Turbinas Kaplan

Física. Mecánica. Maquinaria. Usos. Hidráulicas. Diseño. Criterios de selección. Componenetes. Características

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I N T R O D U C C I Ó N

TURBINAS KAPLAN

Las turbinas tipo Kaplan fueron diseñado por el Dr. técnico víctor Kaplan (1876-1934) en el principio del siglo 20. A diferencia de los otros tipos de turbinas se puede ajustar ambas alabas (los del rotor y los alabas de guía) para adaptar la turbina a diferentes niveles del caudal. Los ejes son de orientación horizontal ó vertical. Se usa este tipo de turbina en plantas de presión baja y mediana. En la planta "Schwellöd" se encuentra una turbina de tipo Kaplan con árbol vertical y con caja de concreto.

Utilización para:

  • altura de caída 7-60 Metros

  • caudal 0,7-1.000 m³/s

  • potencia 50-180.000 Kw.

El aumento de las necesidades de energía hidroeléctricas durante los albores del siglo XX puso de manifiesto la necesidad de turbinas que pudieran aprovechar caídas de agua de 3 a 9 m, que podrían utilizarse en muchos ríos construyendo pequeños embalses de agua. En 1913, el ingeniero austriaco Víctor Kaplan planteó por primera vez la turbina de hélice, que actúa al contrario que la hélice de un barco. Kaplan mejoró la turbina haciendo que las palas pudieran pivotar sobre su eje. Los distintos ángulos de las palas aumentaban el rendimiento ajustando el ángulo al volumen de la caída de agua. Para mantener una salida fija del generador en una instalación hidroeléctrica la velocidad de la turbina debe mantenerse constante, independientemente de las variaciones de la presión del agua que las mueve. Esto requiere gran número de controles que, tanto en la turbina de Francis como en la de Kaplan, varían el ángulo de las palas. En las instalaciones de turbinas Pelton, el flujo del agua se controla abriendo y cerrando las boquillas eyectoras. La tendencia en las turbinas hidráulicas modernas es utilizar caídas mayores y máquinas más grandes. Según el tamaño de la unidad, las turbinas Kaplan se utilizan en caídas de unos 60 m, por ejemplo se usan las turbinas Kaplan en la central hidroeléctrica de Macagua II.

FIGURA 1 : Turbina Kaplan

'Turbinas Kaplan'

DESARROLLO

T U R B I N A S

Turbina, es un motor rotativo que convierte en energía mecánica la energía de una corriente de agua, vapor de agua o gas. El elemento básico de la turbina es la rueda o rotor, que cuenta con palas, hélices, cuchillas o cubos colocados alrededor de su circunferencia, de tal forma que el fluido en movimiento produce una fuerza tangencial que impulsa la rueda y la hace girar. Esta energía mecánica se transfiere a través de un eje para proporcionar el movimiento de una máquina, un compresor, un generador eléctrico o una hélice.

¿Qué es la Hidráulica? Es el proceso mediante el cual la energía potencial del agua se convierte en energía eléctrica a través del trabajo de rotación de una turbina.

Las turbinas se clasifican en turbinas hidráulicas o de agua, turbinas de vapor y turbinas de combustión. Hoy la mayor parte de la energía eléctrica mundial se produce utilizando generadores movidos por turbinas. Los molinos de viento que producen energía eléctrica se llaman turbinas de viento.

¿Cómo funcionan las Turbinas hidráulicas?

'Turbinas Kaplan'

Para mantener una salida constante de voltaje en una instalación hidroeléctrica la velocidad de la turbina debe mantenerse constante, independientemente de las variaciones de la presión del agua que las mueve. Esto requiere gran número de controles que, tanto en la turbina de Francis como en la de Kaplan, varían el ángulo de las palas. En las instalaciones de ruedas Pelton, el flujo del agua se controla abriendo y cerrando las boquillas eyectoras. En este caso, se utiliza una boquilla de derivación de descarga, dado que los cambios rápidos de corriente en canales de caída largos podrían producir aumentos repentinos en la presión, llamados martillos de agua, que pueden ser muy dañinos. Con estos ajustes, se mantiene constante el flujo de agua a través de las boquillas. Para ello se cierran las boquillas de descarga, lo que se hace con mucha lentitud para evitar martillos de agua.

Avances en el diseño de las turbinas

Las turbinas pueden ser de varios tipos, según los tipos de centrales: Pélton (saltos grandes y caudales pequeños), Francis (salto más reducido y mayor caudal), Kaplan (salto muy pequeño y caudal muy grande) y de hélice. Las centrales dependen de un gran embalse de agua contenido por una presa. El caudal de agua se controla y se puede mantener casi constante. El agua se transporta por unos conductos o tuberías forzadas, controlados con válvulas para adecuar el flujo de agua por las turbinas con respecto a la demanda de electricidad. El agua sale por los canales de descarga.

La tendencia en las turbinas hidráulicas modernas es utilizar caídas mayores y máquinas más grandes. Según el tamaño de la unidad, las turbinas Kaplan se utilizan en caídas de unos 60 m, y en el caso de las turbinas Francis de hasta 610 m.

Muchas de las pequeñas instalaciones en presas construidas antes de 1930 han sido abandonadas debido a su alto coste de mantenimiento y la mano de obra que requieren. Sin embargo, el aumento de los costos de los combustibles fósiles ha hecho volver la mirada hacia este tipo de sistemas de poca caída. Con el desarrollo de turbinas de hélice normalizadas con ejes casi horizontales, las instalaciones pequeñas han recuperado su atractivo original.

Se han diseñado turbinas que actúan como bombas cuando funcionan a la inversa, invirtiendo el generador eléctrico para que funcione como un motor. Dado que no es posible almacenar la energía eléctrica de forma económica, este tipo de bombas turbina se utiliza para bombear agua hacia los embalses, aprovechando la energía eléctrica generada por las centrales nucleares y térmicas durante las horas de poco consumo. El agua embalsada se emplea de nuevo para generar energía eléctrica durante las horas de consumo elevado. En los últimos años se han desarrollado turbinas para caídas de hasta 600 m y con capacidades de más de 400 MW

CRITERIOS DE SELECCION

Uno de los principales criterios que se deben manejar a la hora de seleccionar el tipo de turbina a utilizar en una central, es la velocidad específica (Ns) cuyo valor exacto se obtiene a partir de la siguiente ecuación:

'Turbinas Kaplan'
ecuación 1

Donde:

ne son revoluciones por minuto, N es la potencia del eje o potencia al freno y h es la altura neta. Estos son los valores para el rendimiento máximo.

La velocidad específica Ns es el número de revoluciones que daría una turbina semejante a la que se trata de buscar y que entrega una potencia de un caballo, al ser instalada en un salto de altura unitaria. Esta velocidad específica, rige el estudio comparativo de la velocidad de las turbinas, y es la base para su clasificación. Se emplea en la elección de la turbina más adecuada, para un caudal y altura conocidos, en los anteproyectos de instalaciones hidráulicas, consiguiendo una normalización en la construcción de rodetes de turbinas. Los valores de esta velocidad específica para los actuales tipos de turbinas que hoy en día se construyen con mayor frecuencia (Pelton, Francis, Hélices y Kaplan) figuran en el siguiente cuadro:

Velocidad específica Ns

Tipo de Turbina

De 5 a 30

Pelton con un inyector

De 30 a 50

Pelton con varios inyectores

De 50 a 100

Francis lenta

De 100 a 200

Francis normal

De 200 a 300

Francis rápida

De 300 a 500

Francis doble gemela rápida o express

Más de 500

Kaplan o hélice

Tal como se mencionó anteriormente Ns sirve para clasificar las turbinas según su tipo. De hecho, Ns se podría denominar más bien característica, tipo o algún nombre similar, puesto que indica el tipo de turbina. Al analizar la ecuación 1 se comprueba que a grandes alturas, para una velocidad y una potencia de salida dadas, se requiere una máquina de velocidad específica baja como una rueda de impulso. En cambio, una turbina de flujo axial con una alta Ns, es la indicada para pequeñas alturas. Sin embargo, una turbina de impulso puede ser adecuada para una instalación de poca altura si el caudal (o la potencia requerida) es pequeño, pero, a menudo, en estas condiciones el tamaño necesario de la rueda de impulso llega a ser exagerado.

Además, de esta ecuación se observa que la velocidad específica de una turbina depende del número de revoluciones por minuto; cantidad que tiene un límite, y además debe tenerse en cuenta que para cada altura o salto existe un cierto número de revoluciones con el que el rendimiento es máximo. También depende de la potencia N a desarrollar, función a su vez del caudal Q de que pueda disponer, y de la altura h del salto. Fijada la potencia y el caudal aprovechable, el valor de la velocidad específica indica el tipo de turbina más adecuado.

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 60 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. A igualdad de potencia, las turbinas Kaplan son menos voluminosas que las turbinas Francis. Normalmente se instalan con el eje en posición vertical, si bien se prestan para ser colocadas de forma horizontal o inclinada (Fig. 2).

'Turbinas Kaplan'

Fig. 2

La Turbina Kaplan es una turbina de hélice con álabes ajustables, de forma que la incidencia del agua en el borde de ataque del álabe pueda producirse en las condiciones de máxima acción, cualesquiera que sean los requisitos de caudal o de carga. Esta turbina debe su nombre al ingeniero Víctor Kaplan (1876-1934) quien concibió la idea corregir el paso de los álabes automáticamente con las variaciones de la potencia.

Componentes de una turbina Kaplan.

Los órganos principales de una turbina Kaplan son , como en la Francis, la cámara de alimentación o caracol, el distribuidor, el rodete móvil y el tubo de desfogue , ya que es también turbina de reacción.

La cámara de alimentación suele ser de concreto en muchos casos, debido a la gran capacidad de gasto que admite la turbina Kaplan. La sección toridal puede ser circular o rectangular.

El rotor de la turbina de forma de hélice, está constituido por un robusto cubo, cuyo diámetro es el orden del 40% al 50% del diámetro total al extremo de los álabes, en el cual van empotrados los álabes encargados de efectuar la transferencia de energía del agua al eje de la unidad.

  • Cámara espiral. Metálica o de hormigón, de secciones apropiadas.

  •  Distribuidor.

  •  Tubo de aspiración.

  •  Eje.

  •  Equipo de sellado del eje de turbina.

  • Cojinete guía de turbina.

  • Cojinete de empuje. Normalmente formando conjunto con el anterior

'Turbinas Kaplan'

Protecciones características de turbinas Kaplan.

- Posición incorrecta palas rodete.

ð Bloqueo de disponibilidad.

ð Disparo.

- Bajo nivel aceite deposito actuador palas distribuidor.

ð Bloqueo de disponibilidad.

ð Alarma o disparo (depende de instalaciones)

- Bajo nivel aceite depósito actuador palas rodete.

ð Bloqueo de disponibilidad.

ð Alarma o disparo (depende de instalaciones).

- Falta conjugación actuación palas distribuidor y rodete.

ð Bloqueo de disponibilidad.

ð Disparo.

C O N C L U S I O N

Las turbinas Kaplan son de hélice con alabes ajustables para que el agua en el borde de ataque del alabe pueda producirse en la forma de máxima acción cuales quiera que sean los requisitos del caudal o de la carga, asi se logra mantener una velocidad especifica alta, un rendimiento elevado a diferentes valores de la potencia característica, importantísima para una turbina o rotor de hélice, y son utilizadas para manejar cargas de hasta 60m o menos y caudales medios y grandes alrededor de 15m /s en adelante, siendo menos voluminosas que las turbinas Francis.

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