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1. CAPITULO III
TURBINAS HIDRAULICAS
Las turbinas son dispositivos que convierten energía hidráulica en energía mecánica. Se pueden
agrupar en dos tipos:
a) Turbinas de impulso, un chorro libre choca con un elemento giratorio de la máquina, la que
está bajo la acción de la presión atmosférica.
b) Turbinas de reacción, el escurrimiento se efectúa bajo presión.
Independiente del tipo de turbina, el funcionamiento de ellas depende de un cambio de velocidad
en el agua, para que ejerza una fuerza dinámica sobre el elemento rotatorio impulsor o rodete
móvil.
3.1TURBINAS DE IMPULSO.
Las turbinas llamadas de impulso obedecen al principio de acción ,las ms difundidas son las
turbinas Pelton ,de flujo cruzado(Mitchell Banki,Osberger,ruedas hidráulicas).
4.1.1.GENERALIDADES DE LA TURBINA PELTON
La turbina PELTON debe su nombre al ingeniero norteamericano Lester Allen Pelton (1829-
1908), quien en busca de oro en California concibió la idea de una rueda con cucharas
periféricas que aprovecharan la energía cinética del agua que venía de una tubería y actuaba
tangencialmente sobre la rueda. Por fin en 1880 patentó una turbina con palas periféricas de
muy particular diseño, de tal manera que el chorro proveniente de la tubería golpea el centro de
cada pala o cuchara con el fin de aprovechar al máximo el empuje del agua
Las dimensiones del álabe son proporcionales al diámetros del chorro que impacta sobre él; el
chorro a su vez está en función del diámetro de la rueda y de la velocidad específica. El diámetro
de chorro (do) está entre el 5% y el 12% del diámetro de la rueda (Dp). En la siguiente figura se
muestra a detalle la forma del álabe y sus variables correspondientes.

2. Fig.3.1.Accion del flujo sobre la Turbina Pelton.(1-Boquilla,2-aguja,3-cucharas del rodete)
Fig.3.1a Dimensiones de la cuchara Pelton
Anchura b = (2,5 a 4)d.
• Altura h = (2 a 3,5)d.
• Profundidad t = (0,8 a 1,5)d.
• Paso aproximadamente igual a la altura. Se denomina paso al arco
existente en el diámetro nominal de la máquina. El diámetro nominal de la
máquina es el de la circunferencia tangente al eje del chorro.
• Ángulo de salida β2 = 4º a 7º.

3. El angulo β las dos caras interiores del álabe es del orden de los 20°, lo ideal
seria que fuera igual a 0°, pero, de ser así, debilitaría la arista media donde pega el chorro y
transmite la energía.
El angulo α, ubicado en la salida del álabe esta entre los 8° y los 12°. Se debe de dar salida al
agua con la propia forma de del borde de fuga, a la cual ayudan las líneas de "thalweg" .
Los álabes deben estar colocados lo mas cerca posible a los inyectores, debido a que la
distancia hace decrecer la energía cinética del agua
CLASIFICACIÓN DE LAS TURBINAS PELTON Las turbinas PELTON se clasifican
generalmente por la posición del eje que mueven, por lo tanto existen dos clasificaciones: EJE
HORIZONTAL Y EJE VERTICAL.
DISPOSICIÓN HORIZONTAL
En esta disposición solo se pueden instalar turbinas de uno o dos chorros como máximo, debido
a la complicada instalación y mantenimiento de los inyectores. Sin embargo, en esta posición, la
inspección de la rueda en general es más sencilla, por lo que las reparaciones o desgastes se
pueden solucionar sin necesidad de desmontar la turbina
Fig.4.2 .a. Turbina Pelton de eje horizontal
Fig.3.2.b.Sistema de ingreso de flujo a la turbina.(1-aguja,2-deflector,3-guia de aguja,4-
sistema de regulación).

4. Fig.3.2.c.Sistema de regulación de regulación de velocidad.
DISPOSICIÓN VERTICAL
En esta posición se facilita la colocación de alimentación en un plano horizontal y con esto es
posible aumentar el número de chorros sin aumentar el caudal y tener mayor potencia por
unidad. Se acorta la longitud entre la turbina y el generador, disminuyen las escavaciones y
hasta disminuir al diámetro de la rueda y aumentar la velocidad de giro. Se debe hacer
referencia que en la disposición vertical, se hace mas difícil y, por ende, mas caro su
mantenimiento, lo cuál nos lleva a que esta posición es más conveniente para aquellos lugares
en donde se tengan aguas limpias y que no produzcan gran efecto abrasivo sobre los álabes.
Fig.3.3 Turbina Pelton de eje vertical.
Se debe tener especial cuidado al escoger el material de fabricación adecuado en una turbina
pelton; este material debe resistir la fatiga, la corrosión y la erosión; la fundición de grafito
laminar y acero, resisten perfectamente estas condiciones cuando son moderadas. Cuando las
condiciones trabajo son mas drásticas se recurre al acero aliado con níquel, en el orden de 0.7 a
1%, y con un 0.3% de molibdeno. Los aceros con 13% de cromo y los aceros austenoferríticos
(Cr 20, Ni 8, Mo3) presentan una resistencia extraordinaria a la cavitación y abrasión.

5. El Número de álabes suele ser de 17 a 26 por rueda, todo esto dependiendo de la velocidad
específica; Cuando se necesita una velocidad alta el número de álabes es pequeño debido a que
a mayor velocidad específica, mayor caudal lo que exige álabes mas grandes y con esto caben
menos en cada rueda
Para una breve análisis hidrodinámico nos enfocaremos en la llamada también rueda hidráulica
tangencial o rueda Pelton, que consiste en una rueda con una serie de cucharones a distancia
regular, colocadas alrededor de su periferia.
- Cuando el chorro choca el filo divisor, se divide en dos pociones que descargan a ambos
lados del cucharón.
- Pueden emplearse uno o más chorros, dependiendo del tamaño de la rueda.
- Para una buena eficiencia en funcionamiento de la turbina, el ancho del cucharón debe ser 3
a 4 veces el diámetro del chorro y el diámetro de la rueda, 15 a 20 veces el diámetro del
chorro.
Análisis:
Hipótesis:
- El chorro incide en forma perpendicular al filo divisor del cucharón (álabe fijo).
- El chorro sale del cucharón en 2 volúmenes iguales.
- Se considera flujo permanente.
- Roce despreciable, peso propio despreciable.
- Volumen de control constante, es decir, no existe pérdidas en el volumen.
Fig.3.4.Diagrama de velocidades de una turbina Pelton
Aplicando el Principio de Cantidad de Movimiento en el volumen de control, la fuerza ejercida en
la dirección del movimiento está dada por:
 
F Q V V cos
x 1 2

F 0
y
   
Donde: 1 b Q  V A : caudal o gasto en la boquilla.
En términos de velocidades relativas,

6. F Qv v cos  QV u1 cos  x 1     
Donde: V1; V2: velocidad del chorro de entrada y salida, respectivamente, del volumen de
control. V1 =V2.
u: velocidad tangencial en la línea de centro de los cucharones.
  
 
v: velocidad relativa del agua respecto del cucharón. u V v 1
Luego, la potencia transmitida al cucharón es:
P Fu QV u1 cos u 1      
 No hay potencia generada cuando u = 0 o u = V1.
Potencia máxima:
  
      
Q 1 cos V u u 0
u
  0.5
V
teórico
V
2
u
dP
du
1
1
1
  
En la práctica,
u
1 V
varía entre 0.43 y 0.48, debido a pérdidas de energía.
La eficiencia  oscila entre 85% y 90% debido a:
- Pérdidas en la boquilla.
- Pérdidas por fricción.
- Remolinos en el cucharón.
- Pérdidas de energía cinética a la salida del cucharón.
- Fricción y resistencia del aire.
Luego, la potencia entregada por la turbina será:
P  Qh
3.1.2.TURBINA DE FLUJO CRUZADO (CROSS FLOW)
La turbina Cross Flow es de construcción simple, esto le da, la característica muy importante de
poder ser construida sin mucha tecnología. Las dos partes principales de una turbina Cross Flow
son el rotor o rodete y el conjunto de elementos que conforman la carcasa, ambas piezas se
hacen con lámina de acero soldada y requieren cierto fresado, lo único que se necesita es un
equipo de soldar y un taller de máquinas como los que se utilizan para reparar maquinaria
agrícola y piezas automotrices.
La eficiencia de la turbina Cross Flow es del 80% y mayor, y por ende es apropiada para
pequeñas centrales generadoras hidroeléctricas. La regulación del flujo y el control del regulador
central l, se realiza mediante un mecanismo de cierre, en la forma de una compuerta.
Para caídas elevadas la turbina Cross Flow se conecta a una tubería de carga con una válvula
de entrada a la turbina. Esto requiere de un tipo de disposición diferente que el empleado para
caídas bajas.
El agua es accionada dos veces en las paletas de la rueda, la transferencia de energía es de
72% en la primera acción y 28% en la segunda. El flujo de agua cruza la rueda, de ahí proviene

7. el nombre de Cross Flow (fluir a través).
Fig. 3.5. Trayectoria del flujo en una turbina de flujo cruzado.
3.1.3.LA TURBINA OSBERGER
Las turbinas OSSBERGER siempre son adaptadas individualmente a las condiciones de servicio
(caída/caudal) existentes en un determinado salto de agua.
Campo de aplicación:
Caídas A = 2 - 200 m
Caudales Q = 0,04 a 12 m³/s
Potencias P = 2000 kW
PRINCIPIO DE TRABAJO
La turbina OSSBERGER es una turbina de libre desviación, de admisión radial y parcial. Debido
a su número específico de revoluciones cuenta entre las turbinas de régimen lento. El
distribuidor imprime al chorro de agua una sección rectangular, y éste circula por la corona de
paletas del rodete en forma de cilindro, primero desde fuera hacia dentro y, a continuación,
después de haber pasado por el interior del rodete, desde dentro hacia fuera.

8. Fig. 3.6. Entrada horizontal de agua
Fig. 3.7. Entrada vertical de agua
En la práctica, este sentido de circulación ofrece además la ventaja de que el follaje, hierba y
lodos que durante la entrada del agua se prensan entre los álabes, vuelven a ser expulsados con
el agua de salida - ayudados por la fuerza centrífuga - después de medio giro del rodete. De esta
manera no puede atascarse nunca este rodete de limpieza automática.
En los casos en los que el caudal del río lo requiere, se ejecuta la turbina OSSBERGER en
construcción de células múltiples. La división normal es de 1 : 2. Para el aprovechamiento de
pequeños caudales se utiliza la célula pequeña, para caudales medianos la célula grande.
Ambas células juntas sirven para grandes corrientes de agua. Esta disposición permite
aprovechar con un rendimiento óptimo cualquier caudal de agua con una admisión entre 1/6 y
1/1. De aquí se explica la especial eficacia de las turbinas OSSBERGER en el aprovechamiento
de caudales sometidos a fuertes variaciones.
RENDIMIENTO
El rendimiento total medio de las turbinas OSSBERGER se calcula para potencias pequeñas con
un 80% para todo el campo de trabajo. Estos rendimientos son generalmente superados en la
práctica. Para las unidades medianas y grandes del programa de fabricación se han medido
rendimientos de hasta un 86%.

9. De la fig. 3.8 se desprende claramente la superioridad de la turbina OSSBERGER en la zona de
carga parcial. Algunos ríos llevan a menudo durante varios meses muy poca agua. De la línea
característica de rendimiento de cada turbina depende si durante ese tiempo se sigue
produciendo energía eléctrica. En las centrales fluviales con caudales irregulares, las turbinas
con un elevado rendimiento máximo, pero con un comportamiento menos favorable bajo carga
parcial, alcanzan una potencia anual inferior a la obtenida, con turbinas cuya curva de
rendimiento aparece más aplanada.
Fig. 3.8.Línea característica del rendimiento de una turbina OSSBERGER obtenida
a partir de las 3 curvas de rendimiento de una división de 1:2, en comparación con
una turbina Francis.

10. CAPITULO 5
TURBINAS A REACCION.
Las llamadas turbinas de reacción son turbinas diseñadas para baja carga y altos caudales. El
caudal entra por la sección de mayor diámetro y sale luego por el centro del rotor después de
ceder la mayor parte de su energía. Existen varios tipos turbinas de reacción, el tipo Francis y el
tipo Hélice y la forma general es la que se muestra en la figura:
En general, las turbinas Francis están montadas sobre ejes verticales y son de una sola pieza.
Después de pasar por el rodete, el agua cae a un difusor axial, la expansión de este difusor no
tiene más allá de 10º. Finalmente, este tipo de turbinas admiten una carga determinada para
evitar la cavitación.
Finalmente, la eficiencia de una turbina estará dada por: e e e e h m v   
Donde: eh: eficiencia hidráulica, se refiere a la fricción, remolinos.
em: eficiencia mecánica, se refiere a la fricción en los soportes.
ev: eficiencia volumétrica, se refiere a la porción de agua que se evapora.
5.1.Turbina Francis
La turbina Francis, como todas las turbinas de reacción, es de admisión total, el agua entra por
toda la periferia del rodete. En consecuencia, un mismo caudal así repartido requiere un rodete
que puede resultar mucho menor que el de una rueda Pelton equivalente.

11. Fig.5.1.Rotor de turbina Francis
Este tipo de turbina fue diseñada por en ingeniero ingles James B. Francis (1815-1892). Era una
turbina totalmente centrípeta totalmente radial. Podemos observar dos partes, el distribuidor que
es una parte fija a través de la que se admite el agua en el rodete que es móvil y solidario al eje.
DISTRIBUIDOR
El agua procedente del embalse entra en una cámara espiral que se encarga de hacer uniforme
la velocidad de agua por toda la periferia del distribuidor. Para alturas importantes esta caja
espiral es metálica, mientras para pequeñas alturas (de grandes secciones) se construyen de
hormigón.
El distribuidor de la turbina Francis, y en general de todas las turbinas de reacción, está formado
por aletas de guía pivotadas. El agua es acelerada a una velocidad V1´. Las aletas de guía giran
sobre sus pivotes, para modificar la sección transversal de los canales y así ajustar en todo
momento el caudal a la carga de la central. El movimiento de las aletas guía o parlas directrices,
se consigue con la acción de sus correspondientes bielas, unidas todas a un anillo. Este anillo
gira ligeramente, por la acción de uno o dos brazos de un servomotor.
Al girar las aletas forman un ángulo 1 con la dirección tangencial del rodete. Con 1=0º se
considera para un caudal nulo y con 1=15º a 1=40º según la velocidad especifica de la turbina
para el caudal máximo.
Podemos ver una sección de la turbina Francis completa en la siguiente ilustración:

12. Fig.5.2Sección de Turbina Francis
El RODETE
El agua sale del distribuidor y gira como un vórtice libre en el espacio comprendido entre éste y
los bordes de entrada de los álabes del rodete. La velocidad V1´ de salida del distribuidor no
corresponde con la velocidad de entrada en el rodete c1.

13. Fig.5.3.Rodete Francis
Con mayores caudales y menores alturas (ns mayor), la forma del rodete va evolucionando a
mayores secciones de entrada y flujo más axial. Las potencias unitarias máximas instaladas son
mayores que las Pelton, hasta aproximadamente 500.000 CV. Las alturas máximas son de unos
520 m, valores antes reservados a las Pelton y que ahora se solapan.
CALCULO ELEMENTAL DE UNA TURBINA FRANCIS
Antes de proceder al calculo elemental de una turbina Francis veamos algunas proporciones y
factores de diseño, según el siguiente dibujo:

14. Fig.5.4.Partes del rodete
Fig.5.5..Tipos de Rodetes Francis
Para ello haremos referencia constantemente al DIAGRAMA de proporciones y factores para
turbinas de reacción:

15. Fig.5.6..Diagrama de proporciones
Supongamos como datos de partida la altura H y el caudal normal de funcionamiento Q, para
ello determinaremos la potencia normal, tomando un 90% de rendimiento:
* * * * P Q H e 
Tantearemos con el ns , los datos de partida y la potencia normal, las revoluciones de trabajo:
1/ 2 *
H
n P
n e
5 / 4
s 
Según el triangulo de entrada de velocidad absoluta c1. En la turbina Pelton toda la altura H del
salto se transforma en velocidad antes de entrar en el rodete, de forma que:
c 2gH 2
1


16. Pero en las turbinas de reacción sólo se transforma en velocidad (cinética) antes del rodete (en
el distribuidor) parte de la energía potencial, de forma que nos encontramos con:
c C 2gH 2
1
2
1

c C 2gH 0,66 2gH 1 1  
De forma que aproximadamente el valor de C1 (factor de velocidad) que en la turbina Peltón se
acercaba a la unidad (0,98), en el caso de la Francis debe de tomar el valor de C1 =0,66. Es
decir se transforma en energía cinética en el distribuidor un 44%. Tenemos por tanto como
expresión para el calculo de la velocidad absoluta:
Para el calculo de la velocidad tangencial u1 aplicaremos la siguiente expresión, donde el factor
de velocidad tangencial se obtendrá del DIAGARAMA:
gH U u 2 1 1 
Conocidos los valores de n y u1 calcularemos el diámetro del rodete D1:
u
60* 1
n
D
*

1 
1 1 1  2*U *C *cos h 
Para el rendimiento hidráulico y el ángulo  de entrada al rodete utilizaremos la siguiente
ecuación ya que conocemos U1, C1 y 1 tomada también del DIAGRAMA:
*sen

C

1 1
*cos

U C
1 1 1
tg


Para el calculo de las dimensiones de los parámetros D2, Dt, Dd y B nos dirigiremos de nuevo al
DIAGRAMA donde encontraremos las relaciones de ellos mismos con D1. Lo mismo haremos
para obtener el número de álabes y el rendimiento de diseño, a través de la cual obtendremos la
potencia de entrada de diseño (rehacer dicho calculo, que en un primer momento era estimado
el rendimiento al 90%.
EJEMPLO DE CALCULO DE UNA TURBINA FRANCIS
Tenemos una centra hidráulica en la que la altura del salto es de 285 m y el caudal de diseño de
30 m3/s. Calcula las prestaciones y el diseño de la turbina.

17. La potencia disponible será contando con un rendimiento de un 90% (estimado):
P Q H W CV e  * * *  9,81*1000 *30 *285 *0,9  75487950 102565
Dada la altura del salto vamos a tomar una ns de 120, la cual da un rendimiento muy bueno,
cercano al que hemos estimado del 90%.
n e
s 
Hallamos la velocidad de giro en rpm:
1/ 2 *
H
P n
5/ 4
438
5/ 4
5/ 4
n H
* 120*285
s
P
  
1/ 2
102565
1/ 2
e
n
Es decir, necesitaremos un alternador de 7 pares de polos, por lo que la velocidad real será de
428.5 rpm:
50 *60
 
n 428.5
rpm
Hz s
7
Si recalculamos de nuevo la velocidad especifica de la turbina ns:
1/ 2
n P
* 428.5*102565
n e
s
  
285
5/ 4
5/ 4
H
Para el calculo de la velocidad absoluta tenemos:
117.19
1/ 2
c C 2gH 0,66 2gH 0.66 2*g*285 49m/ s 1 1    
La velocidad tangencial, tomando U1 del DIAGRAMA en función de ns:
u U 2gH 0,735 2gH 0.735 2*g*285 55m/ s 1 1    
Calculamos el diámetro del rodete D1:
m
m s
u
60 *55 /
60 * 1
D 2.45
1   
n
*428,5
 *

Hallamos 1 (ángulo de flujo en el distribuidor tomado desde la recta tangente al rodete) del
DIAGRAMA y con dicho ángulo el rendimiento hidráulico:
2* * *cos 2*0,735 *0.66 *cos14º 0.941 1 1 1   U C    h

18. Para el calculo del ángulo 1 (ángulo que forma los álabes a la entrada del rodete) aplicamos la
expresión:

C
1 1   
tg  
1
1,688 59º
0,66*sen14º
0,735 0,66*cos14º
*sen
*cos
U 
C

1 1 1



Para el cálculos de las dimensiones, conociendo ns= 117,19 volvemos al DIAGRAMA, y
despejamos:
D m
   
0,51 0,51*2,45 1,25
2
D m
   
0,85 0,85*2,45 2,08
2
D m
   
0,145 0,145*2,45 0.355
2
D m
D
2
D
1
D
t
D
1
B
D
1
B
D
   
0,16 0,355*0,16 2,22
d
d
El número z de álabes y el rendimiento optima con la ns=177.19 se toma de DIAGRAMA, siendo
Z=17 álabes y el rendimiento optimo de un 93%, por lo que la potencia de diseño más próxima a
la real será la de 105.983,9 CV.
Para saber qué turbina es mejor elegir en un diseño, se deben conocer las velocidades
específicas.
Las turbinas Francis se diseñan para velocidades específicas entre 6.4 y 100, y como se puede
apreciar en el gráfico de la figura, presenta eficiencias mayores para velocidades específicas
entre 40 y 60. Las turbinas Hélice se diseñan para velocidades específicas entre 100 y 200 y
presenta eficiencias mayores para el rango de velocidades específicas entre 120 y 160. Para el
caso de las turbinas de impulso tipo Pelton, las velocidades específicas de diseño es entre 0 y
6.4, este tipo de turbina es de baja velocidad, es decir, requiere de una menor velocidad que una
Francis para producir una misma potencia con una misma carga y en condiciones de operación
óptima.

19. Fig.5.7
Se dijo anteriormente que las turbinas de reacción admiten una cierta carga par la cual
no se produce cavitación, esta carga se pude determinar mediante un parámetro de cavitación,
el cual es un valor experimental para el cual se empieza a producir este fenómeno. La forma
usual de detectar la cavitación es mediante ruidos, vibraciones y pérdida de la eficiencia en las
turbinas

 
c
atm w p e
z
h

  1
Donde: z1: altura de aspiración.
h: carga efectiva sobre la turbina.
ew: presión de vapor del agua.
A nivel del mar y a 21ºC, se tiene que:
p e
atm  w
 10 .
1 m  
Donde: z1: altura de aspiración.
h: carga efectiva sobre la turbina.
ew: presión de vapor del agua.
A nivel del mar y a 21ºC, se tiene que:
p e
atm  w
 10 .
1 m  
Donde: z1: altura de aspiración.
h: carga efectiva sobre la turbina.
ew: presión de vapor del agua.
A nivel del mar y a 21ºC, se tiene que:
p e
atm  w
 10 .
1 m  

20. ns c
40 0.10
80 0.40
120 0.55
160 0.80
200 1.50
Luego, la altura máxima de instalación de una turbina estará dada por:
z
p e
h atm w
1 c   
 

5.3.TURBINA KAPLAN
Al igual que las turbinas Francis, las de tipo Kaplan, son turbinas de admisión total, incluidas así
mismo en la clasificación de turbinas de reacción. Las características constructivas y de
funcionamiento, son muy similares entre ambos tipos.Se emplean en saltos de pequeña altura
(alrededor de 50 m. y menores), con caudales medios y grandes (aproximadamente de 15 m3/s
en adelante).Debido a su singular diseño, permiten desarrollar elevadas velocidades específicas,
obteniéndose buenos rendimientos, incluso dentro de extensos límites de variación de caudal
,las turbinas Kaplan son menos voluminosas que las turbinas Francis. Normalmente se instalan
con el eje en posición vertical,o inclinada.
Fig. 5.9. – Turbina Kaplan de eje vertical.
Un montaje característico de este tipo de turbinas, conjuntamente con el alternador, constituye
los llamados grupos-bulbo, propios de las centrales mareomotrices; o los grupos-pozo, utilizados

21. para el máximo aprovechamiento de las corrientes de agua con muy poco salto. En ambas
disposiciones, la cámara y el tubo de aspiración constituyen un solo conducto, pudiendo estar
situado el eje del grupo en posición horizontal o inclinada
COMPONENTES DE UNA TURBINA KAPLAN.
Dado el gran parecido con las turbinas Francis, no vamos a insistir sobre aquellos componentes
que tienen la misma función y similares características. Tal como se muestra en la figura 4.15.a.
Fig.4.15.a.Turbina Kaplan
Fig.5.10..Rotor Kaplan -Mecanismo