La turbina de flujo cruzado, turbina Banki-Mitchell o turbina Ossberger [1] es una turbina hidráulica desarrollada por el australiano Anthony Mitchell , el ingeniero húngaro Donat Banki y el alemán Fritz Ossberger. Mitchell recibió una patente para su turbina en 1903 y la empresa de fabricación de Weymouth la produjo durante muchos años. Ossberger recibió su primera patente en 1933 ("Free Jet Turbine" 1922, Imperial Patent 361593 y "Cross Flow Turbine" 1933, Imperial Patent 615445) y produjo esta turbina como su producto estándar. Hoy, la empresa fundada por Ossberger es líder en la fabricación de este tipo de turbinas. [2]
A diferencia de la mayoría de las turbinas hidráulicas , en las que el flujo de agua es axial o radial, en una turbina de flujo cruzado, el agua pasa a través de los álabes de la turbina en dirección transversal dos veces, primero en la dirección del eje y luego alejándose de él. Por lo tanto, este tipo de turbina a veces se denomina turbina doble. Al igual que la rueda hidráulica , con la que la turbina de flujo cruzado tiene mucho en común, el flujo de agua sigue el borde de la rueda. Tras entrar en la parte interior del rotor de la turbina, el agua sale por el lado opuesto y, habiendo cedido el resto de la energía a las palas, sale. Este flujo de dos pasos a través del rotor de la turbina proporciona eficiencia energética adicional . Además, el agua que sale de la rueda ayuda a limpiarla de pequeñas partículas de escombros y diversos contaminantes. La turbina de flujo cruzado tiene una velocidad relativamente baja, por lo que es más adecuada para lugares con baja altura pero alto flujo de agua.
Aunque la figura muestra una sola boquilla para mayor claridad, en la práctica, las turbinas de flujo cruzado a menudo tienen dos boquillas dispuestas de tal manera que los flujos de agua salientes no interfieren entre sí.
Las turbinas de flujo cruzado a menudo se fabrican como dos turbinas de diferentes capacidades montadas en el mismo eje. En este caso, las ruedas de la turbina tienen el mismo diámetro, pero diferentes longitudes para aprovechar la energía de diferentes volúmenes de flujo en la misma cabeza. Las ruedas combinadas suelen fabricarse con volúmenes en una relación de 1 a 2. La unidad de control, que controla el caudal de agua que se suministra a las secciones de la turbina, proporciona un funcionamiento flexible al 33, 66 o 100 % de potencia, dependiendo de si el agua se suministra a una turbina inferior, grande o ambas a la vez.
La turbina consta de una rueda o rotor cilíndrico con un eje horizontal y numerosos (hasta 37) álabes unidos a él, ubicados radial y tangencialmente. Los bordes de la hoja están afilados para reducir la resistencia hidrodinámica. Las cuchillas están hechas en forma de segmentos de tubería cortados en toda su longitud. Los extremos de las palas están soldados a los discos que transmiten el par al eje y forman un marco que se asemeja a una "jaula de ardilla", donde en lugar de las varillas hay palas en forma de artesa. Por lo tanto, este tipo de turbina a veces se denomina "turbina de jaula de ardilla", por analogía con el rotor de un motor trifásico .
El chorro de agua se dirige hacia el rotor de la turbina a través de toberas guía , que suelen tener forma rectangular. La sección transversal del flujo está controlada por un conjunto en forma de cuchilla o lengüeta. El agua ingresa al rotor en un ángulo de aproximadamente 45 o 120 grados, dependiendo del uso de uno de los dos esquemas de suministro de agua, transfiriendo energía cinética a las palas del rotor. El agua fluye hacia la turbina de flujo cruzado primero desde su lado exterior hacia adentro, mientras que el flujo transfiere su energía cinética a las palas desde el lado exterior.
El dispositivo de control controla el flujo de agua en función de dos cantidades: la energía requerida y la disponibilidad del flujo de agua. Los parámetros de control son el tiempo de suministro y el volumen de agua que ingresa a la turbina en el rango de 0 a 100%. El agua ingresa a la turbina a través de dos boquillas, cuya sección transversal se cambia girando dos paletas guía en forma de lengüeta. Esto proporciona un cambio suave en el flujo de agua que fluye a través de la boquilla en cualquier ancho de apertura. Las paletas guía pueden cerrar completamente la tobera en la posición extrema, actuando así como válvulas para el suministro de agua a la turbina. Ambas paletas guía se pueden girar mediante palancas manuales o automáticas.
La geometría de la turbina (tobera-rotor-eje) proporciona una conversión eficiente de la energía cinética del agua en energía rotacional. El agua impacta las aspas dos veces, pero la mayor parte de la energía del agua se convierte en la entrada cuando el agua ingresa al rotor. Solo un tercio de la potencia se transfiere al rotor cuando el agua sale de la turbina.
El agua fluye a través de los canales entre las palas de la turbina en dos direcciones: desde el exterior hacia el interior y desde el interior hacia el exterior. La mayoría de las turbinas están hechas para usar dos chorros de agua dirigidos de tal manera que los dos chorros de agua en el rotor no interfieran con el flujo del otro. En este caso, sin embargo, también es necesario que la velocidad del agua en las dos turbinas y la velocidad de rotación de la turbina estén coordinadas entre sí.
Una turbina de flujo cruzado es una turbina de tipo activo , ya que durante su funcionamiento la presión en el rotor permanece constante. Sin embargo, si la turbina funciona en una carcasa cerrada, lo que permite utilizar energía de succión y si al menos el 50 % de la energía convertida por la turbina es la energía de reacción del flujo que se produce cuando el fluido de trabajo se expande en los canales formado por sus palas, entonces dicha turbina será una turbina de chorro . Un esquema reactivo para operar una turbina de flujo cruzado solo se puede realizar si aguas abajo del agua es mucho más bajo que el borde inferior del rotor.
La turbina de flujo cruzado combina bajos costos operativos con una relativa simplicidad de diseño. La eficiencia máxima de esta turbina es de alrededor del 80% [3] , que es algo menor que la de las turbinas Kaplan , Francis o Pelton . Pero, a diferencia de ellos, la turbina de flujo cruzado tiene una curva de eficiencia plana con carga variable. Con un rotor doble y una cámara de turbina, la turbina de flujo cruzado mantiene su eficiencia desde 1/6 hasta la carga máxima.
Debido a su bajo costo y buena controlabilidad, las turbinas de flujo cruzado se utilizan principalmente en unidades de potencia de mini y micro centrales hidroeléctricas con una capacidad inferior a dos mil kW y que operan a presiones inferiores a 200 m.
Particularmente en pequeñas centrales hidroeléctricas de pasada , la curva de eficiencia plana de una turbina de flujo cruzado brinda una mejor generación de energía anual promedio que otros sistemas de turbinas. Esto es tanto más importante cuanto que en los ríos pequeños , en los que se suelen utilizar turbinas de este tipo, el caudal de agua suele ser bajo durante varios meses. La eficiencia general de la turbina en tales ríos está determinada por la electricidad producida durante los períodos secos. En tal caso, si se utilizan turbinas que son altamente eficientes a plena carga pero bajas a carga parcial, su generación de energía anual promedio total es menor que las turbinas con una curva de eficiencia plana.
Debido a su excelente eficiencia de carga parcial, la turbina de flujo cruzado es muy adecuada para la generación automática de energía. Su diseño simple hace que el mantenimiento sea más sencillo que otro tipo de turbinas; solo se requieren dos cojinetes y solo tres piezas giratorias. La parte mecánica de la turbina es bastante sencilla, por lo que puede ser reparada por mecánicos locales.
Otra ventaja de las turbinas de flujo cruzado es que son autolimpiantes: cuando el agua sale del rotor, junto con la fuerza centrífuga, lava las hojas, la hierba y otros objetos pequeños que hayan entrado allí. Esto evita la reducción de la eficiencia de la turbina de flujo cruzado, que a veces ocurre con otros tipos de turbinas cuando se obstruyen con desechos arrastrados. En vista de esto, aunque la eficiencia máxima de la turbina de flujo cruzado es algo menor que la de otros sistemas, su funcionamiento es más fiable. Por lo general, no es necesario realizar una limpieza especial del rotor, por ejemplo, aplicando un flujo inverso, cambiando el caudal del agua o la velocidad de la turbina. Otros tipos de turbinas se obstruyen más fácilmente con desechos, por lo que su producción promedio es menor que la de las turbinas de flujo cruzado, a pesar de una eficiencia nominalmente mayor a carga máxima.