Turbina hidráulica

Una turbina hidráulica es un rodete de álabes que el agua a presión hace girar muy deprisa, dentro de una carcasa cerrada o bajo un chorro. Como la rueda hidráulica, aprovecha la energía de un salto de agua, pero en una máquina mucho más pequeña y rápida, y desde la década de 1880 mueve los generadores de las centrales hidroeléctricas.

Qué es

Una turbina hidráulica es una rueda de álabes curvos, el rodete, que el agua a presión hace girar a gran velocidad. Como la rueda hidráulica, saca su energía del agua que cae desde cierta altura. Pero una rueda de alimentación superior gira al aire libre bajo el peso del agua de sus cangilones, y una rueda de alimentación inferior por el empuje de la corriente, a pocas vueltas por minuto. La turbina recibe el agua por una tubería y gira decenas o cientos de veces más rápido, de modo que una máquina mucho más pequeña da la misma potencia.

Su velocidad le permite mover un generador eléctrico con pocos engranajes o ninguno. Casi todas las centrales hidroeléctricas usan uno de tres diseños: la rueda Pelton, la turbina Francis o la turbina Kaplan.

Cómo funciona

En una turbina de acción, un inyector convierte toda la presión en un chorro rápido y el rodete gira en el aire. En una turbina de reacción, el rodete está cerrado y lleno de agua; la presión baja entre sus álabes, que trabajan como alas curvas.

La arista de cada cuchara corta el chorro en dos y devuelve las dos mitades hacia atrás.

La rueda Pelton es una turbina de acción para saltos altos y caudales pequeños. Una arista divide cada cuchara, parte el chorro y devuelve cada mitad casi en sentido contrario. La turbina Francis, de reacción y la más extendida, cubre los saltos medios, de unos 40 a 600 metros. La turbina Kaplan, una hélice cuyas palas giran sobre el cubo, sirve para saltos bajos y grandes caudales, por debajo de unos 80 metros.

La lámina muestra un grupo Francis. El agua baja por la tubería forzada (1) hasta el caracol (2), que se estrecha al enrollarse alrededor de la máquina para que el agua entre por igual desde todos lados. Los álabes directrices (3) la ponen a girar y regulan el caudal. Atraviesa el rodete (4) de fuera hacia dentro y sale hacia abajo por el tubo de aspiración (5), un conducto que se ensancha, la frena poco a poco y recupera parte de la energía que le queda.

La potencia disponible es P = ρ·g·Q·H·η: densidad del agua ρ (unos 1000 kg/m³), gravedad g (9,81 m/s²), caudal Q en m³/s, salto neto H en metros y rendimiento η. Con 100 metros de salto, 0,2 m³/s y un 85 % para turbina y generador juntos, P = 1000 × 9,81 × 0,2 × 100 × 0,85 ≈ 167 kW. Una gran turbina Francis supera por sí sola el 90 %.

El generador (7) va en el mismo eje, y su frecuencia sigue a su velocidad. El regulador (6) la mantiene cerrando los álabes directrices cuando el eje se acelera y abriéndolos cuando se frena. Debe actuar de forma gradual: cerrar de golpe una tubería larga provoca un golpe de ariete, una sobrepresión capaz de reventarla. A 100 vueltas por minuto, un generador necesita 60 polos para dar 50 hercios.

Cómo se construye

Una rueda de cucharas alimentada con una manguera de jardín desde un arroyo puede encender una lámpara de bicicleta. Pida antes permiso al propietario y a la administración del agua: en la mayoría de los países, tomar agua de un cauce exige autorización.

Medir el salto. Tienda una manguera desde la toma hasta donde irá la rueda, mantenga su extremo superior bajo el agua y déjela correr hasta que no salga más aire. Cierre entonces el extremo inferior con un manómetro: cada bar de presión estática equivale a unos 10,2 metros de salto. Un nivel de obra y una mira, trasladados aguas abajo de una marca a la siguiente, sirven de comprobación.

Medir el caudal. Si es un hilo de agua de menos de unos 5 litros por segundo, hágalo pasar por un tubo en una pequeña presa de tierra y cronometre cuánto tarda en llenar un cubo. En un arroyo mayor, cronometre un flotador a lo largo de 10 metros, multiplique su velocidad por 0,85 aproximadamente y luego por el ancho y la profundidad media.

Calcular la potencia. Con 8 metros de salto y 0,3 litros por segundo en la manguera, el agua lleva P = 1000 × 9,81 × 0,0003 × 8 ≈ 24 W. La manguera y la boquilla pierden parte del salto, y una rueda y una dinamo caseras solo convierten en electricidad una parte modesta del resto. Cuente con unos pocos vatios, quizá suficientes para una dinamo de bicicleta de 3 vatios, y mida lo que obtiene de verdad. Deje la mayor parte del arroyo a los peces.

Dos cucharas juntas forman una cuchara partida rudimentaria.

Hacer el rodete. Fije un disco de contrachapado de unos 30 cm de diámetro en un eje de acero que gire sobre dos cojinetes. Atornille en su borde de ocho a diez pares de cucharas soperas, una junto a otra, con los cuencos asomando por el borde, vueltos hacia el chorro y unidos en una arista.

Orientar el chorro. Ponga una boquilla de chorro en la manguera y sujétela para que el chorro golpee las aristas de forma tangencial. Sin pérdidas saldría a 12,5 m/s; con el rozamiento de la manguera, es más probable que salga a unos 10 m/s. Las cucharas rinden mejor a la mitad de la velocidad del chorro, medida en el círculo donde este las golpea: unas 270 vueltas por minuto si ese círculo mide 35 cm de diámetro.

Añadir la dinamo. Monte en el eje un segundo disco liso de unos 35 cm y apoye contra su borde el rodillo de una dinamo de botella. A 270 vueltas por minuto, ese borde se mueve como el neumático de una bicicleta a unos 18 km/h. Únala a una lámpara de bicicleta con dos cables aislados: en la bicicleta el cuadro sirve de retorno a la corriente; aquí hace falta un cable. Devuelva el agua al arroyo por debajo de la rueda.

Seguridad. No trabaje nunca solo junto a un arroyo ni entre en él cuando baje crecido: el agua rápida y fría derriba y ahoga. Una manguera que baja 8 metros ya soporta casi un bar. Abra y cierre despacio las tuberías largas, porque un cierre brusco provoca un golpe de ariete que revienta los empalmes. Mantenga los ojos y los dedos fuera del chorro, proteja el rodete con una tapa y corte el agua antes de tocarlo. Aísle todas las conexiones y mantenga los dedos lejos también del rodillo de la dinamo. Los generadores mayores alcanzan tensiones peligrosas: no conecte nunca uno a la instalación eléctrica de un edificio.

Historia y evolución

En la turbina de Fourneyron el agua sale hacia fuera, de las directrices fijas a la corona móvil.

En 1825, Claude Burdin, profesor de la Escuela de Minas de Saint-Étienne, construyó en Pontgibaud una turbina con un rendimiento del 67 %. Su antiguo alumno Benoît Fourneyron la convirtió en una máquina industrial: en abril de 1827, en la forja de Pont-sur-l’Ognon, instaló una turbina de seis caballos con un salto de 1,40 metros.

En 1849, en Lowell (Massachusetts), James B. Francis construyó una turbina mejorada de flujo hacia el centro y publicó sus ensayos en 1855. En las zonas auríferas de California, Lester Pelton hizo su primera rueda en 1878 y patentó la cuchara partida en 1880.

En 1878, Lord Armstrong iluminó su casa de Cragside, en Northumberland, con lámparas de arco alimentadas por el agua de los lagos de la finca. En Appleton (Wisconsin), una central suministró corriente continua desde el 30 de septiembre de 1882. En 1895, la central Adams de las cataratas del Niágara puso en marcha generadores Westinghouse de 5000 caballos, con corriente alterna según el sistema de Nikola Tesla; desde noviembre de 1896 su electricidad llegó a Búfalo. Viktor Kaplan registró en 1913 su patente de palas orientables, y la primera turbina Kaplan industrial funcionó en Velm (Austria) en 1919.

En 2023 el mundo tenía 1412 GW de potencia hidroeléctrica. La presa de las Tres Gargantas, en China, suma por sí sola 22,5 GW, y para su embalse se desplazó a cerca de 1,3 millones de personas. Las presas cortan el paso a los peces migratorios y retienen los sedimentos: según un estudio publicado en 2019, solo el 37 % de los 246 ríos más largos del mundo fluía aún libre en todo su recorrido.