Turbinas hidráulicas: Análisis técnico de principios, diseños, funcionamiento e innovaciones.

Introducción

Las turbinas hidráulicas constituyen el núcleo tecnológico de la generación hidroeléctrica, representando una metodología estratégica y altamente eficiente para la conversión de energía potencial y cinética del agua en energía mecánica rotacional y, subsecuentemente, en energía eléctrica. Estos equipos hidráulicos tienen como función transformar la energía cinética del agua en energía mecánica. Es una maquina rotativa esencial de las centrales hidroeléctricas y muestra un alto rendimiento: se estima que las turbinas son capaces de convertir más del 90 % de la energía cinética del agua que captan en energía mecánica.

Una turbina hidráulica está formada por una parte fija, llamada estator, y por la rueda o rotor. El primero dirige y regula el caudal de agua y el segundo transfiere la energía cinética del agua al eje en el que está montado. Este artículo técnico aborda los principios fundamentales que gobiernan el funcionamiento de estas máquinas, examina las configuraciones y geometrías distintivas de las principales tipologías, analiza los parámetros operacionales críticos, y explora los avances tecnológicos contemporáneos que están redefiniendo sus capacidades y ámbitos de aplicación.

¿Qué es una turbina hidráulica?

Una turbina hidráulica es una máquina que transforma la energía de un fluido (energía cinética y potencial), normalmente agua, en energía mecánica de rotación. Esta energía puede ser potencial o cinética.

Fundamentos teóricos de las turbinas hidráulicas

Las turbinas hidráulicas operan bajo los principios de la mecánica de fluidos y la conservación de la energía, en especial la energía potencial y cinética del agua. Cuando el agua se encuentra a una cierta altura (como en un embalse o una represa), posee energía potencial gravitatoria. Al permitir que fluya hacia un nivel inferior, esta energía se transforma en energía cinética, la cual puede ser aprovechada por una turbina para generar movimiento rotacional.

El teorema de Bernoulli es una de las bases teóricas más relevantes, ya que describe cómo la presión, la velocidad y la altura de un fluido están interrelacionadas. Asimismo, la segunda ley de Newton explica cómo el cambio en la cantidad de movimiento del fluido produce una fuerza que impulsa los álabes o palas de la turbina. Además, se aplican principios de diseño hidráulico, como la optimización del caudal, la minimización de pérdidas por fricción y la selección del tipo de turbina según el salto de agua y el flujo disponible.

Fundamentos hidrodinámicos de las turbinas hidráulicas

Las turbinas hidráulicas se rigen por principios hidrodinámicos que explican cómo la energía del agua en movimiento puede ser capturada y transformada en energía mecánica. Aprovechan dos formas principales de energía del fluido: la energía cinética, asociada a la velocidad del agua, y la energía potencial, relacionada con la altura o presión del flujo.

El comportamiento del agua en el interior de una turbina se describe mediante leyes de la dinámica de fluidos, en particular, la ecuación de Euler para turbomáquinas y el teorema de conservación de la cantidad de movimiento. Estos principios permiten calcular las fuerzas que actúan sobre los álabes del rodete cuando el flujo los atraviesa. También se consideran aspectos como la velocidad relativa del fluido, la circulación, y los perfiles hidrodinámicos que maximizan el rendimiento del sistema.

Además, se tienen en cuenta fenómenos como la cavitación, la formación de vórtices y las pérdidas hidráulicas, que influyen directamente en la eficiencia y durabilidad de la turbina. Un diseño hidrodinámico adecuado permite optimizar la transferencia de energía desde el fluido hacia el rotor, minimizando estos efectos indeseados.

La ecuación de Euler para turbomáquinas

La ecuación de Euler para turbomáquinas es un principio fundamental en el análisis energético de dispositivos que intercambian energía con un fluido, como es el caso de las turbinas hidráulicas. Esta ecuación establece la relación entre el trabajo mecánico intercambiado por unidad de masa y el cambio de momento angular del fluido al atravesar el rodete de la turbina.

En forma general, la ecuación se expresa como:

ΔW=u_2​cu₂​−u_1​cu_1​

donde:

• ΔW, es el trabajo específico transmitido al eje,
• u, es la velocidad periférica del rodete.
• cu,​ es la componente tangencial de la velocidad absoluta del fluido,
• los subíndices 1 y 2 indican la entrada y salida del rodete, respectivamente.

Esta ecuación refleja cómo la interacción entre el fluido y los álabes de la turbina depende de las velocidades relativas y absolutas del flujo. El valor de ΔW determina la potencia que el fluido transfiere al rotor. En una turbina hidráulica eficiente, el diseño geométrico de los álabes se optimiza para maximizar este trabajo.

Teorema de conservación de la cantidad de movimiento

El teorema de conservación de la cantidad de movimiento, aplicado a un volumen de control fijo, establece que la fuerza neta ejercida sobre un fluido es igual a la variación del flujo de cantidad de movimiento a través de ese volumen. En turbinas hidráulicas, este principio permite calcular las fuerzas ejercidas por el flujo sobre los álabes y viceversa.

En su forma escalar para flujo unidimensional, se expresa como:

F=ṁ(v_salida​−v_entrada​)

donde:

• F, es la fuerza neta ejercida,
• ṁ,˙ es el caudal másico del fluido,
• v, representa la velocidad del flujo en los puntos de entrada y salida.

Cuando se aplica a turbinas, se toma en cuenta la dirección y magnitud de las velocidades, lo que permite obtener no solo la fuerza neta, sino también su componente útil (generalmente tangencial) que produce el giro del rodete. El teorema también permite analizar efectos como el cambio de dirección del chorro de agua, la eficiencia del impulso, y la carga hidráulica disponible.

En conjunto, estos dos principios — Euler y conservación de cantidad de movimiento— forman la base teórica sobre la cual se diseñan y optimizan las turbinas hidráulicas.

¿Cómo aplica la conservación de la masa en una turbina hidráulica?

La conservación de la masa establece que, para un flujo estacionario y en régimen permanente, la masa de fluido que entra a una turbina debe ser igual a la masa que sale (suponiendo que no hay acumulación de masa dentro del sistema). En forma general:

ṁ_entrada​=ṁ_salida​

Donde: ṁ,˙ es el caudal másico, y se define como ρ⋅Q, siendo ρ la densidad del fluido y Q el caudal volumétrico.

Esto implica que, en condiciones normales de operación, el agua no se comprime ni se expande significativamente (por tratarse de un líquido incompresible como el agua), por lo que el volumen que entra y el que sale también tienden a ser iguales. Este principio permite diseñar y dimensionar adecuadamente los componentes del sistema: toberas, distribuidores, rodetes y conductos de salida, de modo que no haya obstrucciones, sobrepresiones ni pérdidas excesivas.

El comportamiento de las turbinas hidráulicas se fundamenta en los principios de conservación de masa, momento y energía, expresados mediante las ecuaciones de Euler para turbomáquinas. Se denomina ecuación de Euler a la ecuación fundamental que describe el comportamiento de una turbomaquina bajo la aproximación de flujo unidimensional.

Específicamente, el momento angular transferido entre el fluido y el rotor puede expresarse como:

M=ρQ(r_2​vu₂​−r₁​vu₁​)

Donde:

• M, es el momento o par (torque) ejercido por el fluido sobre el rodete.
• ρ, es la densidad del fluido.
• Q, es el caudal volumétrico.
• r₁,r₂,​ son los radios del rodete en la entrada y la salida del fluido.
• vu₁,vu₂, son las componentes tangenciales de la velocidad absoluta del fluido en la entrada y salida, respectivamente.

Cómo funciona una turbina hidráulica en una central hidroeléctrica

Una turbina hidráulica en una central eléctrica funciona aprovechando la energía potencial del agua almacenada en una presa. El agua liberada desde un embalse fluye a gran velocidad hacia las palas de la turbina a través de un conducto conocido como canal de presión o túnel de aducción. La fuerza del agua en movimiento hace girar las palas de la turbina, lo que convierte la energía cinética del agua en energía mecánica. Este proceso ocurre de forma controlada para maximizar la eficiencia de la conversión de energía.

El eje de la turbina, que está conectado a un generador, gira a medida que las palas se mueven. Esta rotación del eje se utiliza para generar electricidad, mediante el principio de inducción electromagnética. En el generador, el movimiento del rotor dentro de un campo magnético produce una corriente eléctrica. La energía generada es luego enviada a través de líneas de transmisión para su distribución. Así, las turbinas hidráulicas juegan un papel fundamental en la generación de energía limpia y renovable en las centrales hidroeléctricas.

En el siguiente video se presenta una animación que muestra como las turbinas hidráulicas en una central eléctrica convierten la energía del agua en energía mecánica. Fuente: Tennessee Valley Authority.

Tipos y configuraciones de turbinas hidráulicas

Entre los tipos de turbinas se incluyen Las turbinas de Acción y las turbinas de reacción. La clasificación delas turbinas hidráulicas se basa en el principio físico que describe cómo el fluido (agua) interactúa con las aspas de la turbina para generar movimiento; esta distinción está relacionada con la forma en que la energía del agua se transfiere a la turbina. Se categorizan en dos tipos, por Acción y por Reacción. En la siguiente imagen se puede apreciar los tipos de turbinas más usadas: Pelton, Francis y Kaplan.

A continuación se describen de acuerdo al tipo de configuración:

Turbinas de acción

Turbina Pelton

La rueda Pelton es una turbina hidráulica de impulso creada por el inventor estadounidense Lester Allan Pelton en la década de 1870. Esta rueda extrae energía del impulso del agua en movimiento, a diferencia del peso muerto del agua, como la rueda hidráulica tradicional de sobrealimentación.

El agua que salía de estas ruedas solía mantener una alta velocidad, lo que absorbía gran parte de la energía dinámica que llegaba a las ruedas. La geometría de las paletas de Pelton se diseñó de modo que, cuando el borde giraba a la mitad de la velocidad del chorro de agua, el agua salía de la rueda con muy poca velocidad; por lo tanto, su diseño extraía casi toda la energía de impulso del agua, lo que la convertía en una turbina muy eficiente.

Turbina Turgo

Esta turbina se define como una turbina de acción, flujo axial y admisión parcial, cuyos elementos más importantes que forman la turbina son el distribuidor o inyector y el rodete.

Variante de las turbinas de impulso con las siguientes características distintivas:

• Impacto del chorro en ángulo (típicamente 20°) respecto al plano del rodete.
• Mayor capacidad de flujo en comparación con la Pelton para el mismo diámetro.
• Velocidad específica entre 20 y 50 m-kW.
• Menor susceptibilidad a pérdidas por ventilación.

Turbina Michell-Banki (Flujo Cruzado)

Las turbinas Michell-Banki, también conocidas como turbinas de flujo cruzado, son máquinas hidráulicas utilizadas para la generación de energía en proyectos hidroeléctricos a pequeña escala. Desde su creación, la turbina de Michell-Banki ha sido objeto de múltiples investigaciones enfocadas a mejorar la eficiencia a fin de obtener el máximo aprovechamiento del recurso hidráulico disponible.

Características técnicas:

• Flujo radial con doble paso a través de la corona de álabes.
• Perfil hidrodinámico definido por coordenadas adimensionales basadas en el radio del rodete.
• Relación óptima de diámetros exterior/interior de 0.66.

Turbinas de reacción

Turbina Francis

La turbina Francis es una turbina de reacción que funciona según el principio de convertir la energía cinética del agua en energía mecánica mediante una combinación de flujo radial y axial.

El ingeniero estadounidense James B. Francis la inventó a mediados del siglo XIX. Está diseñada específicamente para funcionar eficientemente en diversas condiciones de altura de agua y caudal, lo que la hace adecuada para aplicaciones de altura media.

Su característica distintiva reside en el uso de álabes guía fijos y móviles que dirigen el flujo de agua hacia los álabes del rodete, facilitando una conversión óptima de energía.

Turbina de flujo mixto con las siguientes especificaciones técnicas:

• Álabes directrices (wicket gates) regulables con perfil aerodinámico.
• Geometría del rodete definida por espirales logarítmicas.
• Distribuidor con perfil hidrodinámico y ángulo variable.
• Velocidad específica entre 60 y 300 m-kW.
• Modelado mediante ecuaciones de Navier-Stokes en CFD con modelos de turbulencia k-ε o k-ω.

Turbina Kaplan

Las turbinas hidraulicas Kaplan son turbinas de reacción y de admisión total, cuyo funcionamiento es adecuado a pequeños saltos (hasta 50 m) y caudales medios y grandes (15 m3/s). Se conocen también como turbinas de doble regulación

Turbina de flujo axial con las siguientes características:

• Álabes del rodete ajustables mediante mecanismo servohidráulico.
• Perfil hidrodinámico basado en perfiles NACA.
• Doble regulación (wicket gates y álabes del rodete) para mantener eficiencia en carga parcial
• Ley de conjugación óptima definida por la relación alpha = f(beta) donde alpha es el ángulo del distribuidor y beta el ángulo de los álabes.
• Velocidad específica entre 250 y 850 m-kW.

Turbina Bulbo

La turbina Bulbo, como parte fundamental de algunas centrales mini hidráulicas y mareomotrices, es un tipo especial de turbina hélice, capaces de aprovechar saltos de pequeño desnivel, pero de gran caudal.

Estas máquinas fueron diseñadas en un principio para ser utilizadas en cuencas fluviales de grandes caudales y posteriormente han sido operadas también por las centrales mareomotrices, que se caracterizan, por bajas alturas y grandes caudales.

Configuración técnica:

• Diseño compacto con generador encapsulado en estructura sumergible.
• Álabes con geometría tridimensional compleja optimizada mediante CFD.
• Velocidad específica superior a 600 m-kW.
• Aplicación óptima para alturas inferiores a 20 metros con grandes caudales.

Innovaciones tecnológicas en aplicaciones de turbinas hidráulicas

Innovaciones en materiales avanzados, diseños aerodinámicos optimizados y sistemas de control inteligente están impulsando la viabilidad de estos sistemas en aguas abiertas. Además, la integración de turbinas de flujo axial y transversal en parques de energía marina está abriendo nuevas oportunidades para una producción energética constante y predecible, con un impacto ambiental mínimo.

El futuro de estas turbinas hidráulicas se vincula estrechamente con el avance de las energías oceánicas, como la energía mareomotriz y la undimotriz, ofreciendo una alternativa complementaria a la eólica y solar en el suministro energético sostenible. A medida que la demanda de energía limpia crece, las turbinas hidráulicas marinas están posicionándose como una solución clave para la diversificación de la matriz energética global y la descarbonización del sector marítimo e industrial.

El desarrollo de tecnologías hidráulicas aplicadas a la conversión energética ha experimentado un avance significativo en los últimos años, impulsado por la necesidad de integrar fuentes renovables en entornos complejos como el medio marino y zonas remotas. En particular, las turbinas hidráulicas se han adaptado a condiciones extremas mediante mejoras en diseño, materiales y sistemas de control inteligentes.

Innovaciones en el sector marítimo

El desarrollo de turbinas hidráulicas para aplicaciones en ambientes marinos ha avanzado significativamente debido a la necesidad de adaptarse a condiciones extremas de corrosión, bioincrustación y cambios en las corrientes. Para mitigar estos desafíos, se diseñan utilizando materiales avanzados, como aleaciones resistentes a la corrosión y recubrimientos antiincrustantes, que prolongan su vida útil en entornos marítimos. Los diseños hidrodinámicos de flujo axial y transversal también han sido optimizados para capturar eficientemente la energía de corrientes de baja y alta velocidad, asegurando su funcionamiento óptimo en una variedad de condiciones.

Innovaciones tecnológicas contemporáneas

En el ámbito del diseño, metodologías como la optimización topológica asistida por algoritmos genéticos multiobjetivo permiten diseñar turbinas con geometrías más eficientes, adaptadas a las características del recurso hidráulico local. Además, los avances en simulación numérica, como el acoplamiento de CFD (Dinámica de Fluidos Computacional) y CSM (Mecánica Estructural Computacional), permiten un análisis más preciso de la interacción entre el fluido y la estructura de la turbina.

En la evolución de los materiales se han desarrollado recubrimientos nanoestructurados con propiedades hidrofóbicas que minimizan la fricción con el agua, mejorando la eficiencia operativa de las turbinas. Los compuestos de matriz metálica reforzados con partículas cerámicas, como el Al₂O₃-SiC/Al, se utilizan para componentes que deben resistir la cavitación y el desgaste en ambientes agresivos. Además, la fabricación aditiva mediante fusión selectiva por láser (SLM) ha permitido producir componentes complejos de manera más eficiente y con menor coste, mientras que los hormigones de ultra-alto rendimiento (UHPC) se emplean en estructuras expuestas a altas cargas.

Turbinas hidráulicas para aplicaciones específicas

Las turbinas hidráulicas también se han adaptado a aplicaciones específicas mediante innovaciones que permiten optimizar su rendimiento en condiciones de operación particulares. Las microturbinas hidráulicas, por ejemplo, han evolucionado hacia diseños más compactos, utilizando rodetes monolíticos y generadores de imanes permanentes integrados con electrónica de potencia. Estas turbinas están optimizadas para operar en condiciones de flujo variable mediante circuitos de rectificación adaptativa y han logrado mejorar su eficiencia volumétrica mediante el uso de sellos dinámicos de precisión.

Por otro lado, las turbinas hidrocinéticas, que convierten la energía de las corrientes de agua en energía eléctrica sin necesidad de estructuras presas, se están utilizando para aprovechar el recurso de manera más flexible. Estas turbinas tienen perfiles hidrodinámicos asimétricos que optimizan el flujo unidireccional, y su diseño de geometría helicoidal ayuda a reducir las pulsaciones de torque, lo que mejora la estabilidad operativa. Además, la simulación estructural mediante el análisis de elementos finitos permite diseñarlas para resistir las cargas cíclicas del entorno marino.

En cuanto al monitoreo y diagnóstico, las turbinas hidráulicas de última generación incorporan redes de sensores inalámbricos, que permiten medir parámetros operativos distribuidos en tiempo real. Los algoritmos basados en machine learning permiten realizar diagnósticos predictivos, detectando anomalías y fallos antes de que ocurran. También se utilizan gemelos digitales, que simulan el comportamiento de la turbina en tiempo real y permiten realizar ajustes para optimizar su funcionamiento. La monitorización de la integridad estructural mediante análisis de emisión acústica facilita la detección temprana de posibles defectos, lo que reduce el riesgo de fallos y mejora la fiabilidad de las turbinas.

Nuevas tecnologías en turbinas hidráulicas

Innovaciones en materiales avanzados, diseños aerodinámicos optimizados y sistemas de control inteligente están impulsando la viabilidad de estos sistemas en aguas abiertas. Además, la integración de turbinas de flujo axial y transversal en parques de energía marina está abriendo nuevas oportunidades para una producción energética constante y predecible, con un impacto ambiental mínimo.

El futuro de estas turbinas hidráulicas se vincula estrechamente con el avance de las energías oceánicas, como la energía mareomotriz y la undimotriz, ofreciendo una alternativa complementaria a la eólica y solar en el suministro energético sostenible.

A medida que la demanda de energía limpia crece, las turbinas hidráulicas marinas están posicionándose como una solución clave para la diversificación de la matriz energética global y la descarbonización del sector marítimo e industrial.

Conclusiones

Las turbinas hidráulicas han desempeñado un papel clave en la generación de energía renovable durante más de un siglo. Su capacidad para convertir la energía cinética del agua en electricidad ha permitido la expansión de la energía hidroeléctrica a nivel global. Sin embargo, en el contexto actual de transición energética, estas turbinas están evolucionando para operar en entornos marítimos, aprovechando la energía de las corrientes oceánicas, mareas y olas como una fuente confiable y sostenible de electricidad.

Las turbinas hidráulicas continúan evolucionando mediante la integración de tecnologías multidisciplinarias que expanden sus capacidades operacionales y eficiencia. Los desarrollos más prometedores apuntan hacia: Diseños adaptables autónomamente a condiciones variables de operación, desarrollo de configuraciones híbridas para aprovechamiento de recursos hidráulicos no convencionales, Integración de principios biomiméticos para optimización hidrodinámica

La combinación de avances en materiales, técnicas de modelado computacional y metodologías de control avanzado seguirá impulsando la evolución de estas máquinas fundamentales para la transición energética global.

Referencias

1. Avellan, F. (2021). “Hydraulic Turbine Technology: Current Status and Future Perspectives”. Journal of Hydraulic Engineering, 147(3), pp. 03121001.
2. https://en-m-wikipedia-org.translate.goog/wiki/Pelton wheel?
3. https://www.academia.edu/43620550/TURBINA_TURGO
4. https://testbook.com/mechanical-engineering/francis-turbine
5. https://www.enelgreenpower.com/es/learning-hub/energias-renovables/energia-hidroelectrica/turbina-hidroelectrica