal, son
necesarios engranajes de transmisión.
• Las cargas verticales correspondientes a las máquinas han de ser
sostenidas por un soporte cojinete de empuje.
1.2.1.5.8.2.- Ventajas e inconvenientes de las turbinas de eje horizontal tanto para
cámaras abiertas como cerradas:
Ventajas:
• Soportes cojinetes normales.
• Transmisión directa a ejes horizontales.
• Más fácil vigilancia porque todos los elementos están a la misma altura.
Inconvenientes:
• Instalación de mayor extensión superficial, por lo tanto más caras.
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• El agua ha de reingresar al canal de desagüe a través de uno o más
codos a 90°; por lo tanto, mayores pérdidas de carga.
Figura. 5.- Vista casa de máquinas. �El Cajón�.
1.2.1.5.9.- Tubo de aspiración.
El tubo de aspiración sirve de enlace entre la turbina y el canal de desfogue y para
aprovechar, además, la carga entre ambos elementos. Se construye de hormigón
o de placa de acero y ha de tener una sección variable para conseguir la máxima
recuperación de la energía cinética del agua a la salida del rodete de la turbina.
1.2.1.5.10.- Canal de desfogue.
El canal de desfogue, recoge el agua a la salida de la turbina para devolverla
nuevamente al río en el punto conveniente. A la salida de las turbinas, el agua
tiene todavía una velocidad importante y, por lo tanto, bastante poder erosivo y
para evitar desgaste del piso o paredes hay que revestir cuidadosamente el área
de la salida del agua de las turbinas.
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En cargas bajas en que conviene perder poco desnivel, el canal de desfogue ha
de ser corto. En cargas de gran altura y, especialmente en aquellos en que el
agua arrastra poco o ningún material sólido, el canal de desfogue puede ser de
mayor longitud.
1.2.1.5.11.- Casa de máquinas.
En la casa de máquinas de una central hidroeléctrica, se montan los grupos
eléctricos para la generación de la energía eléctrica, así como la maquinaria
auxiliar necesaria para su funcionamiento. Sin embargo, podemos intentar una
primera clasificación de las centrales según la disposición general de la casa de
máquinas en:
• Centrales al exterior.
• Centrales subterráneas.
Figura.6.- Motor de corriente continua.
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1.3.- Tipos de Turbinas Hidráulicas.
1.3.1.- Turbina Francis.
Son conocidas como turbinas de sobrepresión por ser variable la presión en las
zonas del rodete, o de admisión total ya que éste se encuentra sometido a la
influencia directa del agua en toda su periferia. También se conocen como
turbinas radiales-axiales y turbinas de reacción.
El campo de aplicación es muy extenso, dado el avance tecnológico conseguido
en la construcción de este tipo de turbinas. Pueden emplearse en cargas de
distintas alturas dentro de una amplia gama de caudales (entre 2 y 200 m3/s
aproximadamente).
1.3.1.1.- Clasificación de Rodetes.
Clasificación, en función de la velocidad específica del rodete, cuyo número de
revoluciones por minuto depende de las características de la carga.
• Rodete Francis lenta. Para cargas de gran altura (alrededor de 200 m o
más).
• Rodete Francis normal. Indicada en cargas de altura media (entre 200 y
20 m).
• Rodete Francis rápidas y extra rápidas. Apropiadas a cargas de pequeña
altura (inferiores a 20 m).
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Figura.7.- Rodete de Turbina Francis.
Las turbinas Francis, son de rendimiento óptimo, pero solamente entre unos
determinados márgenes (para 60 % y 100 % del caudal máximo), siendo una de
las razones por la que se disponen varias unidades en cada central, al objeto de
que ninguna trabaje, individualmente, por debajo de valores del 60 % de la carga
total.
Al igual que las turbinas Pelton, las turbinas Francis pueden ser instaladas con el
eje en posición horizontal (Figura.8), o vertical (Figura.9), siendo esta última
disposición la más generalizada por estar ampliamente experimentada,
especialmente en el caso de unidades de gran potencia.
Figura.8.-Turbina Francis Figura.9.-Turbina Francis
de eje horizontal. de eje vertical
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1.3.2.- Turbina Kaplan.
Las turbinas tipo Kaplan son turbinas de admisión total y clasificadas como
turbinas de reacción. Se emplean en cargas de pequeña altura (alrededor de 50 m
y menores de alturas), con caudales medios y grandes (aproximadamente de 15
m3/s en adelante). Debido a su singular diseño, permiten elevadas velocidades
específicas, obteniéndose buenos rendimientos, incluso dentro de extensos límites
de variación de caudal.
A igualdad de potencia, las turbinas Kaplan son menos voluminosas que las
Francis. Normalmente se instalan con el eje en posición vertical, si bien se prestan
para ser colocadas de forma horizontal o inclinada.
1.3.2.1.- Partes constitutivas de una turbina Kaplan:
• Carcasa espiral
• Distribuidor
• Rotor o rodete
• Tubo de aspiración
• Flecha
• Equipo de sellado
• Cojinete guía
• Cojinete de empuje
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Figura.10.-Turbina Kaplan de eje vertical.
El único componente de las turbinas Kaplan, que podría considerarse como
distinto al de las turbinas Francis, es el rotor o rodete.
Se asemeja a la hélice de un barco, esta formado por un número determinado de
álabes, de 2 a 4 para cargas de pequeña altura y de 5 a 9 cuando las cargas son
mayores, por supuesto dentro del campo de aplicación de las turbinas Kaplan.
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Figura.11.-Rotor de una Turbina Kaplan.
En las turbinas Kaplan, de todos y cada uno de los álabes del rotor están dotadas
de libertad de movimiento, pudiendo orientarse dentro de ciertos límites sobre sus
asientos respectivos situados en el núcleo, llamado también cubo del rodete,
adoptando posiciones de mayor o menor inclinación respecto a la flecha de la
turbina según órdenes recibidas del regulador de velocidad.
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Figura.12.-Disposición del Cubo y del Álabe (Kaplan).
Las turbinas Kaplan son también conocidas como turbinas de doble regulación,
por intervenir en el proceso de regulación tanto las palas o álabes del distribuidor,
como sobre los álabes del rotor dependiendo de las condiciones de carga
existente.
Con este procedimiento se consiguen elevados rendimientos, incluso para cargas
bajas y variables, así como en el caso de fluctuaciones importantes del caudal.
Las palas directrices del distribuidor, se gobiernan de forma análoga a como se
realiza en las turbinas Francis.
Para lograr el control adecuado de los álabes del rotor, tanto el núcleo del rotor,
como el eje de turbina, permiten alojar en su interior los distintos dispositivos
mecánicos, tales como servomotores, palancas, bielas, destinados a dicho fin.
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Se distinguen tres sistemas de gobierno de los álabes del rotor, dependiendo de la
ubicación del servomotor de accionamiento en las distintas zonas de la flecha del
grupo turbina-generador.
Así se tiene:
• Servomotor en cabeza: el servomotor esta instalado en el extremo
superior de la flecha. En la zona del generador.
• Servomotor intermedio: en este caso esta situado en la zona de
acoplamiento de la flecha de la turbina y del generador.
• Servomotor en núcleo: está alojado en el propio núcleo del rotor.
Móvil gira conla flecha
Árbol
Válvula deregulaciónaceite
Vástago para elgiro de los álabes
Álabe
Cubo
PistónServomotor
Depósito
Figura.13.-Mecanismo de regulación de los Álabes de una Turbina Kaplan.
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Actualmente en el empleo del servomotor en el núcleo es el mas utilizado, con el
se reducen las dimensiones y el número de elementos mecánicos que en los otros
realizan la interconexión entre el servomotor y los ejes de los álabes del rotor. En
los sistemas del servomotor intermedio y en el núcleo, los conductos de aceite
entre regulador de velocidad y el servomotor se realizan mediante conductos
concéntricos dispuestos en el interior del eje del grupo turbina-generador.
En algunas turbinas Kaplan los álabes del rotor se orientan con mecanismos
accionados por motores eléctricos y reductores de velocidad ubicados en el
interior de la flecha. En los rotores Kaplan, el interior del núcleo esta lleno de
aceite a fin de producir la estanqueidad para evitar el paso de agua a través de los
álabes.
Una de las características fundamentales de las turbinas Kaplan constituye el
hecho que los álabes del rotor no están situadas a una cota mas baja que la cota
del distribuidor, de modo que el flujo del agua incide sobre las palas en su parte
posterior en dirección paralela al eje de la turbina.
Figura.14.-Flujo del agua en un rodete (Kaplan).
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1.3.3.- Turbina Pelton.
Las turbinas Pelton son turbinas de chorro libre que se acomodan a la utilización
de cargas de agua con mucho desnivel y caudales relativamente pequeños, con
márgenes de empleo entre 60 metros y 1500 metros, consiguiéndose rendimientos
máximos del orden del 90%. Tiene la peculiaridad de aprovechar solamente la
energía cinética del fluido, pues no existe gradiente de presión entre la entrada y
la salida de la máquina.
Figura.15.- Turbina Pelton
1.3.3.1.- El rodete o rueda Pelton.
Está constituido por un disco de acero con álabes periféricos en forma de doble
cuchara llamados también canjilones. Estos pueden estar fundidos en el disco en
una sola pieza o individualmente, sujetándose después al disco por medio de
bulones. La fundición por separado de disco y álabes ha sido la forma más
tradicional, ya que no sólo se facilita la construcción (fundición, maquinado y
pulido de piezas) sino que también hace posible la reposición de canjilones
averiados por la erosión. Sin embargo, modernamente se advierte una gran
tendencia a fundir el disco y álabes en una sola pieza, sobre todo cuando se trata
de ruedas de alta velocidad específica. Se consigue con este procedimiento mayor
25
rigidez y solidez; uniformidad en la resistencia y montaje rápido; para la misma
potencia, las ruedas resultan más ligeras.
Figura.16.- Rodete Pelton
1.3.3.2.- Canjilones.
En una rueda Pelton la dirección del chorro no es ni axial ni radial, sino tangencial;
el elemento constructivo más importante es el canjilón en forma de doble cuchara,
que recibe el chorro exactamente en su arista media donde se divide en dos,
circulando por su cavidad y recorriendo hasta la salida casi un ángulo de 180º,
contrarrestándose así los empujes axiales por cambio de dirección de los dos
chorros. El agua una vez que sale de los canjilones, cae libremente una cierta
altura, pasando al cauce inferior.
Figura.17.- Forma del Canjilón.
26
1.3.3.3.- Inyector.
El inyector es el órgano regulador del caudal del chorro; consta de una válvula de
aguja cuya carrera determina el grado de apertura del mismo; para poder asegurar
el cierre, el diámetro máximo de la aguja tiene que ser superior al de salida del
chorro cuyo diámetro d se mide en la sección contraída, situada aguas abajo de la
salida del inyector y en donde se puede considerar que la presión exterior es igual
a la atmosférica.
El chorro está constituido por un núcleo central convergente de agua y una
sección anular creciente que contiene una emulsión de agua y aire. Con el fin de
asegurar una buena regulación, conviene diseñar el inyector de forma que exista
una proporcionalidad entre la potencia de la turbina y la carrera x de la aguja, por
cuanto la potencia es proporcional al caudal y éste, a su vez, a la sección de paso
normal al flujo.
La variación del caudal del chorro para regular la potencia se consigue mediante
una aguja de forma especial, con cuyo accionamiento se puede estrangular la
sección de salida de la boquilla; su regulación puede ser manual o automática
mediante un servomotor.
Tiene además otro sistema de regulación por desviación del chorro, que consiste
en una superficie metálica llamada deflector, que se introduce en medio del
chorro, dividiéndolo y desviando una parte del mismo, de forma que en vez de
dirigirse contra los canjilones, sale lateralmente sin producir ningún efecto útil.
De esta forma se evitan sobrepresiones en la tubería, por cuanto el caudal que
circula por ésta continúa siendo el mismo.
27
Figura.18.- Inyector.
Cuando se dispone de un solo inyector, el rodete tiene el eje de giro horizontal y el
eje de salida del chorro es tangente horizontal, inferior a la circunferencia del
rodete, cuyo diámetro se denomina diámetro Pelton, cayendo el agua a la salida
de los canjilones al fondo de la turbina, sin interferir el giro de la rueda.
Cuando el número de inyectores es de dos, la turbina puede ser también de eje
horizontal, disponiéndose los chorros según dos tangentes inferiores a la
circunferencia Pelton, inclinadas un mismo ángulo �30º, saliendo el agua de los
canjilones sin interferir a la rueda.
Para un número superior de inyectores, la rueda Pelton es de eje vertical ya que
de ser horizontal, sería imposible evitar que el agua cayera sobre la rueda a la
salida de los canjilones. Un chorro bien diseñado no debe tener un diámetro d
superior a 27 centímetros, por lo que para establecer el número de inyectores hay
que partir de la condición de que su diámetro no sea superior a este límite,
teniendo en cuenta a su vez, el límite superior impuesto por la velocidad específica
por chorro, en función de la carga.
El hecho de sustituir un número de inyectores de unas dimensiones determinadas,
por un mayor número de inyectores de dimensiones más pequeñas, permite
construir turbinas de mayor diámetro, girando a una velocidad mayor; sin embargo
no se deben sobrepasar ciertos límites impuestos por la necesidad de evacuar el
28
agua convenientemente, así como la fatiga del material de los canjilones
sometidos a esfuerzos repetidos, tanto más frecuentes cuanto mayor sea el
número de chorros.
Figura.19.- Turbina Pelton de 6 inyectores.
1.3.4.- Turbina Michell-Banki.
La turbina de flujo transversal o Michell-Banki es una máquina utilizada
principalmente para pequeños aprovechamientos hidroeléctricos. Sus ventajas
principales están en su sencillo diseño y su fácil construcción lo que la hace
atractiva en el balance económico de un aprovechamiento a pequeña escala.
No obstante esto no impide que la turbina se utilice en grandes instalaciones.
Aunque la turbina de flujo transversal se conoce como una máquina de pequeña
escala, existen actualmente máquinas de este tipo de hasta 6 MW.
29
1.3.4.1.- Principales características de esta máquina son las siguientes:
• La velocidad de giro puede ser seleccionada en un amplio rango.
• El diámetro de la turbina no depende necesariamente del caudal.
• Se alcanza un aceptable nivel de rendimiento con pequeñas turbinas.
• Se puede regular el caudal y la potencia por medio de un álabe ajustable.
1.3.4.2.- Principio de funcionamiento.
La turbina consta de dos elementos principales: un inyector y un rotor. El agua es
restituida mediante una descarga a presión atmosférica. El rotor esta compuesto
por dos discos paralelos a los cuales van unidos los álabes curvados en forma de
sector circular.
Figura. 20.- Turbina Michell-Banki.
El inyector posee una sección transversal rectangular que va unida a la tubería por
una transición rectangular - circular. Este inyector es el que dirige el agua hacia el
rotor a través de una sección que toma una determinada cantidad de álabes del
30
mismo, y que guía el agua para que entre al rotor con un ángulo determinado
obteniendo el mayor aprovechamiento de la energía.
La energía del agua es transferida al rotor en dos etapas, lo que también da a esta
máquina el nombre de turbina de doble efecto, y de las cuales la primera etapa
entrega un promedio del 70% de la energía total transferida al rotor y la segunda
alrededor del 30% restante.
(Los ensayos realizados por distintos investigadores sitúan el rendimiento
hidráulico de esta máquina entre un 65-70%, otros autores mencionan un 61%
aclarando que la segunda etapa entrega un 17%, y en general muchos autores
indican un 70% hasta un 84%).
Una característica atractiva de esta máquina es la forma aplanada de su curva de
rendimiento. Esto se logra con un diseño de la turbina con admisión parcial. Por
ejemplo: si se divide el rotor en 3 partes iguales y la admisión del agua se puede
realizar por 1/3, 2/3 o la totalidad del rodete.
La turbina de flujo transversal es especialmente apropiada para ríos con pequeños
caudales. Estos generalmente llevan durante varios meses muy poca agua, por lo
que en su diseño debe considerarse para el mínimo caudal que será el parcial y
para épocas de abundancia de agua, se considerará el caudal total que será
utilizado para usos productivos. De la curva característica de rendimiento de cada
turbina depende si durante este tiempo se sigue produciendo energía eléctrica.
31
Figura. 21.- Rodete de la Turbina Michell-Banki.
También es una rueda hidráulica de gran velocidad. Su diseño es muy parecido al
de la turbina Pelton, aunque su rendimiento es inferior (80%), pero también es
más barata. Generalmente no se utiliza para generar energía eléctrica, operando a
alturas inferiores a los 30 m.
1.3.5.- Turbina Turgo.
La turbina Turgo es una turbina hidráulica de impulso diseñada para cargas de
desnivel medio. Fue desarrollada por la compañía Gilkes en 1919 a partir de una
modificación de la turbina Pelton; la Turgo tiene varias ventajas sobre la turbina
Francis y la Pelton en determinadas aplicaciones.
En primer lugar, el rodete es más barato de fabricar que el de una Pelton. En
segundo lugar no necesita una carcasa hermética como la Francis. En tercer lugar
tiene una velocidad específica más elevada y puede manejar un mayor flujo para
el mismo diámetro que una turbina Pelton, conllevando por tanto una reducción del
costo del generador y de la instalación.
32
Las turbinas Turgo operan en un rango de desniveles en el que se solapan las
turbinas Francis y Pelton. Aunque existen muchas grandes instalaciones con
turbinas Turgo, estas son más populares para pequeñas instalaciones hidráulicas
en donde el bajo costo es primordial.
Figura. 22.- Turbina Turgo.
1.3.5.1.- Teoría de operación.
La turbina Turgo es una turbina de tipo impulso. El agua no cambia de presión
cuando pasa a través de los álabes de la turbina. La energía potencial del agua se
convierte en energía cinética en la tobera de entrada o inyector. El chorro de agua
a alta velocidad es dirigido contra los álabes de la turbina que lo desvían e
invierten el flujo. El impulso resultante hace girar el rodete de la turbina,
comunicando la energía al eje de la turbina. Después de todo esto el agua sale
con muy poca energía. Los rodetes de una turbina Turgo pueden tener un
rendimiento por encima del 90%.
El rodete de una Turgo se parece a un rodete Pelton partido por la mitad. Para la
misma potencia, el rodete Turgo tiene la mitad del diámetro que el de un rodete
Pelton y dobla la velocidad específica. El turgo puede manejar un mayor flujo de
33
agua que el pelton debido a que el agua que sale no interfiere con las paletas
adyacentes.
La velocidad específica de los rodetes Turgo se encuentra situada entre las
turbinas Francis y Pelton. Se pueden usar una o varias toberas o inyectores.
Incrementando el número de inyectores se incrementa la velocidad específica del
rodete en la raíz cuadrada del número de chorros (cuatro chorros rinden dos veces
la velocidad específica de un chorro para la misma turbina).
Figura. 23.- Rodete de la Turbina Turgo.
1.3.6.- Turbina Deriaz.
Es el nombre de su inventor Paúl Deriaz, un diseñador hidráulico, y fue el primer
tipo de turbina diagonal a desarrollar. Una de las primeras grandes turbina Deriaz
se instaló en las plantas en ambos lados de Canadá y EE.UU. de las Cataratas del
Niágara.
Es un tipo de turbina hidráulica similar a la turbina Kaplan, pero que ha inclinado
los álabes para que sea más adecuado para cargas de gran altura. Es
especialmente adecuado para el alturas que oscilan entre 20 metros y 100 metros,
una ventaja de operación entre la turbina Francis y Kaplan. Dicha configuración de
34
la turbina adopta una forma cónica para la espiral. Debido a que los álabes del
rodete son ajustables, el diseño de la turbina Deriaz ofrece las siguientes ventajas:
• Funcionamiento correcto y eficaz en una amplia gama de altura y de
carga,
• La distribución uniforme de la presión y la carga a través de los álabes (es
decir, a partir de la Carcasa hasta media distancia al núcleo),
• La libertad de desarrollo de cavitación a través de todo el rango de
operación.
• Funcionando como bomba, mejor rendimiento que una turbina-bomba de
álabes fijos.
La turbina Deriaz está clasificado como un doble-regulada, de reacción, de turbina
de flujo mixto. De esta manera en las centrales de bombeo se reduce el precio de
la maquinaria, utilizando una sola máquina que actúe como bomba y como turbina.
Figura. 24.- Rodete de la Turbina Deriaz
35
1.4.- Generación de Energía en México.
1.4.1.- Datos sobre Generación Eléctrica.
La generación de energía eléctrica en la Comisión Federal de Electricidad se
realiza en centrales hidroeléctricas, termoeléctricas, eólicas y nuclear. Al cierre del
mes de diciembre de 2007, la CFE contó con una capacidad efectiva instalada
para generar energía eléctrica de 49,854.19 Megawatts (MW), de los cuales:
11,456.90 MW son de productores independientes (termoeléctricas); 11,054.98
MW son de hidroeléctricas; 22,332.46 MW corresponden a las termoeléctricas de
CFE; 2,600.00 MW a carboeléctricas; 959.50 MW a geotermoeléctricas; 1,364.88
MW a la nucleoeléctrica, y 85.48 MW a la eoloeléctrica.
Figura. 25.- Capacidad Efectiva Instalada de Generación.
36
Figura. 26.- Generación por Fuente.
1.4.2.- Desarrollo de la Capacidad Instalada y de la Generación.
Para cumplir el objetivo de CFE de cubrir las necesidades de energía eléctrica de
la población, de la industria, la agricultura, el comercio y los servicios en México, la
generación de electricidad ha ido en aumento, como se aprecia en la siguiente
tabla:
1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007
CFE 33,944 34,384 34,839 34,901 36,236 36,855 36,971 38,422 37,325 37,470 38,397PIE S - - - 484 1,455 3,495 6,756 7,265 8,251 10,387 11,457TOTAL 33,944 34,384 34,839 35,385 37,691 40,350 43,727 45,687 45,576 47,857 49,854
CFE 159.8 169 179.1 188.8 190.9 177.1 169.3 159.5 170.1 162.5 157.5PIE S - - - 1.20 4.04 21.83 31.62 45.85 45.56 59.43 70.98TOTAL 159.8 169 179.1 189.99 194.92 198.88 200.94 205.38 215.63 221.90 228.49
Capacidad (MW)
Generación (TWh)
Tabla. 1.- Generación por Fuente.
Nota: Incluye 21 centrales de productores independientes de energía,
(PIE).Información a diciembre de 2007.
37
1.5.- Descripción de la Turbina Bulbo. 1.5.1.- Turbina Bulbo.
La turbina Bulbo es una turbina de reacción tipo Kaplan que se utiliza para cargas
muy bajas que van de 2 m a los 20 m. El arreglo horizontal de la flecha le permite
estar a baja altura de la casa de máquinas.
Se caracteriza por tener los componentes principales de la turbina y del generador
en el interior de un bulbo. El perfil del bulbo no solamente acelera el flujo de agua
hacia el distribuidor y el rodete sino que proporciona el enfriamiento necesario del
generador a través de su pared sobre la cuál el agua pasa. El flujo de agua tiene
un movimiento axial y radial en el distribuidor y no fluye a través de una carcasa
envolvente. Los husillos de los álabes motrices tienen una inclinación
normalmente de 60 grados en relación a la flecha de la turbina. Contrario a otras
turbinas éstas tienen un distribuidor cónico.
El rodete de la turbina Bulbo es del mismo diseño de las turbinas Kaplan y puede
tener diferente número de álabes dependiendo de la carga y el flujo de agua. En
su operación el rodete deberá tener la eficiencia más alta posible girando a las
velocidades específicas que así lo garanticen.
1.5.2.- Arreglo General.
En la figura. 27., se muestra un dibujo de arreglo general de la turbina tipo bulbo.
El agua fluye axialmente hacia la unidad por la parte central del conducto y pasa
por el generador, las columnas principales, el distribuidor, el rodete y el tubo de
aspiración y va aguas abajo hacia el canal.
38
1.5.2.1.- Componentes Principales.
La turbina de bulbo tiene los siguientes componentes principales:
• Cono fijo.
• Cámara del rodete.
• Cono del tubo de aspiración.
• Escotilla del Generador.
• Protectores Fijos.
• Partes rotatorias.
• Caja de Sello de la Flecha.
• Chumacera de la turbina.
• Mecanismo de los álabes motrices.
Acceso a la turbina
Acceso algenerador
Distribuidor
Tubo deaspiración
Rodete
Bulbo
Álabes
Generador
Nivel del agua antes de entrara la turbina o Aguas arriba
Nivel del agua a la salidade la turbina o Aguas abajo
Figura. 27.- Corte Transversal de una Turbina Tipo Bulbo.
39
1.5.2.1.1.- Cono Fijo.
Lo forman cuatro elementos formados por una columna principal superior y una
inferior; un cono fijo interno y otro externo soldados a las columnas principales.
El distribuidor en su interior se sujeta al cono fijo interno aguas abajo.
El cono fijo externo forma parte del paso exterior de agua y está fraguado en
concreto con las partes externas de las columnas principales. El conjunto Bulbo-
Generador está sujeto aguas arriba del lado del cono fijo interno. Estos
componentes se ubican en el centro del flujo de agua y forma el paso interior del
agua junto con el cubo del rodete.
Se localizan dos partes fijas laterales a cada lado del bulbo aguas arriba de las
columnas principales con la intención de rigidizarlo y evitar vibraciones y
resonancia.
El peso total y las fuerzas hidráulicas se transfieren al concreto a través del cono
fijo vía las dos estructuras principales.
40
Acceso algenerador
Tubería de presión de aceite al servomotor de los álabes motices
Columna principal superior con acceso al cono interno
Cono fijo interno
Álabe motríz Brazo del álabe motriz con servomotor
Distribuidor interno
Columna principal inferior con acceso al cono interno
Cono fijo externo
Disribuidor externo
Cámara del rodete
Caja de sellos de la flecha
Chumacera de la turbina
Figura. 28.-Cono fijo de la Turbina Tipo Bulbo.
1.5.2.1.2.- Cámara del rodete y cono del tubo de aspiración.
La cámara del rodete es el conjunto que une al cono fijo externo y el cono del tubo
de aspiración. El lado aguas abajo del cono externo se suministra con una brida a
la cuál se sujeta la cámara del rodete. El cono del tubo de aspiración consiste de
dos o más conos de acero soldado y está fraguado en concreto. El lado aguas
arriba se conecta a la cámara del rodete a través de una conexión telescópica
flexible. Este tipo de conexión es necesaria para permitir ciertos movimientos
axiales de la cámara del rodete y la parte exterior del distribuidor debido a las
elongaciones y/o contracciones que se registran por cambio de temperatura.
La velocidad máxima del agua a la salida determina la longitud del recubrimiento
en el cono de acero con el fin de evitar daño en el concreto.
41
Anclas
Cono fijo interno mitad superior
Columna fija principal superior
Viga aguas arriba
Escotilla delgenerador
Cono fijo interno mitad inferior
Columna fija principal inferior
Viga aguas abajo
Cono fijo externo mitad superior
Cono fijo externo mitad inferior
Figura. 29.-Cono fijo y Tubo de Aspiración. Elevación.
1.5.2.1.3.- Escotilla del Generador.
La escotilla del generador es normalmente parte del conjunto de la turbina, se
localiza arriba del generador y se tiene acceso al mismo para actividades de
mantenimiento, la escotilla esta perforada y conforma el paso exterior del agua al
abrirse la misma.
Es un elemento cilíndrico de acero con una brida en la parte superior para cubrirla
así como para alojar su sello. El Bulbo de la unidad sube y baja al llenar y
desaguar la turbina, la junta del sello entre el elemento cilíndrico y la cubierta de la
escotilla debe permitir el movimiento vertical de ese componente.
42
Escotilla del generador Columna fija principal superior
Cono fijo externomitad superior
Cono fijo externomitad inferior
Columna fijaprincipal inferior
Cono fijointerno
Parte fija lateralsuperior
Parte fija lateral inferior
Figura. 30.-Corte Seccional del Cono Fijo.
1.5.2.1.4.- Protector Fijo.
Los protectores fijos están ubicados entre la flecha de acceso al generador y las
columnas fijas principales de la turbina. Forman una pared homogénea para que
fluya el agua hidrodinámicamente en la estructura fija en el lado aguas arriba para
evitar formación de vórtices indeseables. Los protectores están sujetos al bulbo y
así mismos por tornillos de fijación para hacerlo rígido. Están libremente apoyados
contra el paso de acceso y columnas principales para permitir movimientos
axiales.
43
Los protectores se suministran con una entrada de hombre para labores de
inspección y mantenimiento.
1.5.2.1.5.- Partes Rotatorias.
Las partes rotatorias son las siguientes:
• Rodete.
• Flecha de la turbina.
• Leva para sellar la flecha, Anillo de sujeción, anillo de desgaste y anillo
para contener el aceite.
• Anillo para contener el aceite para la chumacera de la turbina.
• Mecanismo de retroalimentación y tubería de aceite.
• Unidad para transferencia de aceite de las partes rotatorias a las
estacionarias.
Flechageneradora
RodeteAnillo contenedor de aceite
Perno parasalpicar aceite
Mecanismo deretroalimentación
Flechade la
turbina
Leva con anillo desujeción y desgaste
Unidad detransferencia
del aceite
Anillo contenedorpara caja de sellos
Mecanismo deretroalimentación
Figura. 31.- Partes Rotatorias de la Turbina Bulbo
44
1.5.2.1.5.1.- Rodete.
El rodete es similar al rodete Kaplan y tiene normalmente de tres a cinco álabes
hechos de acero inoxidable.
Los álabes se diseñan con bridas y están sujetos a pernos escalonados y
palancas.
El servomotor para operar los álabes está normalmente ubicado en el interior del
cubo.
El servomotor tiene un pistón fijo y un cilindro con movimiento axial y apoyos
adecuados para las palancas de los álabes que están dentro del cubo.
Cilindro servo
Tubo internopara aceite
Flechaescalonadapara álabe
Brazoparaálabe
Mecanismo
Apoyo del mecanismo
Cierrelateral
Pistón servo
Tubo externopara aceite
Cubo del rodete
Figura. 32.- Cubo del Rodete.
45
Figura. 33.- Rodete.
1.5.2.1.5.2.- Flecha de la Turbina.
La flecha de la turbina es de acero forjado y tiene bridas en ambos lados. Un
extremo está conectado al cubo del rodete y el otro a la flecha del generador.
1.5.2.1.6.- Caja de Sellos de la Flecha.
Se usan varias cajas de sellos para la flecha. Un tipo, especial para turbinas tipo
Bulbo, tiene superficies de sello radiales hechas de un disco de desgaste
endurecido de acero inoxidable y dos anillos de desgaste hechos de fibras de tipo
teflón. El disco de desgaste se sujeta a la leva que está fija a la flecha.
Los anillos de desgaste se adhieren al anillo del sello. Este es móvil y se aloja en
el anillo de ajuste por medio de una membrana.
46
La membrana permite al anillo de sello moverse axialmente 5 � 6 mm. Esto es
necesario para el movimiento de la flecha en la dirección aguas abajo cuándo la
unidad está con carga.
Adicionalmente, se debe mantener una tolerancia para el desgaste de las
superficies del sello.
El anillo de ajuste se sujeta al anillo de soporte pudiendo ajustarse axialmente por
medio de un sistema de gatos hidráulicos de doble acción. De acuerdo al margen
de desgaste de los anillos de desgaste el rango de ajuste de la caja de sellos debe
ser 8 � 10 mm. El sello auxiliar se ubica en el anillo de soporte.
Este puede acercarse o retirarse de la leva por medio de los gatos hidráulicos.
Cuándo este anillo está en contacto con la leva los anillos de desgaste y sello
pueden quitarse sin drenar la unidad.
La posibilidad de fuga de agua en la caja de sellos se evita desaguando en la
tubería del cárcamo de la bomba.
Se coloca un anillo de contenedor en la flecha para evitar que el agua fugue a lo
largo de ella.
Se coloca un anillo de hule aguas arriba de la flecha y sella contra la cubierta de la
caja de sellos.
La caja de sellos se suministra con cuatro resortes que presionan los anillos de
sello y desgaste contra la superficie de sello para evitar fugas cuándo el sistema
de balanceo este fuera de operación, por ejemplo, al llenar la turbina.
47
Brida sobredistribuidor interno
Anillo soporte
Anillo dedesgaste (fibra)
Tuberíadesagüe
Anillocontenedor
Presión de agua(aguas abajo)
Anillo desello auxiliar
Anillo desello (fibra)
Leva
Anillo de desgaste(acero inoxidable)
Anillosello
Cubierta
Anillode hule
Anillo desujeción
Superficiesde sello
Anillos de ajuste
Membrana(fibra)
Flecha dela turbina
Al rodete
Figura. 34.- Caja de Sello de la Flecha.
1.5.2.1.7.- Chumacera de la Turbina.
La chumacera será robusta y sencilla en operación. Requerirá únicamente de
cambio de aceite en su mantenimiento.
El alojamiento de la chumacera tiene su apoyo en la parte interior del distribuidor
por medio de dos yugos y dos apoyos y descansa normalmente en seis cuñas. Al
mover estas cuñas axialmente el alojamiento de la chumacera puede ajustarse
verticalmente.
48
El alojamiento de la chumacera se abre horizontalmente.
Las cubiertas de la chumacera tienen una parte superior y una inferior. Son
flotantes en el alojamiento de la chumacera y por medio de un perno de sujeción
radial se evita que giren.
La superficie de la cubierta inferior de apoyo y la de cada extremo de la cubierta
superior de la chumacera están recubiertas con material Babbit.
El depósito de aceite está sujeto aguas arriba del alojamiento de la chumacera. El
recipiente del aceite se fija a la flecha. El surtidor de aceite y la caja están en el
interior del depósito. La caja dónde se aloja el flotador tiene una mirilla para
observar el movimiento de aceite mientras trabaja la turbina.
Alojamientochumacera Válvula de desagüe
Aperturapara llenado
Tanquede aceite
Cuña
Cuchilla
Colector desedimento
Unidad automáticapara el arranquede la lubricación
Anillocontenedorde aceite
Caja deflotación
Depósitode aceite
Recipientegiratorio de
aceite
Surtidorde aceite
Cubierta dela chumacera
Tapón para inspeccionar el llenado
Figura. 35.- Chumacera de la Turbina.
Para evitar fugas de aceite de la chumacera en la flecha se coloca un anillo
contenedor en ella, aguas abajo.
49
La unidad de arranque automático de lubricación está en la parte superior del
alojamiento de la chumacera. Es un contenedor lleno de aceite al trabajar la
turbina.
Cuándo la flecha detiene su marcha el aceite se mantiene en el contenedor por
medio de un dispositivo de apoyo en la flecha. Tan pronto como la flecha reanuda
su marcha se bota el dispositivo y el aceite del contenedor se distribuye entonces
a la superficie de la chumacera.
Cuándo la flecha empieza a girar, el recipiente succiona aceite de la parte inferior
del depósito. Tan pronto como la capa de aceite es lo suficientemente espesa, el
surtidor de aceite lo recoge y lo entrega a la caja dónde está el flotador, de ahí al
tanque de aceite y a la cubierta de la chumacera. La flecha gira y transporta este
aceite más allá de la superficie de la chumacera.
Normalmente circula más aceite del que se requiere para lubricación en el tanque.
Por lo tanto, se desvía el aceite excedente a la parte superior del depósito de
aceite. La tubería que desvía el flujo de aceite está controlada por un flotador en el
interior de la caja de flotación.
Para aumentar la capacidad del depósito de aceite se pone un tanque a un lado
de la chumacera.
El colector de sedimentos se ubica abajo del alojamiento de la chumacera. Las
impurezas se atrapan en el aceite al circular por la chumacera, separándose antes
de regresar a su depósito.
La chumacera presenta diferentes opciones para ser llenada, indicadores, flotador
y sensores de temperatura en el nivel de aceite.
50
1.5.2.1.7.1.- Mecanismo de retroalimentación y tubería de aceite.
El mecanismo de retroalimentación y tubería de transferencia de aceite se ubica
en el centro de la flecha.
La tubería de transferencia está formada por un tubo de aceite concéntrico interior
y exterior que va a todo lo largo de la flecha. El tubo interior sigue hasta la unidad
de transferencia de aceite en el lado aguas arriba, y se apoya en el tubo exterior
conectándose al servomotor del rodete por medio de un yugo.
El tubo interior se desplaza axialmente siguiendo el movimiento del servomotor.
Aguas arriba, un indicador se mueve a lo largo de una regla y mide
mecánicamente la posición del servomotor en todo momento. La tubería exterior
de aceite se instala al cubo del rodete, a la flecha de la turbina y del generador
respectivamente.
1.5.2.1.7.2.- Unidad de transferencia de aceite.
La unidad de transferencia de aceite se localiza aguas arriba de la flecha del
generador y tiene una parte rotatoria y una fija consistente en una manga y perno
escalonado de distribución respectivamente.
La manga de distribución se fija a la capsula alrededor del generador y se
suministra con conexiones de tubería para el suministro y regreso de aceite así
como fuga del mismo.
La manga de distribución se suministra con una base que tiene una escala de
medición dónde se lee la posición del servomotor del rodete.
51
1.5.2.1.8.- Mecanismo de los Álabes Motrices o Paletas Reguladoras.
Dos diferentes sistemas se pueden utilizar para la operación de los álabes
motrices o paletas reguladoras.
Un sistema, dónde cada álabe tiene su propio servomotor.
Con un anillo a base de eslabones que mueve simultáneamente las válvulas piloto
de los servomotores de los álabes motrices. El movimiento se controla al abrir y
cerrar las válvulas piloto que controlan los álabes motrices o paletas reguladoras.
Las mangueras de alta presión se conectan al sistema de presión de aceite de la
unidad.
Las ventajas del sistema es que aunque se atorara un álabe motriz, los álabes
restantes pueden moverse sin causar daño alguno. Lo mismo sucede si se atrapa
un objeto extraño al cerrarse dos álabes, los álabes restantes se cerrarán sin
causar ningún daño. Si así se requiere, solamente ciertos álabes pueden operarse
por separado y así desatascar los objetos atrapados en el sistema de álabes
motrices.
52
Brazoálabemotriz
Presión deaceite, apertura,desagüe, cierre
Servomotorálabe motriz Distribuidor
externo
Anillo eslabón
Distribuidorinterno
Correderaálabemotirz
Álabe motriz
Presión deaceite, cierre ,
desagüe,apertura
Figura. 36.- Mecanismo del Álabe con Servomotor Individual.
Otro sistema cuenta con un anillo de regulación con tres servomotores principales.
Debido al arreglo cónico del distribuidor, el sistema es por medio de rodamientos
esféricos con amplio movimiento angular.
La interconexión entre palancas y álabes se diseña como juntas de fricción
realizándose así para evitar dañar los componentes si uno o varios álabes se
atascan o si objetos extraños quedan atrapados entre ellos.
La junta de fricción hace posible mover la palanca del álabe con las partes
restantes de los álabes que está conectado al anillo de regulación aunque se
atasque el álabe más cercano.
53
Representación delanillo de regulación
con los álabesmotrices cerrados
Figura. 37.- Anillo de Regulación.
1.5.3.- Importancia de pruebas por CFD (Computacional Flow Dynamics).
La Dinámica de Fluidos Computacional es una de las alternativas en la solución de
problemas que involucran movimiento de fluidos en complemento al enfoque
analítico y al enfoque experimental. En general CFD consiste en obtener la
solución numérica aproximada de las ecuaciones de Navier-Stokes que gobiernan
al fenómeno utilizando técnicas computacionales. Actualmente existe una
diversidad de programas especializados que facilitan su aplicación asimismo
continúan abiertos una serie de problemas de fenómenos fluido-dinámicos que
requieren su modelización y simulación numérica. La tendencia en el uso de CFD
es creciente y va ligado al desarrollo del hardware, por tanto el costo relacionado a
su empleo es pequeño, en comparación con la alternativa experimental.
54
El flujo del agua a través de la turbina debe de ser analizado por medio de CFD
(Computacional Flow Dynamics) para obtener la máxima eficiencia de la turbina y
de todo el sistema hidrodinámico.
En la Figura. 38, se muestra un claro ejemplo de la formación en la superficie de
un vórtice cercano a la succión de una Turbina Bulbo en operación, equipado con
un diámetro del rotor de 5.35 metros y un generador de 10 MW, girando a 93.75
r.p.m., el caudal es de 275 m3/seg, en la planta de energía maremotriz de La
Rance, Francia.
La magnitud de este vórtice es difícil de encontrar normalmente, ni siquiera en las
cercanías de plantas hidroeléctricas convencionales, ya que su formación implica
la introducción de aire en la rotación de columna de agua, que pueden llegar a
producir efectos devastadores sobre el rotor de la turbina y los álabes.
Figura. 38.- Formación de un vórtice en la superficie del agua.
55
1.5.4.- Normas que Aplican.
Estas son algunas de las normas internacionales que aplican para el diseño,
control de calidad, operación y mantenimiento de las turbinas Bulbo.
1.5.4.1.- Comisión Electrotécnica Internacional (CEI o IEC).
La Comisión Electrotécnica Internacional (CEI o IEC, por sus siglas del idioma
inglés International Electrotechnical Commission) es una organización de
normalización en los campos eléctrico, electrónico y tecnologías relacionadas.
Numerosas normas se desarrollan conjuntamente con la ISO (normas ISO/IEC).
IEC-60041-1991 1996 Field Acceptance Tests to Determine the
Hydraulic.
Performance of Hydraulic Turbines, Storage
Pumps and Pump-Turbines.
IEC-60193 -1999 Hydraulic Turbines Storage Pumps and Pump -
Turbines. Model Acceptance Test
IEC-60545-1976 Guide for commissioning, Operation and
Maintenance of Hydraulic Turbines.
Tabla.2.- Normas IEC.
1.5.4.2.- Organización Internacional para la Estandarización (ISO).
La Organización Internacional para la Estandarización o International Organization
for Standardization, es el organismo encargado de promover el desarrollo de
normas internacionales de fabricación, comercio y comunicación para todas las
ramas industriales a excepción de la eléctrica y la electrónica.
56
Su función principal es la de buscar la estandarización de normas de productos y
seguridad para las empresas u organizaciones a nivel internacional.
Dichas normas se conocen como normas ISO y su finalidad es la coordinación de
las normas nacionales, en consonancia con el Acta Final de la Organización
Mundial del Comercio, con el propósito de facilitar el comercio, facilitar el
intercambio de información y contribuir con unos estándares comunes para el
desarrollo y transferencia de tecnologías.
ISO-1999-1990 Acoustics Determination of Ocupational Noise
Exposure and Estimation of Noise Induced Hearing.
Ultrasonic Testing of Bond.
ISO-4386-1-1992 Plain Bearings - Metallic Multilayer Plain Bearings -
Part 1 non - Destructive Ultrasonic Testing of Bond.
ISO-4386-3-1993 Plain Bearings - Metallic Multilayer Plain Bearings -
Part 3 non - Destructive Penetrate Testing.
ISO-7919-1-1996 Mechanical Vibration of non Reciprocating
Machines - Measurements of Rotating Shafts and
Evaluation Criteria. General Guidelines.
ISO-7919-5-2005 Mechanical Vibration Evaluations of Part 1: Machine
Vibration by Measurements on Rotating Shafts Part
5:
Machine Sets in Hydraulic Power Generating and
Pumping Plants.
ISO-10816-1-1995 Mechanical Vibration - Evaluation of Machine
Vibration by Measurements on non Rotating Parts.
Part 1: General Guidelines.
57
ISO-10816-5-2000 Mechanical Vibration - Evaluation of Machine
Vibration by Measurements on non Rotating Parts.
Part 5: Machine Sets in Hydraulic Power
Generating and Pumping Plants.
Tabla.3.- Normas ISO.
Capitulo II: Aplicación de la Turbina Bulbo.
2.1.- Principales ríos de México.
Los ríos son las corrientes de agua que fluyen sobre sus cauces. Pueden ser de
dos tipos, según su estacionalidad: perennes, con agua todo el año, e
intermitentes, con agua sólo en alguna parte del año, por lo general en la época de
lluvias.
Los principales ríos, por su escurrimiento medio anual en millones de metros
cúbicos, son los siguientes:
• Usumacinta 56 000 m3
• Papaloapan 47 000 m3
• Grijalva 25 000 m3
• Coatzacoalcos 22 500 m3
• Balsas 14 500 m3
• Bravo 13 000 m3
• Pánuco 12 000 m3
• Hondo 11 000 m3
• Lerma-Santiago 8 500 m3
58
• Tecolutla 5 500 m3
• Fuerte 5 000 m3
Figura. 39.- Hidrografía de México.
2.1.1.- El río Usumacinta.
El río Usumacinta tiene una longitud de unos 800 km de los que 560 km
pertenecen a México. Nace en Guatemala y desemboca en el Golfo de México.
Es el río más caudaloso de México, con una descarga de unos 900 mil litros por
segundo.
59
Hace frontera con Guatemala a lo largo de 200 km, hasta que se adentra en
territorio mexicano por el estado de Chiapas. Recorre el estado de Tabasco, y
desemboca en el Golfo de México en un extenso delta pantanoso en conjunción
con el río Grijalva como se muestra en la fotografía satelital de la figura. 40.
Río Usumacinta
Figura. 40.- Río Usumacinta.
GOLFO DEMÉXICO
2.1.2.- Factibilidad de la aplicación de Turbinas Bulbo en el río Usumacinta.
El río Usumacinta nos da las características idóneas para que sea factible la
instalación de Turbinas Bulbo y son las siguientes:
1. En algunos lugares el ancho del río es de 100 a 300 metros.
2. La profundidad del río tiene de 10 a 30 metros aproximadamente.
3. La velocidad del flujo del agua es de 5 Km por hora aproximadamente.
60
A lo largo del río nos encontramos con varios poblados que pueden ser
beneficiados, estos son algunos lugares en donde se pudieran aprovechar la
utilización de estas Turbinas:
2.1.2.1.- Zonas beneficiadas en el estado de Chiapas:
• Agua azul.
• La lucha
• Frontera Echeverría
• Anaité
• Nueva Esperanza
• Santa Margarita
• Lindavista
• Tulalcal
• San Carlos
• Yaxchilán
2.1.2.2.- Zonas beneficiadas en el estado de Tabasco:
• El Progreso
• San José del Río
• Clanchajé
• El Chinal
• Matadero
61
• Recreo
• El Faisán
• Tenosique de Pino Suárez
• Balancán de Domínguez
• Emiliano Zapata
• La Lagunetilla
• Chablé
• Junuta
• Tabasquillo (se incorpora el río Grijalva)
• San Pedro
2.1.3.- Aplicación de Turbinas Bulbo en Boca del Cerro.
En San Carlos, Chiapas llamado Boca del Cerro tenemos un ancho como se
muestra en la fotografía satelital de la figura 41, de 144.39 metros
aproximadamente debajo del puente, a 750 metros en dirección al norte, tenemos
que el río tiene un ancho de 333.43 metros como se muestra en la fotografía
satelital de la figura. 42.
Una Turbina Bulbo de 60Mw requiere de aproximadamente 25 metros para su
instalación a lo ancho del río por lo que en Boca del Cerro podríamos instalar con
facilidad 4 turbinas de 60 Mw utilizando 100 metros de ancho. La profundidad de la
superficie del agua, aguas arriba: a la línea de centros de la turbina requerida es
de 25 metros. Considerando que todo esto es Ingeniería Básica, en el momento
del proyecto final se obtendría información más acertada. Lo que es importante, es
que el proyecto tiene una factibilidad extremadamente grande.
62
144.39 m
Figura. 41.- Puente en Boca del Cerro. San Carlos, Chiapas.
100 m
333.48 m
Figura. 42.- Boca del Cerro. San Carlos, Chiapas.
63
En la figura 43, podemos ver que acuerdo a las características que se tengan en el
lecho del río, se pueden instalar en batería varias turbinas de 60Mw, incluso es
propicio que en ciertos lugares a lo largo del río se pueda desviar la trayectoria de
su caudal para la instalación de estos equipos, lo que permite incrementar la
capacidad de generación eléctrica para suministrar a la red.
Por ejemplo; en la figura 43, tenemos que el ancho del río es de 273.78 metros, en
tierra para poder desviar el río tenemos dos áreas una de 1085.4 metros y otra de
521.89 metros, por lo que se puede aprovechar toda su longitud con Turbinas
Bulbo considerando que el ancho mínimo requerido para formar los canales en
tierra es de 25 metros. 10
85.4
m
273.78 m
521.89 m
Figura. 43.- Yaxchilán, Chiapas.
En la figura 44., se muestra el poblado de San Pedro, Tabasco, que colinda con el
estado de Campeche, debajo del puente tenemos que el ancho del río Usumacinta
es de 311.74 metros por lo que para la instalación de Turbinas Bulbo se requiere
64
un espacio de 25 metros entre cada unidad por lo que se podrían instalar
aproximadamente 12 unidades de 60 Mw.
El puente del poblado se encuentra a 1 kilómetro aproximadamente de la
desembocadura del río hacia el Golfo de México, siendo este poblado uno de los
muchos lugares beneficiados para la utilización de las Turbinas Bulbo.
311.74 m
GOLFO DEMÉXICO
Figura. 44.- San Pedro, Tabasco.
65
Conclusiones.
Dentro de los aprendizajes que obtuve al realizar este documento concluyo lo
siguiente: Las turbinas Bulbo son elementos que pueden aprovechar el inmenso y
valioso potencial hidroeléctrico que ofrece el flujo del agua, por lo que su correcta
y eficiente utilización, conforme a criterios, conceptos y obras innovadoras, la
extracción de grandes cantidades de energía renovable y limpia que almacenan
las zonas hidrográficas de México, cubriría un alto porcentaje la demanda de
electricidad, dando solución a la problemática de la escasez y sobre explotación
del los hidrocarburos.
Las turbinas hidroeléctricas Bulbo han ido evolucionando tanto en diseños como
en capacidades, por lo que es de una gran importancia utilizarlos y como
ingenieros podemos aportar el conocimiento para su mejor aprovechamiento e
innovar no solo a la turbina misma sino el reto de configurar toda la instalación en
los lugares que tiene México con tanta diversidad geográfica lo que se requiere de
la participación de personal con gran capacidad y poder formar buenos grupos de
trabajo por el desarrollo del país.
Por lo que es de gran importancia aplicar una nueva visión y mentalidad para
utilizar y transformar la interminable y reciclable energía cinética de los caudalosos
ríos de México.
La ventaja de estos grupos, es que elimina de tajo la tradicional Cortina o Presa,
que está en el orden de los cientos de metros de altura que únicamente es un
desembolso no necesario, ya que representa el 60% del costo total de la obra.
66
En muchos países ya operan las Turbinas Bulbo, con gran aceptación por lo que
en México se cuenta con la capacidad para comenzar una nueva era de
Generación de Energía Eléctrica y estar a la vanguardia tecnológica.
Mi interés por estos equipos es la alternativa que nos proporciona una tecnología
limpia y la importancia que tiene en el desarrollo de las comunidades que están
alejadas del progreso, sí los Estados de la República Mexicana se hicieran cargo
de su propia Generación de Energía Eléctrica con sus propios recursos naturales
utilizando estos equipos, lograrían con mayor impacto la atracción de inversión
extranjera, trabajo y mayor calidad de vida para los mexicanos.
67
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Hidráulicos, Editorial PARANINFO.
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68
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69
