FABRICACIÓN
DE TURBINAS HIDRÁULICAS EN CUBA (II). Factor esencial
del desarrollo hidroenergético
Emir Madruga
y colectivo
Ilustraciones: Aleman
El corazón tecnológico del aprovechamiento
hidro-energético es la turbina hidráulica.
Su diseño y fabricación son altamente especializados,
en ellos Cuba ha alcanzado logros significativos.
Esta línea de trabajo recibió un importante impulso
en los primeros años de la década de los ochenta,
al calor de una serie de decisiones que tomó el país
para reforzar las tareas energéticas.
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Corte transversal de una turbina
tipo Francis |
Fundamentar un programa de mini, micro y pequeñas
centrales sobre la base de la importación total de los equipos,
resultaba poco atractivo y auguraba múltiples dificultades.
Era necesaria la producción industrial seriada del equipa-miento
principal, muy caro en el mercado internacional, de producción
mecánica muy especializada, donde el principal valor añadido
es el know-how y donde con pocos materiales se logran altísimos
valores de producción, lo que resulta de gran interés para
la industria mecánica cubana al tomar en consideración su
futura exportación.
A nivel internacional, los libros de texto y los programas universitarios,
en relación con la fabricación de turbinas, por lo general
no pasan de criterios preliminares.
El diseño y la fabricación de turbinas llevan aparejado
un conjunto de técnicas que conforman un know-how particular que
está regulado, custodiado y protegido por los principales productores,
pocos por cierto, básicamente europeos y norteamericanos, aunque
algunos fabricantes del tercer mundo producen bajo licencia de los consorcios.
El diseño específico de una turbina o de una familia de
turbinas se realiza mediante el ensayo de modelos reducidos, análogos
geométrica e hidráu-licamente a la máquina en cuestión
(igual velocidad específica).
Los resultados de los ensayos de modelos registrados en nomogramas para
las diferentes posibilidades de uso donde se señala la eficiencia
específica de las máquinas, conforman el gráfico
conocido como “topográfico” de la familia o grupo de
turbinas de un tipo.
Este topográfico, junto a las dimensiones y perfiles del modelo,
permiten por homologación diseñar dentro de la familia las
diferentes turbinas para cada caso o grupo de casos semejantes.

La turbina tipo Francis tiene una entrada en espiral
y unas aspas guías,
de forma que el agua impulsa las paletas con una pérdida
de energía mínima por efecto de la turbulencia.
Los laboratorios para este trabajo, los especialistas
y la experiencia que se requiere para su realización, son en cualquier
caso muy valiosos y escasos en el mundo.
Criterios de diseño y selección de turbinas hidráulicas
Los criterios de diseño para las centrales hidroeléctricas
y la selección del tipo de turbina idónea para cada aprovechamiento
específico dependen de múltiples factores técnicos
y económicos.
En teoría cada emplazamiento requiere el diseño de su equi-pamiento
específico para lograr su óptimo aprovechamiento.
Esto sólo se hace de esta forma después de haber agotado
las posibilidades de normalización de los equipos (en busca de
los más económicos), o en aquellos casos en donde ganar
1 ó 2 % en la eficiencia del conjunto pague lo costoso de las investigaciones,
el desarrollo de modelos y lo que significa una producción unitaria.
Por regla general este tratamiento individual se reserva sólo para
centrales muy grandes.
En la determinación del número y tamaño de las unidades
para un proyecto dado deben analizarse los siguientes aspectos:
• Cuenca del recurso, pluviosi-dad, hidrología
y caudales garantizados, es decir, el agua disponible, su distribución
a lo largo del año y la subordinación de la entrega del
agua y del régimen de operación.
• Regulación, obras de toma, uso final del agua, embalses
reguladores de aguas abajo.
• Geología, topografía y la carga hidráulica
disponible.
• Racionalidad, uso de recursos y materiales locales, economía
y optimización.
• La mayor integración nacional posible de la inversión
en su conjunto.
• Características del servicio, tales como entrega posible
al Sistema Electroenergético Nacional, o si es aislado o en paralelo
a otra minihidroeléc-trica, dimensiones y características
de la curva de demanda de la carga eléctrica conectada, etc.
• Criterios económicos.
• Criterios extraenergéticos, tales como lo referente al
impacto social, político y ambiental.

Rodete móvil de una turbina de hélice
En el caso de las mini y microcentrales hidroeléctricas
en zonas montañosas, el criterio que ha prevalecido en la mayoría
de las decisiones que se toman por los territorios es el de montar, por
su importancia estratégica, la máxima potencia que pueda
dar el recurso.
Ante limitaciones materiales, en ocasiones aunque se instale la potencia
que resuelva el problema en el corto plazo, se han creado las condiciones
que permitan pasar al máximo aprovechamiento posterior, ya sea
cambiando el generador, instalando otra turbina, etc.
En el caso de las pequeñas centrales hidroélectricas (PCHE)
mayores de 500 kW de potencia, el inversionista y el proyectista de la
parte hidráulica están obligados a profundizar en los análisis
técnico-económicos y los estudios de factibilidad, incluyendo
la simulación del trabajo del embalse y la hidrocentral según
la información de los últimos
20 ó 30 años, para co-nocer el comportamiento a 20 -30 años
vista en los diferentes regímenes posibles de explotación
energética, respetando el uso final del agua.
Comercialmente, en catálogos y en libros de texto aparecen criterios
de selección preliminar de las turbinas, sobre la base de la carga
hidráulica y el caudal disponibles.
Para cada rango de cargas y caudales se clasifica el tipo o los tipos
de turbinas a seleccionar preliminarmente. Estas son: turbinas de impulso
(Pelton) para mayores cargas y relativamente pequeños caudales,
turbinas de reacción y(o) flujo cruzado para cargas medias y caudales
medios y mayores, turbinas de propela y flujo cruzado para cargas menores
y turbinas de extraflujo para cargas muy pequeñas y grandes flujos.
Dentro de cada rango se elige en dichos gráficos la turbina que
más se acerque a los parámetros del aprovechamiento.
Las turbinas de flujo cruzado (Banki o Michell Banki), son turbinas simplificadas
que tienen un rendimiento promedio de 75 %, en lugar de 80-90% que se
obtiene con las turbinas de impulso o reacción.
En ocasiones, esto se ha considerado
como una desventaja; sin embargo, en muchos aprovechamientos donde
indistintamente se pueden usar, por ejemplo, turbinas Francis o de
flujo cruzado, la Francis tiene mayor eficiencia dentro de un rango
muy estricto de variación de las cargas y el caudal; no obstante,
por sus características las turbinas de flujo cruzado son tolerantes
a las variaciones y mantienen la eficiencia, de ahí que a lo
largo del año lleguen a producir en muchos casos más
energía que las más costosas y específicas turbinas
Francis.
Aquí es conveniente recordar nuestra estacionalidad climáti-ca
y que por lo general los embalses se subordinan al riego o al abasto.
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Corte tranversal de una turbina Kaplan (ver
afiche central) |
Esto da una idea muy preliminar de lo que realmente es
todo un proceso de cálculo y comparaciones para adaptar convenientemente
la turbina normalizada al aprovechamiento en cuestión. La experiencia
acumulada ha permitido que los especialistas usen como criterio para la
selección preliminar de la turbina, el paráme-tro conocido
como “velocidad específica”.
Según el rango de la inversión, una microcentral (de menos
de 50 kW de potencia) requiere mucho menos rigor de análisis previo,
debido al alto costo de los estudios preliminares.
Sin embargo, ya una pequeña
central (de hasta 5 000 kW) forzosamente requiere cumplir con todas
las premisas establecidas, es decir, que para cada nivel de inversión
hay un nivel de requerimientos en cuanto a su análisis de factibilidad
y documentación de proyecto e inversión.
Extrapolar a las PCHE o a las mini y microcenrales criterios que son
válidos y necesarios para las centrales hidroeléctricas
(CHE), es un error con ceptual reconocido en muchos programas y experiencias
de otros países. |
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Corte tranversal de una turbina Pelton
(ver afiche central) |
Las pequeñas centrales, las mini y las microcentrales
utilizan en todo el mundo equipos normalizados producidos en serie, o
producciones artesa-nales para resolver de alguna forma cuando no se dispone
de productos industriales que garanticen la eficiencia a muy bajo costo.
Situación actual y perspectivas
En conclusión, debido a un trabajo de años, la industria
mecánica cubana produce hoy con calidad exportable 6 modelos de
turbinas eficientes que posibilitan el aprovechamiento de nuestro potencial
de mini y microcentrales.
Las “minihidroeléctricas” o más propiamente
las turbinas hidráulicas que se han desarrollado desde 1983 y que
se producen en serie en nuestra industria mecánica, obedecen a
una rigurosa selección en cuanto a sus posibilidades para satisfacer
precisamente las características del potencial hidroenergético
de Cuba y constituyen renglones con amplias posibilidades de exportación.
Que se conozca, a nivel internacional no se comercializan turbinas distintas
a las aquí señaladas, aunque pueden aparecer modelos simplificados
para bajar su precio, o incluir novedades de acabado, materiales más
duraderos o introducir avances electrónicos en la regulación
y el control.
En este sentido lo importante es mantenernos como hasta ahora, o más
aún, al tanto del desarrollo mundial.
La existencia de una infraestructura hidráulica y de una ya sólida
cultura hidroenergética permiten asegurar el desarrollo sostenido
de la construcción de mini, micro y pequeñas centrales hidroeléctricas,
incluyendo la exportación de equi-pamiento, proyectos y servicios.
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