Turbinas de reacción en energía hidroeléctrica: cómo generan electricidad

Al ser un tipo especial de turbina usada en centrales hidroeléctricas, la turbina de reacción se usa en todo el mundo para generar electricidad. Se estima que alrededor del 60 % de las turbinas en centrales hidroeléctricas son de reacción, aunque compiten con las turbinas de impulso. Una turbina de reacción está construida con hileras de álabes fijos y hileras de álabes móviles. Estos álabes fijos actúan como toberas y los móviles se mueven como resultado del impulso del vapor recibido (causado por un cambio de momento). También, como resultado de la expansión y aceleración del vapor respecto a ellos, siguen actuando como toberas. Esto se explicará más adelante.

Hoy conocerás la definición, aplicaciones, función, componentes, diagrama, tipos y principios de funcionamiento de una turbina de reacción. También verás sus ventajas e inconvenientes.

¿Qué es una turbina de reacción?

Una turbina de reacción funciona con la tercera ley de Newton (acción y reacción son iguales y opuestas). El sistema genera par en respuesta a la presión y peso del fluido. En su funcionamiento, el agua golpea primero los álabes fijos y luego la tobera.

En una turbina de reacción, la suma de la energía potencial y cinética del agua debida a la presión y velocidad, respectivamente, hace girar los álabes de la turbina. Todo el cuerpo de la turbina está sumergido en agua y los cambios en la presión del agua junto con la energía cinética del agua causan el intercambio de potencia. Las aplicaciones de una turbina de reacción suelen ser a cargas menores y caudales mayores que el tipo de impulso.

Los álabes de la turbina o álabes del impulsor están diseñados para generar una fuerza en un lado cuando el agua fluye a través de ellos, igual que un aerofolio. En un avión, la fuerza producida por un aerofolio es responsable de su sustentación. De forma similar, aquí la fuerza hace girar los álabes.

Distintos tipos de turbinas de reacción tienen sus propias condiciones ideales de operación. Por ejemplo:

• Turbinas Pelton se prefieren donde se obtiene bajo caudal y alta carga (80–1600 m)
• Turbinas Kaplan requieren alto caudal junto con carga baja o media (2–70 m)
• Turbinas Francis trabajan a caudal medio y carga media. La Francis es una combinación de turbinas de impulso y reacción

Las turbinas Francis son las más usadas porque ofrecen la mayor eficiencia y pueden operar en una amplia gama de condiciones.

Aplicaciones de la turbina de reacción

Las diversas aplicaciones incluyen:

• Molinos de energía eólica para generar electricidad
• Generación de electricidad en centrales hidroeléctricas
• Obtener máxima potencia de una baja carga de agua disponible y alta velocidad

Nota: la función principal de una turbina de reacción es la generación de potencia.

Componentes de la turbina de reacción

A continuación los componentes principales y su función:

Carcasa espiral (spiral casing):

Estos componentes tienen sección transversal uniformemente decreciente a lo largo de la circunferencia. Esta disminución asegura una velocidad uniforme del agua golpeando los álabes del rotor. Hay una abertura para el flujo de agua hacia los álabes del rotor desde el inicio de la carcasa, causando que la presión disminuya al recorrerla. La reducción de su sección transversal a lo largo de su circunferencia hace la presión uniforme, por tanto, momento o velocidad uniforme golpeando los álabes del rotor.

Álabes guía (guide vanes):

Montados en la carcasa espiral para asegurar que el agua que golpea los álabes del rotor tenga dirección a lo largo del eje de la turbina. De lo contrario, el flujo sería altamente giratorio al moverse por la carcasa espiral, no siendo lo bastante eficiente para girar los álabes del rotor. En turbinas modernas, los ángulos de estos álabes guía son ajustables, permitiendo regular el caudal de agua.

Álabes del rotor (runner blades):

Son componentes importantes de una turbina de reacción. De hecho, se considera el corazón de la turbina. La forma de los álabes usa la energía de presión del agua para hacer funcionar la turbina. Su diseño es esencial y juega un papel clave en la eficiencia. En versiones modernas, estos álabes pueden girar sobre su eje, por lo que la fuerza de presión que actúa sobre ellos puede variar según la carga y la presión disponible.

Tubo de aspiración (draft tube):

Conecta la salida del rotor con el canal de fuga, teniendo sección transversal creciente a lo largo de su longitud. El agua que sale de los álabes del rotor está a presión considerablemente baja, y su sección transversal creciente recupera la presión al fluir hacia el canal de fuga.

Diagrama de una turbina de reacción:

Tipos de turbina de reacción

A continuación los diversos tipos:

Turbinas de hélice (propeller turbines):

Suelen tener 3 a 6 álabes en la trayectoria del flujo, con el agua en contacto constante con todos los álabes. Solo pueden instalarse donde la carga y la altura son constantes. Su curva de eficiencia energética es muy puntiaguda bajo carga parcial, lo que significa mal rendimiento en el sistema.

Las turbinas Kaplan pueden alcanzar altos niveles de eficiencia bajo diversas condiciones de carga ajustando adecuadamente los álabes durante su funcionamiento. Esto es porque el ángulo del álabe puede ajustarse a la potencia requerida.

Turbinas Francis (Francis turbines):

Son una versión modificada de la turbina de hélice, ya que el agua fluye radial y axialmente hacia el rotor. En su funcionamiento, los canales de flujo se sitúan generalmente en una carcasa espiral con álabes guía internamente ajustables.

Estas turbinas de reacción tienen un rotor con nueve o más álabes fijos. El agua incide directamente arriba y alrededor del rotor, que luego cae y gira.

Turbinas de gravedad (gravity turbines):

Convierten la fuerza de gravedad en fuerza rotacional. En su funcionamiento, la energía cinética de la fuerza de gravedad se convierte en electricidad.

Turbinas bulbo (bulb turbines):

Son variantes de turbinas de hélice. El generador de la turbina bulbo está encerrado y sellado en una carcasa de acero estanca y aerodinámica ubicada en el centro del conducto. Este generador es accionado a través de una hélice de paso variable en el extremo aguas abajo de la válvula. La dirección del agua que entra y sale del sistema es prácticamente inalterada o muy poco. Su compacidad ofrece más flexibilidad en el diseño de la central.

Turbinas Straflo (straflo turbines):

Son turbinas axiales con álabes fijos. Su generador está ubicado fuera del canal de agua y conectado directamente al rotor de la turbina.

Turbinas tubulares (tube turbines):

En esta turbina, la tubería de presión se curva poco antes y después de la trayectoria del flujo, permitiendo una conexión recta al generador.

Principio de funcionamiento de la turbina de reacción

El funcionamiento es poco complejo y fácil de entender. En su funcionamiento, un rotor que contiene toberas móviles libera agua a alta presión. Al salir el agua de las toberas, experimentan una fuerza de reacción que hace girar el rotor a muy alta velocidad. También se genera una fuerza de reacción por el fluido moviéndose sobre los álabes del rotor. La fuerza de reacción producida en los álabes del rotor hace girar el rotor. El fluido entra en el tubo de aspiración tras moverse sobre los álabes del rotor y finalmente al canal de fuga.

Mira el vídeo siguiente para saber más sobre el funcionamiento de la turbina de reacción:

Ventajas e inconvenientes de la turbina de reacción

Ventajas:

• Alta eficiencia hidráulica
• Alta velocidad de trabajo
• Diseño menos complejo
• Álabes de alta eficiencia
• Requiere menos espacio
• Sistema de escape sin aceite
• Tamaño portable
• Capaz de usar alta temperatura y presión

Inconvenientes:

• Requiere alto mantenimiento
• Problemas de cavitación
• Coste de mantenimiento alto
• Se genera fuerza de empuje (thrust)
• Álabes no simétricos

Conclusión

Una turbina de reacción funciona con la tercera ley de Newton (acción y reacción son iguales y opuestas). El sistema genera par en respuesta a la presión y peso del fluido. En su funcionamiento, el agua golpea primero los álabes fijos y luego la tobera. En este artículo se trataron definición, función, aplicaciones, componentes, diagrama, tipos y funcionamiento de una turbina de reacción, así como sus ventajas e inconvenientes.

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