Ur-turbinak, altuera jakin batetik erortzen den uraren energia baliatzen du ardatz baten biraketa sortzeko. Ardatz horren energia mekanikoa energia elektriko bilakatzen da ur-turbinari erantsitako energia elektriko sorgailu baten bidez. Ur-turbinak zentral hidroelektrikoetako funtsezko elementuak dira.

Mundu osoko energia elektrikoaren laurden bat ur-zentralen bidez sortzen da. Laurogeita hamargarren hamarkadan Kanada eta Estatu Batuak ziren uraren energia aprobetxatuz energia elektrikoa sortzen zuten munduko potentzia nagusiak. Zenbait herrialdetan energia-mota hau energia-iturri garrantzitsuena da: Norvegiaren kasuan, sortzen den energia guztiaren % 99 da, Kongoko Errepublika Demokratikoaren kasuan % 97 eta Brasilen % 96, adibidez.

Energia hidraulikoa baliabide natural oso garrantzitsua da ur askoko lurraldeetan. Energia hori behar bezala aprobetxatzeko, beharrezkoa da ur-turbina ez ezik, urtegia, presa, ubideak eta energia elektrikoa sortzeko ekipamendua. Horregatik, diru-inbertsio handia egin behar da ur-zentral bat martxan jartzeko, eta ez da errentagarria ikatz eta petrolio asko duten lurraldeetan. Horretaz gain, kontuan izan behar da, nahiz eta energia hidraulikoa energia berriztagarria izan, erreka eta erreka-inguruetako herrietan sortzen dituen kalteak handiak direla.

Ur-turbinak turbomakinak dira, eta turbomakina motor azpitaldearen barruan sailkatzen dira. Sailkapen honetaz gain, beste zenbait irizpideren arabera ere sailkatu daitezke ur-turbinak.

Ur-turbina motak

Errodeteko presio-aldaketaren edo erreakzio-mailaren arabera

• Bulkadako (edo akzioko)  ur-turbinak. Fluidoak ez du presio-aldaketarik jasaten errodetea zeharkatzen duen bitartean,  mota honetako turbinek, beraz, uraren abiadura soilik aprobetxatzen dute ardatza mugitzeko, turbinak uretik jasoko duen energia $H_T=H_c=(c_{1^2}-c_{2^2})/\mathrm{2g}$ da.

• Erreakzioko ur-turbinak. Fluidoak errodetea zeharkatzen duen bitartean, presio-aldaketa garrantzitsua jasaten du. Beraz kasu honetan, turbinak uraren abiadura ez ezik uraren presio aldaketa ere erabiltzen du turbinaren ardatza birarazteko. Erreakzio hutseko turbomakinaren kasuan, presio-energia $H_T=H_p=(p_{1^2}-p_{2^2})/\gamma$ da. Erreakzio hutseko ur-turbinarik ez da garatu, horregatik akzioko eta erreakzioko turbinen propietateak nahasten dituzten turbinei erreakzioko deitzen zaie. Beraz, hurrengoa beteko litzateke errealitatean aurkituko liratekeen mota honetako turbinetan: $H_T=H_c+H_p$ .

Ur-turbina akziokoa ala erreakziokoa den jakiteko, turbinaren erreakzio-maila kalkula daiteke:

$\epsilon =H_p/H_T=\left(H_T-H_c\right)/H_T=\left[(p_{1^2}-p_{2^2})/\gamma \right]/H_T=\left[H_T-(c_{1^2}-c_{2^2})/\mathrm{2g}\right]/H_T$

Erreakzio-mailaren balioak 0 eta 1 artean egon behar du, ε = 0 balioa izango du erreakzio-mailak turbina akziokoa bada, eta ε = 1 turbina erreakzio hutsekoa izanez gero.

Ur-turbinan ura sartzen den norabidearen arabera

• Ur-turbina axialak. Ura turbinaren ardatzarekiko paralelo iristen da turbinara. Mota honetakoak dira Kaplan turbinak, helize-turbinak eta Bulbo turbinak.

• Ur-turbina erradialak (zentrifugoak eta zentripetoak). Ura ardatzarekiko perpendikularki sartzen da turbinan. Zentrifugoa izango da urak barrutik kanporanzko ibilbidea egiten duenean, eta zentripetoa, urak kanpotik barruranzko ibilbidea duenean.

• Ur-turbina mistoak. Aurreko bien konbinazioa  dira. Francis motako turbinak talde honen barruan sailkatzen dira.

• Ur-turbina tangentzialak. Ura turbinaren palekiko tangentzialki sartzen da. Mota honetakoak dira Pelton turbinak.

Turbina baten atalak

Jarraian oinarrizko ur-turbina baten elementu garrantzitsuenak deskribatzen dira; hala ere, esan beharra dago aurrerago deskribatuko diren turbina-mota guztiek ez dituztela elementu hauek erabiltzen.

Atal mugikorrak

• Errodetea. Ur-turbinako atalik garrantzitsuena da, bertan gertatzen baita fluidoaren eta turbinaren arteko energia-trukea. Paleten edo besoen euskarri den disko batez osatuta dago; paleta horien forma geometrikoaren diseinu egokia oinarrizkoa da ur-turbinak errendimendu ona izan dezan.

• Ardatza. Bi eginkizun ditu; lehenengoa, sorgailu elektrikoarentzat errodetean lortutako potentzia transmititzea eta, bigarrena, errodeteari berari eustea.

Atal finkoak

Turbina batean mugitzen ez diren atalen multzoari estatore deritzo.

• Beso banatzaileak. Ura errodetera iritsi aurretik horietatik  pasatzen da; horrela, haren norabidea zehaztu eta emaria erregulatzen dute. Ur-turbina guztiek ez dituzte behar, baina oso atal garrantzitsua da eduki behar dituzten turbinen kasuan.

• Ganbera espirala. Xafla kurbatuz eginiko zilindro edo kono-enborrez osatuta dago, eta horien ardatzek kiribil edo espiral bat osatzen dute. Diametro handieneko sekzioa hasieran dauka, uraren sarreran, sekzioa txikituz doa, ganbera bere baitan ixten den arte. Geometria horren ondorioz, uraren abiadura konstantea izaten eta zurrunbilorik ez sortzen saiatzen da, horrela karga-galerak txikiagotzeko. Behar izanez gero, ganbera horren eta errodetearen artean kokatuko lirateke beso banatzaileak.

• Deskarga-tutua edo difusorea. Ur-jauzi txikiko zentraletan funtsezko elementua da; erreakzioko turbinen irteeran uraren abiadura handia aprobetxatzeko ipintzen da. Tutu horrek errodetearen irteeran urak duen energia zinetikoa presio-energia bihurtzen du; horrela, errodetearen irteeran uraren presioaren balioa atmosferako presioarena baino txikiagoa izan daiteke. Tutu horren irteeran, uraren presioak atmosferikoa izan beharko du. Tutu horren sekzioa handituz doa forma konikoa hartzen duela, karga-galerak txikiak izan daitezen, konikotasunak txikia izan behar du, eta, beraz, luzeak izaten dira.

• Kojineteak. Atal mugikorren eta finkoen artean kokatzen diren elementuak dira. Elementu geldikorrak mugikorrei eusteko ipintzen dira, haien mugimendu ahal den neurrian eragotzi gabe.

• Zigilua. Ur-turbinatik urari ihes egitea galarazten dioten elementuak dira. Elementu finkoen eta mugikorren artean kokatzen dira.

Turbinen potentzia

• Potentzia erabilgarria. Q emariak ur-turbina zeharkatzen duenean H energia-jauzia jasatean emango lukeen potentzia da.

$P=\gamma \cdot Q\cdot H$

• Ardatzeko barne-potentzia. Errodetea zeharkatzen duen Q' (aurrerago definitzen da) emariak emandako potentzia. Baldin eta ardatzaren lan teknikoa HT bada, hurrengo adierazpena izango luke.

$P_i=\gamma \cdot Q\text{'}\cdot H_T$

• Ardatzeko barne-potentzia teorikoa. Aurreko adierazpen berdina izango luke, baina turbinak bolumen-galerarik izango ez balu.

$P_{\text{it}}=\gamma \cdot Q\cdot H_T$

• Ardatzeko kanpo-potentzia. Ardatzeko barne-potentzia eta kanpoko galeren potentziaren arteko diferentzia da.

Turbinen errendimenduak

Galera-mota desberdinen bitartez errendimendu desberdinak definitu daitezke.

• Karga-galerak. uraren eta turbinako pareta latzen arteko marruskaduragatik, mugimendu turbulentuagatik eta biskositateagatik sortzen dira. Turbinaren funtzionamenduan duten eragina balioztatzeko errendimendu hidraulikoa definitzen da.

$h_{id}=\left(H-H_T\right)/H=H_T/H$

• Tarteko galerak. Ur-turbinan sartzen den ur-emaria, Q, ez dator bat errodetea zeharkatzen duen ur-emariarekin, Q'. Ur-emariaren zati batek, q-k, errodetearen eta karkasen arteko zirrikituetatik ihes egiten du lanik egin gabe. Bolumenezko errendimendua hurrengo eran definitzen da:

${\eta }_v=\left(Q-q\right)/Q=Q\text{'}/Q$

• Errendimendu honen balioa ia-ia unitatea da, emari-galera horiek oso txikiak baitira.

• Galera mekanikoak. atal finkoen eta mugikorren arteko marruskaduragatik eta elementu laguntzaileak (olio-ponpa, takometroa...) eramateagatik gertatzen dira. Errendimendu mekanikoaren bidez balioztatzen da.

${\eta }_m=P_e/\left(P_e+P_m\right)=P_e/P_i$

Errendimendu hauek guztiak definitu ondoren, turbinaren errendimendu osoa defini daiteke:

$\eta ={\eta }_{hid}\cdot {\eta }_v\cdot {\eta }_m$

Ur-turbina mota erabilienak

Pelton turbina

Bulkadako (akzioko) turbina tangentziala da. Egokiak dira ur-jauzi handi eta emari txikientzat. Errodetea koilaraz osatutako gurpil bat da; ura sarbideko tutuaren bitartez injektorera iristen da, non presio energia energia zinetiko bihurtzen den, eta injektoreek koilareetarantz bideratzen dute ura, zorrotada moduan, eta gurpila birarazten dute.

Pelton turbina (iturria: EVE-EEEren Energiaren Hiztegi Entziklopedikoa)

Francis turbina

Erreakzioko turbina mistoa da. Ur-jauzi eta emari-tarte zabal baterako erabili daitezke eraginkortasun handiarekin, horregatik munduan zehar gehien erabilitako turbina-mota da. Diseinatu, eraiki eta instalatzeko zailak izan arren, bizi-iraupen handia dute.

Francis turbina (iturria: EVE-EEEren Energiaren Hiztegi Entziklopedikoa)

Kaplan turbina

Erreakzioko turbina axiala da. Helize-motako turbinen garapena da, eta ur-jauzi txiki eta emari handietan erabiltzen da. Kaplan motako turbinen beso edo hegalak biratu daitezke, horrela errendimendua hobetuz.

Kaplan turbina (iturria: EVE-EEEren Energiaren Hiztegi Entziklopedikoa)