Guía completa de tubos de aspiración (draft tubes): diseño, función y aplicaciones

Los tubos de aspiración (draft tubes) son componentes esenciales en la mayoría de turbinas como Kaplan, Francis y turbinas de reacción. El componente es como una tubería diseñada con áreas que aumentan gradualmente, conectando la salida del rotor con el canal de fuga (tailrace). Con sus dos extremos, uno se conecta a la salida del rotor y el otro queda sumergido bajo el nivel de agua en el canal de fuga. En este componente, la energía cinética se convierte en presión estática.

Hoy conocerás la definición, aplicaciones, función, diagrama, tipos y funcionamiento del tubo de aspiración. También verás sus ventajas e inconvenientes.

¿Qué es un tubo de aspiración?

Un tubo de aspiración es una tubería de conexión instalada generalmente en la salida de una turbina para convertir la energía cinética del agua en la salida en presión estática. Con este componente se evita el desperdicio de la energía cinética del agua. En un tubo de aspiración, el diámetro es menor cerca de la entrada y mayor cerca de la salida. Esta salida siempre está sumergida en agua. El acero fundido y el hormigón son los materiales usados para fabricar un tubo de aspiración.

Como se mencionó, los tubos de aspiración se usan generalmente en turbinas de potencia como reacción, Kaplan y Francis. El sistema se ubica justo debajo del rotor y permite desacelerar la velocidad de flujo de salida del rotor.

Los tubos de aspiración se usan en turbinas para evitar el problema de reflujo, por eso se ubican entre la salida de la turbina y el canal de fuga. Turbinas como Pelton o de impulso no necesitan tubo de aspiración porque la carga disponible es muy grande. Esto resulta en una presión superior a la atmosférica en la salida de la turbina. Debido a esta presión sobreatmosférica del agua en la salida, el reflujo nunca ocurrirá.

Aplicaciones de los tubos de aspiración

Las aplicaciones en turbinas ya se mencionaron. Se usan para aumentar la presión desde la baja presión de salida de la turbina hasta la presión del entorno al que se rechaza el fluido. La función principal es convertir la energía cinética del agua en energía de presión, disminuir la velocidad del agua y elevar su presión antes de unirse al canal de fuga. Esta tubería aumenta gradualmente la sección transversal.

Diagrama de un tubo de aspiración:

Tubo de aspiración en turbina Kaplan.

Tipos de tubos de aspiración

A continuación los diversos tipos:

Tubo de aspiración cónico (conical draft tube):

Permiten flujo en dirección recta y divergente. Suelen fabricarse con chapas de acero dulce, con forma cónica y diámetro exterior mayor que la entrada. El ángulo cónico no es demasiado ancho para no inducir divergencia del flujo desde la pared del tubo. Tampoco debe ser demasiado corto, porque se requeriría un tubo más largo para ofrecer una pérdida sustancial de energía cinética.

Tubo de aspiración de codo simple (simple elbow draft tube):

Tienen forma de codo. Usado a menudo en turbinas Kaplan. La sección transversal permanece constante en toda su longitud, mientras que entrada y salida son circulares. Usados en posiciones de baja carga y cuando la turbina se monta junto al canal de fuga. Esto minimiza el coste de excavación y el diámetro de salida es lo bastante ancho para recuperar la energía cinética en la salida del rotor.

Tubo de aspiración Moody (Moody draft tube):

En los tubos Moody, la salida se divide en dos secciones y tiene una entrada. Es similar a un tubo cónico. Ayuda a reducir el movimiento giratorio del agua.

Tubo de aspiración de codo con sección transversal variable (elbow draft tube with varying cross-section):

Mejoras del codo simple. Su entrada es circular mientras la salida es rectangular. Generalmente, la sección horizontal se inclina hacia arriba para evitar que el aire alcance la zona de salida. La sección transversal varía de entrada a salida. La salida está bajo el canal de fuga.

Funcionamiento de los tubos de aspiración

El funcionamiento en una turbina es poco complejo y fácil de entender. En turbinas Kaplan y Francis, la carga disponible en la entrada es baja, por lo que la turbina se coloca mucho más cerca del canal de fuga. Esto ayuda a obtener la máxima carga. La mayor parte de la presión del agua se convierte en energía mecánica de la turbina. La carga de presión en la salida de la turbina está por debajo de la presión atmosférica.

El reflujo puede ocurrir ya que la salida de la turbina está cerca del canal de fuga y la presión del agua en la salida es menor que la atmosférica. Esto ocurre porque el agua fluye de alta presión a baja presión, y en la salida de la turbina la presión es menor que la atmosférica, mientras que en el canal de fuga hay presión atmosférica.

Este reflujo puede causar daños graves a la turbina y sus piezas, provocando avería total. Para evitarlo, se usa un tubo de aspiración entre la salida de la turbina y el canal de fuga. El tubo aumenta la presión del agua hasta la presión atmosférica.

Mira el vídeo siguiente para saber más sobre el funcionamiento del tubo de aspiración:

Aplicando el principio de Bernoulli en las secciones 1-1 y 2-2

[Carga de presión + Carga de velocidad + Carga de elevación]_1-1 = [Carga de presión + Carga de velocidad + Carga de elevación]_2-2

Sea
P₁ = presión del fluido en sección 1-1 (entrada del tubo de aspiración)
V₁ = velocidad del fluido en sección 1-1 (entrada del tubo de aspiración)
Similarmente,
P₂ = presión del fluido en sección 2-2 (salida del tubo de aspiración)
V₂ = velocidad del fluido en sección 2-2 (salida del tubo de aspiración)
ρ = densidad del fluido en flujo
g = fuerza gravitatoria
h_f = pérdida de carga (energía) en el tubo de aspiración
H_s = altura vertical del tubo de aspiración sobre el canal de fuga
y = distancia del fondo del tubo de aspiración al canal de fuga
P_a = presión atmosférica del fluido.

(P₁/ρg) + (V₁²/2g) + (H_s + y) = (P₂/ρg) + (V₂²/2g) + (0 + h_f)
(P₁/ρg) = (P₂/ρg) – (H_s + y) + (V₂²/2g) – (V₁²/2g) + h_f

La carga de presión en la sección 2-2 es igual a la carga de presión atmosférica y la distancia y.
(P₂/ρg) = (P_a/ρg) + y
(P₁/ρg) = (P_a/ρg) + y – H_s – y + (V₂²/2g) – (V₁²/2g) + h_f
(P₁/ρg) = (P_a/ρg) – H_s + (V₂²/2g) – (V₁²/2g) + h_f

Transformando la ecuación para nuestro requerimiento (tomando «-» común en el medio del segundo miembro):
(P₁/ρg) = (P_a/ρg) – H_s – [ (V₁²/2g) – (V₂²/2g) – h_f ]

En la ecuación anterior [ (V₁²/2g) – (V₂²/2g) – h_f ] se llama carga cinética.
Aquí [ (V₁²/2g) – (V₂²/2g) ] es la carga dinámica.
De la ecuación anterior podemos escribir:
(P₁/ρg) < (P_a/ρg)
Por tanto P1 < Pa

La carga de presión en la entrada del tubo de aspiración o salida de la turbina es menor que la presión atmosférica. Así, la carga neta en la turbina con el tubo de aspiración aumenta.

Ventajas e inconvenientes de los tubos de aspiración

Ventajas:

• El tubo de aspiración evita salpicaduras de agua del rotor y conduce el agua directamente al canal de fuga
• La cantidad de energía cinética requerida en el canal de fuga disminuye enormemente
• El rendimiento del sistema aumenta
• La carga de la turbina se eleva al aumentar la altura entre la salida de la turbina y el canal de fuga

Inconvenientes:

Los únicos inconvenientes son que se añade peso extra al sistema y el coste inicial del tubo de aspiración es alto.

Conclusión

El tubo de aspiración es un componente esencial en la mayoría de turbinas como Kaplan, Francis y de reacción. Es como una tubería con áreas que aumentan gradualmente conectando la salida del rotor con el canal de fuga. Su propósito es convertir la energía cinética del agua en la salida en presión estática. En este artículo se trataron definición, aplicaciones, función, tipos y funcionamiento de los tubos de aspiración.

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