Guía esencial de turbinas de impulso: definición, aplicaciones y componentes

La turbina de impulso es una de las turbinas más simples, clasificada como turbina hidráulica junto con las de reacción. Estas turbinas se agrupan según cómo se intercambia la energía entre el fluido y la turbina. Se instalan para convertir la energía potencial y cinética del flujo de agua en trabajo mecánico. Las centrales hidroeléctricas usan extensivamente turbinas de impulso y pueden usarse para bombeo de agua.

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

¿Qué es una turbina de impulso?

Una turbina de impulso es un dispositivo que usa la energía cinética del fluido para golpear los álabes a través de la tobera. En estas turbinas, un conjunto de maquinaria rotativa opera a presión atmosférica. Son adecuadas para alta carga y bajos caudales. Las turbinas de impulso funcionan basándose en el cambio de vectores de velocidad, es decir, la energía potencial del agua (u otras fuentes de fluido, ej. vapor) dependiendo de la altura de la caída se convierte en energía cinética por una o más toberas.

Cuando el agua golpea los álabes de la turbina a alta velocidad, esta gira y un eje conectado al generador permite generar electricidad. Esto la hace adecuada para extraer energía de condiciones de alta carga y bajo caudal.

Las turbinas de impulso son de tres tipos: Pelton, Turgo y Cross-flow. La construcción de Pelton y Turgo es muy similar. Sin embargo, la turbina Cross-flow es una versión modificada de una turbina de impulso, clasificada como tal. Esto es porque la rotación del rotor ocurre a presión atmosférica y no como turbina sumergida.

Aplicaciones de la turbina de impulso

Las aplicaciones se usan ampliamente para generación de energía eléctrica. De hecho, una gran proporción de la energía eléctrica mundial se genera por turbogeneradores.

Los motores principales del transbordador espacial usaban turbobombas (máquina que consiste en una bomba accionada por motor de turbina) para alimentar los propulsores (oxígeno líquido e hidrógeno líquido) en la cámara de combustión del motor.

Las turbinas hidráulicas se usan en centrales hidroeléctricas. Usan agua como fluido de trabajo. Finalmente,

Las turbinas de vapor se usan en centrales nucleares y térmicas. El agua se calienta para formar vapor y luego fluye a través de turbinas para producir electricidad.

Nota: la función principal de una turbina de impulso es la generación de potencia y bombeo de agua.

Componentes de la turbina de impulso

A continuación los componentes principales y sus funciones:

Rotor (runner):

Esta parte en una turbina de impulso es como un disco circular que contiene varios álabes curvados unidos a él. Hay un eje cilíndrico en el centro hecho de acero inoxidable, al igual que el rotor. El rotor puede ser de fundición cuando la carga de flujo es menor.

Cucharas (buckets):

Las cucharas son como un conjunto de copas en forma de cuchara montadas alrededor del rotor para intercambiar energía entre el fluido y la turbina. El fluido a alta velocidad golpea estas cucharas al salir de la tobera, haciendo girar los álabes de la turbina y saliendo por el borde exterior de la cuchara. El diseño de la turbina determinará el cambio en la dirección del fluido durante la salida comparado con el ángulo de impacto. El mayor momento se obtiene en un ángulo de 180 grados.

Tobera (nozzle):

La función de una tobera en una turbina de impulso es ajustar, modificar y lanzar el flujo de fluido para golpear las cucharas. Es una parte importante que causa cambios de presión y permite que la carga de flujo se convierta en energía cinética. Una parte llamada aguja (spear) en este dispositivo se usa para ajustar el volumen del chorro de agua que alcanza las cucharas. Estas toberas se diseñan con carburo de tungsteno, muy duro y resistente a partículas erosivas.

Carcasa (casing):

La carcasa en una turbina de impulso sirve como escudo sobre la turbina para evitar salpicaduras de agua. También la guía al vertedero, que existe para el agua extra y proteger la integridad estructural de la presa. Generalmente, esta parte se produce con fundición.

Tubería de carga (penstock):

Esta parte se usa ampliamente en centrales hidroeléctricas como tuberías y canales que conducen agua de presas y embalses a turbinas. El agua fluye a presión muy alta. Las tuberías de carga normalmente son de acero.

Diagrama de turbina de impulso:

Tipos de turbina de impulso

A continuación los diversos tipos de turbina de impulso usados en centrales hidroeléctricas y su funcionamiento:

Pelton:

Una turbina Pelton tiene como componentes principales rotor, tobera y deflector. Se usa para gran altura de caída de agua. Una o más toberas (hasta 6) ayudan a convertir la carga de agua en flujo de alta velocidad. Al fluir el agua, la potencia de la turbina se controla regulando la cantidad de flujo de agua.

El sistema presenta una serie de cucharas simétricas alrededor del rotor cilíndrico de la turbina. El diseño y forma de estas cucharas hacen que el chorro de agua golpee el centro de la cuchara y salga por ambos lados. Esta salida ocurre de forma que el agua que sale de la cuchara no golpee la siguiente, resultando en un freno. El eje de la rueda de la turbina puede montarse vertical u horizontalmente. Para altas potencias, eficiencia y mayor número de toberas, el eje de la rueda es siempre vertical y el generador se instala sobre la turbina.

Un deflector se ubica entre el rotor y la tobera. Ayuda a evitar que el agua salpique de la tobera a las cucharas cuando la carga se retira repentinamente de la turbina, lo que aumenta su velocidad de rotación. Finalmente, una aguja se usa para detener el flujo de agua.

Diagrama de turbina de impulso Pelton:

Turgo:

Los tipos de turbina de impulso Turgo operan de forma similar a la Pelton. Su principal diferencia es que el chorro de agua golpea las cucharas oblicuamente (unos 20 grados). Esto es porque la forma de la cuchara es más complicada y difícil de fabricar. Las turbinas Turgo tienen una velocidad específica mayor que las Pelton. Una ventaja de estos tipos de turbinas de impulso es el chorro mayor y tamaño de máquina menor comparado con Pelton para igual potencia. Pequeñas centrales hidroeléctricas usan esta turbina.

Diagrama de turbina de impulso Turgo:

Cross-flow (flujo cruzado):

Estos tipos de turbinas son modificación de turbinas de impulso a menudo usadas en pequeñas centrales hidroeléctricas. Al igual que las de impulso, el rotor gira en aire y no está totalmente sumergido como una turbina de reacción. Los beneficios incluyen operación en amplio rango de caudal, carga y por tanto potencia. Además, se adapta bien a cambios de flujo manteniendo la eficiencia. Hay un sistema de control especial que puede ajustar la parte activa de la turbina según la cantidad de flujo de agua.

Diagrama de turbina de flujo cruzado:

Principio de funcionamiento de una turbina de impulso

El funcionamiento es diferente ya que hay diversos tipos. Al explicar los tipos mencioné cómo funcionan. Generalmente, en el proceso de generación de potencia en turbinas de impulso, deben cumplirse los siguientes pasos:

• El agua almacenada fluye desde una fuente aguas arriba a través de la tubería de carga para ser entregada a la tobera
• La energía potencial del agua dentro de la tobera se convierte en energía cinética e inyectada en los álabes o cucharas; así el rotor gira
• Hay un mecanismo para controlar el flujo de agua inyectado en el rotor. La aguja suele jugar un papel importante en este proceso
• El generador conectado al eje convierte la energía mecánica en energía eléctrica

Mira el vídeo siguiente para saber más sobre el funcionamiento de una turbina de impulso:

Ventajas e inconvenientes de una turbina de impulso

Ventajas:

• Fácil mantenimiento
• Construcción simple
• Alta eficiencia de trabajo
• Puede trabajar a presión atmosférica
• Su velocidad de rotación es alta

Inconvenientes:

• Ocupa mucho espacio por su tamaño
• El coste de instalación es alto
• La eficiencia de trabajo disminuye con el tiempo
• No apta para altos caudales
• Ideal solo para bajo caudal
• Requiere alta carga que es difícil de gestionar

Conclusión

Las turbinas de impulso son tipos especiales de turbinas para generación de potencia y bombeo de agua. Son de tres tipos: Pelton, Turgo y cross-flow. En este artículo se explicaron definición, aplicaciones, función, componentes, diagrama y funcionamiento de una turbina de impulso. También se indicaron sus ventajas e inconvenientes.

Espero que hayas disfrutado la lectura. Si es así, compártelo con otros estudiantes. ¡Gracias por leer, hasta la próxima!