Comparación entre tipos de turbinas hidroeléctricas Las turbinas mayormente usadas en plantas hidroeléctricas son la Pelton, la Francis y la Kaplan. Cada turbina es única en sus características y deben ser empleadas bajo condiciones de operación apropiadas.

Naturaleza de la fuerza prima.Cuando pasamos de la Pelton a una Kaplan vemos que el mecanismo que produce la fuerza de giro cambia de impulso a reacción.

Fig.1 En la Pelton el mecanismo de produccion de la fuerza de giro es de impulso puro; en cambio, en la turbina Kaplan es reacción pura

Uso apropiado de la Pelton, de la francis y de la KaplanEn la Pelton la fuerza de impulso puro del chorro de agua es la que produce el giro del rodete. El agua embalsada a gran altitud puede producir una gran fuerza de impulso debido a su alta velocidad. De manera que esta turbina es apropiada para operar cuando la energía del agua se encuentra a gran altura y el caudal es reducido.

Fig.2 La acción de impulso producido en el álabe de la Pelton se debe al impacto del chorro de agua.

Mientras que las turbinas Kaplan son adecuadas para el caso inverso. La fuerza de giro en la Kaplan se produce por la acción de álabes con un diseño aerodinámico. Un gran caudal de agua garantiza la producción eficiente de la fuerza de giro del rodete. Así que cuando se dispone de agua bajo un gran caudal bajo una caida pequeña, la turbina Kaplan es la mejor opción. Las condiciones de funcionamiento mas apropiadas para las turbinas Kaplan son : Caida: 2 a 25 m. y Caudal: 70 a 800 m3/seg

Fig.3 El flujo de agua sobre los álabes del rodete producen una fuerza de giro causada por sus superficies aerodinámicas.

La turbina Francis se ubica en medio. Es decir, es apropiada para una caida intermedia y un caudal también intermedio. La condición de funcionamiento apropiado para las turbinas Francis son:Caida: entre 45 y 400 m.Caudal: entre 10 y 700 m3/segLa turbina Francis no es una turbina de reacción pura. Una porción de la fuerza de giro proviene también de una acción de impulso. Los álabes que tienen una forma curvada obtienen la energía del agua tanto por impulso como por reacción.

Fig.4 En la turbina Francis la mayor magnitud de su fuerza de giro es causada por su reacción aerodinámica y la otra porción de su fuerza es debida a una acción de

impulso.

Uso apropiado de la Pelton, de la francis y de la KaplanEn el siguiente gráfico se muestra claramente el concepto acerca de cuando usar cual turbina dependiendo del rango de caída y caudal disponible. Obviamente la turbina cubre un rango mas amplio de condiciones de operación, es decir que pueden trabajar eficientemente bajo un amplio rango de condiciones de operación

Fig.5 Gráfico que muestra los rangos de Caida vs. Caudal en los cuales cada turbina puede operar convenientemente.

Los rangos intermedios de caudal Q y caída H son los más frecuentes en topografías menos accidentadas (que no es el caso del Perú) y puede decirse que por esta razón la Francis resulta la turbina mas empleada. El siguiente gráfico muestra las curvas de variación de la eficiencia de las diferentes turbinas en función de su velocidad específica. Si hace trabajar la turbina fuera de su rango de operación su eficiencia decaerá.

Fig.6 Variación de la eficiencia de cada turbina en función de su velocidad específica.

Es interesante también notar la dirección del flujo de agua con respecto al eje de cada tipo de turbina. En la Pelton el flujo es tangencial al eje de giro. En la Kaplan el flujo del agua es axial, a lo largo del eje. Mientras que en la Francis, el flujo del agua al ingresar hacia el rodete es radial y al salir del rodete es axial.

Fig.7 Dirección del flujo del agua en los tres tipos de turbine.