UNIDAD IV FUNCIONAMIENTO Y OPERACIÓN DE LAS TURBINAS HIDRÁULICAS

4.1 GENERALIDADES Y CLASIFICACION DE LAS TURBINAS HIDRAULICAS4.2 TURBINAS KAPLAN.4.3 TURBINAS FRANCIS.4.4 TURBINAS PELTON. 4.5 PARTES PRINCIPALES DE LAS TURBINAS HIDRÁULICAS 4.6 SISTEMA DE GOBIERNO Y SEGURIDAD4.7 SISTEMA DE LUBRICACIÓN Y ENFRIAMIENTO4.8 FALLAS CARACTERÍSTICAS Y CORRECCIONES4.9 MONTAJE, ALINEACION, PRUEBAS Y ARRANQUE.

4.1 GENERALIDADES Y CLASIFICACION DE LAS TURBINAS HIDRAULICASTurbinas hidráulicas

Expresión que identifica a las máquinas motrices accionadas por el agua, instaladas en tas Centrales Hidroeléctricas. En base a la anterior consideración, podemos decir que turbina hidráulica es la máquina destinada a transformar la energía hidráulica, de una corriente o salto de agua, en energía mecánica. Por lo tanto, toda turbina convierte la energía del agua, manifestada bien en su forma de presión (energía potencial o de posición) como en la de velocidad (energía cinética), en el trabajo mecánico existente en un eje de rotación. En términos generales y sin ánimo de ser reiterativos, podemos definir a las turbinas hidráulicas como motores hidráulicos destinados a aprovechar las corrientes y saltos de agua.

Funcionamiento

Una turbina hidráulica es accionada por el agua en movimiento, una vez que ésta es debidamente encauzada hacia el elemento de turbina denominado distribuidor, el cual, circularmente, distribuye, regula y dirige un caudal de agua que tiende a incidir, con mayor o menor amplitud, hacia el centro del círculo descrito, sobre un rotor o rueda móvil conocida con el nombre de rodete, que, conjuntamente con el eje en el que está montado, ha de estar perfectamente equilibrado dinámica y estáticamente.

De lo expuesto se deduce cómo la energía del agua, originalmente la mayoría de los casos en forma de energía potencial de tipo gravitatorio, se convierte en energía cinética al pasar sucesivamente par el distribuidor y el rodete, debido a la diferencia de nivel existente entre la entrada y la salida de a conducción en consecuencia, se provocan cambios en la magnitud y dirección de la velocidad del fluido, lo que hace que se produzcan fuerzas tangenciales en el rodete, generándose así energía mecánica al girar éste.

El rendimiento de las instalaciones con turbinas hidráulicas, siempre es elevado, pudiendo llegar desahogadamente al 90 % o más, después de tener en cuenta todas las pérdidas hidráulicas por choque, de caudal, de fricción en el generador, mecánicas, etc.

Los problemas de regulación de velocidad son importantes, principalmente a causa de las grandes masas de agua que entran en juego, con sus aceleraciones positivas y negativas, que se transforman en ondas de presión. La continuidad de las columnas de agua transmite a las ondas, produciéndose fuertes choques o golpe de ariete que es necesario evitar o por lo menos controlar.

Tipos de turbinas hidráulicas

Los tres tipos de turbinas hidráulicas utilizados con mejores resultados en la actualidad. De cada uno de dichos tipos, mencionaremos las características técnicas y de aplicación más destacadas que los identifican, la descripción de los distintos elementos que componen cada turbina, así como el principio de funcionamiento de las mismas.

Tipos

Turbinas PELTON

Turbinas FRANCIS

Turbinas KAPLAN

Para establecer esta relación en el orden indicado, en el empleo de las turbinas en función de la altura del salto, si bien no hay límites perfectamente definidos que separen los márgenes de utilización de unos tipos respecto de los demás.

Clasificación de las turbinas hidráulicas

Son diversas las razones de tipo técnico que dan base para establecer una clasificación de las turbinas hidráulicas. Razones que, en la mayoría de los casos, se complementan entre sí, para definir e identificar ampliamente a un determinado tipo de turbina. Los argumentos considerados y las clasificaciones derivadas de los mismos, explicándose oportunamente los conceptos que procedan.

Por el número de revoluciones específicas

Turbinas Lentas

Turbinas Normales

Turbinas Rápidas

Turbinas Extra-rápidas

Según la posición del eje

Turbinas Horizontales.

Turbinas Verticales.

Por el modo de admisión del agua

Turbinas de Admisión Parcial. turbinas Pelton.

Turbinas de Admisión Total. turbinas Francis y Kaplan.

Por la manera de actuar los chorros de agua

Turbinas de Acción.

Turbinas de Reacción.

Por la dirección del agua

Turbinas Radiales.

Turbinas Axiales.

Turbinas Radiales-Axiales.

Turbinas Tangenciales.

Por las características de la cámara

Turbinas de Cámara Cerrada.

Turbinas de Cámara Abierta.

Por la función desarrollada

Turbinas Reversibles.

Turbinas No Reversibles. Destinadas sólo a producir trabajo mecánico.

Fenómenos anómalos en las turbinas hidráulicas

Las turbinas hidráulicas, el ser máquinas complejas de grandes dimensiones, están bajo la acción de elevados esfuerzos mecánicos, lo que puede dar origen a rozamientos, agarrotamientos, etc. Además, al estar supeditadas a la influencia directa del agua, tienen que soportar efectos hidráulicos desfavorables para su correcto funcionamiento, como son erosiones, corrosiones, etc. Así mismo, ha de tenerse en cuenta el efecto abrasivo que ejerce la arena contenida en el agua, sobre las piezas situadas en su camino.

Dos fenómenos que influyen negativamente en el funcionamiento idóneo de un grupo, si no se adoptan las medidas adecuadas para eliminarlos o, por lo menos, reducirlos al máximo.

Cavitación.

Golpe de ariete.

Regulación de velocidad de las turbinas hidráulicas

Regulación de velocidad es el proceso mediante el cual se mantiene constante una magnitud o condición definida aunque varíen determinados factores como puede ser la carga solicitada a un grupo de tensión de línea, la temperatura de una mezcla, etc.

Regulación de velocidad de las turbinas hidráulicas y en consecuencia, en la regulación de velocidad de las máquinas que hemos definido como grupos.

En el caso concreto la magnitud de la regulación es la velocidad o número de revoluciones por minuto a que ha de girar el rodete de la turbina, con el fin de que, por medio del eje se transmita el giro uniforme que debe de existir y mantenerse entre dicho rodete y el rotor del alternador.

Cuando se produce una variación en la carga solicitada al grupo, es decir, según aumente o disminuya el par resistente que actúa sobre la turbina, esta tenderá respectivamente a reducir o aumentar el número de revoluciones con que estuviese en funcionamiento normal antes de producirse la variación de carga.

En tales condiciones, el funcionamiento de la turbina sería totalmente inestable. Llegando a parase al aumentar la carga y a embalarse cuando ésta disminuyese.

Podernos llegar a establecer un símil, con el comportamiento del motor de un automóvil en el que, al subir o bajar fuertes pendientes, solamente le funcionase la «directa» de su caja de cambios y, el acelerador, se mantuviese en el punto fijo conveniente a su marcha normal sobre terreno llano. Es obvio que, durante los sucesivos ascensos y descensos, el motor tendería, respectivamente, a reducir y aumentar el número de revoluciones, llegándose a parar o embalarse según la magnitud de dichas pendientes. Aunque lógicamente se vería afectada, prescindimos de considerar la velocidad propia del vehículo en sí.

Dado que en la realidad las cargas solicitadas varían constantemente, es necesario adaptar el trabajo motor al resistente, y esto se consigue graduando adecuadamente el paso de agua hacia el rodete. Al regular el caudal de agua preciso para cada valor de carga en cada instante se dispondrá de la potencia requerida debiéndose obtener al mismo tiempo el numero de revoluciones de funcionamiento normal de la turbina.

4.2 TURBINAS KAPLAN.

Historia

Las turbinas tipo Kaplan fueron diseñado por el ingeniero austríaco. Víctor Kaplan (1876-1934) en el principio del siglo 20. A diferencia de los otros tipos de turbinas se puede ajustar ambas alabes (los del rotor y los alabes de guía) para adaptar la turbina a diferentes niveles del caudal. Los ejes son de orientación horizontal ó vertical. Se usa este tipo de turbina en plantas de presión baja y mediana.

Definición.

Las turbinas tipo Kaplan son turbinas de admisión total y clasificadas como turbinas de reacción. Se emplean en saltos de pequeña altura (alrededor de 50 m y menores alturas), con caudales medios y grandes (aproximadamente de 15 m3/s en adelante). Debido a su singular diseño, permiten desarrollar 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 turbinas Francis. Normalmente se instalan con el eje en posición vertical, si bien se prestan para ser colocadas de forma horizontal o inclinada.

Características.

        Se utilizan para caídas bajas.

        El rodete recuerda la forma de una hélice de barco.

        El ángulo de inclinación de las palas del rodete es regulable.

        Se utilizan para gastos muy grandes.

        La regulación se efectúa por medio de un distribuidor como en las Francis y además con el ángulo de inclinación de las palas en el rodete.

Componentes de una turbina kaplan.

Algunos componentes de una turbina kaplan:

Cámara espiral Distribuidor Rotor o rodete Tubo de aspiración. Eje Equipo de sellado Cojinete guía Cojinete de empuje

El único componente de las turbinas kaplan, que podría considerarse como distinto al de las turbinas Francis, es el rotor o rodete.

1. Rotor De Una Turbina Kaplan

Se asemeja a la hélice de barco, está formado por un número determinado de palas o álabes, de 2 a 4 para saltos de pequeña altura y de 5 e 9 cuando los saltos son mayores, por supuesto dentro del campo de aplicación de las turbinas Kaplan. En las turbinas Kaplan, todas y cada una de las palas 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 al eje de la turbina según órdenes recibidas del regulador de velocidad.

Fig. 19 – Incidencia del agua sobre las palas del rodete en turbinas Kaplan o de hélice.

Principio de funcionamiento de las turbinas kaplan.

El agua entra al rodete desde la cámara espiral

Flujo prácticamente axial

Ángulo de incidencia óptimo de las venas líquidas para caudal variable

Inclinación de álabes del rodete

Movimiento simultáneo de todas las palas (complejo sistema de bielas dentro del rodete)

4.3 TURBINAS FRANCIS.

Historia.

La turbina Francis fue desarrollada por James B. Francis. Se trata de una turbomáquina motora a reacción y de flujo mixto. En 1848 James B. Francis mejoró el diseño y desarrolló una turbina con el 90% de eficiencia. Aplicó principios y métodos de prueba científicos para producir la turbina más eficiente elaborada hasta la fecha. Más importante, sus métodos matemáticos y gráficos de cálculo mejoraron el estado del arte en lo referente al diseño e ingeniería de turbinas. Sus métodos analíticos permitieron diseños seguros de turbinas de alta eficiencia.

Definición.

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.

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, o vertical, siendo esta última disposición la más generalizada por estar ampliamente experimentada, especialmente en el caso de unidades de gran potencia. Para describirlas, nos basaremos en turbinas de eje vertical.

Características.

        Están formadas por una espiral que va a alimentar al rodete.

        Se utilizan para caídas medianas.

        Tienen un distribuidor que orienta el agua hacia el rodete.

        Asemejan una bomba centrífuga.

        El agua no está a la presión atmosférica.

        Descargan a contra presión.

        Generalmente están provistas de una válvula mariposa como medida de prevención.

Clasificación de las turbinas Francis:

Se clasifican, en función de la velocidad específica del rotor y de las características del salto

Turbina Francis lenta: para saltos de gran altura, alrededor de 200 m o más.

Turbina Francis normal: Indicada en saltos de altura media, entre 200 y 20 m.

Turbinas Francis rápidas y extra rápidas: apropiadas para saltos de pequeña altura, inferiores a 20 m

Componentes de una turbina Francis.

Componentes de una turbina Francis de eje vertical.

1. Cámara espiral de una turbina Francis. .

Fig. 12.- Cámara espiral de una turbina Francis. Detalle del antedistribuidor.

2. Distribuidor de una turbina Francis.

3. Rodete de una turbina francis

4. Tubo de aspiración de una turbina Francis.

5. Eje de una turbina Francis.

6. Equipo de sellado del eje de una turbina Francis.

7. Cojinete guía de una turbina Francis.

8. Cojinete de empuje.

Principio de funcionamiento de las turbinas Francis.

Agua a presión va a la cámara espiral en forma de caracol.

Reparto del caudal por toda la periferia del rodete Álabes fijos canalizan las líneas de flujo del agua El distribuidor regula el caudal sin que las venas líquidas sufran

desviaciones bruscas o contracciones. Rendimiento elevado incluso con cargas reducidas

Parte de la energía potencial gravitatoria del agua embalsada se convierte en energía cinética

La energía cinética aumenta al pasar por las palas fijas del antedistribuidor y por las palas móviles del distribuidor provocando el giro del rodete

Fig. 18 – Funcionamiento de una turbina Francis. Situación generalizada de una turbina Francis respecto al cauce del río aguas abajo.

4.4 TURBINAS PELTON.

Historia.

Lester Allan Pelton o llamado por sus amigos el carpintero de VGR, ya que inventó una de las turbinas más importantes del mundo, carpintero y montador de ejes y poleas, inventó la turbina Pelton en 1879, mientras trabajaba en California. Obtuvo su primera patente en 1880.

Una historia muy poco creíble dice que Pelton inventó su rueda cuando se fijó en cómo el agua salpicaba fuera de las fosas nasales de una vaca mientras esta bebía de un chorro de agua y directamente empezó a imaginarse la turbina en su cabeza y lo que eso suponía, es decir, ese invento podía cambiar el mundo de la enegía.

Definición.

Las turbinas Pelton, se conocen como turbinas de presión por ser ésta constante en la zona del rodete, de chorro libre, de impulsión, o de admisión parcial por ser atacada por el agua sólo una parte de la periferia del rodete. Así mismo entran en la clasificación de turbinas tangenciales y turbinas de acción.

Su utilización es idónea en saltos de gran altura (alrededor de 200 m y mayores), y caudales relativamente pequeños (hasta 10 m3/s aproximadamente).

Por razones hidroneumáticas, y por sencillez de construcción, son de buen rendimiento para amplios márgenes de caudal (entre 30 % y 100 % del caudal máximo). Por ello se colocan pocas unidades en cada central que requiere turbinas de estas características.

Pueden ser instaladas con el eje en posición vertical u horizontal, siendo esta última disposición la más adecuada, la cual servirá de referencia para hacer las descripciones necesarias.

Características.

Eje vertical y horizontal. Número de inyectores 1 a 4. Conjunto formado por válvula de entrada,

turbina y generador asíncrono. El rodete o rueda PELTON esta constituido por un disco de acero con

álabes, como ya se ha dicho, de doble cuchara ubicada en la periferia de la rueda. Estos álabes puedes estar fundidos con la misma rueda o unidos individualmente por medio de bulones o pernos.

Rodete en cobre-aluminio o inox. Inyectores en inox. El Número de álabes suele ser de 17 a 26 por rueda, todo esto

dependiendo de la velocidad específica; Cuando se necesita una velocidad alta el número de álabes es pequeño debido a que a mayor velocidad específica, mayor caudal lo que exige álabes mas grandes y con esto caben menos en cada rueda.

Funcionamiento mediante grupo hidráulico. Cierre inyectores por resortes. Conjuntos compactos de fácil instalación y de alto rendimiento. Potencias de 50 a 400 kW.

Saltos de 80 a 350 metros y caudales de 0’05 a 0’5 m3 /s.

Componentes de una turbina pelton.

Fig. 2 - Componentes de una turbina Pelton de eje horizontal, con dos equipos de inyección.

1. Distribuidor de una turbina Pelton.

Fig. 3 - Esquema de un distribuidor.

2. Rodete de una turbina Pelton.

Fig. 6 – Detalles de un rodete Pelton.

3. Carcasa de una turbina Pelton.

Es la envoltura metálica que cubre los inyectores, rodete y otros elementos mecánicos de la turbina (Fig. 9).

Fig. 9- Conjunto de una turbina Pelton.

4. Cámara de descarga de una turbina Pelton.

5. Sistema hidráulico de frenado de una turbina Pelton.

6. Eje de una turbina Pelton.

Principio de funcionamiento de las turbinas pelton.

Transformación de energía cinética en energía mecánica de rotación

Inyectores dirigen un chorro de agua cilíndrico, de sección uniforme y a presión atmosférica al rodete

Chorro de agua incide sobre arista central de los álabes. Se originan dos chorros que salen despedidos lateralmente

Chorros resultantes caen al canal de fuga por la fuerza de la gravedad.

Regulación mediante válvula de aguja que obtura más o menos el orificio de salida

Para caudales mayores. Varias toberas en diversas posiciones del rodete (Fig. 10).

Fig. 10.- Funcionamiento de las turbinas Pelton. Acción del chorro de agua sobre cada cangilón de un rodete Pelton.

4.5 PARTES PRINCIPALES DE LAS TURBINAS HIDRÁULICAS El elemento principal de toda turbina hidráulica (o máquina generatriz) es el rodete mismo. Los más populares en la actualidad son: Pelton (de impulso), Francis y Kaplan (estos últimos, de reacción). Sin embargo, el rodete por sí solo no puede hacer mucho, requiere de ciertos accesorios, ya sea para la distribución, direccionamiento, control etc. Del fluido que trabaje con él. A continuación presentaremos al menos esquemáticamente, algunos de estos dispositivos hidráulicos.

• INYECTOR: Este dispositivo se utiliza en las turbinas Pelton. Consiste en una boquilla o tobera, terminal de una conducción forzada. Este accesorio lanza el fluido chorro. Es el equivalente al distribuidor (otro accesorio el cual citaremos después). Se puede utilizar más de un inyector dependiendo del diseño, colocación, carga y gasto del rodete Pelton.

Este dispositivo contiene una aguja de cierre, cuyo movimiento disminuye o aumenta la apertura de la boquilla y con esto el caudal. Se puede construir de acero al níquel, esmerilada y pulida para reducir el rozamiento. El movimiento de esta aguja se logra mediante un mecanismo de control, el cual se muestra a continuación.

Cabe señalar que el inyector cuenta con un deflector el cual desvía al chorro. Esto es muy útil en los casos en el cual ocurra una falla en el generador. Esta falla se traduce en una violenta aceleración de la turbina, pudiendo ésta entrar en resonancia y destruirse. El deflector desviaría el chorro, ayudando así a disminuir la velocidad del rodete. En la página posterior se puede ver un esquema del inyector, y su colocación para diversos montajes y combinaciones de la turbina Pelton.

• CARACOL: Se utiliza en las Kaplan y Francis. Su función el de conducir el agua a través de un ducto de sección circular la cual se va reduciendo uniformemente conforme se vaya perdiendo el flujo, y así se mantiene una velocidad constante de entrada al siguiente elemento, el distribuidor. Su forma es el motivo de su nombre. En páginas posteriores se encuentra una fotografía de un caracol.

• DISTRIBUIDOR: Se le conoce como paletas directrices giratorias o de Fink. En él la regulación se efectúa, por la variación de sección de las cámaras del distribuidor, mediante giros de los álabes directrices (de hierro o acero fundido), los cuales van montados en espigas y hacen de ejes con bielas de accionamiento, que las conducen y van unidas, por un extremo, a pernos de las paletas, y por el otro, a una corona exterior o anillo, que puede deslizar sobre la corona, y accionado por ejes con sus palancas y tirantes, consiguiendo por rotación el giro simultáneo de todas las paletas, arrastradas por las bielas, y cerrando o abriendo el espacio entre paletas para dejar pasar menos o más cantidad de agua (caudal). A continuación presentaremos una clasificación de estos dispositivos, según la disposición de los ejes de giro de los álabes directrices:

• Cilíndrico: si los ejes de giro se encuentran en la superficie de un cilindro cuyo eje coincide con el eje de la máquina y el flujo en el distribuidor carece de componente axial. Los diagramas presentados corresponden a este tipo.

• Axial: Si los ejes de giro se encuentran en un plano transversal al eje de la máquina y el flujo en el distribuidor carece de componente radial ( en centrales en que el flujo es axial no solo en el rodete, sino a la entrada de la turbina: Grupo bulbo).

• Cónico: Si los ejes de giro se encuentran en una superficie cónica.

• QUICIOS, RANGUAS O SUSPENSIONES: son disposiciones de apoyo de los árboles de las turbinas y una de las partes más importantes de las mismas. El cálculo de las suspensiones, que soportan cargas muy considerables, entra de lleno en la Resistencia de Materiales. Desechados los sumergidos, hoy se emplean los quicios anulares sencillos, con cojinetes de bolas y cojinetes de presión. Las figuras a continuación presentan dos suspensiones modernas.

• TUBO DE ASPIRACIÓN: La misión del tubo de aspiración o difusor de las turbinas a reacción tiene como misión:

• Recuperar la altura comprendida entre la salida del rodete y el nivel del agua en él socas.

• Recuperar la mayor parte posible de la energía cinética a la salida del rodete.

La tubería de enlace con la turbina, es decir, el tubo de aspiración, debe tener sección suficiente y de forma tal que permita la máxima recuperación de la energía cinética del agua a la salida del rodete, factor sumamente importante en las turbinas Francis, hélice y Kaplan, en las que dicha energía aumenta con el incremento de la velocidad específica. De otro modo, el rendimiento sería muy bajo.

Para calcular el tubo de aspiración habrá que determinar previamente la altura, desde la sección inmediata al rodete hasta la superficie del agua del canal de descarga, que ha de ser compatible con el valor máximo de Pa, de la presión admisible a la salida del rodete; es decir, hay que hallar el grado máximo de vacío posible para evitar que se corte la columna de agua en el tubo de aspiración y conseguir además que no se produzcan los fenómenos de cavitación y de contragolpe de ariete.

Cuando la altura de aspiración disponible es reducida, no podrá conseguirse la recuperación deseada de la energía cinética por no ser posible dar al tubo la longitud necesaria para ir disminuyendo paulatinamente la velocidad de salida del tubo; en este caso se ha de recurrir a tubos de aspiración acodados de la longitud necesaria en el cual se realice la recuperación de la velocidad que se convierte en presión, por cuanto el codo tiene sección igual a la entrada y a la salida del mismo.

Muchas veces estos tubos requieren ser fabricados en el macizo de la fundación, y como el agua puede tener en ellos velocidades muy importantes, es aconsejable proveerlos de un revestimiento metálico en las partes en las que la velocidad sea superior a 5 m/seg. Es preciso tener en cuenta que para caudales importantes la velocidades pueden alcanzar los 10 y 12 m/seg.

No es posible decir de antemano cual de los tipos de tubos de aspiración representados se acomoda mejor a determinada turbina. La experiencia prueba que una misma turbina con diferentes tubos de aspiración puede tener diferentes rendimientos y que solamente a base de ensayos en modelo reducido se puede establecer con seguridad la forma más conveniente. Aunque, desde luego, la forma del tubo de aspiración lógicamente debe ser conforme con los principios que rigen a un difusor de buen rendimiento. aunque el tubo recto cónico de sección circular resulta teóricamente el más aconsejable, sin embargo, en muchos casos, por motivos de excavación y sobre todo para ganar potencia en turbinas grandes, se hace uso del tubo acodado, normalmente a 90º. En la figura a continuacion b) se presenta en esquema un tubo de aspiración acodado típico. La sección es circular en el origen, en la parte que se conecta con la turbina; cambia a la forma

elíptica en el codo y termina en la descarga de sección rectangular. En la sección elíptica y en la rectangular el eje mayor es horizontal, en la parte acodada lleva generalmente P paletas directoras que favorecen el escurrimiento. La divergencia progresiva del tubo requiere un cuidadoso estudio, a fin de evitar la separación del fluido de los contornos, dando lugar a turbulencias que incrementan notablemente las perdidas de energía. Para la parte tronco cónica el ángulo en el vértice del cono no debe pasar de 10º aunque la falta de espacio obliga a veces ha aumentarlo. A la salida del difusor la energía cinética residual debe ser mínima habitualmente 0.5 a 1 por 100 de la carga neta.

4.6 SISTEMA DE GOBIERNO Y SEGURIDADElementos de protección en caso de sobrecarga

La turbina principal y auxiliar deberá disponer de elementos de protección en caso de sobrecarga para el paro automático del suministro de agua y prevenir que la velocidad máxima de diseño sea sobrepasada más de un 15 %.

Cuando dos o más turbinas formen parte de la instalación principal y estén acopladas de forma separada a la misma rueda de engranaje y esté provista de un elemento de protección por sobrecarga, éste estará instalado en la parte delantera de la turbina de baja, además, en la plataforma de maniobra existirá un engranaje manual para el paro del agua en caso de emergencia.

Reguladores de velocidad

Cuando la instalación de la turbina incorpora un inversor, transmisión eléctrica o hélice reversible, además de un regulador de velocidad independientes o en combinación, se montará un elemento de protección en caso de sobrecarga, y debe ser capaz de controlar la velocidad de la turbina sin carga, sin tener que utilizar el elemento de protección en caso de sobrecarga.

Las turbinas auxiliares para mover generadores eléctricos se montarán con reguladores de velocidad los cuáles, estarán ajustados para controlar la velocidad dentro de un 10 % para una variación momentánea y un 5 % para una variación permanente cuando en plena carga aumente ésta repentinamente.

Las variaciones de velocidad permanentes en máquinas de corriente alterna para operaciones de conexión en paralelo serán sincronizadas con una tolerancia de ± 0,5%.

Elementos de protección por poco vacío y sobrepresión

Las válvulas de desahogo de seguridad estarán al final del escape o en otras posiciones aprobadas en todas las turbinas principales, y la válvula que descargue fuera será visible y cautelosamente situada si es necesario. Cuando se esté

provisto un elemento de corte por bajo vacío, la válvula de desahogo de seguridad en turbinas de baja presión serán omitidas.

Las válvulas de desahogo de seguridad estarán al final del escape de las turbinas auxiliares y la válvula que descargue fuera será visible y cautelosamente situada si es necesario. Los elementos de corte por bajo vacío y sobrepresión, estarán provistos en las turbinas auxiliares y no instaladas en sus propios condensadores.

Purgadores en las conexiones

Anti retornos u otros medios, los cuáles prevengan el retorno de agua a las turbinas, estarán instalados en los purgadores en las conexiones de agua.

4.7 SISTEMA DE LUBRICACIÓN Y ENFRIAMIENTOSistema de lubricación El sistema de lubricación tiene como principal función suministrar aceite a todos los rodamientos con tal de impedir su desgaste. Otra función destacable del sistema de lubricación es el de refrigerar las superficies calientes.

El sistema de lubricación de la turbina está formado por los siguientes componentesDepósito de almacenamientoEste puede, o no, ser parte integral del conjunto de la turbina. El equipo debe estar protegido por cualquier fuga de aceite, así que en el depósito deberá haber una alarma de bajo nivel y una de muy bajo nivel con tal de parar el equipo en caso que el nivel de aceite del depósito sea bajo.Bomba de circulación Es el elemento más importante del sistema de aceite, en caso de fallo fácilmente se averiarán los cojinetes. Para evitar que la bomba de circulación falle pueden instalarse dos bombas dispuestas en paralelo o montar una bomba accionada por el propio eje de la turbina. En caso que la bomba sea accionada por el eje se requiere un embrague  y por supuesto ésta, no podrá ser inspeccionada, revisada, reparada o sustituida durante el funcionamiento del equipo. De todas formas; aún siendo accionada la bomba por el eje, o no, es muy aconsejable instalar dos bombas de circulación de aceite con tal de aumentar la fiabilidad del equipo. Debe tratar de evitarse que el aceite se contamine con aire, si esto sucede y si la bomba utilizada es de tipo centrífugo ésta se descebará dejando de desempeñar sus funciones. Filtros Los filtros de aceite son importantes para eliminar la carbonilla del aceite, producida por las altas temperaturas a las que se somete, así como otras partículas extrañas que puedan dañar el equipo. Los filtros están dispuestos en forma de cartucho y provistos de una válvula de bypass. De esta manera fácilmente el sistema puede hacer pasar el aceite de lubricación por los filtros más limpios. Mientras los filtros van acumulando partículas indeseables su presión de aceite a un lado y a otro incrementará. Para detectar que los filtros están

obstruidos se utiliza un sistema medidor de presión diferencial de aceite que hace saltar una alarma.Reguladores de presión de aceiteAseguran que la presión de aceite es constante en todo el circuito haciendo posibles las tareas de mantenimiento preventivo en una bomba.EnfriadoresDebido a que el aceite tiene una función refrigerante y que a ciertas temperaturas pierde propiedades, son necesarios los enfriadores de aceite. Dependiendo del calentamiento que vaya a sufrir el aceite en los cojinetes el sistema de enfriado se dimensiona de una manera u otra. Un aceite muy frío aumentará su viscosidad pudiendo acarrear problemas de circulación por lo que debe encontrarse un equilibrio. Los enfriadores suelen del tipo tubular, aumenta su capacidad de transferencia de calor si se les disponen aletas. El agente refrigerante puede ser aire, agua o agua glicolada; dependiendo de situación de la planta, será más conveniente una u otra. Los enfriadores de aceite refrigerados por aire son de convección forzada mediante ventiladores que pueden regular su caudal de aire ajustándose a las necesidades térmicas del aceite. Otra manera de regular la temperatura del aceite es empleando una válvula con control de temperatura de bypass de aceite.Los enfriadores de aceite refrigerados por una agente líquido como puede ser el agua o agua glicolada, utilizan el sistema de contraflujo para favorecer la transferencia térmica de ambos fluidos. El control de temperatura se hace mediante bypass de aceite.El aceite por tanto se envía desde las bombas hacia los filtros donde es depurado, luego pasa a los enfriadores y lubrica los cojinetes para acabar en el depósito de almacenamiento donde es aspirado de nuevo por la bomba.

4.8 FALLAS CARACTERÍSTICAS Y CORRECCIONES

A) DIAGNÓSTICO DE AVERÍAS:A pesar de que las máquinas hidráulicas sean uno de los elementos más fiables desde el punto de vista de la operación, pueden sufrir averías más o menos intempestivas.El servicio técnico de ASIng de diagnóstico de averías está especializado en aquellas que tienen su origen en un problema mecánico y/o

hidráulico. Las causas que pueden provocar una avería en un grupo hidroeléctrico pueden ser variadas, por ejemplo:

Ajustes incorrectos de los tiempos de cierre de los elementos mecánicos en un disparo, particularmente nocivos en el caso de turbinas Kaplan o Francis con tuberías forzadas.

Unidades trabajando en condiciones alejadas de las de diseño, por ejemplo turbinas y turbinas-bombas operando a cargas demasiado bajas o turbinas operando a sobrecargas, con pares motores superiores a los de diseño, lo que puede dar lugar a fallo de cojinetes en procesos transitorios.

Problemas derivados de inspecciones rutinarias de mantenimiento, que pueden dar lugar a la aparición de problemas no existentes previamente, como pueden ser los desequilibrios provocadas por aportes de soldadura para reparar zonas afectadas de erosión por cavitación o los debidos al cambio de alguno de los polos del generador.

Utilización de materiales con baja resistencia a la cavitación, que puede verse agravado por una disposición incorrecta de la turbina o una falta de aereación de la misma.

Selección inadecuada de elementos mecánicos.En ocasiones se produce la presencia de varios de estos factores, lo cual puede dar lugar a una avería “catastrófica” la cual incluso, si no se adoptan las medidas oportunas, puede repetirse en el tiempo. La determinación de las causas origen del fallo mediante el oportuno análisis del mismo y de las pruebas “in situ” evitará su repetición, reduciendo las indisponibilidades no programadas, con el consiguiente beneficio económico

B) RECEPCIÓN DE MAQUINARIA:Los ensayos de recepción tienen por objeto el verificar el cumplimiento de las condiciones contractuales que atañen a los equipos ensayados, turbina-alternador en este caso, así como determinar la presencia de daños, defectos o vicios ocultos que puedan afectar a la unidad desde el momento de su puesta en servicio.Este ensayo es conforme a la Norma UNE 20-168-85 "Guía para la recepción, explotación y mantenimiento de las turbinas hidráulicas". Consiste básicamente en verificar el comportamiento dinámico de una serie de parámetros, ligados al funcionamiento de la unidad, y que definen las condiciones del conjunto turbina-alternador.

Las pruebas de vibraciones a realizar dentro del ensayo de comportamiento dinámico son conformes a la Norma IEC 994 "Guide for field measurement of vibrations and pulsations in hydraulic machines (turbines, storage pumps and pump-turbines)".

El ensayo comprende una serie de pruebas en régimen estabilizado así como en régimen transitorio, dichas pruebas son las siguientes.

Régimen estabilizado: A porcentajes de carga del 25%, 50%, 75% y 100% de la nominal, adicionalmente se realizaran pruebas de la máquina girando en vacío y excitada sin acoplar.

Régimen transitorio: Se incluyen los disparos desde los porcentajes de carga citados anteriormente del 25%, 50%, 75% y 100% de la carga nominal, adicionalmente se registran los transitorios de arranque, parada y cambios de carga (subidas y bajadas).

Las diferentes pruebas se realizan incrementando la carga por escalones, los citados anteriormente, y registrando los parámetros que en cada caso definan las condiciones de funcionamiento de la unidad. Todos los parámetros son registrados en tiempo real y analizados "in situ" antes de proceder a realizar la prueba siguiente.

Adicionalmente estos ensayos, complementados con otras técnicas como (termografía, vibraciones, análisis de aceites del transformador, análisis de aceites de lubricación y de regulación, aislamiento del generador, etc) se realizan para ponderar la valoración de los activos de las instalaciones en caso de transmision de la propiedad.

C) MEDIDA DE ESPESORES EN TUBERÍAS:

La conducción forzada o tubería a presión está sujeta a lo largo de su vida a corrosiones, incrustaciones, sedimentaciones, formación de depósitos, etc. El control de la pérdida del espesor de la pared de la tubería proporciona un indicador de su vida útil.

Se realiza en campo la inspección visual de los diferentes tramos que forman la tubería incluyendo las bocas de hombre, picajes, codos, apoyos, soportes, etc. Posteriormente se procede a la medida por tramos de los espesores con un equipo de ultrasonidos valorando el alcance de la corrosión.Es necesario llevar a cabo unas medidas a periodos regulares establecidos en función del estado actual y del año de puesta en servicio. De este modo se puede determinar la velocidad de corrosión y adelantarnos así a un posible fallo intempestivo en la tubería.

D) EQUILIBRADO DE GENERADORES:El desequilibrio de un rotor es el resultado de una distribución másica desigual en el mismo, lo cual produce vibraciones. Estas vibraciones, que se deben a la interacción entre la componente másica desequilibrada y la aceleración radial debida al giro, las cuales conjuntamente generan una fuerza centrípeta, se transmiten a los cojinetes del rotor, de tal forma que cualquier punto de los mismos experimenta una fuerza radial por revolución.

En un grupo hidroeléctrico los componentes susceptibles de presentar desequilibrio másico son: el rodete de la turbina hidráulica, el rotor del alternador y el cuerpo de la excitatriz. El desequilibrio puede deberse a posibles defectos en la construcción, fabricación, montaje y operación del grupo hidroeléctrico.El equilibrado es de aplicación tanto en turbinas de acción como de reacción, así como en turbinas-bombas y bombas acopladas a un generador o motor eléctrico. Se basa en los criterios que permiten la realización del equilibrado dinámico in situ del rotor de un grupo turbina-generador por el método de los coeficientes de influencia (MCI).

4.9 MONTAJE, ALINEACION, PRUEBAS Y ARRANQUE.

Descripción del funcionamientoLa operación y control de una turbina se realiza por medio de un control

electrónico que se divide en las siguientes partes: abastecimiento de energía (protecciones de sobrecarga y distribución), controles y señales de supervisión de la bomba de aceite, botones de modo operacional, controles de apagado de emergencia y válvulas de seguridad, controles manuales y conexiones de seguridad para la válvula esférica y válvulas principales, así como para freno de emergencia y apagado del generador, y comandos y señales del generador de las bombas de aceite.

Vista Tableros de Control Sala de Máquinas Desde el panel se realiza toda la operación comenzando por el control de las

bombas de aceite indispensables para el correcto funcionamiento de la turbina, esta siempre debe estar encendida así como la bomba de aceite auxiliar mientras el modo operacional se encuentre en supervisión remota, en este caso la bomba auxiliar se encuentra conectada a un medidor de presión de respuesta.  El modo operacional en que se encuentre todo el sistema se puede determinar al seleccionar mediante un interruptor una de las tres posiciones: manual, local o supervisión remota.

Cuando de encuentra en manual se pueden operar desde el cubículo de control de la turbina los siguientes interruptores: control de bombas de aceite I y II, válvulas de paso, válvula esférica, boquillas de frenado y generador. En modo operacional local todos los circuitos mencionados reciben las ordenes de un ordenador; mientras que en modo remoto los comandos solo se aceptan desde una terminal remota.

El sistema al detectar cualquier anomalía puede causar un apagado de emergencia ya sea total o parcial, las condiciones son: nivel bajo de aceite en cualquier bomba, velocidad alta en la turbina, fallas en los controles electrónicos o falta de energía en el sistema de medición de velocidad. En estos casos se dan ordenas automáticas que cierran las válvulas de paso, la esférica, la de cierre hidráulico y los cierres de emergencia, resetea la velocidad y  los limitantes de aperturas; también es posible realizar un apagado rápido mediante un botón manual que imparte similares ordenes.

Antes de reiniciar la operación de la turbina después de un apagado de emergencia la válvula de emergencia  se debe resetear. Así mismo para abrir la válvula de paso el sello aguas arriba en la esférica no debe tener presión y el procedimiento de emergencia debe ser cancelado.  Las condiciones para abrir la válvula esférica las agujas deben estar cerradas, las presiones tienen que ser iguales y la orden de cerrado cancelada.  En caso de que una de las condiciones falla las válvulas se volverán a cerrar.

Para prevenir una mala operación el freno hidráulico se encuentra bloqueado por varios circuitos de seguridad hasta que varias condiciones se cumplen y las señales indican  “OK" para continuar.

La operación normal de la turbina se realiza siguiendo paso a paso las secuencias de operación de la maquina según lo indica el fabricante.

Algunas posibles perturbaciones que se pueden presentar durante el servicio son:

·          La válvula esférica no abre:Motivo: No se obtiene equilibrio de presión entre la extensión de tubería anterior y posterior.Causa: las válvulas de llenado no están abiertas, las agujas de la tobera no cierran bien (perdida de presión) o las válvulas de la tubería de vaciado están abiertas.Motivo: La señal “bloqueo de la válvula esférica abierto” falta estándolo.Causa: La alimentación de corriente a los interruptores esta interrumpida.Motivo: Falta agua a presión para accionar la válvula.Causa: Las válvulas están cerradas, el filtro está sucio o la válvula de mando está descompuesta.·          La tobera tiene fuga:Causa: Cuerpo ajeno atascado.Remedio: Abrir completamente y volver a cerrar la tobera completamente varias veces.Causas:    Punta de aguja y asiento están gastados.Remedio: Montar pieza de repuesto.·          Disminución de potencia:Causa:      Cuerpo ajeno atascado.Remedio: Abrir completamente y volver a cerrar la tobera completamente varias                 veces.Causas: Punta de aguja y asiento están gastados.Remedio: Montar pieza de repuesto.Causas:    Elevación de nivel de agua en la fosa de la turbina.Remedio: Controlar el sistema de aireación del foso y del canal de descarga.

Causas:    El deflector sigue al chorro y lo interfiere.Remedio: Verificar la Posición del varillaje de regulación, comprobar y corregir si es necesario el sincronismo electrónico de las agujas.Causas: Desgaste en los cangilones del rodete.Remedio: agua de servicio muy sucia o desgaste de las puntas de las agujas y los asientos e interferencia del deflector en el chorro, el chorro deshace y provoca un desgaste del rodete. Montar un rodete de reserva.