Microcentral con red aislada (3): Equipos hidráulicos. Turbinas Fernando Lizárraga Roncal Daniel Garcı́a Galindo ISF Aragón 28 Ene 2003 Resumen En esta primera parte del capı́tulo 3, que se ha dividido en dos partes por su extensión, se van a explicar los diferentes tipos de turbinas hidráulicas y sus propiedades básicas de forma que posteriormente se pueda justificar la elección de cada una de ellas en casos concretos. En la siguiente parte del capı́tulo se abordarán las conducciones. Índice 3.1 TURBINA HIDRÁULICA 3.1.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Clasificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3 Descripción de las turbinas . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.4 Caracterı́sticas de los aprovechamientos y las máquinas: 3.1.5 Elección de la turbina hidráulica . . . . . . . . . . . . . 3.1.6 Turbina Banki−Mitchell . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.7 Otras posibilidades de producción de potencia: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 2 3 8 14 15 27 3.1 TURBINA HIDRÁULICA En este apartado se van a abordar los diferentes tipos de turbinas, con el fin de analizar sus propiedades básicas, de forma que posteriormente se pueda justificar la elección de una de ellas y entrar en detalle en su funcionamiento y posibilidades. Ası́, en primera instancia pasamos a presentar los diferentes tipos de turbinas. 1 3.1.1 Introducción Las turbinas hidráulicas tienen como misión transformar la energı́a potencial y cinética del agua en energı́a mecánica de rotación. Conviene subrayar que no hay información tan fiable como la ofrecida por los propios fabricantes de turbinas a los que conviene recurrir, ya en fase de anteproyecto, en caso de utilizar turbinas comerciales. El hecho de utilizar uno u otro modelo de microturbina dependerá fundamentalmente de la tecnologı́a y capacidad técnica para construirlas en cada región. Actualmente se puede contar con los diseños y planos constructivos de cualquier modelo de microturbina, proporcionados por instituciones tales como SKAT, GATE, VITA, CREDPHI, etc. Las turbinas tipo hélice pueden ser más convenientes para proyectos de baja altura (inferiores a los 5 m), utilizando tecnologı́as sencillas y de bajo costo, como por ejemplo, los desarrollos realizados en China y otros paı́ses. Para saltos con alturas entre 1 y 70 m, es usual desarrollar proyectos con microturbinas del tipo Mitchel−Banki, Cross−Flow o de Doble Acción, debido a su fácil construcción, bajo costo y altos rendimientos (aproximadamente 70 %). Es fundamental que el mantenimiento y montaje de las microturbinas puedan realizarse mediante procedimientos sencillos, sin necesidad de calibración y ajuste de los soportes de los rodamientos. Por ejemplo con rodamientos de rodillos y sobredimensionados, sujetos al eje por medio de un cilindro cónico (manguito) que permite un buen ajuste al eje de la turbina. Para evitar la entrada de agua a la caja de rodamiento, en un principio pueden ser utilizados retenes, o bien el sistema denominado laberinto constituido por discos colocados sobre el eje, que por fuerza centrı́fuga desplazan el agua hacia afuera. 3.1.2 Clasificación a. Por como discurre el agua en la turbina La energı́a potencial del agua, se convierte en energı́a motriz en la turbina, con arreglo a dos mecanismos básicamente diferentes: En el primero, la energı́a potencial se transforma en energı́a cinética, mediante un chorro de gran velocidad, que es proyectado contra unas cazoletas, fijas en la periferia de un disco. A este tipo de turbinas se las conoce como turbinas de acción. Como el agua, después de chocar contra las cazoletas, cae al canal de descarga con muy poca energı́a remanente, la carcasa puede ser ligera y solo tiene por misión evitar accidentes e impedir las salpicaduras del agua. 2 En el segundo, la presión del agua actúa directamente sobre los alabes del rodete, disminuyendo de valor a medida que avanza en su recorrido. A este tipo de turbinas se las conoce como turbinas de reacción. Al estar el rodete completamente sumergido y sometido a la presión del agua, la carcasa que lo envuelve tiene que ser suficientemente robusta para poder resistirla. 3.1.3 Descripción de las turbinas 3.1.3.1 Turbinas de acción. Turbinas Pelton Son turbinas de acción en las que la tobera o toberas (una turbina de eje vertical puede tener hasta seis toberas, con uno o con dos rodetes) transforman la energı́a de presión del agua en energı́a cinética. Cada tobera produce un chorro, cuyo caudal se regula mediante una válvula de aguja. Suelen estar dotadas de un deflector, cuya msión es desviar el chorro para evitar que, al no incidir sobre las cazoletas, se embale la turbina, sin tener que cerrar bruscamente la válvula de aguja, maniobra que podrı́a producir un golpe de ariete. Se utilizan en saltos entre 40 y 1200 m. Figura 1: Esquema del impacto del chorro en las cazoletas de una turbina Pelton El eje de las toberas está siempre situado en el plano meridiano del rodete. El agua sale de las cazoletas a velocidades muy bajas (idealmente a velocidad cero) con lo que la carcasa que rodea al rodete no tiene que resistir ninguna presión.. Turbinas Turgo La turbina Turgo puede trabajar en saltos con alturas comprendidas entre 15 y 300 metros. Como la Pelton, se trata de una turbina de acción, pero sus alabes tienen una distinta forma y disposición. El chorro incide con un ángulo de 20o respecto al plano diametral del rodete, entrando por un lado del disco y saliendo por el otro. A diferencia de la Pelton, en la turbina Turgo el chorro incide simultáneamente sobre varios alabes, de forma semejante a como lo hace el fluido en una turbina de vapor. 3 Figura 2: Esquema del impacto del chorro en las cazoletas de una turbina Turgo Su menor diámetro conduce, para igual velocidad periférica, a una mayor velocidad angular, lo que facilita su acoplamiento directo al generador, con lo que al eliminar el multiplicador reduce el precio del grupo y aumenta su fiabilidad. Turbinas de flujo cruzado Esta turbina, conocida también con los nombres de Michell−Banki, en recuerdo de sus inventores, y de Ossberger, en el de la compañı́a que la fabrica desde hace más de 50 años, se utiliza con una gama muy amplia de caudales (entre 20 l/seg y 10 mˆ3 /seg) y una horquilla de saltos entre 1 y 200 m. Su rendimiento máximo es inferior al 87 %, pero se mantiene casi constante cuando el caudal desciende hasta el 16 % del nominal, y tiene un mı́nimo técnico inferior al 10 % del caudal de diseño. El agua entra en la turbina a través de un distribuidor, y pasa a través de la primera etapa de alabes del rodete, que funciona casi completamente sumergido (incluso con un cierto grado de reacción). Después de pasar por esta primera etapa, el flujo cambia de sentido en el centro del rodete y vuelve a cruzarlo en una segunda etapa totalmente de acción. Ese cambio de dirección no resulta fácil y da lugar a una serie de choques que son la causa de su bajo rendimiento nominal. El rodete consta de dos o más discos paralelos, entre los que se montan, cerca del borde, unas laminas curvadas que hacen el papel de alabes. Estos rodetes se prestan a una construcción artesanal en paı́ses en vı́a de desarrollo, aunque naturalmente nunca alcanzarán los rendimientos de las unidades construidas con los medios técnicos apropiados. 3.1.3.2 Turbinas de reacción. Turbinas Francis Son turbinas de reacción de flujo radial y admisión total, muy utilizadas 4 Figura 3: Dibujo 3D de una turbina de flujo cruzado Figura 4: Esquema del funcionamiento de una turbina de flujo cruzado 5 en saltos de altura media, equipadas con un distribuidor de alabes regulables y un rodete de alabes fijos. En las turbinas Francis rápidas la admisión sigue siendo radial, pero la salida tiende a ser axial. La turbina está fuertemente encastrada en el hormigón para evitar las vibraciones a bajo régimen. En estas turbinas el agua se desplaza como encauzada en una conducción forzada, pasando del distribuidor −fijo−al rodete −móvil− al que cede su energı́a, sin entrar, en ningún momento, en contacto con la atmósfera. La figura muestra una turbina Francis de eje horizontal. En las turbinas Francis los alabes distribuidores que regulan el caudal de agua que entra al rodete giran accionados mediante bielas accionadas por un anillo exterior que sincroniza su movimiento. Destaca la importancia de la carcasa y su caracol, en contraste con la envoltura de una Pelton. Figura 5: Dibujo 3D de una turbina Francis El dibujo esquemático adjunto muestra los alabes en posición abierta (lı́neas contı́nuas) y en posición cerrada (lı́neas discontı́nuas). En esta ultima posición la extremidad de un alabe se apoya completamente sobre el flanco del anterior, cerrando prácticamente el paso del agua alrodete. Las turbinas Francis pueden ser de cámara abierta − generalmente para saltos de poca altura − o de cámara en espiral. En las turbinas con cámara en espiral, la carcasa, dependiendo del tamaño, se construye en hormigón armado, en acero soldado o en hierro fundido. Al ser uniforme el volumen de agua que llega a cada alabe del distribuidor, el caudal que pasa por cada sección del caracol es proporcional al arco que le queda por abastecer. 6 Figura 6: Esquema de los álabes en una turbina Francis Los álabes del rodete, cuando son pequeños suelen fabricarse en fundición de bronce al aluminio formando un solo cuerpo con el cubo. Cuando los rodetes son grandes los alabes, generalmente en chapa de acero inoxidable, se sueldan al cubo y a la llanta, generalmente en acero fundido. En las turbinas de reacción, el agua a la salida del rodete, pasa antes de llegar al canal de descarga, por un tubo de aspiración o difusor, cuya misión es recuperar parte de la energı́a cinética contenida en el agua que abandona el rodete a una velocidad elevada. Para disminuir la velocidad con que el agua llega al canal de descarga − la pérdida cinética es proporcional al cuadrado de la velocidad − se aumentar la sección de salida del difusor adoptando un perfil cónico. Su función es especialmente critica en los rodetes de alta velocidad especı́fica porque el agua sale de estos rodetes a una velocidad especialmente elevada. Turbinas Kaplan y de hélice Son turbinas de reacción de flujo axial. Los alabes del rodete en las Kaplan son siempre regulables, mientras que los de los distribuid ores, pueden ser fijos o regulables. Si ambos son regulables la turbina es una verdadera Kaplan; si solo son regulables los del rodete, la turbina es una Semi−Kaplan. Para su regulación, los alabes del rodete giran alrededor de su eje, accionados por unas manivelas, que son solidarias de unas bielas articuladas a una cruceta, que se desplaza hacia arriba o hacia abajo por el interior del eje hueco de la turbina. Este desplazamiento es accionado por un servomotor 7 hidráulico, con la turbina en movimiento. Las turbinas Kaplan son de admisión radial mientras que las semi−kaplan puede ser de admisión radial o axial. Las turbinas de hélice se caracterizan porque tanto los alabes del rodete como los del distribuidor son fijos, por lo que solo se utilizan cuando el caudal y el salto son prácticamente constantes. La turbina bulbo es una derivación de las anteriores, caracterizada porque el agua pasa axialmente a través de alabes directrices fijos y porque el generador y el multiplicador (si existe) están contenidos en una carcasa estanca, con forma de bulbo, sumergida en el agua. Del bulbo salen solamente los cables eléctricos debidamente protegidos. Bombas trabajando como turbinas Las bombas centrı́fugas pueden trabajar como turbinas sin más que invertir su sentido de giro y hacer pasar el agua de la salida hacia la entrada. Como no tienen posibilidad de regulación, solo pueden utilizarse con un caudal y una altura de salto prácticamente constantes. 3.1.4 Caracterı́sticas de los aprovechamientos y las máquinas: Altura del salto El salto bruto constituye la altura de salto hidraúlico. (recordemos que era la distancia vertical, medida entre los niveles de la lámina de agua en la toma y en el canal de descarga, en las turbinas de reacción, o el ejede toberas en las de turbinas de acción). Habrá que restarle las diferentes pérdidas, con lo que se obtendrá el salto neto (se habla de ello en la sección de canales y presa). En la tabla siguiente se especifica, para cada tipo de turbina, el rango de valores de salto neto dentro del que puede trabajar. Obsérvese que hay evidentes solapamientos, de modo que para una determinada altura de salto pueden emplearse varios tipos de turbina . Tipo de turbina Kaplan y hélice Francis Pelton Michell−Banki Turgo Horquilla de salto en metros 2 < H < 20 10 < H < 350 50 < H < 1300 3 < H < 200 50 < H < 250 El problema es particularmente crı́tico en el caso de los aprovechamientos de baja altura que, para que sean rentables, necesitan turbinar grandes volúmenes de agua. Se trata de aprovechamientos con 2 a 5 m de altura de salto y un caudal que puede variar entre 10 y 100 m3 /seg. En cualquier caso no se van a abordar estos casos, tı́picos de las turbinas 8 Kaplan y hélice. En el caso de las primeras por la dificultad en su construcción y mantenimiento. En el caso de la turbina hélice, se optará por otras soluciones por facilidad constructiva y rango de situaciones que se pueden cubrir. Sı́ que se tendrá en cuenta la posibilidad de aprovechar antiguas bombas como turbinas tipo hélice. Se trata del reciclaje de antiguas bombas sin uso actual, ası́ que el problema económico no existirá, y no habrá una necesidad de rentabilidad en la turbinación. Caudal: Un valor aislado del caudal no tiene ninguna significación. Lo que interesa es el régimen de caudales preferiblemente representado por la curva de caudales clasificados (CCC) obtenida de los datos procedentes de la estación de aforos o de los estudios hidrológicos, previos a la elección de la turbina. Esto no va a ser posible en la mayorı́a de los casos, como ya se ha anticipado en la sección 2.3 Hidrologı́a y Topografı́a, en el apartado de medida de caudales del aprovechamiento. No todo el caudal representado en una CCC puede utilizarse para producir energı́a eléctrica. En primer lugar hay que descartar el caudal ecológico que tiene que transitar todo el año por el cauce cortocircuitado. Con caudal ecológico se hace referencia a la cantidad de agua que debe discurrir por un cauce de forma que los distintos organismos vivientes que forman parte del ecosistema fluvial no sufran fuertes daños. Entre los organismos cuentan los propios peces, larvas de insecto, algas, anfibios, microorganismos... En segundo lugar, cada tipo de turbina solo puede trabajar con caudales comprendidos entre el nominal (para el que el rendimiento es máximo) y el mı́nimo técnico por debajo del cual no es estable. Un caudal y una altura de salto definen un punto en el plano. Cualquier turbina dentro de cuya envolvente caiga dicho punto, podrá ser utilizada en el aprovechamiento en cuestión. La elección final es por lo general el resultado de un proceso iterativo, que balancee la producción anual de energı́a, el costo de adquisición y mantenimiento, y su fiabilidad. En nuestro caso nos determinaremos por la turbina banki, lo cual queda justificado más adelante. Pero cabe adelantar que tiene mucho que ver con los aspectos citados y con su rango de actuación propicio para el tipo de instalación que se pretende desarrollar. La figura de representación Q vs H se ha elaborado integrando los datos de varios fabricantes europeos, y muestra las envolventes operacionales de los tipos de turbina más utilizados. Los limites no son precisas, varı́an de fabricante a fabricante, en función de la tecnologı́a utilizada, y tienen por ello un carácter exclusivamente orientativo. Velocidad especı́fica A ns se la conoce como velocidad especı́fica. Todas la turbinas con idénti9 Figura 7: Gráfica comparativa del salto respecto del caudal para los diferentes tipos de turbinas 10 cas proporciones geométricas, aunque los tamaños sean diferentes, tendrán una misma velocidad especı́fica. Si el modelo se ha afinado para que el rendimiento hidráulico sea óptimo, todas las turbinas con la misma velocidad especı́fica, ten drán también un rendimiento óptimo. El rodete girará a la velocidad especı́fica ns cuando esté funcionando con un caudal Q tal que produzca una potencia de 1 kW con una altura de 1 metro: √ P ns = n 5/4 H Algunos fabricantes toman como velocidad especı́fica otro parámetro, nq , cuya expresión viene dada por: nq = n Q1/2 H 3/4 Figura 8: Gráfica de la velocidad respecto del salto para diferentes tipos de turbinas La velocidad especı́fica constituye un excelente criterio de selección, más preciso sin duda que el más convencional y conocido de las envolventes operacionales que acabamos de mencionar. Por regla general los fabricantes de equipos anuncian el valor n s de sus turbinas.Gran número de estudios estadı́sticos sobre aprovechamientos muy diversos, han permitido correlacionar, para cada tipo de turbina, la velocidad especifica con la altura de salto neto. 11 Conociendo la velocidad especı́fica se pueden estimar las dimensiones fundamentales de las turbinas. No vamos a entrar en este terreno, y nos conformamos con conocer el sentido de la velocidad especı́fica. Ejemplos: 1.−) Si queremos generar energı́a eléctrica en un aprovechamiento con un salto neto de 100 metros, utilizando una turbina de 800 kW directamente acoplada a un generador standard de 1500 rpm, empezaremos por calcular la velocidad especı́fica, según la ecuación siguiente: √ 800 ns = 1500 = 134 1001,25 de lo que se deduce que la única elección posible es una turbina Francis. Si, por el contrario admitimos la instalación de un multiplicador con una relación de hasta 1:3, la turbina podrı́a girar entre 500 y 1.500 rpm, con lo que su velocidad especı́fica podrı́a situarse entre 45 y 134 rpm. De esta forma la elección podrı́a recaer, además de en la Francis, en una Turgo, una Ossberger o una Pelton de dos toberas. 2,−) Supongamos ahora que queremos instalar una turbina de 1500 kW de potencia en un aprovechamiento con un salto de 400 m, directamente acoplada a un generador a 1000 rpm. Calcularemos primero la velocidad especı́fica ns : √ √ P 1500 ns = n 5/4 = 1000 = 21, 65 4001,25 H que nos confirma debemos seleccionar una Pelton de una tobera. Velocidad de rotación Según la ecuación de la velocidad especı́fica, la velocidad de rotación de una turbina es función de su velocidad especı́fica, de su potencia y de la altura del aprovechamiento. En los pequeños aprovechamientos suelen emplearse generadores standard, por lo que hay que seleccionar la turbina de forma que, bien sea acoplada directamente o a través de un multiplicador, se alcance una velocidad de sincronismo. Velocidad de embalamiento Cuando, trabajando a plena potencia hidráulica, desaparece súbitamente la carga exterior, bien sea por corte del interruptor o por fallo en la excitación del alternador, la turbina aumenta su velocidad hasta alcanzar lo que se conoce como velocidad de embalamiento. Esa velocidad varı́a con el tipo de turbina, el ángulo de apertura del distribuidor y la altura de salto. En las turbinas Kaplan la velocidad de embalamiento puede llegar a ser 3,2 veces superior a la nominal. En las Francis, Pelton, Banki y Turgo, esa relación varı́a entre 1,8 y 2. 12 Hay que tener en cuenta que al aumentar la velocidad de embalamiento, se encarecen el multiplicador y el generador, que habrán de diseñarse para poder resistir las fuerzas de aceleración centrı́fuga correspondientes. Rendimiento de las turbinas El rendimiento se define como la relación entre la potencia mecánica transmitida al eje de la turbina y la potencia hidráulica correspondiente al caudal y salto nominales. Dadas las pérdidas que tienen lugar en el conjunto de la turbina de reacción, el rodete solo utiliza una altura Hu, inferior al salto neto Hn, tal y como se define en la figura siguiente: Figura 9: Esquema que representa el salto neto y las pérdidas en una turbina Estas pérdidas son esencialmente pérdidas de fricción y tienen lugar en la cámara espiral, en los alabes directores y del rodete, y sobre todo en el tubo de aspiración o difusor. Para cada tipo de turbina se toman como referencia para conocer la altura de salto unos puntos concretos, sin embargo por el momento no existe un código de cálculo que establezca de forma unı́voca la altura de salto de cara a hallar del rendimiento de una turbina de flujo cruzado, por lo que hay que extremar las precauciones cuando se comparan soluciones en las que intervienen turbinas de este tipo (como se verá en la profundización de la turbina Banki−Mitchell estas curvas de rendimiento son variables). En todo caso midiendo la altura de salto con el mismo criterio que en las turbinas Pelton, su rendimiento rara vez supera el 84 %. La figura anexa muestra las curvas de rendimiento en función del caudal para distintos tipos de turbina. Para estimar el rendimiento global del grupo turbo−generadorhay que multiplicar el de la turbina por el del multiplicador (si es que existe) y por el del generador. 13 Figura 10: Gráfica del rendimiento respecto del caudal para los diferentes tipos de turbinas La turbina se diseña para trabajar con el caudal nominal, para el que, en general, el rendimiento es máximo. Cuando el caudal se aleja de ese valor, tanto hacia arriba como hacia abajo, desciende el rendimiento, hasta que el caudal es inferior al mı́nimo técnico y la turbina no puede seguir funcionando. Las turbinas Kaplan de doble regulación tienen un rendimiento aceptable a partir del 20 % del caudal nominal. Las semi−Kaplan solo trabajan eficazmente a partir del 40 % del nominal y las Francis con cámara espiral solo a partir del 50 %. Por debajo del 40 % una turbina Francis, dependiendo de su diseño y de las condiciones en que ha sido instalada, puede experimentar vibraciones que hacen inestable su funcionamiento y obligan a su parada. Las turbinas de flujo cruzado tienen, para el caudal nominal, un rendimiento sensiblemente inferior a las Pelton, Francis o Kaplan, pero pueden trabajar con esa o parecida eficiencia en un rango de caudales mucho más amplio. Este va a ser uno de los factores que se van a tener en cuenta a la hora de elegir la turbina más apropiada. 3.1.5 Elección de la turbina hidráulica Se pueden establecer como criterios de elección de la turbina hidráulica las siguientes caracterı́sticas deseables: Facilidad constructiva: es decir que se pueda abordar la fabricación de la turbina en la zona en la que se pretende desarrollar la implantación de la microcentral. con ello se fomenta la implicación de la 14 comunidad en el proyecto y es una experiencia apropiada para futuros proyectos o para la reparación de futuras averı́as. Rendimiento estable: que varı́e en una mı́nima cantidad con los cambios de caudal. se puede asociar con el hecho de que la curva de rendimiento sea lo más plana posible. Rango de operación: si se tiene un amplio campo de caudales y alturas a elegir será más sencillo encontrar un lugar apropiado para su instalación. Es decir, es importante que se puedan diseñar saltos de altura considerable y caudal pequeño, a la para que el caso contrario, de saltos pequeños con un caudal mayor, o bien poder optar por una situación intermedia. Con ello, una vez estimada la potencia demandada por los beneficiarios, se tendrá más libertad en la decisión final de los parámetros del aprovechamiento: Q y H. Robustez: se trata de que el equipo sea poco sensible al paso de arena, hierbas y otros posibles objetos, debido a que por la necesidad de diseñar una instalación sencilla no existirán equipos que limpien el caudal de forma exhaustiva. Ası́ mismo no se instalarán sistemas automáticos de limpieza de rejillas. Velocidad de embalamiento: es interesante que la velocidad que sufre el grupo al desconectar la carga sea lo menor posible con el fin de que las posibilidades de dañar el equipo desciendan. También cabe destacar que debe abarcar rangos de potencia desde los pocos kW hasta 500 kW, que es el lı́mite de una microcentral. No es necesario equipos de mayor capacidad. Por todo ello, como se explicará, se ha elegido la turbina Banki−Mitchell de flujo cruzado. Explicaremos a continuación su funcionamiento detallado y sus principales caracterı́sticas. 3.1.6 Turbina Banki−Mitchell A los comienzos del siglo XX el ingeniero inglés A.G.M. Michell descubrió el principio de funcionamiento de la turbina de impulsión radial y parcial, que a diferencia de los restantes tipos de turbinas se adaptaba perfectamente a caudales variables. Fruto de la investigación y el desarrollo se han ido incorporando ciertas mejoras técnicas y se han aplicado numerosas ideas constructivas, de manera que este tipo de turbinas apenas tiene competencia en el campo de los pequeños y medianos caudales. El campo deaplicación depende de la fuente y los fabricantes. Podemos aportar las siguientes afirmaciones: 15 Caudal de 20 a 9000 l/s y caı́das de 1 a 200 mts. (Fuente: Ossberger Turbinenfabrik) Caudal de 10 a 5000 l/s y caı́das de 1 a 200 mts. (Fuente: Energı́a Hidraúlica y Eólica Práctica. Juan Ignacio y Sebastián Urquı́a Lus) Con ello podemos llegar hasta equipos de 1 MW. Su régimen de revoluciones viene a situarse entre 50 y 2000 r.p.m., en función de la caı́da y modelo de turbina concreto. se encuentra entre las turbinas de régimen lento. Es una turbina muy buena para caudales y caidass medios. A nivel de microcentral no suele superar los 30 m por las dimensiones tan reducidas que resultan en el rodete. A continuación vamos a describir un modelo fabricado por Ossberger Turbinenfabrik, una empresa alemana con 50 años de experiencia en la fabricación e innovación de este tipo de turbinas. Incluye muchos elementos optimizados, de manera que si no se procede a la adquisición de un equipo comercial, la fabricación propia podrı́a adaptar los estrictamente necesarios. 3.1.6.1 Descripción de una turbina Banki−Michell fabricada por Ossberger Turbinenfabrik: El agua hace su entrada por el adaptador (8). La pala directriz móvil (2), o también llamada distribuidor, regula la cantidad de fluido que penetra en el interior, según gire sobre su eje, habilitando una entrada mayor o menor. Además se encarga de direccionar el flujo para que la interacción del fluido con el rodete sea óptima. El agua incide sobre el rodete (3), sobre los primeros álabes que encuentra en su camino, transmitiendo un par al conjunto, propiciando ası́ el giro del rodete. Estos álabes funcionan casi completamente sumergido (incluso con un cierto grado de reacción). Se fabrican de aceroperfilado estirado en frı́o y sólamente tienen una curvatura lineal (no están torsionados). Una vez atravesados estos álabes, el fluido evoluciona en el interior cambiando de sentido y reincide sobre los álabes inferiores, ayudando en la transmisión de momento. . Ese cambio de dirección no resulta fácil y da lugar a una serie de choques que son la causa de su bajo rendimiento nominal. El rodete consta de dos o más discos paralelos, entre los que se montan, cerca del borde, unas laminas curvadas que hacen el papel de alabes, por lo que su construcción artesanal es factible, aunque naturalmente nunca alcanzarán los rendimientos de las unidades construidas con los medios técnicos apropiados. Un aspecto muy atractivo derivado de la constitución de la máquina y su forma de funcionamiento, consiste en que el follaje, hierbas, lodos, etc que durante la entrada del agua se quedan entre los álabes, vuelven a ser expulsados después de medio giro del rodete con el agua de salida por el efecto de la fuerza centrı́fuga. De este modo el rodete tiene un funcionamiento 16 Figura 11: Dibujo 3D de las diferentes piezas que componen una turbina Michell−Banki 17 Figura 12: Dibujos explicativos de las dos formas de instalación de la turbina Banki poco sensible a elementos no deseados, que es una de las ventajas que posee respecto a otras turbinas. La forma de instalación puede adoptar dos disposiciones (ver figuras anexas): 1.) Entrada horizontal de agua 2.) Entrada vertical del agua Una de las posibles variaciones en la fabricación instalación consiste en el montaje de varios cuerpos de entrada de agua, de manera que se permita la alimentación a, por ejemplo, un tercio, dos tercios o tres tercios del rodete. Debido a la forma que tienen los álabes en el rodete no se van a producir esfuerzos axiales fuertes en el eje del mismo, a pesar de estar trabajando de una forma descompensada. Si observamos detenidamente la figura de despiece de la turbina Banki − Michell fabricada por Ossberger, se puede apreciar que el rodete está dividido en tres partes por discos sobre los que van montados los álabes. Por otra parte, existen dos distribuidores. Con el pequño se puede alimentar el primer cuerpo del rodete, produciendo 1/3 de la potencia nominal. Con el álabe mayor se pueden alimentar los dos últimos cuerpos, llegando a generar 2/3 de la potencia. Si ambos distribuidores se encuentran abiertos la producción de potencia es la total. Esto es muy interesante, pues permite mantener la curva de rendimiento 18 plana a pesar de que puedan variar las condiciones de caudal. Por otra parte ello exige la actuación sobre el distribuidor por medio de un servomecanismo o automatismo. La conservación de rendimiento puede ser algo muy deseable, mas posiblemente incompatible con las posibilidades técnicas de una microcentral con red aislada en un pais en vı́as de desarrollo y en una región apartada. Figura 13: Curvas de rendimiento de la turbina Ossberger El rendimiento medio de las turbinas Ossberger se garantiza para pequeñas potencias con un rendimiento del 80 %. Para unidades de potencia mayores, el rendimiento ha alcanzado niveles del 84 y 88 %. Para equipos de fabricación artesanal puede preverse un rendimiento del 60 al 70 %. En cualquier caso es algo asumible perfectamente por la ı́ndole de este tipo de proyecto. Los cojinetes (4) principales de las turbinas Ossberger están equipados con rodamientos normalizados de rodillos a rótula. Es interesante que a la hora de diseñar la carcasa se tenga muy en cuenta el aspecto de aislamiento de los rodamientos respecto al sistema hidraúlico. Por ello la carcasa está preparada con alojamientos y un sistema de prensaestopas que evita las fugas de forma eficiente. De esta manera simultánea y forzosamente se centra el rodete respecto a la carcasa de la turbina, ayudados, un última instancia por unos elementos de junta. 19 Excepto el cambio anual de grasa, los cojinetes no requieren apenas ningún trabajo de conservación. La turbina Ossberger es una turbina de libre desviación. No obstante en la región de caı́das medianas y pequeñas no puede prescindirse del tubo de aspiración (7) si se desea realizar un montaje seguro contra grandes avenidas y un aprovechamiento sin pérdidas en toda la altura de salto. En una turbina de libre desviación, al ejecutar la turbina como de tubo aspirante, la columna de agua de aspiración ha de ser regulable. En la turbina Ossberger esta misión la realiza una sencilla válvula de aireación (6) con la que se gobierna el vacı́o en el interior de la carcasa de la turbina, con lo que en este tipo de turbinas se pueden aprovechar hasta saltos de 1 metro óptimamente. Otra de las ventajas de la turbina Ossberger es que independientemente de la altura de caı́da no están expuestas a cavitación. por ello no es necesario recurrir a materiales de acero inoxidable. Igualmente se evitan las construcciones bajo nivel de aguas, que suponen un gran encarecimiento en la acometida de obras. Otra caracterı́stica es su velocidad de embalamiento, que es de 1,8 veces la velocidad de giro nominal, permitiendo la utilización de generadores fabricados en serie. 3.1.6.2 Determinación de las ventajas de la turbina Banki−Michell: Se ha presentado la turbina banki desde la perspectiva del fabricante Ossberger Turbinenfabrik, añadiendo alguna anotación. En cualquier caso cabe entender que el proyecto no busca en sı́ mismo la adquisición de equipos caros, que posiblemente harı́an inviable la consecución del mismo por motivos económicos, en general subvenciones. Si recordamos los criterios de elcción, y analizamos la turbina Banki−Michel, resulta muy obvia su elección: Facilidad constructiva: el elemento principal, el rodete, consta de un par (o mas) discos en los que se sueldan los álabes, que son de curvatura lineal, sin torsión. Tanto el rotor como el adaptador, piezas fundamentales se pueden fabricar con láminas de acero soldadas y requieren un cierto fresado, con lo que cualquier taller agrı́acola podrı́a hacer frente a su construcción. Rendimiento estable: se ha visto su estabilidad de rendimiento, incluso si no se optara por la realización de varias celdas de admisión, para escalonar el flujo entrante. Rango de operación: el rango de caudales y alruras es amplio, y permite llegar hasta los 500 kW, que es el lı́mite al que se pretende llegar con este estudio. 20 Robustez: no le afecta al funcionamiento la entrada de hierba, lodo, etc, y además es expulsado por la propia fuerza centrı́fuga. Velocidad de embalamiento: su velocidad deembalamiento es 1,8 veces la velocidad nominal. Hay que añadir que en estos equipos no existirán problemas de cavitación. 3.1.6.3 Proceso de fabricación: Introducción: A continuación se presentan unas tablas con una valoración subjetiva de la dificultad, coste y resultado de las diferentes operaciones. En ellas existen cuatro categorı́as: Método: método de fabricación con el que se puede realizar una ciertaa operación Dificultad: desde la fácil, accesible a cualquier persona, medio, complicado y difı́cil, que ya marcarı́a la necesidad de un taller y un operario familiarizado con el tipo de operación. Coste: bajo, medio, alto. Acabado: tipo de superficie que queda como fin de la operación Se acompaña cada operación de el método preferido por el autor. La referencia se ha tomado del sitio web: uncle Joe´s place. En cualquier caso se debe proceder según el material concreto utilizado, la disponibilidad de un taller con más o menos medios, y siguiendo la experiencia de los obreros y proyectistas en este campo. Proceso de fabricación: Se van a establecer varios métodos para la construcción de los componentes de la turbina banki de flujo cruzado. La turbina Banki puede construirse con materiales de desecho, como varas, planchas y tuberı́as de acero, y de una manera sencilla si se dispone de un taller suficientemente equipado. El resto de turbinas poseen elementos móviles que las hacen muy complicadas, o bien poseen superficies curvas torsionadas que requieren de un proceso productivo más complejo. El rotor de la turbina de flujo cruzado está compuesto de dos placas laterales entre las que se intercalan el eje y los álabes, que suelen ser númerosos, generalmente más de 18. 21 Método Torno Caladora Cortadora de tubo Sierra de corte Corte acetilénico (no recomendado) Dificultad Media Baja Alta Coste Alto Bajo Bajo Acabado Excelente Aceptable Aceptable Alta Baja Bajo Medio Normal Pobre Corte de las secciones de tubo: se sugiere la utilización de la caladora. Los álabes se fabrican tomando secciones de tubos de acero. En primer lugar se hace un corte al tubo, creando tramos de tubo con la longitud deseada. Una cortadora de tubo puede terminar trabajando mal si el tubo no es demasiado delgado. Si es demasiado fino, puede que la tuberı́a resulte comprimida durante el corte debido a la presión de las ruedas de la caladora. Esto deformará la zona final del álabe levemente, y posiblemente no afecte apenas al funcionamiento. Posteriormente se realiza el corte de los álabes. El corte es algo más basto a lo largo del tubo, de manera que quedan secciones de circunferencia de unos 80o . Método Torno Caladora Cortadora de tubo Sierra de corte Corte acetilénico Dificultad Medio Bajo Bajo−medio Coste Alto Bajo Bajo Acabado Excelente Aceptable Bueno Alta Baja Bajo Medio Normal Pobre Corte de los álabes: caladora A partir de ellos, los álabes finales requieren un corte más cuidadoso, de manera que seperfilan con un nuevo corte hasta que la sección circular toma un ángulo de 73o . Método Fresadora Caladora Corte acetilénico Dificultad Medio Medio Bajo−medio 22 Coste Muy alto Bajo Medio Acabado Excelente Aceptable Pobre Perfilado de los álabes: Caladora La entrada de la turbina, el distribuidor está hecho a base de placas (láminas) de acero. Allı́ se ha de instalar una valvula de entrada, es decir lo que serı́a la pala directriz móvil. Su misión es regular la cantidad de agua de entrada, y con ello la velocidad de rotación. Estamos ante la fabricación artesanal y con medios limitados de una turbina, ası́ que, a diferencia de la turbina fabricada por Ossberger Turbinenfabrik, no se utilizará la pala directriz como válvula de cierre al agua. Ello requerirı́a una forma especial de la carcasa y unas tolerancias estrechas, junto con un buen acabado superficial en la zona lı́mite entre la pala y la carcasa. Como válvula de cierre se puede tener una tajadera en la entrada del canal abierto, o algún otro tipo de válvula para tuberı́a cerrada, mientras no sea una válvula de asiento, pues esta genera mucha pérdida de carga. También se debe tener una válvula de vaciado de carcasa, con el fin de eliminar los restos de agua que puedan quedar antes de la realización de una operación de mantenimiento. Una vez que se tienen las piezas se procede al montaje. En principio la unión de los álabes se puede realizar de dos formas diferentes. Se puede optar por la soldadura directa de los álabes a la placa lateral. Ello lleva asociala la necesidad de plantillas para facilitar el posicionamiento correcto. A la vez, será necesario el uso de aparejos que proporcionen la sujección en la posición correcta alineada de las piezas durante la soldadura. Esta relaización es más compleja. Se puede reducir en gran medida esta dificultad de montaje realizando ranuras o bien muescas en las placas laterales en las que encajen los álabes. Ello lleva un mayor esfuerzo en la preparación y creación de dichas ranuras curvas, mas es compensado por facilitar los registros de las piezas durante el montaje y soldadura. Cabe resaltar el hecho de que si se realizan muescas, ello lleva asociado la realización la soldadura internamente. En un principio no supone dificultad extra hasta que no se llega a los últimos álabes. entonces las maniobras de soldadura se complican. Se debe tomar esta opción en el caso de que la placa sea muy gruesa, y no se disponga de medios como para cortarla. En el caso de que se opte por realizar ranuras, la soldadura puede ser externa, facilitando mucho el montaje. Método Fresadora radial Corte acetilénico, Manual Acetylene Torch, Guı́a Laser Dificultad Alto Medio Coste Alto Bajo−medio Alto Medio 23 Acabado Excelente Probable bueno Aceptable que Corte y ranurado de las placas laterales de la turbina: corte acetilénico Si se utiliza el corte acetilénico manual, para conseguir la forma circula de las placas es precisa la utilización de pivotes y aparejos que aseguren la forma circular. Seguir la forma curva exterior manualmente es harto complicado. Antes de proceder a la soldadura se ha de comprobar que los álabes no estén deformados, y una vez encajados en las placas, comprobar la ortogonalidad mediante una escuadra. No se sigue el patrón de una fabricación delicada, mas, cuanto más precisa y cuidadosa sea la realización, por fabricación, y ensamblaje, más fiable será nuestra turbina. La eficiencia y flujo se ven beneficiados con superficies más lisas. Tras el montaje se debe proceder al equilibrado de la turbina. se colocan los soportes de giro con los rodamientos y cojinetes, tal y como quedarı́a el montaje final. se procede a girar manualmente la turbina y se deja deslizar. Si existe un defecto en el equilibrado, seirá parando, y al final habrá un vaivén, una ida y retorno en el giro, un balanceo. Con el fin de asegurar si realmente está desequilibrado, se ha de repetir varias veces la prueba, marcando el lugar final en el que queda estacionada la rueda. La parte que queda inferior está mas cargada que la superior, y con ello el centro de masas desplazado. Para equilibrar se debe añadir masa en la parte que quedó arriba. La zona en la que se puede añadir masa es la placa lateral, preferiblemente en el exterior. Por medio de imanes añadidos de diferentes tamaños se puede aproximar de forma muy cómoda la cantidad de masa a añadir. Posteriormente sólo será necesario pesar los imanes añadidos y añadir la misma cantidad de masa de otro material. Si se añade material en el exterior de la placa lateral, será necesario tener en cuenta este añadido, pues si el ajuste de la carcasa es muy fino, podrı́a llegar a impedir el montaje, o perturbar la rotación de la turbina. Se puede optar por eliminar parte del material original de la zona que quedó más abajo. También , para un mejor acabado, se puede eliminar parte del material y rellenar con otro más ligero, o socabar parte de la que quedó arriba y rellenar con un metal más pesado. Con esto se soluciona el equilibrado estático. Para el dinámico, no entramos en la explicación. consistirı́a en poner en marcha la turbina en vacı́o y observar qué momentos se producen en los apoyos. Luego habrı́a que calcular la cantidad de masa a añadir o sustraer y su posición y distancia al eje en cada una de las placas laterales. 3.1.6.4 Propuesta concreta de fabricación: Introducción: Una vez presentado el método de fabricación, cabe preguntarse cuáles habrı́an de ser los tamaños de cada elemento con el fin de dar servicio a una determinada cantidad de demanda. De aquı́ en adelante se describe una 24 propuesta concreta de realización con los cálculos pertinentes de dimensiones. Se ha obtenido de la fuente bibliográfica: Energı́a hidraúlica y Eólica Práctica, de José Ignacio y Sebastián Urquı́a Mur. Descripción y cálculos: Los diferentes saltos y diámetros del rotor son los responsables de la velocidad a la que finalmente girará éste. si se expresa la altura del salto (H) en metros y el diámetro exterior (D) del rotor en centı́metros, la velocidad de rotación en r.p.m. de la turbina viene dada por la siguiente expresión: √ H r.p.m. = 4300 D El diseño que se propone tiene 30cms de diámetro exterior (D=30cms), y resulta adecuado para la mayorı́a de saltos. la velocidad de giro de este rodete osciárá entre 200 y 700 r.p.m. en función del desnivel del salto ( desde 2mts a 25 mts). Podemos hacer la multilicación hacia el generador por medio de una caja de cambios de coche (multiplicaciones x5 y x7), o bien por medio de correas trapezoidales en una sola etapa. Por medio del caudal se determinará la anchura del rodete, y por otra parte la potencia. Si se considera los siguientes rendimientos: Turbina Banki artesanal: 70 % Transmisión: 80 % Generador: 90 % entonces la potencia vendrá dada según: P = ηturb · ηtransm · ηgenerador · ρ · g · Q · H P = 0, 7 · 0, 8 · 0, 9 · 1 · 9, 8 · Q · H = 4, 94 · Q · H siendo: \rho la densidad del agua (1 kg/litro) Q caudal (litros/seg) H altura (mts) El caudal quedará determinado por la anchura de la turbina y de la boca de entrada. Se pueden establecer las siguientes fórmulas: Anchura de la boca de entrada: 25 Anchura de la boca de entrada: Q B1 = 2, 23 √ d H Anchura del rotor: B2 = B1 + 2(cms) siendo: d la abertura de la boca de entrada (cms) Q caudal (litros/seg) H altura (mts) La distancia d suele ser la décima parte del diámetro D del rotor, o sea que para un rotor de 30 cms de diámetro se corresponde una altura de la boca de entrada de 3 cms. La anchura del rotor puede ir desde 4 cms hasta 50 cms, por lo que esta turbina se adapta a una gran variedad de caudales y potencias. Una forma de mejorar el rendimiento de la turbina consiste en hacer un rotor y una boca de entrada (o bien distribuidor) con dos sectores independientes que lo dividan en 1/3 y 2/3, al igual que se vio en la descripción de la turbina diseñada por Ossberger Turbinenfabrik. De esta forma se puede sacar máximo rendimiento energético tanto en épocas de gran caudal (utilizando todo el rotor) como en épocas de estiaje (2/3 o 1/3 de la totalidad). − rpm Q (l/seg) P (kW) Salto de 2 mts 202 19 4 mts 6 mts 8 mts 10 mts 15 mts 20 mts 285 27 351 33 405 38,5 453 43 550 52 640 60 0,26 0,75 1,4 2,16 3 5,5 8,5 No se pretende instalar para su regulación complejos automatismos y servomecanismos. Bastarı́a con una tajadera que separara dos partes de la cámara de carga, o bien una placa interna que pudiera cerrar parcialmente la boca de entrada del distribuidor a la turbina. En la tabla se pueden apreciar las prestaciones de este modelo con un diámetro de 30 cms y 10 de anchura de la boca de entrada. Jugando con la anchura de la boca y del rotor, se puede lograr la potencia que interese. 26 En este caso el rotor se construye con placas laterales de 6mms de espesor, con cubos de refuerzo para el eje unidos mediante soldadura. Este rotor lleva de 20 a 24 álabes también de 6mms de espesor. Los álabes de esta turbina se fabricarı́an con tubo de hierro de 10 cms de diámetro, teniendo cada uno una sección de 72o . Ejemplo: Si se tiene un salto de 2 mts y se necesitan 1000w de potencia, se puede poner una anchura de boca de 40cms. el consumo de agua será de 76 litros/seg. la velocidad de giro será de 202 rpm. A continuación se presentas dos posibilidades de instalación, una de ellas con una cámara de carga acoplada diréctamente con el distribuidor, y otra, para mayores alturas de salto por medio de una tuberı́a forzada. Figura 14: Dibujos explicativos de las dos formas de instalación según los saltos sean mayores o menores de 3 metros 3.1.7 Otras posibilidades de producción de potencia: Se presentan otras posibilidades de producción de energı́a. No se van a analizar en profundidad, mas pueden ser útiles para no cerrar las soluciones a la fabricación de una turbina Banki. 3.1.7.1 Ruedas lentas: Ruedas de alimentación superior Se pueden utilizar caı́das entre 1,5 y 5 metros, y caudales entre 10 y 600 litro/seg. El agua se encauza por un canalón a una velocidad de 1m/seg, 27 que al llegar a la rueda se acelera hasta 2 ó 3 m/seg. La anchura de la rueda depende de la cantidad de agua a utilizar, y debe superar la anchura del canalón en 15 ó 20 centı́metros, para que no escape agua por fuera. la eficiencia de estas ruedas es del 60 al 80 %. Las medidas más normales de diámetros, anchura y número de canjilones se presentan en la siguiente tabla. Figura 15: Tabla de caracterı́sticas según el diámetro de la rueda Aunque las ruedas pueden ser utilizadas con caudales inferiores al máximo, para diferentes potencias, tendremos diferentes caudales y anchuras. Ası́, si queremos sacar 5 kW de la rueda de 4,8 m de diámetro, dividimos por 2 la anchura de la rueda de 10 kW y tenemos todos los datos suficientes para construirla. La rueda hidraúlica girará a una velocidad tal que la potencia extraida se equilibrará con la suministrada por el agua, de forma que si se le solicita mucho par, girará más despacio y llenará más los canjilones, de manera que el par aumente y siga funcionando. Modelo pequeño: Es posible hacerla de forma sencilla por medio de cajones cuadrados (latas de aceite para automóvil vacı́a por ejemplo), montadas en una circunferencia con altura suficiente para aprovechar el salto disponible. Si se desea generar electricidad, que es el caso, se monta sobre unos soportes firmes, y se acopla el buje de salida a una caja de cambios de automóvil bloqueando los satélites (se llega a multiplicar hasta x25) o una transmisión de correas. Se obtienen ası́ las revoluciones necesarias para el generador de forma fiable y con pocas pérdidas. Una rueda de este tipo suministra de 100 a 400 w, es decir, una producción de2,4 a 9,6 kWhora al dı́a, más que suficiente para una vivienda y sus necesidades (excepto calefacción eléctrica y hornos). Modelo grande: 28 Figura 16: Dibujo de una rueda pequeña con sus diferentes elementos Para potencias mayores es necesario diámetros mayores y caudales superiores. Se debe crear una rueda de chapa soldada según el esquema adjunto. Debe estar embreada o con fibra de vidrio. La rueda debe montarse sobre un eje muy sólido. Debido a su lentitud habrá de emplearse una caja de campios de tractor, con una capacidad de multiplicación de 100. Ruedas de alimentación inferior Se emplean en rı́o y arroyos caudalosos pero con poco desnivel. También se pueden introducir en acequias de regadı́o, siempre que su instalación no provoque una retención del agua con el consiguiente desbordamiento. Las caı́das normales de trabajo son de 20 cm a 1,5 m. El diámetro de la rueda será 3 ó 4 veces la caı́da y la velocidad de giro de 2 a 20 rpm, siendo las más rápidas las de menor diámetro (la velocidad en la periferia es de 1 a 1,5 m/seg, por lo que cuanto mayor sea el diámetro, menor será la velocidad de giro). Para cada 30 cms de anchura de la rueda, el caudaldebe ser de 100 a 300 l/seg. La rueda se introduce en el agua de 30 a 90 cms y la eficiencia es del 60 al 65 %. La rueda se puede hacer con chapa soldada de 5 mm. Para la generación de corriente eléctricase procede como en las ruedas de alimentación superior. 29 Figura 17: Dibujo de una rueda de alimentación inferior con sus diferentes elementos 30 3.1.7.2 Bombas como turbinas. El ejemplo de bombas centrı́fugas o de hélice se debe estudiar como una alternativa muy interesante. Las bombas de hélice son válidas para caı́das de 1 a 10 mts y las centrı́fugas de 3 a 20 mts. Aunque funcionan como turbinas y no como bombas, se utilizan sin problemas. Las centrı́fugas se comportan como turbinas Francis, y las de hélice como Kaplan, pero con menores rendimientos. Nunca se deben colocar de forma que el tubo de descarga cubra un desnivel de 3 mts, porque se puede producir cavitación en el rodete, causando daños en el rodete. Las turbinas de hélice, pueden hacerse a partir de viejas hélices de barco insertadas en un tubo por el que circula el agua. La velocidad de rotación se verá en la práctica en cada caso concreto. Figura 18: Dibujos de turbinas de hélice Los caudales van en relación con el tamaño de la bomba−turbina y también se deben comprobar en la práctica. De todos los modos, y como dato orientativo, la bomba utilizada como 31 turbina dará la mitad de potencia para el mismo desnivel y caudal. Es decir, si una bomba necesita 1000w para subir 10 l/seg a 7 m de altura, con 0 l/seg a 7 m de desnivel, dará como turbina una potencia de 500W. 32