La Turbina Kaplan Turbine – Maquina Gigante de Generación EléctricaLas turbinas Kaplan obtienen su fuerza motriz por efecto de una reacción pura. Funcionan eficientemente cuando hay un gran flujo de agua disponible. Su operación y los principios de diseño de la turbina Kaplan se discuten a continuación..

LaTurbina Kaplan – Una máquina giganteLas turbinas Kaplan son adecuadas para la obtención de gran potencia, cuando se dispone de la energía del agua de baja caída y un gran caudal. A continuación se presentan las condiciones de operación de la turbina Kaplan.

Es la más apropiada para: una caída de 2 a 25 m y un caudal de 70 a 800 -800 m^3/seg

Fig.1 Kaplan turbines are efficient in power production when there is huge flow available

Lo que significa que estas máquinas están diseñadas para operar si se dispone de un embalse suficientemente grande y una caída relativamente pequeña. Debido al hecho que las turbinas Kaplan se manejan con un caudal enorme, muy grande estas se fabrican en tamaños también o proporciones muy grandes. Estas turbinas son los más grandes entre las otras conocidas que se emplean en la producción de energía eléctrica.

El flujo del agua en las Turbinas Kaplan

El flujo del caudal en la turbina Kaplan se inicia ingresando en un conducto, que constituye la carcasa, con un desarrollo en espiral. La sección de la espiral donde ingresa el agua va reduciéndose de tal manera de asegurar que el caudal que se dirige hacia el eje de la turbina lo hace a una velocidad casi uniforme en todo el perímetro El agua, al dirigirse hacia el eje de la turbina atraviesa las paletas guía y luego se dirige hacia su objetico: el rodete. Finalmente, después de hacer su trabajo de hacer girar el rodete, sale a través de un tubo de aspiración.

Fig.2 Water flow paths in Kaplan turbine in 2 different views

Producción de energía en el rodeteLa parte más importante de la turbina Kaplan es su rodete. La sección transversal de los álabes tienen una configuración curvada, como se muestra en la siguiente figura. Así que cuando el agua fluye sobre él, se induce una fuerza ascendente de sustentación debido a su superficie de aerodinámica. El componente tangencial de dicha fuerza de sustentación hace que se produzca la rotación del eje. La fuerza de rotación del eje del rodete se transfiere al generador eléctrico instalado en el mismo eje recibiendo energía mecánica y convertirla en energía eléctrica.

Fig.3 Force developed on runner blades due to airfoil effect is the driving force of Kaplan turbine

Por lo tanto, es claro que la fuerza de la Kaplan proviene de la fuerza de reacción o empuje puro del flujo del agua. Debido a esta razón la velocidad absoluta el agua sobre la superficie del álabe se mantendrá igual, pero se producirá una gran disminución de la presión del líquido. Habrá mayor eficiencia en la producción de dicha fuerza de reacción cuando el régimen del flujo de agua o caudal, es elevado. Esta es la razón por la cual la turbinas Kaplan funcionará bien si el caudal es proporcionalmente grande.

Turbinas Kaplan – Máquinas de flujo axialLas turbinas Kaplan son máquinas de flujo axial, donde la velocidad absoluta del flujo del agua corre paralelo al eje de la turbina. El agua se hace pasar precisamente a través de álabes del rodete con la ayuda de una cubierta troncocónica como se muestra en la figura a continuación.

Fig.4 In Kaplan flow over runner blade is parallel to axis of rotation

Como hacer coincidir la potencia mecánica que entrega la turbina con la demanda de potencia eléctrica que es variable.La demanda de potencia eléctrica fluctúa en el tiempo. El control del régimen de caudal de agua es la forma más eficaz para ajustar la máquina a la demanda de potencia que es variable. Un mecanismo de gobierno, que controla la posición de las paletas guía es utilizado para controlar el flujo de agua y coincidir así la máquina con el régimen de variación de la demanda de potencia. Cuando los álabes se abren es porque la demanda es alta y cuando la demanda de energía es baja las paletas guía están cerrados. La figura 2 muestra los casos extremos de la generación de energía. La figura a continuación muestra estos casos en posición extrema.

Fig.5 Governing mechanism to control flow: In first case flow is maximum, in second case flow is minimum

Diseño del álabe – Turbina KaplanLos álabes de la turbina Kaplan están diseñados para funcionar en una amplia gama de condiciones de funcionamiento. Un álabe giratoria

maneja la velocidad relativa del flujo. El principio fundamental en el diseño del álabe, es que la velocidad relativa del flujo del líquido debe estar bajo un ángulo de ataque óptimo en todas sus secciones transversales. Tal condición generará la producción de la fuerza máxima obtenible del fluido.

A pesar de que la velocidad absoluta es axial, la velocidad relativa será inclinada dependiendo de la velocidad del álabe. La inclinación se incrementa con la velocidad relativa a medida que esta avanza desde la raíz hasta el borde del álabe. Esta variación se muestra en la siguiente figura.

Fig.6 Continuous twist is given to the blade from root to tip to make sure that angle of attack is optimum under all cross-sections

Así manera que debe haber un giro continuo de la cuchilla de la raíz a la punta. Dicho giro se asegurará en cada sección transversal del ángulo de ataque es óptima. Alabes que se ajustan a un óptimo ángulo de ataque

Bajo diferentes condiciones de flujo la velocidad relativa cambiará drásticamente. Los álabes de la turbina Kaplan son ajustables. Cuando el caudal es elevado la velocidad relativa del flujo de agua será más axial. Así el álabe debe actuar verticalmente. Si el caudal es de baja velocidad relativa el flujo es más tangencial. En este último caso los álabes se acomodan en dirección tangencial. Esta actuación de los álabes se muestra en la siguiente figura.

Fig.7 Pitching action of blades: First figure is for high flow rate case Second figure is of low flow rate case

En resumen debe cuidarse que la acción del álabe se realice bajo un ángulo de ataque óptimo aun cuando sucedan las variaciones del caudal.

Control de la turbulencia del flujo – Paletas Guia

Además de ejercer el control de las paletas guía del caudal éstas cumplen una función adicional. Estas ayudan en el control de turbulencia del flujo. Si las paletas guía no existieran el flujo del agua se arremolinaría debido a su entrada tangencial.

Fig.8 Flow in runner region without guide-vanes

Dicho flujo reduciría el rendimiento de la turbina drásticamente debido a su ángulo de ataque inadecuado. Así las paletas guía controlan la turbulencia del flujo, haciendo el flujo más radial y se asegurándose que el flujo esté siempre bajo el ángulo de ataque óptimo.

Como se supera el problema de la cavitación

El mayor desafío en el diseño de la turbina Kaplan es cómo superar el problema de la cavitación que provoca la erosión del material y vibración. La cavitación es inevitable en la turbina Kaplan porque existe una enorme caída de presión asociada a la extracción de la energía del fluido. En la mayor parte de superficie del álabe la presión se reduce a valores muy bajos. Pero los daños debidos a la cavitación puede reducirse mediante el uso de material de la cuchilla adecuada. El acero ASTM A487 inoxidable es un material de cuchilla de uso general para evitar o atenuar la cavitación. El uso de la aleta anti-cavitación es otra técnica. El tubo de aspiración puede transformar la presión dinámica a presión estática debido a su sección creciente ayudando también en la reducción de efecto de cavitación.