Ttulo: central mini hidrulica

P.

Abstract The Mini hydraulic power plants contribute significantly in the production of electrical energy. In this research theme will be the technical aspects involved in a mini hydroelectric power plant, in addition the turbines that are the basis of his performance likewise turbine types and the essentials for the election of a turbine. Also the environmental impact that these plants could cause was taken into account.

Resumen las minicentrales hidrulicas contribuyen de forma significativa en la produccin de energa elctrica. En este tema de investigacin se vern los aspectos tcnicos que se involucran en una central mini hidrulica, adems las turbinas que son la base de su funcionamiento as mismo los tipos de turbina y los aspectos esenciales para la eleccin de una turbina. Tambin se tomara en cuenta el impacto ambiental que este tipo de centrales podra provocar.

Palabras clave: Mini central hidrulica, turbinas.

INTRODUCCINEn la actualidad la energa disponible ha sido siempre una parte fundamental para la el progreso de la humanidad por lo que cada vez la demanda es creciente y los recursos energticos para cubrir estas necesidades de consumo y progreso y porque no tambin la comodidad, no son capases de suministrar o pueden ser muy costosas de producir o tambin pueden generar un impacto ambiental muy grande. Por lo se ha pensado o trata de cambiar con Las energas renovables que provienen de fuentes inagotables como el Sol y no emiten gases de efecto invernadero, entre otros beneficios, son una de las piezas clave en la construccin de un sistema de desarrollo sostenible.Las energas renovables han dejado de ser tecnologas caras y poco utilizadas para ser plenamente competitivas y eficaces de cara a cubrir las necesidades de la demanda. Dentro de estas energas renovables se encuentra la energa hidroelctrica, como principal aliado en la generacin de energa limpia y autctona. Se denominan minicentrales hidroelctricas a aquellas instalaciones de potencia instalada inferior a 10 MW de las cuales nos centraremos en este informe.TEXTOAntecedentes.La energa hidrulica es una energa renovable, prcticamente gratuita y limpia. En la produccin de electricidad sustituye a los combustibles de origen fsil y nuclear con todos los problemas de eliminacin de desechos que traen consigo. Entre los argumentos que hablan a favor de la energa hidrulica en general y de los pequeos aprovechamientos en particular podemos mencionar: No hay forma ms limpia de producir energa elctrica que la basada en la energa hidrulica. El agua como combustible no se consume, solo es explotada y no empeora su calidad. No se producen emisiones contaminantes. Debido a una mayor conciencia que actualmente se tiene en cuanto a los problemas del medio ambiente, tanto el fabricante como el propietario de una instalacin generadora de electricidad ya no pueden permanecer indiferentes ante la pregunta de si la tecnologa elegida es o no perjudicial para el medio ambiente. Un pequeo aprovechamiento hidroelctrico puede ser realizado bien sobre un sitio tal que ya exista una presa construida o una cada de agua determinada que define perfectamente el lugar o, por contraste, en una vertiente suave donde la altura se obtendr por medio de un canal de entrada, tubera de presin, y dems componentes.En muchos pases la hidrogeneracin ha sido usada para disminuir la declinacin rural y desarrollar regiones aisladas. En general cuando se habla de instalaciones hidroelctricas se piensa en grandes emprendimientos, es decir, grandes presas y reservorios, grandes extensiones de agua embalsada; y por supuesto ha habido muchos de tales proyectos en todo el mundo. Pero son otros en una escala ms pequea los que nos ocupan en este trabajo. Muchos de estos pequeos proyectos son del tipo de pasada, esto es, son diseados para usar el caudal del ro o arroyo tanto como sea posible mediante una desviacin del total o parcial del caudal hacia un canal y posterior cmara de carga para dirigirse luego hacia la turbina por medio de una tubera.Desde la crisis del petrleo ha sido reconocido que los pequeos aprovechamientos pueden complementar la generacin por combustibles fsiles y proveer una fuente de energa econmica y confiable para las comunidades aisladas. Los pases ms desarrollados del mundo tienen una capacidad de generacin elctrica mediante pequeas centrales hidrulicas muy elevada, tal es el caso de China que tiene una capacidad instalada de 950 MW.

Definiciones.Las centrales hidroelctricas pueden definirse como instalaciones mediante las que se consigue aprovechar la energa contenida en una masa de agua situada a una cierta altura, transformndola en energa elctrica. Esto se logra conduciendo el agua desde el nivel en el que se encuentra, hasta un nivel inferior en el que se sitan una o varias turbinas hidrulicas que son accionadas por el agua y que a su vez hacen girar uno o varios generadores, produciendo energa elctrica

Transformacin de energa hidrulica en energa elctrica.[1] Aspectos tcnicos de una central minihidrulicaTipos de centrales hidroelctricasEl objetivo de un aprovechamiento hidroelctrico es convertir la energa potencial de una masa de agua situada en un punto - el ms alto del aprovechamiento- en energa elctrica, disponible en el punto ms bajo, donde est ubicada la casa de mquinas. La potencia elctrica que se obtiene en un aprovechamiento es proporcional al caudal utilizado y a la altura del salto.De acuerdo con la altura del salto los aprovechamientos pueden clasificarse en: De alta cada: salto de ms de 150 m De media cada: salto entre 50 y 150 m De baja cada: salto entre 2 y 20 m Estos lmites son arbitrarios y solo constituyen un criterio de clasificacin. Otra clasificacin en funcin del tipo de central sera la de: Centrales de agua fluyente: Estas centrales no acumulan agua, sino que utilizan el caudal del ro tal y como venga. El agua que no se emplee seguir su curso siendo evacuada por el aliviadero de la central. Pueden situarse en el mismo cauce del ro o en un canal hecho a tal efecto, y tendrn reserva o no en funcin de lo que se haya ensanchado el ro en la zona de la central.

Esquema de una central de agua fluyente [2] Centrales de pie de presa: Se emplean embalses para acumular un considerable volumen de caudal y elevar el nivel del agua, de forma que se puede controlar la potencia que producen en cada momento. Se situarn al pie de la presa o en una derivacin del curso.

Esquema de una central a pie de presa [1] Centrales de bombeo: Regulan la demanda energtica bombeando agua hasta una altura superior en los momentos de escaso consumo. De esta forma se recupera energa que se podr emplear cuando sea necesario turbinando de nuevo esa agua bombeada. Centrales en canal de riego o tubera de abastecimiento de agua: Es factible instalar una central hidroelctrica aprovechando una pendiente en un canal de irrigacin, ya sea ensanchando el canal, para poder instalar en la toma de agua, la central y el canal de fuga, o construir una toma lateral, que alimente una tubera forzada instalada a lo largo del canal. La primera alternativa es ms econmica, sobre todo si el salto es pequeo, pero exige planear simultneamente el canal y la central. La segunda permite aprovechar la rpida con el canal en funcionamiento.

Central en canal de riego [1]

Elementos de una minicentral hidroelctricaUna minicentral est constituida por diversos componentes y equipos que pueden clasificarse en tres grandes grupos:a) Obra civil. La obra civil engloba aquellas obras e instalaciones necesarias para derivar, conducir y restituir el agua turbinada, as como para albergar y proteger los equipos electromecnicos. Son obra civil los siguientes elementos: Azudes y presas: Son las obras que se construyen en el curso del agua, transversalmente al mismo, para la retencin y desviacin hacia la toma del caudal que se deriva hacia la minicentral. En los azudes se produce una retencin del agua sin que haya una variacin importante del nivel de agua. En las presas, el muro se construye para elevar la superficie libre del curso de agua creando un embalse. Obra de toma: Las obras de toma derivan el agua hacia las conducciones que la transportarn a la minicentral. Generalmente, en la toma se instala una reja, para impedir el paso de peces y material slido Canal de derivacin: Es la conduccin que transporta el agua que se deriva hacia la minicentral desde la toma hasta la cmara de carga. A lo largo del canal, dependiendo de su longitud, puede haber varias compuertas para limpieza y vaciado del canal en caso necesario. Al final del canal, antes de la cmara de carga, suelen instalarse una reja de finos con su correspondiente mquina limpiarrejas, as como una compuerta de seguridad Cmara de carga: Consiste en un depsito situado al final del canal de derivacin del que parte la tubera forzada. Esta cmara es necesaria para evitar la entrada de aire en la tubera forzada, que provocara sobrepresiones. Tubera forzada: La tubera forzada conduce el agua desde la cmara de carga hasta la turbina. Generalmente la tubera es de acero. Al inicio de la tubera se instala un rgano de cierre que permite evitar el paso de agua y vaciar la tubera poco a poco Edificio: En el edificio se albergan los equipos electromecnicos de la minicentral. Canal de salida: Es la conduccin a travs de la que se restituye el agua al cauce.b) Equipamiento electromecnicoSe consideran equipos fundamentales los siguientes: rgano de cierre de la turbina: Son vlvulas o compuertas que aslan la turbina en caso de parada y permiten el vaciado de la tubera y las labores de reparacin y mantenimiento.

Turbina/s: Son mquinas capaces de transformar la energa hidrulica en energa mecnica en su eje de salida. Su acoplamiento mediante un eje a un generador permite, finalmente, la generacin de energa elctrica.

Generador/es: Estas mquinas transforman la energa mecnica de rotacin que suministra/n la/s turbina/s en energa elctrica en sus bornes o terminales.

Pueden ser de dos tipos: Sncronos y asncronos. Los generadores sncronos suelen emplearse en centrales con potencia superior a 2.000 kVA conectadas a la red, o en centrales de pequea potencia que funcionan en isla (sin estar conectadas a la red). El generador asncrono, por el contrario, debe estar siempre conectado a la red elctrica, de la que toma la energa necesaria para producir su magnetizacin. Es usual emplearlos en centrales de menos de 500 kVA, siempre acopladas a la red. Para centrales con potencia aparente entre 500 y 2.000 kVA la eleccin de un generador sncrono o asncrono, depende de la valoracin econmica, del sistema de funcionamiento y de los condicionantes tcnicos exigidos por la compaa elctrica

Elementos de regulacin: Son aquellos que regulan los componentes mviles de las turbinas y pueden ser de dos tipos: hidrulicos y electrnicos. Su misin es conseguir adecuar la turbina a las circunstancias existentes en cada momento (caudal turbinable, demanda elctrica....) para que pueda trabajar con el mejor rendimiento energtico posible en cada circunstancia

Transformador/es: Son mquinas destinadas a convertir una tensin de entrada en otra distinta a la salida. El objeto del transformador es elevar la tensin de generacin elctrica para reducir en lo posible las prdidas de transporte en la lnea. Celdas y cuadros elctricos: Suelen instalarse generalmente en el interior de la minicentral y estn constituidos por diversos componentes elctricos de regulacin, control, proteccin y medida.

Lnea elctrica de interconexin: La lnea elctrica transporta la energa elctrica desde la minicentral hasta el punto de conexin con la compaa elctrica o hasta el centro de autoconsumo.

c) Equipos auxiliares Estos equipos son tambin necesarios para el correcto funcionamiento de una minicentral. Entre los ms comunes estn: Compuertas Reja y mquina limpiarrejas Gra para movimiento de mquinas Sistema contra-incendios Alumbrado Caudalmetro

Esquema de componentes de una minicentral hidroelctrica.[1]Turbina hidrulica La turbina hidrulica tiene una rica y variada historia, y ha sido desarrollada como un proceso natural que ha evolucionado a partir de la rueda hidrulica. El empleo de la turbina hidrulica para la generacin de electricidad, utilizada originalmente para impulsar directamente la maquinaria, es una actividad relativamente reciente. Gran parte de su desarrollo ocurri en Francia, que, al contrario que en Inglaterra, no dispona de las fuentes de hulla, abundantes y baratas, que impulsaron la revolucin industrial en el siglo XVIII. La Francia del Siglo XIX encontr que su recurso energtico ms abundante era el agua. Hasta el da de hoy, la houille blanche, es el trmino francs para la energa hidrulica. En este apartado se van a abordar los diferentes tipos de turbinas, con el fin de analizar sus propiedades bsicas, de forma que posteriormente se pueda justificar la eleccin de una de ellas y entrar en detalle en su funcionamiento y posibilidades. As, en primera instancia pasamos a presentar los diferentes tipos de turbinas.Para saltos con alturas entre 1 y 70 m, es usual desarrollar proyectos con micro turbinas del tipo Mitchell-Banki, Cross-Flow o de Doble Accin, debido a su fcil construccin, bajo costo y altos rendimientos (aproximadamente 70%). Es fundamental que el mantenimiento y montaje de las micro turbinas puedan realizarse mediante procedimientos sencillos, sin necesidad de calibracin y ajuste de los soportes de los rodamientos. Por ejemplo con rodamientos de rodillos y sobredimensionados, sujetos al eje por medio de un cilindro cnico (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 centrfuga desplaza el agua hacia afuera.Las turbinas hidrulicas tienen como misin transformar la energa potencial y cintica del agua en energa mecnica de rotacin. No hay informacin 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 micro turbina depende fundamentalmente de la tecnologa y capacidad tcnica para construirlas 8 en cada regin. Actualmente se puede contar con los diseos y planos constructivos de cualquier modelo de micro turbina, proporcionados por instituciones tales como SKAT, GATE, VITA, CREDPHI, etc. Las turbinas tipo hlice pueden ser ms convenientes para proyectos de baja altura (inferiores a los 5 m), utilizando tecnologas sencillas y de bajo costo, como por ejemplo, los desarrollos realizados en China y otros pases.Una mquina hidrulica es un dispositivo capaz de convertir energa hidrulica en energa mecnica; pueden ser motrices (turbinas), o generatrices (bombas), modificando la energa total de la vena fluida que las atraviesa. En el estudio de las turbomquinas hidrulicas no se tienen en cuenta efectos de tipo trmico, aunque a veces habr necesidad de recurrir a determinados conceptos termodinmicos; todos los fenmenos que se estudian sern en rgimen permanente, caracterizados por una velocidad de rotacin de la mquina y un caudal, constantes.En una mquina hidrulica, el agua intercambia energa con un dispositivo mecnico de revolucin que gira alrededor de su eje de simetra; ste mecanismo lleva una o varias ruedas, (rodetes o rotores), provistas de labes, de forma que entre ellos existen unos espacios libres o canales, por los que circula el agua. Los mtodos utilizados para su estudio son, el analtico, el experimental y el anlisis dimensional.El mtodo analtico se fundamenta en el estudio del movimiento del fluido a travs de los labes, segn los principios de la Mecnica de Fluidos.El mtodo experimental, se fundamenta en la formulacin emprica de la Hidrulica, y la experimentacin.El anlisis dimensional ofrece grupos de relaciones entre las variables que intervienen en el proceso, confirmando los coeficientes de funcionamiento de las turbomquinas, al igual que los diversos nmeros adimensionales que proporcionan informacin sobre la influencia de las propiedades del fluido en movimiento a travs de los rganos que las componen.1. Tipos de turbina hidrulica Una primera clasificacin de las turbomquinas hidrulicas, (de fluido incompresible), se puede hacer con arreglo a la funcin que desempean, en la forma siguiente:a) Turbomquinas motrices, que recogen la energa cedida por el fluido que las atraviesa, y la transforman en mecnica, pudiendo ser de dos tipos: Dinmicas o cinticas, Turbinas y ruedas hidrulicas Estticas o de presin, Celulares (paletas), de engranajes, helicoidales, etc.b) Turbomquinas generatrices, que aumentan la energa del fluido que las atraviesa bajo forma potencial, (aumento de presin), o cintica; la energa mecnica que consumen es suministrada por un motor, pudiendo ser: Bombas de labes, entre las que se encuentran las bombas centrfugas y axiales Hlices marinas, cuyo principio es diferente a las anteriores; proporcionan un empuje sobre la carena de un buquec) Turbomquinas reversibles, tanto generatrices como motrices, que ejecutan una serie de funciones que quedan aseguradas, mediante un rotor especfico, siendo las ms importantes: Grupos turbina-bomba, utilizados en centrales elctricas de acumulacin por bombeo Grupos Bulbo, utilizados en la explotacin de pequeos saltos y centrales maremotricesd) Grupos de transmisin o acoplamiento, que son una combinacin de mquinas motrices y generatrices, es decir, un acoplamiento (bomba-turbina), alimentadas en circuito cerrado por un fluido, en general aceite; a este grupo pertenecen los cambiadores de par.Ruedas hidrulicas.- Las ruedas hidrulicas son mquinas capaces de transformar la energa del agua, cintica o potencial, en energa mecnica de rotacin. En ellas, la energa potencial del agua se transforma en energa mecnica, como se muestra en la Fig 5.c, o bien, su energa cintica se transforma en energa mecnica, como se indica en las Figs 5.a.b.Se clasifican en: Ruedas movidas por el costado Ruedas movidas por debajo Ruedas movidas por arriba

Ruedas hidrulicas Su dimetro decrece con la altura H del salto de agua. Los cangilones crecen con el caudal. Los rendimientos son del orden del 50% debido a la gran cantidad de engranajes intermedios. El nmero de rpm es de 4 a 8. Las potencias son bajas, y suelen variar entre 5 y 15 kW, siendo pequeas si se las compara con las potencias de varios cientos de MW conseguidas en las turbinas.Turbinas hidrulicas.- Una turbomquina elemental o monocelular tiene, bsicamente, una serie de labes fijos, (distribuidor), y otra de labes mviles, (rueda, rodete, rotor). La asociacin de un rgano fijo y una rueda mvil constituye una clula; una turbomquina monocelular se compone de tres rganos diferentes que el fluido va atravesando sucesivamente, el distribuidor, el rodete y el difusor. El distribuidor y el difusor (tubo de aspiracin), forman parte del estator de la mquina, es decir, son rganos fijos; as como el rodete est siempre presente, el distribuidor y el difusor pueden ser en determinadas turbinas, inexistentes.El distribuidor es un rgano fijo cuya misin es dirigir el agua, desde la seccin de entrada de la mquina hacia la entrada en el rodete, distribuyndola alrededor del mismo, (turbinas de admisin total), o a una parte, (turbinas de admisin parcial), es decir, permite regular el agua que entra en la turbina, desde cerrar el paso totalmente, caudal cero, hasta lograr el caudal mximo. Es tambin un rgano que transforma la energa de presin en energa de velocidad; en las turbinas hlico-centrpetas y en las axiales est precedido de una cmara espiral (voluta) que conduce el agua desde la seccin de entrada, asegurando un reparto simtrico de la misma en la superficie de entrada del distribuidor.El rodete es el elemento esencial de la turbina, estando provisto de labes en los que tiene lugar el intercambio de energa entre el agua y la mquina. Atendiendo a que la presin vare o no en el rodete, las turbinas se clasifican en: Turbinas de accin o impulsin Turbinas de reaccin o sobrepresinEn las turbinas de accin el agua sale del distribuidor a la presin atmosfrica, y llega al rodete con la misma presin; en estas turbinas, toda la energa potencial del salto se transmite al rodete en forma de energa cintica.En las turbinas de reaccin el agua sale del distribuidor con una cierta presin que va disminuyendo a medida que el agua atraviesa los labes del rodete, de forma que, a la salida, la presin puede ser nula o incluso negativa; en estas turbinas el agua circula a presin en el distribuidor y en el rodete y, por lo tanto, la energa potencial del salto se transforma, una parte, en energa cintica, y la otra, en energa de presin. El difusor o tubo de aspiracin, es un conducto por el que desagua el agua, generalmente con ensanchamiento progresivo, recto o acodado, que sale del rodete y la conduce hasta el canal de fuga, permitiendo recuperar parte de la energa cintica a la salida del rodete para lo cual debe ensancharse; si por razones de explotacin el rodete est instalado a una cierta altura por encima del canal de fuga, un simple difusor cilndrico permite su recuperacin, que de otra forma se perdera. Si la turbina no posee tubo de aspiracin, se la llama de escape libreEn las turbinas de accin, el empuje y la accin del agua, coinciden, mientras que en las turbinas de reaccin, el empuje y la accin del agua son opuestos. Este empuje es consecuencia de la diferencia de velocidades entre la entrada y la salida del agua en el rodete, segn la proyeccin de la misma sobre la perpendicular al eje de giro.Atendiendo a la direccin de entrada del agua en las turbinas, stas pueden clasificarse en: Axiales; Radiales (centrpetas y centrfugas); Mixtas; TangencialesEn las axiales, (Kaplan, hlice, Bulbo), el agua entra paralelamente al eje, tal como se muestra en la En las radiales, el agua entra perpendicularmente al eje, siendo centrfugas cuando el agua vaya de dentro hacia afuera, y centrpetas, cuando el agua vaya de afuera hacia adentro, (Francis).En las mixtas se tiene una combinacin de las anteriores.En las tangenciales, el agua entra lateral o tangencialmente (Pelton) contra las palas, cangilones o cucharas de la rueda.Atendiendo a la disposicin del eje de giro, se pueden clasificar en: Turbinas de eje horizontal Turbinas de eje vertical

Turbina axial; Turbina radial; Turbina tangencial[2]2. Descripcin de alguno tipos de turbinas hidrulicas a) Turbinas de reaccinTurbina Fourneyron (1833), Fig.7, en la que el rodete se mueve dentro del agua. Es una turbina radial centrfuga, lo que supone un gran dimetro de rodete; en la actualidad no se construye.

Turbina Fourneyron[2]- Turbina Heuschel-Jonval, Fig.8, axial, y con tubo de aspiracin; el rodete es prcticamente inaccesible; en la actualidad no se construye.

Turbina Heuschel-Jonval[2]- Turbina Francis (1849), Fig.9; es radial centrpeta, con tubo de aspiracin; el rodete es de fcil acceso, por lo que es muy prctica. Es fcilmente regulable y funciona a diversos nmeros de revoluciones; es el tipo ms empleado, y se utiliza en saltos variables, desde 0,5 m hasta ms de 180 m; pueden ser, lentas, normales, rpidas y extrarpidas.

Turbina Francis[2]- Turbina Kaplan (1912), Fig.10; las palas del rodete tienen forma de hlice; se emplea en saltos de pequea altura, obtenindose con ella elevados rendimientos, siendo las palas orientables lo que implica paso variable. Si las palas son fijas, se denominan turbinas hlice.

Turbinas Kaplan[2]b) Turbinas de accin. Estas turbinas se empezaron a utilizar antes que las de reaccin; entre ellas se tienen:- Turbina Zuppinger (1846), con rueda tangencial de cucharas- Turbina Pelton, Fig.11, es tangencial, y la ms utilizada para grandes saltos

Turbina Pelton[2]- Turbina Schwamkrug (1850), radial y centrfuga, Fig.12

Turbina Schwamkrug[2]- Turbina Girard (1863), Fig.13, axial, con el rodete fuera del agua; mientras el cauce no suba de nivel, trabajaba como una de accin normal, mientras que si el nivel suba y el rodete quedaba sumergido, trabajaba como una de reaccin, aunque no en las mejores condiciones; en la actualidad no se utiliza. Turbina Girard[2]

- Turbina Michel, o Banki, Fig.14; el agua pasa dos veces por los labes del rodete, construido en forma de tambor; se utiliza para pequeos y grandes saltos.

Turbina Michel o Banki[2]3. Estudio general de las turbinas hidrulicas Movimiento del agua.- Para estudiar el movimiento del agua en las turbinas hidrulicas, se utiliza una nomenclatura universal que define los tringulos de velocidades, a la entrada y salida del rodete, de la forma siguiente:

El subndice 0 es el referente a la entrada del agua en la corona directriz o distribuidor El subndice 1 es el referente a la entrada del agua en el rodete El subndice 2 es el referente a la salida del agua del rodete El subndice 3 es el referente a la salida del agua del tubo de aspiracinEl agua entra en el distribuidor con velocidad y sale del mismo con velocidad , encontrndose con el rodete que, si se considera en servicio normal de funcionamiento, se mueve ante ella con una velocidad tangencial . El agua que sale del distribuidor penetra en el rodete con velocidad absoluta y ngulo . La velocidad relativa forma un ngulo (ngulo del labe a la entrada), con la velocidad perifrica ; La velocidad relativa a lo largo del labe es, en todo momento, tangente al mismo. Puede suceder que el rodete inicie un aumento de la velocidad perifrica de tal forma que la nueva velocidad > sea la velocidad de embalsamiento; en esta situacin el agua golpeara contra la cara posterior de los labes al desviarse la velocidad relativa en relacin con la tangente al labe, y la fuerza tangencial se vera frenada por la fuerza de choque; aunque el rodete gire sin control y sin regulacin, existe una velocidad lmite de embalsamiento tal que = (1,82,2) , por lo que el rodete no aumenta indefinidamente su velocidad.A la salida, el agua lo hace con una velocidad absoluta , siendo y las velocidades relativa y tangencial, respectivamente.

a) Nomenclatura de los tringulos de velocidades; b) Velocidad de embalamiento[3]Prdidas de carga.- Las prdidas de carga que tienen lugar entre los niveles del embalse y el canal de desage, aguas abajo de la turbina, se pueden resumir en la siguiente forma, Fig.17: Es la prdida de carga aguas arriba de la turbina, desde la cmara de carga (presa), hasta la seccin de entrada en el distribuidor de la turbina; esta prdida no es imputable a la turbina, siendo despreciable en las turbinas de cmara abierta; en cambio, en las turbinas de cmara cerrada, con largas tuberas con corriente forzada de agua, s son importantes.hd es la prdida de carga en el distribuidor hd es la prdida de carga entre el distribuidor y el rodete, sobre todo por choque a la entrada del rodete hr es la prdida de carga en el rodete hs es la prdida de carga en el tubo de aspiracin hs es la prdida de carga a la salida del difusor, por ensanchamiento brusco de la vena lquida; segn Belanguer es de la forma:

Prdidas hidrulicas en la turbina de reaccin[3]La potencia efectiva Hef es la energa hidrulica generada en la turbina y se calcula teniendo en cuenta la Fig.18; tomando como plano de referencia el AA', aplicando la ecuacin de Bernoulli a los puntos (1) y (2), e igualando ambas expresiones, se tiene:

En la que Hef interesa sea lo ms elevada posible; los valores de c1 y c2 son tericos. Si no hay prdidas mecnicas, Nef = N, siendo N la potencia generada en la turbina.

Deben ser grandes, para lo cual c2 y p2 deben tender a cero.

4. Diagramas de presin Los diagramas de presiones permiten conocer las variaciones de los diferentes tipos de energa en cada punto de la turbina. Hay que tener en cuenta que si la turbina est instalada sin tuberas de conexin, es una turbina de cmara abierta, Hn = H, mientras que si existen tuberas de conexin es una turbina de cmara cerrada, Hn = H htDiagrama de presiones en la turbina de reaccin.- De acuerdo con la Fig.18, aplicando Bernoulli al punto (1) de entrada del agua en el rodete, con prdidas hidrulicas, respecto al nivel aguas abajo, se obtiene: Aplicando Bernoulli entre los puntos (2) salida del rodete y (3) salida del tubo de aspiracin se tiene:

Igualndolas se determinan las prdidas hs en el tubo de aspiracin, en el que se puede suponer.

La relacin entre la altura efectiva y la total es:

Diagrama de presiones en la turbina de reaccin [3]Si a la turbina de reaccin se quita el tubo de aspiracin: p2 = patm = 0; aplicando Bernoulli en el punto (2) de la Fig.20 resulta:

Tubos de aspiracin cilndrico y troncocnico en la turbina de reaccin[3]

Diagrama de presiones de la turbina de reaccin sin tubo de aspiracin[3]

Esquema de la turbina de reaccin sin tubo de aspiracin[3]La relacin entre la altura efectiva y la total es:

Diagrama de presiones en la turbina de accin.- Aplicando Bernoulli a los puntos (1) y (2) del esquema de la turbina representada en la Fig.22, y tomando como referencia el nivel inferior, se obtiene:

Prdidas en la turbina de accin5. Descripcin de las turbinas de accin y reaccin ms utilizadas [3]a) Turbinas de accin Turbina Pelton Son turbinas de accin 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 energa de presin del agua en energa cintica. Cada tobera produce un chorro, cuyo caudal se regula mediante una vlvula de aguja (fig.23). Suelen estar dotadas de un deflector, cuya misin es desviar el chorro para evitar que, al no incidir sobre las cazoletas, se embale la turbina, sin tener que cerrar bruscamente la vlvula de aguja, maniobra que podra producir un golpe de ariete. De esta forma la mxima sobrepresin no supera 1,15 veces la presin esttica. Se utilizan en saltos entre 40 y 1200 m.

Seccin transversal de una tobera con deflector[4]Como la energa cintica del agua al abandonar las cazoletas se pierde, estas se disean para que las velocidades de salida sean mnimas. Las turbinas Pelton de una o dos toberas pueden ser de eje horizontal (figura 24) o vertical. Las de tres o ms toberas son de eje vertical (foto 25). Seis es el mximo nmero de toberas en una Pelton pero no se utilizan en turbinas para pequeas centrales.

Vista de una Pelton de dos toberas horizontal[4]

Pelton vertical de cuatro toberas[4]El rotor suele estar directamente acoplado al generador y situado por encima del nivel aguas abajo de la turbina. En la turbina Pelton el chorro incide, como puede verse en la figura 26, con un ngulo de 90 respecto al plano diametral del rodete.

Esquema de una turbina Pelton [4]El rendimiento de una Pelton se mantiene elevado, para caudales entre el 30% y el 100% del mximo, en turbinas de una sola tobera y, entre el 10% y el 100% para turbinas de dos o ms toberas.Turbina Turgo La turbina Turgo puede trabajar en saltos con alturas comprendidas entre 50 y 300 metros. Como la Pelton, se trata de una turbina de accin, pero sus alabes tienen una distinta forma y disposicin. El chorro incide con un ngulo de 20 respecto al plano diametral del rodete (Fig.27), entrando por un lado del disco y saliendo por el otro. A diferencia de la Pelton, en la turbina Turgo el chorro incide simultneamente sobre varios alabes, de forma semejante a como lo hace el fluido en una turbina de vapor. Su menor dimetro conduce, para igual velocidad perifrica, a una mayor velocidad angular, lo que facilita su acoplamiento directo al generador.

Esquema de una turbina Turgo[4]Su rendimiento es inferior al de una Pelton o una Francis, y se mantiene entre lmites aceptables para caudales entre el 20% y el 100% del mximo de diseo. Una Turgo puede constituir una alternativa a una Francis si el caudal es muy variable o si la tubera forzada es muy larga, ya que el deflector evita el embalamiento cuando, trabajando a plena potencia hidrulica, desaparece sbitamente la carga exterior, y el golpe de ariete que, en ese caso, producira el cierre de la admisin a la FrancisTurbina de flujo cruzado Esta turbina, conocida tambin como Michell-Banki en recuerdo de sus inventores, se utiliza en una gama muy amplia de alturas de salto (de 5m a 200 m). Su rendimiento mximo es inferior al 87%, pero se mantiene entre lmites aceptables para caudales entre el 16% y el 100% del caudal mximo de diseo. El agua (figura 28) entra en la turbina a travs de un distribuidor, y pasa a travs de la primera etapa de alabes del rodete, que funciona casi completamente sumergido (incluso con un cierto grado de reaccin). Despus de pasar por esta primera etapa, el flujo cambia de sentido en el centro del rodete y vuelve a cruzarlo en una segunda etapa que es totalmente de accin. Ese cambio de direccin no resulta fcil y da lugar a una serie de choques que son la causa de su bajo rendimiento nominal. Su construccin es muy simple y consiguientemente requiere una baja inversin.

Esquema de una turbina de flujo transversal[4]b) Turbinas de reaccin Turbina Francis Son turbinas de reaccin de flujo radial y admisin total, muy utilizadas en saltos de altura media (entre 25m y 350m), equipadas con un distribuidor de alabes regulables y un rodete de alabes fijos. En las turbinas Francis rpidas la admisin es radial y la salida es axial. La fig.29 muestra una turbina Francis de eje horizontal con el tubo de aspiracin en primer plano.

Turbina Francis[4]Las turbinas Francis pueden ser de cmara abierta generalmente en saltos de poca altura, en cuyo caso suele ser mejor solucin una Kaplan - o de cmara en espiral unida a la tubera forzada. La espiral est diseada para que la velocidad tangencial del agua sea constante y el caudal que pasa por cada seccin del caracol sea proporcional al arco que le queda por abastecer. Como se ve en la figura 30, el distribuidor tiene alabes directrices mviles, cuya funcin es regular el caudal que entra al rodete y el ngulo en que el agua incide sobre los alabes de este ltimo. Los alabes distribuidores giran sobre su eje, mediante bielas conectadas a un gran anillo exterior que sincroniza el movimiento de todos ellos. Estos alabes pueden utilizarse para cerrar la entrada del agua en casos de emergencia, pese a lo cual sigue siendo necesaria la vlvula de mariposa que, en esos casos, cierra la entrada del agua a la espiral. El rodete transforma la energa hidrulica en energa mecnica y devuelve el agua al tubo difusor.

Esquema de funcionamiento de los alabes directores[5]

Vista de una turbina Francis[6]Los rodetes de las turbinas pequeas estn construidos generalmente en fundicin de acero inoxidable. Algunos fabricantes emplean rodetes de fundicin de bronce al aluminio e incluso en algunos casos rodetes fabricados por soldadura. El tubo de aspiracin de una turbina de reaccin tiene como objetivo recuperar la energa cintica del agua que sale del rodete. Como esta energa es proporcional al cuadrado de la velocidad, uno de los objetivos del tubo de aspiracin es reducir la velocidad de salida, para lo cual se emplea un perfil cnico. Sin embargo el ngulo del cono tiene un lmite, pasado el cual se produce la separacin del flujo del agua. El ngulo optimo es 7, pero para reducir la longitud del tubo, y consiguientemente su costo, en algunos casos el ngulo se aumenta hasta 15.

Energa cintica a la salida del rotor[6]Cuanto menor sea el salto ms importante ser el papel del tubo de aspiracin, ya que, al disminuir aquel -para potencia equivalente- aumenta el caudal nominal y por tanto las perdidas cinticas correspondientes. Es fcilmente comprensible que, para un mismo dimetro del rotor, su velocidad aumenta si aumenta el caudal. La figura 6.11 nos muestra la energa cintica remanente del agua a la salida del rodete, en funcin de la velocidad especfica.

Turbinas Kaplan y de hlice: Son turbinas de reaccin de flujo axial generalmente utilizadas en saltos de 2 a 40 m. Los alabes del rodete en las Kaplan son siempre regulables, mientras que los de los distribuidores, 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. Cuando los alabes del rodete son fijos, la turbina se denomina de hlice. Se utilizan en aprovechamientos en los que tanto el caudal como el salto permanecen constantes, lo que las hace poco tiles en el caso de la pequea hidrulica.

Esquema de una Kaplan vertical de doble regulacin[6]La doble regulacin permite su utilizacin cuando el caudal y el salto varan en el tiempo; la turbina mantiene un rendimiento aceptable aun cuando el caudal vare entre el 15% y el 100% del nominal de diseo. La semi-Kaplan se adapta bien a variaciones del caudal (pueden trabajar entre el 30% y el 100% del caudal de diseo) pero es menos flexible cuando la altura de salto vara substancialmente La figura 33 representa el esquema de una turbina Kaplan de eje vertical, de doble regulacin. 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 hidrulico, con la turbina en movimiento. La turbina bulbo es una derivacin de las anteriores, caracterizada porque el agua pasa axialmente a travs de alabes directrices fijos y porque el generador y el multiplicador (si existe) estn contenidos en una carcasa estanca, con forma de bulbo, sumergida en el agua. La figura 34 muestra una turbina, en la que todo el equipo est alojado en un bulbo refrigerado por ventilacin forzada con intercambiador aire-agua. Del bulbo salen solamente los cables elctricos debidamente protegidos.

Seccin transversal de una turbina bulbo[7]Para reducir el costo global (obra civil + equipos), y en particular reducir el volumen de obra civil, se han concebido un cierto nmero de configuraciones que han llegado a ser consideradas como clsicas. Los criterios de seleccin son bien conocidos: Horquilla de caudales a turbinar Altura de salto Naturaleza del terreno Criterios medioambientales (fundamentalmente impacto visual y sonoro) Costo de la mano de obra Las configuraciones se diferencian en como el flujo atraviesa la turbina (radial o axial), en el sistema de cierre del paso de agua (compuerta, distribuidor o sifn) y en el tipo de multiplicador (engranajes paralelos, reenvo en ngulo, engranajes epicicloidales).

Configuraciones con turbina KaplanLos cierres de sifn son fiables, econmicos y, dada su velocidad de cierre, impiden el embalamiento de la turbina, pero son muy ruidosos a no ser que se aslen la bomba de vaco y las vlvulas de maniobra. Aun cuando no sea imprescindible, se recomienda intercalar una vlvula de cierre para impedir el arranque imprevisto de la turbina, como consecuencia de fuertes variaciones en los niveles aguas abajo y aguas arriba. Si sucediera as, la turbina alcanzara velocidades muy altas y el operario no tendra forma de pararla. La solucin ideal desde el punto de vista de impacto visual y snico es la de una casa de mquinas enterrada o semienterrada que solo es factible con una configuracin de turbina en S, turbina inclinada con reenvo a 90 o turbina en pozo. La solucin con reenvo a 90, permite utilizar un generador a 1500 rpm, standard, barato y poco voluminoso, empleando un multiplicador de doble etapa - reductor planetario y cnico - en el que la velocidad relativamente elevada del eje, a la entrada del segundo, facilita el diseo de los piones cnicos.La solucin en S es muy popular aunque presenta el inconveniente de que el eje de la turbina tiene que atravesar el conducto de salida - o de entrada si la S se presenta invertida. - lo que provoca una prdida de carga en absoluto despreciable, como prueba un estudio reciente, segn el cual en un aprovechamiento con un salto de 4 m y un caudal nominal de 24 m3/seg, la configuracin con reenvo a 90 tiene un rendimiento global, entre un 3% y un 5% superior al de la configuracin en S. Adems, los volmenes, tanto de excavacin como de hormign son muy inferiores en la configuracin con reenvo a 90 que en la configuracin en S.

turbinas Kaplan en sifn[7]La configuracin en pozo presenta la ventaja de que los principales rganos mecnicos son fcilmente accesibles, con lo que se facilita la inspeccin y el mantenimiento, especialmente en lo que respecta al acoplamiento turbina multiplicador, multiplicador propiamente dicho y generador. Al tener un mayor caudal especfico (un 30% ms que las Kaplan de eje vertical) la turbina es ms pequea y la obra civil ms sencilla.

Una turbina Kaplan montada en el extremo de un sifn[7]Las turbinas Kaplan, por las mismas razones que las Francis, necesitan tener un tubo de aspiracin. Como se emplean en saltos de poca altura, las prdidas de energa cintica son relativamente ms importantes, por lo que es necesario cuidar su diseo.Velocidad especfica y semejanza La gran mayora de las estructuras hidrulicas - aliviaderos, disipadores de energa a la salida de un embalse, tomas de agua, etc.- se proyectan hoy en da sobre la base de ensayos realizados con modelos a escala reducida. El comportamiento de estos modelos se fundamenta en la teora de la similitud hidrulica, que incluye el anlisis de la interrelacin de las diversas magnitudes fsicas que intervienen en el comportamiento dinmico del agua sobre la estructura, ms conocido como anlisis dimensional. El diseo de turbinas hidrulicas no constituye una excepcin y los fabricantes de equipos tambin utilizan modelos a escala reducida. La pregunta que se plantea es la de si, conociendo como funciona un cierto tipo de mquinas bajo determinados parmetros hidrulicos, se puede saber cmo funcionar esa misma mquina, u otra geomtricamente semejante, cuando opera bajo otros parmetros hidrulicos diferentes. Si podemos contestar a esta pregunta, la teora de la similitud nos proporcionar un criterio cientfico con el que catalogar las turbinas, de gran utilidad en el proceso de seleccin de la turbina que mejor se adapta a las condiciones del aprovechamiento que proyectamos. La contestacin es positiva si el modelo y el prototipo son geomtricamente semejantes. Para que sean geomtricamente semejantes, el modelo tiene que ser una reduccin a escala de la turbina industrial, manteniendo una constante de reduccin fija para todas las longitudes homogneas. Si el coeficiente de reduccin de longitud es k, el. De superficie deber ser k2 y el de volumen k3. Es conveniente insistir en que el modelo y los ensayos de laboratorio constituyen la nica va para garantizar el rendimiento y comportamiento hidrulico de la turbina industrial. Todas las reglas de semejanza estn estrictamente definidas en las normas internacionales IEC 60193 y 60041. No se puede aceptar ninguna garanta si no se cumplen estas normas y estas reglas. La velocidad especfica de una turbina se define como la velocidad de una turbina homologa, de un tamao tal que, con una unidad de salto produce una unidad de potencia. De acuerdo con la anterior definicin y las citadas normas, la velocidad especfica de una turbina viene dada por la formula

En donde: Q = caudal (m3/s) E = energa hidrulica especfica de la maquina [J/kg] n = velocidad rotacional de la turbina [rps] QE no es un parmetro adimensional. Cuando se calcula en unidades SI, la velocidad especfica s viene dada por la frmula:

En donde n velocidad en rpm, P potencia en kW y H altura de salto neta en metros.

Algunos autores empleaban como velocidad especfica la Q en funcin del caudal y de la altura neta de salto:

Su factor de conversin con QE es Q=333*QE

Perfil de los rodetes en funcin de su velocidad especfica[8]En la figura 38 se representan cuatro diseos de rodetes de turbinas de reaccin, y su correspondiente velocidad especfica, optimizados desde el punto de vista del rendimiento. Se ve que, para adaptarse al salto del aprovechamiento, el rodete evoluciona con la velocidad especfica. Al evolucionar el rodete con la velocidad especfica, llega un momento en el que la llanta que une el borde inferior de los alabes produce un rozamiento excesivo, y para evitarla los alabes se construyen en voladizo, dando lugar a las turbinas Kaplan, Hlice y Bulbo, utilizadas en saltos de baja altura. En general, los fabricantes de turbinas dan la velocidad especfica de sus turbinas. Un gran nmero de estudios estadsticos, realizados sobre turbinas en funcionamiento, han permitido relacionar la velocidad especfica con la altura de salto neto, en cada tipo de turbina. La figura 39 y la figura 40 nos muestran esa correlacin para cinco tipos distintos de turbinas.

Correlacin entre velocidad especfica y altura de salto neto[8]

Correlacin entre altura de salto neta Hn y velocidad especfica Q[8]La figura 41, muestra las velocidades especficas tpicas de cuatro tipos de turbinas.

Rango de velocidades especficas para cada tipo de turbina[8]La velocidad especfica en las turbinas Pelton aumenta con la raz cuadrada del nmero de toberas. As la velocidad especfica de una Pelton de cuatro toberas (es raro encontrar en las PCH turbinas Pelton de ms de cuatro toberas) es el doble del de una turbina de una tobera. Las leyes de semejanza incluyen la exigencia de que ambas turbinas tengan el mismo coeficiente volumtrico, para lo que la turbina industrial y el modelo deber cumplir con las siguientes ecuaciones:

En las que el sufijo t corresponde a la turbina industrial y el m al modelo de laboratorio. El ejemplo siguiente ilustra el uso de estas leyes de semejanza. Si construimos un modelo, a escala 1:5, de una turbina destinada a trabajar con un salto neto de 80 m y un caudal de 10 m3/s, girando a 750 rpm, y lo ensayamos con un salto neto de 10 m, tendremos que utilizar un caudal de 0,141 m3/s y su velocidad de giro 1,326 rpm. Por las mismas leyes, una turbina diseada para trabajar con un salto neto de 120 m y un caudal de 1 m3/s, instalada en un salto de 100 m de altura neta, al ser Dt = Dm admitir caudal mximo de 0,913 m3/s y deber girar a 685 rpm.Diseo preliminar En este captulo se dan frmulas para calcular las principales dimensiones de un rotor en los casos de turbinas Pelton, Francis y Kaplan. Conviene recordar que el diseo de una turbina es el resultado de un proceso iterativo en el que se tienen en cuenta mltiples criterios: lmites de cavitacin, velocidad de rotacin, velocidad especfica, altura de salto etc. (ver captulo 6.1.4). Esto implica que, una vez acabado el diseo preliminar es necesario comprobar que este cumpla con todos los criterios mencionados. El primer paso del diseo, sea cual sea el tipo de turbina, Esla eleccin de la velocidad de rotacin.Turbinas Pelton Conocida a priori la velocidad n de giro del rotor, su dimetro se deducir de las siguientes ecuaciones:

En donde n es la velocidad de rotacin en rps y nch es el nmero de toberas. D1 se define como el dimetro del crculo que describe la lnea del eje de las toberas. B2 es la anchura de la cazoleta, que es funcin del caudal y del nmero de toberas y De es el dimetro de la tobera.En general la relacin D1/B2 es siempre superior a 2,7. Si no fuese as habra que recalcular las ecuaciones con menor velocidad de rotacin o con mayor nmero de toberas. El caudal es funcin de la apertura de la tobera Cp si tiene una sola tobera ser el caudal total y se puede estimar por la siguiente formula:

Se da el valor Kv para cada valor de la apertura relativa a = Cp/Dc[8]Turbinas Francis Las turbinas Francis cubren un amplio espectro de velocidades especficas, desde 0,05 para las lentas de gran altura de salto hasta 0,33 para las de baja altura de salto. La figura 43 muestra la seccin transversal de un rodete Francis en la que se indican los dimetros de referencia D1, D2 y D3.

Seccin transversal de un rodete Francis[8]Los trabajos de Siervo y Leva y de Lugaresi y Massa, basados en el estudio estadstico de ms de doscientas turbinas en funcionamiento, hacen posible el realizar un diseo preliminar de la turbina Francis. Como sucede con todos los trabajos estadsticos, sus resultados no permiten un diseo final, especialmente en lo que respecta al criterio de cavitacinEl dimetro de salida D3 se calcula en principio con la formula

El dimetro D1 se calcula con la formula

El dimetro de entrada D2 viene dado, para QE > 0,164 por

Para QE < 0,164 se puede admitir que D1 = D2

Turbinas Kaplan Las turbinas Kaplan tienen velocidades especficas mucho ms altas que las Pelton y las Kaplan.

Seccin transversal de una Kaplan[8]En la fase preliminar del proyecto, el dimetro exterior De puede calcularse con la formula

El dimetro Di del eje del rodete se calcula por la frmula:

Seleccin de turbinas Criterios para la seleccin de la turbina. El tipo, geometra y dimensiones de la turbina estn condicionados, fundamentalmente, por los siguientes criterios: Altura de salto neta Horquilla de caudales a turbinar Velocidad de rotacin Problemas de cavitacin Velocidad de embalamiento Costo El salto bruto es la distancia vertical, medida entre los niveles de la lmina de agua en la toma y en el canal de descarga, en las turbinas de reaccin, o el eje de toberas en las de turbinas de accin. Conocido el salto bruto, para calcular el neto, basta deducir las prdidas de carga, a lo largo de su recorrido. En la figura 45 se especifica, para cada tipo de turbina, la horquilla de valores de salto neto dentro con la que puede trabajar. Obsrvese que hay evidentes solapamientos, de modo que para una determinada altura de salto pueden emplearse varios tipos de turbina.

horquilla de salto en metrosUn valor aislado del caudal no tiene ninguna significacin. Lo que interesa es el rgimen de caudales representado por la curva de caudales clasificados (CCC) obtenida de los datos procedentes de la estacin de aforos o de los estudios hidrolgicos. No todo el caudal representado en una CCC puede utilizarse para producir energa elctrica. Fundamentalmente hay que descartar el caudal ecolgico que tiene que transitar todo el ao por el cauce cortocircuitado. El caudal de diseo y el salto neto determinan el tipo de turbinas utilizables en el sitio escogido: aquellas en las que el punto representado por el salto y el caudal cae dentro de su envolvente operacional. La figura 47 se ha elaborado integrando los datos de varios fabricantes europeos. Cualquier turbina dentro de cuya envolvente caiga dicho punto, podr ser utilizada en el aprovechamiento en cuestin. La eleccin final ser el resultado de un proceso iterativo, que balancee la produccin anual de energa, el costo de adquisicin y mantenimiento de la turbina, y su fiabilidad. Como una turbina solo puede admitir caudales comprendidos entre el mximo y el mnimo tcnico por debajo del cual su funcionamiento es inestable puede resultar ventajoso utilizar varias turbinas pequeas en sustitucin de una ms grande. Las turbinas se arrancaran secuencialmente, de tal forma que todas ellas salvo una, trabajaran a plena carga, con un rendimiento ptimo. Utilizando dos o tres turbinas pequeas, su peso y volumen unitarios sern ms pequeos y por ende ms fcil de transportar y montar. Dividiendo el caudal entre dos o ms turbinas, estas trabajarn a mayor velocidad con lo que puede ser posible prescindir del multiplicador. Por otra parte, en el espectro de saltos de altura media con fuertes variaciones de caudal, una Pelton de varias toberas, con una velocidad de rotacin baja, puede resultar ms econmica que una Francis, Un argumento semejante puede utilizarse, en saltos de baja altura, a la Kaplan y la Francis. La eleccin final entre una o ms unidades o entre un tipo de turbina u otro, ser el resultado de un clculo iterativo que tenga en cuenta el coste de inversin y la produccin anual.

Sensibilidad a variaciones de salto y caudal[8]

Envolvente operativa de 3 tipos de turbinas[9]Para preseleccionar el tipo de turbina a instalar en una minicentral, se utilizan unos bacos que suelen facilitar los fabricantes de turbinas. Con ellos, se determina el tipo de turbina a partir de los parmetros de salto y caudal. Tal y como puede verse en la figura 48, entrando en abscisas con el salto en m y en ordenadas en el caudal de agua en m3/s, se obtendra el tipo de turbina ms adecuado para la instalacin.

baco de seleccin del tipo de turbina.[9]No obstante, para elegir la turbina definitiva garantizando la mxima rentabilidad de la minicentral, se debern tener en cuenta la curva de caudales clasificados, imprescindible para determinar el caudal de equipamiento, y la infraestructura existente del aprovechamiento.Seleccin de turbinas por la potencia, caudal, velocidad de rotacin y salto.

Tabla 1 Tipos de turbinas y sus rangos de trabajo.[9]

Tabla 1.1: Tipo de turbinas en funcin de la velocidad especfica.[9]Velocidad especfica La velocidad especfica constituye un excelente criterio de seleccin, ms preciso sin duda que el ms convencional y conocido de las envolventes operacionales que acabamos de mencionar. Por ejemplo, si queremos generar energa elctrica en un aprovechamiento con un salto neto de 100 metros, utilizando una turbina de 800 kW directamente acoplada a un generador estndar de 1500 rpm, empezaremos por calcular la velocidad especfica, segn la ecuacin 6.5 y obtenemos QE = 0,135Con esta velocidad especfica, la nica eleccin posible es una turbina Francis. Si, por el contrario admitimos la instalacin de un multiplicador con una relacin de hasta 1:3, la turbina podra girar entre 500 y 1.500 rpm, con lo que su velocidad especfica podra situarse entre 0.045 y 0,135 rpm. De esta forma la eleccin podra recaer, adems de en la Francis, en una turbina Turgo, una turbina de flujo cruzado o una Pelton de dos toberas. Si queremos instalar una turbina directamente acoplada a un generador de 1.000 rpm, en un salto de 400 m y disponemos de un caudal de 0,42 m3/s, comenzaremos calculando la velocidad especfica; QE = 0,022. Con estos parmetros la eleccin recaera en una Pelton de una tobera, con un dimetro D1=0,846 m de acuerdo con la ecuacin. Si el caudal variase sustancialmente a lo largo del ao, podra escogerse una Pelton de dos o ms toberas, que es menos sensible las variaciones del caudal. Como se indic ms arriba, la turbina Pelton viene definida por la relacin D1/B2 ms que por la velocidad especfica. Para ello resulta necesario efectuar ensayos con modelos a escala en laboratorio. Cavitacin Cuando la presin ejercida sobre un lquido en movimiento, desciende por debajo de su presin de vaporizacin, ste se evapora formando gran nmero de pequeas burbujas, que al ser arrastradas a zonas de mayor presin, terminan por estallar. La formacin de estas burbujas y su subsiguiente estallido, es lo que constituye la cavitacin. La experiencia demuestra que el estallido de esas burbujas genera impulsos de presin muy elevados, que van acompaados de fuertes ruidos (una turbina en cavitacin suena como si a travs de ella pasasen montones de grava), y que la accin repetitiva de esos impulsos produce una especie de corrosin difusa, formando picaduras en el metal (.pitting.). Con el tiempo esas picaduras, degeneran en verdaderas grietas con arrancamiento de metal. Las elevadas temperaturas generadas por esos impulsos y la presencia frecuente de gases ricos en oxgeno, agravan la corrosin. Un alabe sometido a cavitacin aparece al cabo de cierto tiempo lleno de cavidades, lo que obliga a sustituirlo o, si an se est a tiempo, a repararlo recargndolo por soldadura. Para evitarla habr que realizar ensayos de laboratorio, para definir el perfil correcto de los alabes y determinar el campo de operatividad de la turbina. La cavitacin viene caracterizada por un coeficiente (coeficiente de Thoma), definido segn la norma IEC 60193 como:

En la que NPSE, energa neta de succin positiva, est definida como:

En la que:

Para evitar la cavitacin, la turbina debe instalarse a una altura al menos igual a HS definida por la ecuacin:

Un valor positivo de HS significa que el rotor de la turbina estar situado por encima del nivel del agua en el canal de retorno y uno negativo que est situado bajo el agua. Como primera aproximacin se puede considerar que V = 2 m/s. El sigma de una turbina es una funcin de su velocidad especfica y el proyectista deber solicitarla del fabricante, que la obtendr a partir de ensayos en laboratorio con modelos reducidos. De todos modos, De Servio y Lugaresi, basndose en los citados estudios estadsticos, establecieron para las turbinas Francis y Kaplan, la siguiente correlacin entre y velocidad especfica:

Conviene subrayar que la altura de instalacin vara sensiblemente con la altitud de la central, desde aproximadamente 1,01 bar al nivel del mar hasta 0,65 bar a 3.000 m sobre el nivel del mar. As una turbina Francis con una velocidad especfica de 0,150, trabajando en un salto de 100 m de altura neta (con una = 0,090), con la central a nivel del mar, requerir una altura HS:

Mientras que si la central estuviera situada a 1.000 m de altitud HS sera:

Lo que exigira una excavacin.Velocidad de rotacin La velocidad de rotacin de una turbina es funcin de su velocidad especfica, de su potencia y de la altura del aprovechamiento. En los pequeos aprovechamientos suelen emplearse generadores estndar, por lo que hay que seleccionar la turbina de forma que, bien sea acoplada directamente o a travs de un multiplicador, se alcance una velocidad de sincronismo.Velocidad de embalamiento. Cuando, trabajando a plena potencia hidrulica, desaparece sbitamente la carga exterior, bien sea por corte del interruptor o por fallo en la excitacin del alternador, la turbina aumenta su velocidad hasta alcanzar lo que se conoce como velocidad de embalamiento. Esa velocidad vara con el tipo de turbina, el ngulo de apertura del distribuidor y la altura de salto. La fig.51 Muestra la relacin entre la velocidad de embalamiento y la normal de rotacin.

Relacin entre velocidad de rotacin y de embalamientoRendimiento de las turbinas El rendimiento que garantizan los fabricantes de turbinas, est basado en el International Code for the field acceptance tests of hydraulic turbines (publicacin IEC-60041) o, cuando es aplicable, en el International Code for model acceptance tests (publicacin IEC-60193). El rendimiento se define como la relacin entre la potencia mecnica transmitida al eje de la turbina y la potencia hidrulica correspondiente al caudal y salto nominales, tal como se define en la ecuacin:

Mantenimiento El 70% de las averas son debidas a la deterioracin o a la deficiencia en el circuito del lubrificante: con frecuencia los filtros se atascan o entra agua en el circuito de lubricacin Por lo general los programas de mantenimiento se elaboran, ya sea prefijando los periodos de tiempo para cambio de filtros y de lubrificante, ya sea analizando peridicamente el lubrificante para mantener las condiciones especificadas. Esta ltima solucin es la ms recomendable. Los multiplicadores de engranajes aumentan considerablemente el nivel de ruido en la casa de mquinas y como hemos visto requieren un mantenimiento cuidadoso. La prdida de rendimiento por friccin puede alcanzar e incluso superar el 2% de la potencia, por lo que se buscan incansablemente soluciones alternativas, como la utilizacin de generadores de baja velocidad, conectados directamente a la turbina.Elementos de proteccin y control Regulacin de tensin y sincronizacin. Generadores asncronos Un generador asncrono necesita, para asegurar su magnetizacin, tomar una cierta potencia reactiva de la red. La red es tambin la que marca la frecuencia, y el generador aumenta su deslizamiento a medida que aumenta la potencia suministrada por la turbina. El generador asncrono presenta la ventaja adicional de no necesitar excitatriz, lo que simplifica el equipo y facilita las maniobras secuenciales de arranque. Para ello se acta sobre la admisin de la turbina, acelerndola ligeramente por encima de su velocidad de sincronismo, momento en el que un sensor de velocidad da la orden de cierre del interruptor de lnea. El generador pasa rpidamente de la velocidad de hipersincronismo, a la necesaria para que se igualen los pares motor y resistente en la zona de funcionamiento estable. Generadores sncronos El generador sncrono se arranca en vaco, actuando sobre la admisin de la turbina para aumentar gradualmente la velocidad. El generador se sincroniza con la red igualando previamente, en la mquina y en la red, las tensiones eficaces, las frecuencias, los desfases y el sentido de rotacin. Cuando el generador alcanza una velocidad prxima al sincronismo, se arranca la excitacin y se regula para que la tensin entre bornes sea igual a la tensin entre barras. En generadores acoplados a una red aislada, el regulador debe mantener un valor predeterminado de la tensin sea cual sea la carga. Si est acoplado a una red importante, el regulador mantendr el valor preajustado de la potencia reactiva.Control de la turbina Las turbinas se disean para una altura de salto y un caudal predeterminados. Cualquier variacin de estos parmetros debe compensarse abriendo o cerrando los dispositivos de control del caudal, tales como alabes directrices, vlvulas o compuertas, a fin de mantener constante, ya sea la potencia de salida a la red, el nivel de la lmina de agua en la toma o el caudal que atraviesa la turbina. En aprovechamientos que suministran energa a una red aislada, el parmetro a controlar es la velocidad del rodete, relacionado directamente con la frecuencia. En principio existen dos enfoques para regular la velocidad de estos grupos: variar el caudal de entrada a la turbina o disipar el exceso de potencia elctrica en bancos de resistencias. Al aumentar la demanda de energa, el generador se sobrecarga y frena la turbina. En el primer enfoque, la regulacin de la velocidad (frecuencia) se logra variando el caudal que entra a la turbina. Un sensor, mecnico o electrnico, detecta la variacin de velocidad y manda a un servomotor que modifique la apertura de los alabes del distribuidor (y eventualmente del rodete) de forma que admita ms agua, y por ende ms potencia hidrulica, a fin de que la turbina pueda satisfacer el incremento de la demanda. Del mismo modo, al disminuir la carga la turbina se acelera y el sensor enva una seal de signo contrario para cerrar los alabes del distribuidor. Estos aparatos se conocen bajo el nombre de reguladores de velocidad. En el segundo enfoque la turbina funciona con caudal constante y genera una potencia elctrica constante. Si el sistema demanda menos energa, la turbina tiende a embalarse; un sensor electrnico detecta el aumento de frecuencia y un dispositivo, conocido como controlador de carga, procede a disipar el exceso de energa en un banco de resistencias, manteniendo constante la demanda. Los reguladores que trabajan con arreglo al primer enfoque se construyen para toda la gama de potencias. Inicialmente fueron concebidos para grandes turbinas y luego rediseados para las turbinas pequeas. Los que trabajan con el segundo enfoque raramente sobrepasan el techo de los 100 kW. Reguladores de velocidad. Un regulador de velocidad consta en esencia de un sensor que detecta cualquier desviacin de la velocidad con respecto al punto de consigna y un dispositivo que amplifica la seal transmitida por el sensor, para que ordene a un servomotor que accione los mecanismos que controlan el paso del agua a la turbina, manteniendo constante la velocidad y por tanto la frecuencia. En una turbina Francis, en la que se puede cortar el paso del agua cerrando los alabes del distribuidor, los mecanismos del servomotor tienen que ser muy robustos, para poder vencer la reaccin del agua y los rozamientos mecnicos en los ejes, y para mantener cerrados los alabes del distribuidor. Los reguladores pueden ser mecnicos, mecano-hidrulicos o electro-hidrulicos, segn la precisin y sofisticacin que se desee. Los mecnicos solo se utilizan en turbinas de algunos kilovatios de potencia, utilizando un centrfugo de bolas pesadas, que actan directamente sobre el distribuidor. En los mecano-hidrulicos (figura 52.), se utiliza un centrfugo de bolas convencional actuando sobre un servomotor. Cuando, al aumentar la carga, la velocidad de la turbina disminuye, las bolas giran ms despacio y caen, desplazando la posicin del pistn en la vlvula piloto, para enviar el aceite a presin a la cmara superior del cilindro. El pistn desplaza una varilla que acta sobre el mecanismo de los alabes del distribuidor, aumentando o reduciendo la velocidad de la turbina

regulador de bolas y servomotor[9]En un regulador electro-hidrulico, un sensor electrnico, mide permanentemente la frecuencia (y eventualmente la tensin) y transmite la seal a un sumidero en el que se la compara con el valor de consigna. Si la seal transmitida por el sensor difiere de la de consigna, el sumidero emite una seal de error (positiva o negativa), que una vez amplificada es enviada al servomotor para que acte en el sentido deseado. El servomotor es un cilindro hidrulico cuyo mbolo, segn sea el tipo de turbina, est conectado mecnicamente a los alabes directrices o al inyector, y es alimentado por una central hidrulica (fig.53) compuesta por un depsito de aceite, una bomba accionada por un motor elctrico que suministra aceite a presin al sistema, un acumulador de aceite a presin y las vlvulas de control. Todos estos mecanismos actan por accin y reaccin, corrigiendo en uno u otro sentido la posicin del distribuidor, lo que provoca una cierta inestabilidad en el grupo. En los sistemas mecano-hidrulicos eso se corrige intercalando un amortiguador hidrulico que retarda la apertura de la vlvula piloto. En los sistemas electro-hidrulicos se llega a un grado de sofisticacin muy superior, de forma que la correccin, que puede ser proporcional, integral o derivativa (PID), da lugar a un mnimo de variacin en el proceso de regulacin.

central hidrulica para el servomotor[9]Un generador asncrono conectado a una red elctrica estable no necesita controlador, porque su frecuencia est determinada por la red. Sin embargo cuando, por alguna causa, el generador se desconecta de la red, la turbina se embala. Tanto el multiplicador como el generador deben disear para que soporten este incremento de velocidad durante un cierto tiempo, hasta que se cierre la vlvula de entrada a la turbina, por los mecanismos de control correspondientes.Para controlar la velocidad de la turbina regulando la admisin de agua, se necesita que los componentes rotativos tengan una determinada inercia. Esta inercia adicional se consigue acoplando un volante al eje de la turbina. Cuando se abre el interruptor que conecta el generador a la red, la potencia disponible acelera el volante, de modo que al volver a conectar, la energa disponible en el volante minimiza la variacin de velocidad. La ecuacin bsica del sistema rotativo es la siguiente:

Donde

Cuando Tt es igual a TL, d/dt = O y = 0 por lo que la marcha es estable. Cuando Tt es igual o menor que TL, no es constante y el regulador tiene que intervenir para que la potencia de la turbina iguale la carga del generador. Pero no debe olvidarse que el control del caudal introduce un nuevo factor: las variaciones de velocidad en la columna de agua formada por las conducciones hidrulicas. El efecto de los componentes rotativos es estabilizador mientras que el efecto de la columna de agua es desestabilizador. El tiempo de arranque del sistema rotativo, tiempo requerido para acelerar el equipo de cero a la velocidad de operacin viene dado por:

Mientras que la inercia rotativa de la unidad viene dada por el peso de los componentes que giran multiplicado por el radio de giro: R2. P es la potencia instalada en kW y n la velocidad de la turbina en rpm. El tiempo de arranque del agua, tiempo necesario para acelerar la columna de agua desde cero a V, a una energa especfica constante gH viene dada por:

Donde

Para conseguir una buena regulacin es necesario que tm/tv > 4. Los tiempos reales de arranque del agua no superan los 2,5 segundos. Si el tiempo es mayor, habr que pensar en modificar los conductos de agua - ya sea disminuyendo la velocidad del agua o la longitud de los conductos, o instalando una chimenea de equilibrio. Tambin se podra aumentar la inercia de rotacin de la unidad, aadiendo un volante de inercia.Equipos de sincronizacin y proteccin elctrica. En todos los pases, los reglamentos para el suministro de electricidad, obligan a las compaas distribuidoras a mantener, entre lmites muy estrechos, la seguridad y la calidad de servicio. El productor independiente, si su central est conectada a la red, tiene que operarla de forma que la compaa distribuidora pueda cumplir con esa obligacin. Para ello entre los terminales del generador y la lnea de salida se instalan dispositivos, que monitorizan el funcionamiento del equipo, protegen al generador, lo conectan a la red o lo aslan de la misma en caso de avera. La figura 54 muestra un esquema unifilar que cumple con los reglamentos espaoles.

Esquema unifilar[9]La monitorizacin se lleva a cabo mediante aparatos ms o menos sofisticados para medir la tensin, intensidad y frecuencia en cada una de las tres fases, la energa producida por el generador, su factor de potencia, y eventualmente el nivel de agua en la cmara de carga. La tensin e intensidad de corriente se monitorizan mediante transformadores de potencia (PTs) y de corriente (CTs), para reducir su valor, generalmente muy elevado, a niveles ms manejables. Para que los diferentes sistemas de proteccin puedan cumplir su misin, se necesita un interruptor principal, ya sea de aire comprimido, magntico o de vaco, capaz de aislar el generador de la red, aun cuando est trabajando a plena carga. Como elementos de proteccin se necesitan: Rels de proteccin de la interconexin que garantizan la desconexin en el caso de un fallo en la red. Rels de mnima tensin conectados entre fases. Rels de mxima tensin Proteccin tierra-estator Mxima intensidad, con actuacin temporizada e instantnea. Si el generador es de baja tensin estos rels pueden ser directos y estar instalados en el mismo interruptor. Retorno de energa Para detectar fallos en los arrollamientos del estator, y actuar antes de que se quemen, se utilizan rels diferenciales. Existen tambin rels que actan sobre el interruptor principal cuando la temperatura del generador o del transformador de salida sobrepasa los lmites aceptables, o en el caso de tensiones superiores o inferiores a la normal. Entre las protecciones mecnicas conviene incluir las siguientes: embalsamiento de la turbina; sobre-temperatura en eje y cojinetes; nivel y circulacin del circuito de refrigeracin (si es que existe); nivel y circulacin del aceite a presin; nivel mnimo en la cmara de carga. El productor independiente es responsable de los sistemas de puesta a tierra de la instalacin, que deben ser diseados siguiendo instrucciones de la compaa distribuidora. El sistema de puesta a tierra vara con el nmero de unidades instaladas y con la configuracin de la central y su sistema de operacin. Por razones obvias, la central debe disponer de sistemas de contadores, para medirla energa activa suministrada a la red y la reactiva absorbida de la misma. Telecontrol La mayora de las pequeas centrales trabajan sin personal permanente y funcionan mediante un sistema automtico de control. Como no hay dos centrales iguales, resulta casi imposible definir su configuracin ptima. No obstante, existen requisitos de aplicacin general.1. Todo sistema debe contar con dispositivos de control y medida de accionamiento manual para el arranque, totalmente independientes del control automtico.2. El sistema debe incluir los dispositivos necesarios para poder detectar el funcionamiento defectuoso de cualquier componente importante, y poder desconectar inmediatamente la central de la red. 3. Tiene que haber un sistema de telemetra que recoja, en permanencia, los datos esenciales para el funcionamiento de la planta ponindolos al alcance del operador para que este pueda tomar las decisiones convenientes. Esos datos debern ser almacenados en una base de datos, para una ulterior evaluacin de la central. 4. Debe incluir un sistema de control inteligente para que la central pueda funcionar sin personal. 5. Debe ser posible acceder al sistema de control desde un punto alejado de la central para poder anular cualquier decisin tomada por el sistema inteligente. 6. El sistema debe poder comunicar con las centrales situadas aguas arriba y aguas abajo, si es que existen, para optimizar la operacin del conjunto. 7. La anticipacin de fallos constituye una mejora importante del sistema. Utilizando un sistema experto, en conjuncin con una base de datos operacional, se pueden detectar los fallos antes de que se produzcan y tomar las decisiones necesarias para que no ocurran. El sistema debe configurarse por mdulos: un mdulo de conversin analgico al digital para medir nivel de agua, ngulo de los alabes distribuidores (y o del rodete), potencia instantnea, temperaturas, etc.; un mdulo de conversin digital a analgico para accionar las vlvulas del circuito hidrulico, los registradores etc.; un mdulo para contar los kWh generados, el caudal, la intensidad de precipitacin etc.; un mdulo inteligente de telemetra con las interfaces de comunicacin, va lnea telefnica, radio etc. Este enfoque modular se presta a satisfacer los diferentes requisitos de cada central, permitiendo la normalizacin del hardware y del software, reduciendo el costo y facilitando el mantenimiento. Los sistemas de control automticos contribuyen a aumentar la disponibilidad de la central, y a hacer trabajar las turbinas con una mayor eficiencia, produciendo as ms kWh, con el mismo volumen de agua. Con la generalizacin de los ordenadores personales, los precios de estos equipos resultan inferiores a los de los antiguos procesadores programables (PLC). La posibilidad de utilizar nuevos componentes, como discos duros y una variedad de perifricos la alimentacin en corriente continua procedente de las bateras de la central; la variedad y fiabilidad de las tarjetas de entrada y salida de datos; los dispositivos de vigilancia (.watch dog.) del funcionamiento de la CPU, son otros tantos triunfos en manos del proyectista que puede ensamblar a bajo precio el hardware necesario, utilizando componentes estndar. El software se disea tambin con criterio modular para que su adaptacin a cada planta puede hacerse rpidamente y a bajo coste. La generalizacin de los sistemas CAD permite dibujar con precisin un sinptico de la planta y visualizar los diferentes componentes que intervienen en el sistema. Los nuevos microprocesadores hacen posible el trabajo en tiempo real para hacer frente a las alarmas y acontecimientos. Los Nuevos lenguajes de programacin permiten programar fcilmente secuencias lgicas como las de arranque y parada.Equipo elctrico auxiliar Transformador de servicio: El consumo propio de la central, incluidos los dispositivos mecnicos e hidrulicos y la iluminacin, es del orden del 1 al 3 por ciento de su capacidad; las micro centrales (menos de 500 kW) tienen un consumo porcentual ms elevado. El transformador de servicio debe disearse pues, para esa carga. Para alimentar ese transformador, en una central sin personal permanente, hay que prever, si es posible, dos fuentes exteriores de suministro diferentes, con intercambiador automtico Suministro de corriente continua para el sistema de control: Las centrales, sobre todo si estn operadas por control remoto, necesitan un sistema permanente de corriente continua a 24 V proporcionado por un banco de bateras. La capacidad del banco en amperios hora debe ser suficiente para que en caso de corte de corriente al cargador, el funcionamiento del sistema de control quede asegurado, en tanto se toman las medidas pertinentes para recuperar el suministro. Registro de niveles en la cmara de carga y en el canal de descarga: En una central es absolutamente necesario conocer en todo momento nivel de agua aguas arriba y aguas abajo de la turbina. El mtodo ms sencillo utiliza una regla graduada en metros y centmetros, al estilo de las miras topogrficas, que alguien tiene que observar fsicamente para poder registrar las lecturas. En una central sin personal este sistema es a todas luces inadecuado. El sistema tradicional utiliza un flotador que registra el nivel sobre una cinta de papel continuo, pero su lectura posterior es engorrosa. Si la central tiene un sistema de control automtico, lo ms lgico es utilizar para ese fin un dispositivo equipado con transductores conectados al ordenador, que acumula las lecturas en una base de datos y enva estos al programa para que tome las medidas oportunas, entre las que se incluye la emisin de una alarma cuando se considere necesaria una intervencin externa. Actualmente se tienden a separar el sensor y el transductor. El sensor se colocar all donde se quiere efectuar la medida, o en sus cercanas, con lo que es fcil que est sujeto a condiciones muy desfavorables y de difcil acceso. El transductor podr estar situado en una zona segura y fcilmente accesible con lo que se facilita su vigilancia y su mantenimiento. El sistema a utilizar en las medidas de nivel viene condicionado a la precisin con que se quiere efectuar la medida; en el caso de las pequeas centrales un sensor piezoelctrico, con una precisin del 0,1% ser suficiente. La eleccin del punto de medida resulta tambin particularmente crtico; la colocacin del sensor en un punto donde puede haber variaciones importantes de la velocidad de corriente dar lugar a resultados errneos.Criterios de diseo de una central.Previo a la construccin de la central, es necesario evaluar el recurso para ver si es apropiado para una explotacin hidrulica eficaz. Para ello, en primer lugar se realiza un estudio hidrolgico, y despus se evalan las condiciones hidrulicas de operacin (caudal y salto).a) Estudio hidrolgico: Este estudio es necesario para determinar la potencia que se debe instalar en la central. Los datos se obtendrn de las estaciones de aforo presentes en la demarcacin escogida. Se recopilarn datos de caudales relativos a una cantidad suficiente de aos hidrolgicos que servirn para hacer una clasificacin en aos muy hmedos, hmedos, normales o medios, secos y muy secos. De esta forma se podr identificar cul es el ao medio y pasar a la siguiente fase del estudio hidrolgico. Con el ao medio se construye una nueva curva a partir de los das en los que el caudal ha superado un determinado valor.b) SaltoEl salto es la diferencia de nivel entre la lmina de agua en la toma y el punto del ro en el que se restituye el agua turbinada. En realidad, esta definicin corresponde a lo que se denomina salto bruto (Hb). Adems del salto bruto, se manejan otros dos conceptos de salto, el salto til (Hu) y el salto neto (Hn). La figura 18 ilustra estos conceptos:

Esquema de un salto de agua.[10]Salto bruto (Hb): Diferencia de altura entre la lmina de agua en la toma y el nivel del ro en el punto de descarga del agua turbinada. Salto til (Hu): Diferencia entre el nivel de la lmina de agua en la cmara de carga y el nivel de desage de la turbina. Salto neto (Hn): Es el resultado de restar al salto til (Hu) las prdidas de carga (H) originadas por el paso del agua a travs de la embocadura de la cmara de carga y de la tubera forzada y sus accesorios. El clculo de las prdidas de carga se realiza mediante frmulas empricas ampliamente difundidas. Una consideracin aceptable es suponer que la prdida de carga es del orden de un 5% a un 10% del salto bruto. El salto bruto puede estimarse en primera instancia a partir de un plano topogrfico. Sin embargo, una determinacin ms exacta requiere un levantamiento taquimtrico.c) caudal Una vez realizada la curva de caudales clasificados para el ao de referencia, se procede a calcular el caudal nominal de la mquina. Las turbinas operan entre un caudal de equipamiento y un caudal mnimo tcnico, que se obtiene aplicando un factor al caudal nominal que depende del tipo de turbina que se vaya a instalar.

Coeficientes K para los distintos tipos de turbina

El caudal de equipamiento ser el que maximice el volumen turbinado, es decir, el que junto con el caudal mnimo tcnico encierre un mayor rea de la curva de caudales clasificados. La altura del salto viene determinada por las caractersticas de la presa y el lugar en el que se quiera instalar la central. Con los datos de caudal y salto ya se puede calcular la potencia que es capaz de generar la central.La curva de caudales clasificados proporciona una valiosa informacin grfica sobre el volumen de agua existente, el volumen turbinado y el volumen vertido por servidumbre, mnimo tcnico o caudal ecolgico.Para elaborar esta curva (representada en el grfico que acompaa este texto), hay que calcular los siguientes parmetros:QM: Caudal mximo alcanzado en el ao o caudal de crecida.Qm: Caudal mnimo del ao o estiaje.Qsr: Caudal de servidumbre que es necesario dejar en el ro por su cauce normal. Incluye el caudal ecolgico y el necesario para otros usos. El caudal ecolgico lo fija el Organismo de cuenca, si no se conociera, una primera estimacin es considerarlo igual al 10% del caudal medio interanual.Qmt: Caudal mnimo tcnico. Es aquel directamente proporcional al caudal de equipamiento con un factor de proporcionalidad K que depende del tipo de turbina.Qmt = K * Qe

Curva de caudales El caudal de equipamiento Qe se elegir de forma que el volumen turbinado sea mximo, es decir, el rea encerrada entre los puntos A, B, C, D, E, A sea mxima (ver grfico).Otra forma de determinarlo es, una vez descontado el caudal de servidumbre a la curva de caudales clasificados, se elige el caudal de equipamiento en el intervalo de la curva comprendido entre el Q80 y el Q100 , siendo el Q80 el caudal que circula por el ro durante 80 das al ao y el Q100 el que circula durante 100 das al ao.A veces no se elige el caudal que proporciona mayor produccin, ya que hay que tener en cuenta otros factores como pueden ser: la inversin necesaria, instalaciones ya existentes que condicionan el caudal a derivar (por ejemplo, canales, tneles,etc.)d) potencia de mini central La potencia elctrica terica que puede generar una minicentral, viene dada por la expresin:P = 9,81 Q Hn donde:P: Potencia instalada en kWQ: Caudal en m3/sHn: Salto neto en mLa produccin de la minicentral puede estimarse, en una primera aproximacin, multiplicando esta potencia por el nmero previsto de horas de funcionamiento.Sin embargo la potencia a la salida de la minicentral es igual a:P = 9,81 Q Hn eSiendo e = t g trDonde:e : Factor de eficiencia de la minicentralt : Rendimiento de la turbinag : Rendimiento del generadortr : Rendimiento del transformadorLos rendimientos de las turbinas, generadores y transformadores son facilitados por los fabricantes de los propios equipos. En un primer estudio, sin embargo, puede tomarse como factor de eficiencia de la minicentral un valor prximo a 0,8.e) Instalaciones de obra civil La obra civil engloba las infraestructuras e instalaciones necesarias para derivar, conducir y restituir el agua turbinada, as como para albergar los equipos electromecnicos y el sistema elctrico general y de control. Los trabajos de construccin de una minicentral hidroelctrica son muy reducidos en comparacin con las grandes centrales hidroelctricas, y sus impactos sobre el medio ambiente pueden ser minimizados si se desarrollan las medidas correctoras necesarias para ello. La obra civil se compone de los siguientes elementos:Azudes y presas La obra que se lleva a cabo para provocar una retencin en el cauce de un ro puede ser de dos tipos: - Azud. Muro trasversal al curso del ro, de poca altura, que provoca un remanso de agua sin producir una elevacin notable del nivel. Su objetivo es desviar parte del caudal del ro hacia la toma de la central. Aquella parte que no es derivada vierte por el aliviadero y sigue su curso normal por el ro. El azud puede construirse de hormign, ladrillos, escollera o tierra. Resiste al empuje del agua por su propio peso, aunque en los azudes de tierra y escollera se suele colocar un anclaje al terreno con el fin de aumentar su estabilidad.

Tipos de azudes [10]- Presa. En este caso el muro que retiene el agua tiene una altura considerable y provoca una elevacin notoria del nivel del ro mediante la creacin de un embalse. En funcin del tamao de ste se podrn regular las aportaciones. Hay varios tipos de presas, segn la forma de resistir el empuje hidrosttico. Algunas, como la presa de contrafuertes o la de bveda, requieren mayor complejidad en su construccin y no suelen ser de aplicacin en las minicentrales; no as los siguientes tipos: Presa de gravedad. Aquella que contrarresta el empuje del agua con su propio peso, por lo que se confa su estabilidad tambin en el esfuerzo del terreno sobre el que se asienta. Dentro de este tipo y segn el material con el que est hecha se distinguen en: Presa de gravedad de tierra o escollera. Suelen tener una gran base y poca altura. No utilizan hormign y estn constituidas normalmente por los materiales propios del terreno donde se asientan. Se emplean en centrales grandes y pequeas. Presa de gravedad propiamente dicha. Se construye de hormign y el terreno que la sujeta tiene que ser muy consistente. Presa en arco. En este caso el esfuerzo del empuje del agua se transmite hacia las laderas del valle, de ah que su forma implique cierta curvatura. La convexidad que forma la presa est vuelta hacia el embalse. Suelen situarse en valles angostos con laderas rocosas de buena calidad. Tambin para elevaciones de poca altura de la lmina de agua, existe una tercera tipologa de azud o presa a utilizar que sera: - Azudes y presas inflables. Consisten en un tubo de material resistente y deformable relleno de agua o aire a una presin determinada. El sistema de apoyo est constituido por una base de hormign a la que se sujeta la parte inferior parcialmente plana del tubo. Cuando el nivel de agua sube, sta se desborda pasando por encima de la presa. El peso de la lmina acutica deforma el material y el tubo se aplasta ligeramente, dejando que el agua pase. Si el caudal contina aumentando, a determinada altura se abre una vlvula y el tubo se vaca, quedando completamente aplastado por el peso del agua sobre l. Cuando los caudales vuelvan a normalizarse, el agua o aire se reinyecta y la presa recupera su forma y funcionamientos normales.

Esquema de funcionamiento de una presa inflable[10]Aliviaderos, compuertas y vlvulas Todas las centrales hidroelctricas disponen de dispositivos que permiten el paso del agua desde el embalse hasta el cauce del ro, aguas abajo, para evitar el peligro que podran ocasionar las avenidas. stas pueden provocar una subida del nivel del agua en el embalse que sobrepase el mximo permitido. En estos casos es necesario poder evacuar el agua sobrante sin necesidad de que pase por la central. Las compuertas y vlvulas son aquellos elementos que permiten regular y controlar los niveles del embalse. Existen distintas posibilidades de desage:- Los aliviaderos de superficie pueden disponer de diferentes tipos de compuertas, que permiten mantener totalmente cerrado el paso del agua, abierto parcialmente o abierto total. Segn la tcnica que emplean se distinguen:- Compuertas verticales. El elemento de cierre es un tablero de chapa reforzado que se sube y baja verticalmente guiado por unas ranuras en los pilares adyacentes. Cuando el empuje que ejerce el agua embalsada sobre la compuerta es grande, las guas sufren un fuerte rozamiento, en este caso se utilizan compuertas vagn, cuyos bordes verticales estn provistos de ruedas con rodamientos que apoyan en ambos carriles. - Compuertas de segmento o compuertas Taintor. Consisten en una estructura metlica con una superficie en forma cilndrica, que gira alrededor de un eje al que est unido a travs de brazos radiales. La apertura se realiza con un movimiento hacia arriba. - Compuertas de sector. Su forma es similar a las compuertas segmento, pero difieren de stas en el movimiento de apertura, que en este caso es de arriba hacia abajo, dejando libre el paso para que el agua vierta por encima de la compuerta. Esto implica un espacio vaco en el interior de la presa, donde se guarda la compuerta cuando est abierto el paso del agua. - Clapeta. Se denomina as a las compuertas basculantes alrededor de un eje que vierten por arriba. En este caso tambin se necesita un alojamiento horizontal para la compuerta cuando est abatida.Los desages de fondo o medio fondo utilizan las vlvulas y las compuertas como elementos de cierre. Las vlvulas se emplean en instalaciones con caudales moderados o medios. Pueden ser de aguja, mariposa, compuerta o de chorro hueco. La entrada de elementos gruesos en estos conductos supone un problema, que se resuelve con la colocacin de unas rejas protectoras en la entrada de la vlvula. Estas rejas deben contar a su vez con un dispositivo limpiador que las mantenga libres de cualquier obstruccin.Toma de agua Consiste en la estructura que se realiza para desviar parte del agua del cauce del ro y facilitar su entrada desde el azud o la presa. Su diseo debe estar calculado para que las prdidas de carga producidas sean mnimas. La toma n