UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE EL SALVADORFACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURAESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICAGEOTERMIA Y ENERGIAS

RENOVABLES

TAREA DE INVESTIGACION “Turbinas Kaplan”DOCENTE:Ing. Mario Martínez.ALUMNOS:

Valladares Guevara, Rosa Jennifer VG201101Chacón Velásquez, Oscar Francisco CV201201Montoya Mejía, José Efraín MM201202

1. INTRODUCCION.Con la evolución de la tecnología de la transmisión eléctrica, se procedió al desarrollo de las plantas hidroeléctricas y por consiguiente, de las turbinas hidráulicas. Las turbinas son máquinas que aprovechan la energía de un fluido en movimiento mediante un rotor para convertirla en energía mecánica. Es decir, las turbinas generan potencias a partir del fluido que se encuentra a altas presiones.Existen diferentes tipos de turbinas dentro de ellas está la turbina Kaplan que debe su nombre al ingeniero Víctor Kaplan (1876-1934) quien concibió la idea de corregir el paso de los álabes automáticamente con las variaciones de la potencia. Se realizará la descripción de esta turbina con aspectos relevantes de las partes que la componen y sus características principales. Posteriormente se estable su principio de funcionamiento realizando una breve secuencia del ciclo de funcionamiento con la

función de las partes principales, mostrando imágenes ilustrativas de estas.Se proporcionan aspectos importantes en el montaje y aplicación de estas turbinas tomando en cuenta la relación de salto, caudal y velocidad para la elección de una turbina. Mediante la información recolectada se establecen ventajas y desventajas de las turbinas Kaplan, además de conclusiones específicas.

2. INVESTIGACION.2.1 DescripciónLas turbinas poseen un elemento móvil rotativo que se denomina rodete con la función de transferir la energía disponible del líquido hacia su eje. Como resultado se obtiene un momento de torsión que se puede aplicar a un generador eléctrico para obtener energía eléctrica.Las turbinas tipo Kaplan son turbinas de flujo axial, de admisión total, y clasificadas como turbinas de reacción. Se emplean en saltos de pequeña altura, con caudales medios y grandes (15 m3/s en adelante). Debido a su diseño permiten desarrollar elevadas velocidades específicas,

obteniéndose buenos rendimientos, incluso dentro de extensos límites de variación de caudal. Su principal característica es que cuenta con un rodete que contiene álabes regulables o ajustables. Gracias a esto se puede operar con muy buena eficiencia dentro de un rango amplio de caudales. Se puede encontrar turbinas Kaplan con álabes fijos o llamadas turbinas de hélice, con ello se logra reducción de costos, pero se reduce la eficiencia. Sus características principales son: Dimensiones reducidas. Velocidades relativamente altas. Rendimiento elevado con carga variable. Notable capacidad para sobrecargas.El rodete de esta turbina posee pocos alabes dispuestos de forma radial, el perfil de estos tiene características hidrodinámicas con poca curvatura, que facilita su rendimiento y aumenta la velocidad del fluido (agua), esto hace que estas turbinas se construyan de diámetros de rodete bastante pequeños. El rodete va precedido del distribuidor, cuyos aleves direccionales son por lo general móviles; estos se pueden regular durante la marcha para tener rendimientos máximos.

El generador está montado en la parte superior de la turbina lo suficientemente retirado para protegerlo de crecidas. Cuando el agua abandona el rodete tiene una velocidad elevada, por consiguiente, energía cinética que puede ser utilizada todavía es por

esta razón que se hace uso de un tubo de aspiración o desfogue.Fig.1 Turbina KaplanLos órganos principales de una turbina Kaplan son: la cámara de alimentación o caracol, el distribuidor, el rodete móvil y el tubo de desfogue, ya que es también turbina de reacción.Basándonos en la siguiente figura, los elementos constitutivos de una turbina Kaplan son:1) Servomotor2) Eje3) Cojinete de empuje4) Cámara espiral5) Palas fijas6) Palas directrices7) Rodete8) Palas de rodete9) Tubo de aspiración

Fig 2. Componentes de turbina KaplanRespecto a las turbinas Francis, las turbinas Kaplan se diferencian en las características del rodete. En las turbinas Kaplan las palas del rodete están situadas a un nivel más bajo que el distribuidor, de modo que la corriente de agua que fluye por éste incide sobre dichas palas en su parte posterior, en dirección paralela al eje de la turbina.

Un montaje característico de este tipo de turbinas, conjuntamente con el alternador, constituye los llamados grupos bulbo, propios de las centrales mareomotrices. 2.2 Principio de funcionamiento Recordando que una Turbina Hidráulica es una turbo máquina motora, que absorbe energía de una corriente fluida (agua) y restituye energía mecánica, realizando la función inversa a las bombas. Su principio de funcionamiento se basa en la ecuación de Euler, en la magnitud y dirección de la velocidad del fluido, lo cual da lugar a la aparición de un par en el eje (Teorema del momento cinético). Los elementos necesarios para que esto suceda son análogos a los de una bomba, pero dispuestos en orden inverso:

Caja espiral Distribuidor Rodete Tubo de aspiraciónEn la turbina Kaplan el funcionamiento empieza en la parte denominada caracol o

carcasa que es parte de la estructura fija de la máquina y tiene forma en espiral. En ella se convierte parte de la energía de presión del agua en energía cinética, dirigiendo el agua alrededor del distribuidor.Fig 4. Carcasa o caracol de una turbina Kaplan.Esta parte también llamada cámara de alimentación es el lugar por donde entra el agua para alimentar a la turbina ósea un ducto de admisión. Esta suele ser de concreto en muchos casos, debido a la gran capacidad de gasto que admite la turbina. El distribuidor que forma parte del estator de la máquina dirige el agua, desde la sección de entrada de la máquina hacia la entrada en el rodete (cámara de admisión), distribuyéndola alrededor del mismo (turbinas de admisión total), permitiendo regular el agua que entra en la turbina, desde cerrar el paso totalmente, hasta lograr el caudal máximo. Transforma la energía de presión en energía de velocidad; por ser una turbina axial está precedido de una cámara espiral (voluta) que conduce el agua desde la sección de entrada, asegurando un reparto simétrico en la superficie de entrada del distribuidor.Al llegar al rodete que es el elemento esencial de la turbina, estando provisto de álabes en los que tiene lugar el intercambio de energía entre el agua y la máquina.

Como una turbina Kaplan (álabes orientables), es mucho más cara que la de hélice (álabes fijos), a veces se equipa una central de pequeña altura con turbinas hélice y Kaplan. Estas van cambiando insensiblemente de forma para

adaptarse a las diferentes condiciones de servicio.Fig 7. Rodete de turbina Kaplan.Los álabes del rotor tienen un perfil de ala de avión que permite obtener una acción útil del agua sobre el álabe en el movimiento que tiene respecto a éste y forma helicoidal en virtud de que la velocidad relativa del flujo varía en dirección y magnitud con el radio, con supuesta ω (velocidad angular) constante, y considerando la

velocidad absoluta constante en magnitud y dirección.Al pasar el flujo de agua por el rodete llega al tubo de desfogue con un conducto por el que desagua el agua, generalmente con ensanchamiento progresivo, recto o acodado, que sale del rodete y la conduce hasta el canal de fuga, permitiendo recuperar parte de la energía cinética a la salida del rodete para lo cual debe ensancharse. Si la turbina no posee tubo de aspiración se la llama de escape libre

Fig 8. Tubo de desfogue de una turbina Kaplan.Además de estos componentes posee un servomotor del distribuidor este elemento ajusta automáticamente los álabes del distribuidor, de acuerdo con las necesidades de la potencia. Dicho servomotor está ligado al gobernador que controla la velocidad del eje del grupo turbina-generador.Fig 9. Mecanismo de orientación de álabes en una turbina Kaplan.El servomotor está alojado en el cubo mismo inmediatamente encima de los álabes. El servomotor transmite su movimiento a través de un vástago

a la cruceta y el movimiento de traslación de la cruceta en el de rotación de los álabes, gracias a la palanca que cada álabe lleva incrustada en su eje respectivo.Nervio central de una turbina Kaplan La parte gris, es el distribuidor, donde, fuera de ella se encuentra la cámara de alimentación de color café, la parte roja los álabes móviles del distribuidor, la azul es el flujo del agua o fluido, la parte amarilla es la turbina KAPLAN, donde, están sus alabes móviles que se asemejan a la forma ala de un avión o propela de un barco y

su eje, y por último la parte verde es el difusor o tubo de aspiración.2.3 Aplicación La importancia de las turbinas Hélice y Kaplan en pequeños saltos con grandes caudales, las hacen

idóneas tanto en posición horizontal como vertical; por su similitud con las turbinas Bulbo, empleadas en centrales mareomotrices como en minicentrales hidráulicas.La tendencia a la construcción de turbinas cada vez más rápidas, para velocidades específicas ns mayores de 450, conduce a las turbinas hélice y Kaplan, ya que en las turbinas Francis con ns del orden de 400, el agua no se puede guiar y conducir con precisión. El rodete está compuesto por unas pocas palas, que le confieren forma de hélice de barco; las turbinas funcionan con un único sentido de giro de rotación; son pues turbinas irreversibles. Si además de tener las palas orientables, las turbinas funcionan en los dos sentidos de rotación (turbinas reversibles), y pueden actuar como bombas hélice accionadas por el generador, se las denomina turbinas Bulbo.En las turbinas Kaplan el cubo de la hélice, o cabeza del rodete, llega a tener un diámetro de hasta 0,4 veces el diámetro del tubo de aspiración d3, con lo que se mejora mucho la circulación del agua, alcanzando valores de ns por encima de 850 y en su parte inferior una caperuza cónica que mejora la conducción del agua hacia el tubo de aspiración. En una instalación de turbina Kaplan de eje vertical, las paredes del distribuidor, móviles, tienen la misma forma que en las Francis, y se sitúan algo por encima del

rodete. En el interior del cubo se encuentra el mecanismo de giro de las palas del rodete, lo que obliga a que el número de las mismas sea pequeño, que puede aumentar al crecer el salto y las dimensiones

del rodete. En la tabla siguiente se indica el número de palas Z en función del número específico de revoluciones ns que condiciona el salto neto Hn y la relación entre los diámetros del cubo y exterior del rodete n, observando que un aumento del número de palas supone una disminución del ns.A medida que aumenta Hn aumentan los esfuerzos que soportan los álabes, por lo que el cubo ha de tener mayor diámetro, para poder alojar los cojinetes de los pivotes de los álabes y alojar el mayor número de álabes. Para alturas netas superiores a los 10 metros, la turbina Kaplan empieza a ser más voluminosa que la turbina Francis, aunque mantiene la ventaja de tener los álabes orientables. Se utiliza en saltos de gran caudal y poca altura, entre 6 y 70 metros, y con potencias entre 20 y 600 MW. En este caso el

rodete está formado por una hélice de eje vertical con pocos álabes y gran sección de paso entre ellos. Los álabes del distribuidor están situados a una altura relativamente menor, de forma que el flujo es prácticamente axial. Las turbinas Kaplan entran en competencia con las turbinas Francis para saltos entre 30 y 70 metros. Su 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.

Clasificación según el número específico de revoluciones (ns) (V):Velocidad

específica en r.p.m.

Tipo de turbina Altura del salto en m.

Hasta 18 Pelton de un inyector

800

De 18 a 25 Pelton de un inyector

800 a 400

De 26 a 35 Pelton de un inyector

400 a 100

De 26 a 35 Pelton de dos inyectores

800 a 400

De 36 a 50 Pelton de dos inyectores

400 a 100

De 51 a 72 Pelton de cuatro inyectores

400 a 100

De 55 a 70 Francis muy lenta 400 a 200

De 70 a 120 Francis lenta 200 a 100

De 120 a 200 Francis normal 100 a 50

De 200 a 300 Francis rápida 50 a 25

De 300 a 450 Francis extra rápida 25 a 15

De 400 a 500 Hélice extra rápida 15

De 270 a 500 Kaplan lenta 50 a 15

De 500 a 800 Kaplan rápida 15 a 5

De 800 a 1100 Kaplan extra rápida Menos de 5

Pérdidas, Potencias y RendimientosLas pérdidas internas en las turbinas aparecen por la imposibilidad de realizar una conversión completa de energía hidráulica en mecánica.Se distinguen los siguientes tipos de pérdidas: Pérdidas hidráulicas: debidas a rozamientos y choques. Pérdidas volumétricas: debidas a pequeñas fugas. Pérdidas mecánicas: debidas a rozamientos mecánicos.Disminuyen la energía comunicada al eje. Es decir, la energía hidráulica que el rodete convierte en energía mecánica no es aprovechable completamente en el eje de la máquina (potencia al freno)Se define entonces el rendimiento mecánico como la relación entre la energía entregada en el eje de la turbina y la hidráulica absorbida por el rodete

2.4 Ventajas y DesventajasVentajas La principal ventaja que presentan estas turbinas es la posibilidad de ajustar su geometría, según la carga

demandada, a las condiciones de óptimo rendimiento. Un rodete puede trabajar como infinitos rodetes. Alta velocidad específica, su alta velocidad de rotación permite reducir su tamaño. Las turbinas Kaplan son más fáciles de transportar, pues el rodete es desmontable y el diámetro máximo del cubo del rodete es de 3.5 m. La ventaja de adaptarse mejor a las variaciones de carga, funcionando con un buen rendimiento al 40% de la carga máxima, mientras que, en las Francis, aproximadamente a un 60% de la carga máxima, aparece un fenómeno denominado antorcha que puede dar lugar a fuertes vibraciones. Las turbinas Kaplan se adaptan mejor a las variaciones de carga, debido a que su curva de rendimiento en función de la carga es muy plana.

Desventajas Altas velocidades de embalamiento. Los sistemas de regulación aumentan su costo considerablemente. Presentan alto riesgo de cavitación. Las Kaplan para saltos mayores de 50 metros, y a igual de potencia, tienen un

diámetro mayor que las Francis.2.5 ConclusionesLa utilización de estas turbinas se aplica en pequeños saltos con grandes caudales, las hacen factibles para proyectos hidroeléctricos, tanto en posición horizontal como vertical. La turbina Kaplan es mucho más costosa que la Francis, por la forma de regulación de la turbina, mejora los resultados a carga parcial es tal, que la turbina con álabes fijos sólo se instala en emplazamientos donde la altura y la carga son constantes. La doble regulación de una turbina Kaplan hace que ésta sea más cara que una Francis de igual potencia, por lo que se utilizan en aquellas instalaciones en que se desee conseguir rapidez de giro y máxima facilidad de regulaciónLas turbinas Kaplan entran en competencia con las turbinas Francis para saltos entre 30 y 70 metros. El tubo de aspiración, debe tener sección suficiente y de forma tal que permita la máxima recuperación de la energía cinética del agua a la salida del rodete, factor sumamente importante en las turbinas Francis, hélice y Kaplan, en las que dicha energía aumenta con el incremento de la velocidad específica. De otro modo, el rendimiento sería muy bajo.CONCLUSIÓN

La generación de energía eléctrica especialmente Hidroeléctrica involucra el análisis de turbinas hidráulicas, es por ello que mediante el trabajo de investigación realizado por medio de conocimientos generales de estas máquinas se realizó la descripción, principio de funcionamiento, aplicación, ventajas y desventajas de la turbina de reacción Kaplan llegando a las conclusiones siguientes:Para la instalación de mini-centrales con alta eficiencia se debe tomar en cuenta cual es el factor determinante o el salto (altura) así como el caudal, la turbinas presentada en este trabajo ayuda a satisfacer el aumento de la demanda eléctrica mediante más centrales hidroeléctricas, ya que estas turbinas se pueden construir en donde existen saltos menores. Estas turbinas son de hélice con alabes ajustables para que el agua en el borde del alabe pueda producir la máxima acción cuales quiera que sean los requisitos del caudal o de la carga. Con ello 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 estas son utilizadas para manejar cargas de hasta 70 metros o menos y caudales medios y grandes

alrededor de 15 metros cúbicos /segundos en adelante.Con la experiencia que da el hecho de diversas instalaciones, se puede concluir que el diámetro óptimo para la instalación de una turbina es de 8 m, otra factor que se ha podido apreciar es que la eficiencia hidráulica aumenta, suele darse especial énfasis a las variaciones de carga que producen variaciones sensibles de la eficiencia, factor decisivo para considerar las reducciones de costos de construcción.

BIBLIOGRAFÍA1. Turbómaquinas hidráulicas. Encinas Polo, Manuel, Editorial LIMUSA.2. Turbinas hidráulicas. Pedro Fernández Díez, Departamento de Ingeniería Eléctrica y Energética Universidad de Cantabria.3. Tema 1: Descripción de las Máquinas Hidráulicas