Turbina hidráulica – Flujo cruzado – Ossberger

La sencillez fue la base a la hora de diseñar la turbina CROSSFLOW, desarrollada para un largo periodo de vida, de varias décadas, con un mantenimiento mínimo. Puede ser instalada y puesta in marcha incluso por personal sin grandes conocimientos técnicos de la materia.

Rango de operación de la turbina

Saltos: H = 3… 200 m
Caudales: Q = 0,03… 13 m³/s
Potencia instalada: N = 5… 3 000 kW

Principio de las turbinas Ossberger de flujo cruzado

La turbina CROSSFLOW es una turbina radial de reacción y con admisión de flujo parcial. El agua entra a través de la tubería de carga, dividiéndose el flujo en dos cámaras espirales para su posterior entrada al rodete, lo que sirve para regular el caudal de entrada y conseguir un rendimiento óptimo para caudales variables. El flujo incide tangencialmente sobre los álabes del rodete, cambiando su dirección radial al paso del mismo y cayendo posteriormente al tubo de aspiración por gravedad. Este tipo de turbinas son de eje horizontal y según su velocidad específica se clasifican como turbinas de “rotación lenta”.

Imagen 1 Entrada horizontal

Imagen 2 Entrada vertical

En la practica este tipo de flujo de agua tiene un efecto auto-limpiador en el rodete. La suciedad que ha entrado con el agua, se extrae por si sola una vez que el rodete ha dado un giro de 180º, por la simple fuerza centrífuga y es arrastrada por la corriente hacia fuera y devuelta al río.

Si el caudal es variable se equipa la turbina CROSSFLOW con dos cámaras de tamaño diferentes. Normalmente se divide el flujo en la proporción 1:2. La cámara de menor diámetro trabaja con caudales pequeños, y la más grande con caudales medianos. Las dos juntas trabajan con el caudal máximo para el que se dimensionó la turbina. Con este reparto se consigue un aprovechamiento y rendimiento óptimo para caudales variables, desde el caudal máximo hasta una sexta parte de este. De esta manera las turbinas CROSSFLOW a diferencia de la mayoría, que se limitan a un estrecho rango de caudales, obtienen una mayor eficacia en aprovechamientos con caudales muy fluctuantes, consiguiendo rendimientos muy elevados, por encima incluso del 85%.

Nivel de eficiencia de la turbina

El rendimiento general de turbinas CROSSFLOW es de un 84% en potencias y saltos pequeños en todo el margen de caudales y de hasta un 87% tanto en saltos grandes, como en potencias y saltos medianos o grandes.

El esquema muestra las ventajas de una turbina CROSSFLOW durante cargas parciales. Con frecuencia las cuencas disponen durante varios meses al año de caudales bastante escasos. La posibilidad de generar energía eléctrica también en estas épocas depende de la curva de rendimientos de cada tipo de turbina. Turbinas con rendimientos muy altos durante épocas de carga máxima y rendimientos muy bajos con caudales escasos, reducen la producción anual considerablemente en ubicaciones donde los caudales son variables. Sin embargo, la turbina CROSSFLOW, obtiene un mayor rendimiento debido a su curva más plana, en la que el rendimiento es constante hasta aproximadamente el 16% del caudal nominal.

Imagen 3 A diferencia de la turbina Francis, la curva de eficiencia de una turbina de flujo cruzado se compone de tres curvas a causa de la regulación a través de de las dos cámaras que reparten el rodete en la proporción 1:2.

Sistema de alabes guía

En la turbina CROSSFLOW se regula la entrada de agua al final de cada cámara con dos válvulas perfiladas que reparten y equilibran el chorro de agua para que incida con la dirección óptima en los álabes de la turbina. Las dos válvulas giratorias están integradas con precisión en la carcasa de la turbina y pueden servir, en centrales de poco salto, como cierre de la misma.

En este caso, sobra la compuerta de cierre entre la tubería de carga y turbina. Las dos válvulas de regulación están equipadas independientemente con un brazo conectado a un dispositivo de regulación automático o manual. Están colocadas sobre unas cápsulas autoengrasantes y no requieren ningún mantenimiento. Estos brazos disponen de unos contrapesos que al dejarse caer por gravedad, provocan un cierre de emergencia en el caso de necesidad de parada.

Carcasa de la turbina

La carcasa de la turbina CROSSFLOW está construida totalmente de acero, extremadamente robusto, más ligero que una fundición gris y resistente a los impactos y a las heladas.

Imagen 4 Construcción de una turbina de flujo cruzado con dos cámaras

El Rodete

Se trata de la pieza más significativa de esta turbina. Está equipado una serie de álabes de acero lijado y perfectamente pulido. Están ancladas a unos discos finales que a su vez están soldados al propio rodete mediante un proceso especial. Dependiendo de su tamaño, el rodete puede tener hasta 37 álabes. El perfil curvado de estos álabes, hace que se produzca una fuerza axial limitada, de forma que se puede prescindir de un eje axial reforzado, con su complicada fijación y el engrase necesario.

En rodetes anchos los álabes son reforzados con varios discos. Antes del montaje final se equilibran los rodetes cuidadosamente y se realiza un control defectoscópico.

El Eje

Las turbinas CROSSFLOW están equipadas con un eje horizontal anclado bilateralmente a dos cojinetes de empuje que absorben todos los esfuerzos axiales derivados de la turbina, para posteriormente transmitirlos a la cimentación. Estos cojinetes son basculantes y tienen un sistema de equilibrado que brinda unas ventajas importantes. Destaca sobre todo una resistencia a la rotación del eje mínima y un mantenimiento fácil. Los cojinetes están formados por patines lijados manualmente para conseguir una superficie totalmente lisa que facilite el funcionamiento del equipo. Estos patines están inmersos en una fina capa de aceite a presión que sirve para engrasar el mecanismo y que además es la que transmite los esfuerzos desde la parte móvil (eje) a la fija (cojinete). Entre los patines hay una serie de juntas por las que circula agua como sistema de refrigeración, ya que se llegan a alcanzar elevadas temperaturas debido a los efectos de fricción. La construcción de la carcasa del cojinete evita la entrada del agua y su contacto con las sustancias de engrase, lo que es imprescindible para el buen funcionamiento del mismo. Esta es una característica patentada y esencial en la construcción de la carcasa del cojinete de nuestra turbina CROSSFLOW.

Al mismo tiempo el rodete está centrado en el eje, y por tanto, entre ambos cojinetes. Además está integrado en la carcasa de la turbina, lo que permite la extracción del rodete sin necesidad de desmontar la turbina entera. Dicha carcasa, está provista de unos elementos impermeabilizantes, siendo completamente estanca y estando libre de mantenimiento. En cuanto a los cojinetes, solo necesitan un cambio anual de las sustancias de engrase para su correcto funcionamiento.

Tubo de aspiración

La turbina CROSSFLOW es una turbina de reacción, es decir, a la entrada al rodete, toda la energía del flujo de agua se transforma en energía cinética y de presión, para su posterior transformación en energía mecánica, y finalmente, en eléctrica. Estas turbinas también son denominadas turbinas de “chorro libre”. Debido a que a la salida del rodete, el agua todavía tiene energía aprovechable, en saltos pequeños y medianos no podemos prescindir de un tubo de aspiración, que sirve para evitar inundaciones en la sala de máquinas y para la obtención del máximo aprovechamiento de la altura de salto.

En una turbina de chorro libre con un rango de caudales amplio, la columna de agua que llega al tubo de aspiración, debe ser regulable. Esto se consigue a través de una válvula de ventilación que influye en la depresión dentro de la carcasa de la turbina. Esta ventilación resulta imprescindible, ya que al pasar del rodete al tubo de aspiración, el flujo de agua disipa parte de su energía de presión, y si esta llega a ser menor que la presión de vapor de agua se produce la cavitación, que es un proceso en el que se forman burbujas de aire que al llegar a tramos en el que la presión es más elevada implosionan produciéndose turbulencias muy desfavorables para las conducciones del fluido.

De esta manera se pueden aprovechar de forma óptima turbinas con alturas de aspiración de entre 1 y 3 metros sin el peligro de que aparezca cavitación. La construcción de un tubo de aspiración en forma de un conducto guía en acero reduce de forma importante los costes de construcción de la base en centrales de poco salto y puede convertir en rentable un proyecto económicamente problemático.

Características de funcionamiento

Nuestras turbinas CROSSFLOW no producen cavitación. Con ello se evita la construcción de un rodete por debajo del nivel de agua con sus desventajas constructivas, económicas y de funcionamiento.

Para saltos de hasta 90m se utiliza acero de construcción normal. Para saltos de entre 90 y 120m se fabrica el rodete de acero inoxidable. Para saltos superiores a 120m toda la turbina se construye de acero inoxidable.

Las revoluciones de trabajo de las turbinas CROSSFLOW suele ser un 2,3 de las revoluciones nominales. Esto permite la utilización de generadores de fabricación en serie.

Efectividad económica

La creciente conciencia de los seres humanos hacia la protección del medioambiente fomenta el uso de las energías renovables, ya que tienen un menor impacto ambiental que el resto y utilizan fuentes inagotables, construyendo una sociedad menos dependiente de otras fuentes no renovables como son los combustibles fósiles. El aprovechamiento hidráulico en centrales hidroeléctricas tiene un factor limitante: los costes de inversión relacionados con el diseño, planificación, construcción y maquinaría de la central.

Los ingenieros y equipos de desarrollo de los fabricantes de turbinas han intentado reducir los costes de producción fabricando turbinas tipo Standard. Este camino es posible en turbinas grandes pero en turbinas pequeñas se hace complicado dimensionar y adaptar la maquinaria a unos caudales tan variables.

Imagen 5 Rango de aplicaciones

Nuestras turbinas CROSSFLOW se construyen con componentes tipo Standard, que se configuran según el caudal y salto del aprovechamiento de una forma adecuada, adaptándolas al lugar y a las necesidades del cliente. Este sistema modular asegura soluciones económicas con toda la garantía tecnológica y de rendimiento.

Las turbinas CROSSFLOW destacan sobre todo por su larga vida, durante décadas y sin mantenimiento significante. Durante su funcionamiento no requieren repuestos caros y las reparaciones suelen poder realizarse en situ.

Otra ventaja especifica es su uso en sistemas de gravitación de agua potable incluso con tuberías muy largas donde no se observan golpes de ariete durante el funcionamiento y sin poner en peligro la calidad del agua. Nuestra empresa ha instalado este tipo de centrales con éxito en varios países.