turbinas Kaplan trabajo

2011

Universidad Albert Einstein. Tema: Turbinas Hidrulicas de reaccin de flujo Turbinas Kaplan Docente: Ing. Alvaro Antonio Aguilar Orantes Materia: Maquinas Hidrulicas Alumnos: Gabriel de Jess Umaa Martnez David Armando Villatoro Saravia Andrs pea de len

26/11/2011

MAQUINAS HIDRULICAS

TUBINAS KAPLAN

INTRODUCCIN

La Turbina Kaplan es una turbina de hlice con labes ajustables, de forma que la incidencia del agua en el borde de ataque del labe pueda producirse en las condiciones de mxima accin, cualesquiera que sean los requisitos de caudal o de carga. Esta turbina debe su nombre al ingeniero Vctor Kaplan (1876-1934) quien concibi la idea corregir el paso de los labes automticamente con las variaciones de la potencia.

Ingeniero Vctor Kaplan (1876-1934)

UNIVERSIDAD ALBERT EINSTEIN

MAQUINAS HIDRULICAS

TUBINAS KAPLAN

Caractersticas generales de la turbina kaplan Las turbinas tipo Kaplan son turbinas de admisin total y clasificadas como turbinas de reaccin de flujo axial. La Kaplan es una turbina de hlice con alabes ajustables, de forma que la incidencia del agua en el borde de ataque del alabe pueda producirse en las condiciones de mxima accin, cualesquiera que sean los requisitos de caudal o de carga. Se emplean en saltos de pequea altura (alrededor de 60 m. y menores), con caudales medios y grandes (aproximadamente de 15 m3/s en adelante). Debido a su singular diseo, permiten desarrollar elevadas velocidades especficas, obtenindose buenos rendimientos, incluso dentro de extensos lmites de variacin de caudal. A igualdad de potencia, las turbinas Kaplan son menos voluminosas que las turbinas Francis. Normalmente se instalan con el eje en posicin vertical, si bien se prestan para ser colocadas de forma horizontal o inclinada.

Componentes de una turbina Kaplan. 1. 2. 3. 4. La cmara de alimentacin o caracol El distribuidor El rodete mvil El tubo de desfogue

1) La cmara de alimentacin suele ser de concreto en muchos casos, debido a la gran capacidad de gasto que admite la turbina Kaplan. La seccin toridal puede ser circular o rectangular. 2) La carcasa, caja espiral o caracol, es un ducto alimentador de seccin generalmente circular y dimetro decreciente, que circunda al rotor, procurando el fluido necesario para la operacin de la turbina. Generalmente es de lmina de acero. Del caracol pasa el agua al distribuidor guiado por unas paletas direccionales fijas a la carcasa, que forman los portillos de acceso.


MAQUINAS HIDRULICAS

TUBINAS KAPLAN

3) El distribuidor lo constituye una serie de laves directores, cuyo paso se puede modificar con la ayuda e un servomotor, lo que permite imponer al fluido la direccin de ataque exigida por el rodete mvil y adems regular el gasto de acuerdo con la potencia pedida a la turbina, desde valores mximos a un valor cero, en posicin cerrada. En el distribuidor se transforma parcialmente la energa de presin en energa cintica. 4) El rotor de la turbina de forma de hlice, est constituido por un robusto cubo, cuyo dimetro es el orden del 40% al 50% del dimetro total al extremo de los labes, en el cual van empotrados los labes encargados de efectuar la transferencia de energa del agua al eje de la unidad.

5) El tubo de desfogue o difusor da salida al agua de la tubera y al mismo tiempo procura una ganancia en carga esttica hasta el valor de la presin atmosfrica, debido a su forma divergente. Se tiene as a la salida del rotor una presin ms baja que la atmosfrica, y por tanto, un gradiente de presin dinmica ms alta a travs del rodete.


MAQUINAS HIDRULICAS

TUBINAS KAPLAN

Esquema de una turbina Kaplan


MAQUINAS HIDRULICAS

TUBINAS KAPLAN

Caractersticas constructivas de la turbina Kaplan Estas turbinas cada ao se construyen en tamaos mayores, pues se utilizan con mayor frecuencia, dado que en lugares donde ya se ha utilizado los saltos mayores se requiere a medida crese la demanda, elctrica construir ms centrales hidroelctricas pero estas se pueden construir, en donde existen saltos menores. Con la experiencia que da el hecho de diversas instalaciones, se puede concluir, que el dimetro optimo para una de estas MH es de 8 m, otra factor que se a podido apreciar es que la eficiencia hidrulica aumenta, suele darse especial nfasis a las variaciones de carga que producen variaciones sensibles de la eficiencia, factor decisivo para considerar las reducciones de costos de construccin. Otra de las caractersticas de estas turbinas es que la parte inferior, es de contorno esfrico, mientras que la parte superior es cilndrico lo que permite que la mitad inferior descanse en el concreto, en cuanto a la parte superior, reduce mucho el costo deconstruccin debido a su forma de cilindro. En cuanto a los alabes no se requiere de un acabado superficial de mucho pulido, ya que como se puede demostrar la rugosidad, permitida entre la superficie de contacto y el agua no depende del tamao de la maquina. Sino mas bien se puede expresar como.

Donde ReK: velocidad caracterstica K: rugosidad en (m) C: velocidad del flujo (m/s) V: viscosidad cinemtica ( /s)

Rotor Kaplan

Maquinado de un alabe en una copiadora


MAQUINAS HIDRULICAS

TUBINAS KAPLAN

Esto indica que se debe hacer un estudio de las vellosidades de flujo que prevalecen para dar el acabado de los alabes. Se debe tener en cuenta que estas maquina; su costo de construccin es de un precio considerable ya que la herramientas con que se fabricas son tambin costosas en precio y no s encuentran solo en lugares especializados en este tipo de construcciones. Los clculos de las aspas demuestran que los valores caractersticos de esfuerzos a los cuales se ven sometidos los alabes son de el mismo valor si estos son geomtricamente iguale y bajo condiciones de operacin semejantes. Los datos se pueden obtener de modelos con mucha exactitud, ya que las leyes de semejanza que plantea la mecnica de fluidos son muy confiables. En cuanto a las caractersticas de los materiales de los que se pueden construir los alabes es preciso que estos tengan propiedades de resistencia a la flexin ya que el agua ejerce una carga muy grande de este tipo. Estas exigencia requiere de que la construccin de acero fundido para cargas pequeas, para cargas medianas se mejor utilizar aceros de baja aleacin, hasta llegar a los aceros de 13% cromo y 1% nquel, para cargas grandes.

Campo de aplicacin de la turbina Kaplan Las turbinas Kaplan se conocen tambin como turbinas de doble regulacin, por intervenir el proceso, al unsono, tanto sobre las palas del distribuidor, como sobre las del rodete, en base a una correspondencia o ley de conjugacin entre posiciones de palas del rodete respecto de las del distribuidor, dependiendo de las condiciones de carga y del salto existente. Con este procedimiento se consiguen elevados rendimientos, incluso para cargas bajas y variables, as como en el caso de fluctuaciones importantes del caudal por lo que este tipo de turbinas es ideal pera las centrales hidroelctricas.


MAQUINAS HIDRULICAS

TUBINAS KAPLAN

Expresin de la energa transferida, grado de reaccin y factor de utilizacin. La energa transferida del fluido al rotor, en una turbina tiene como expresin bajo la forma de Euler.

La ltima expresin se utiliza si se da Hu en unidades de longitud, que equivale a considerar la energa por unidad de peso. Expresando la energa transferida bajo la forma de componentes energticas, en la turbina axial tiene la forma. UNIVERSIDAD ALBERT EINSTEIN

MAQUINAS HIDRULICAS

TUBINAS KAPLAN

A

En esta ltima ecuacin desaparece el trmino de accin centrpeta, ya que la velocidad de arrastre conserva el mismo valor a la salida que a la entrada, pues no hay traslacin radial del agua durante el paso de sta por el rotor, sino solamente axial, lo que justifica su nombre.

Tambin se puede sustituir Y por H, expresando H en pies o metros y considerando la energa por unidad de peso. La carga dinmica viene representada por el primer trmino del segundo miembro en la ecuacin A. La carga esttica, aprovechada por la mquina, queda reducida en este caso al cambio energtico debido a la velocidad relativa del fluido, manifestada por un efecto acelerativo del agua a lo largo del ducto entre los labes del rotor. El grado de reaccin en la turbina axial quedar expresado por:

B

C


MAQUINAS HIDRULICAS

TUBINAS KAPLAN

Como C1> C2y W2> W1el grado de reaccin ser positivo y menor que la unidad. Con frecuencia se expresa el factor de utilizacin en funcin del grado de reaccin. En efecto, el factor de utilizacin se define por la relacin ya citada.

DC yD

E

Expresin del factor de utilizacin en funcin del grado de reaccin y de las velocidades absolutas de entrada y de salida. Se observa que el grado de reaccin debe ser inferior a la unidad y positivo, como ya se indic, pues el factor de utilizacin siempre es menor que uno. Se advierte tambin que con un grado de reaccin alto se mejora el coeficiente de, utilizacin. Diagrama de velocidades a la entrada y salida delos alabes del rodete En la figura se presenta un labe de turbina Kaplan, seccin normal a la direccin radial, a una distancia R del eje


MAQUINAS HIDRULICAS

TUBINAS KAPLAN

El agua, procedente de la cmara de alimentacin y guiada por los labes del distribuidor, gira en vrtices libres en la zona existente entre el, distribuidor y el rotor, hasta alcanzar a este ltimo, atacando al labe con una velocidad absoluta C1, que es variable en magnitud y direccin para cada punto del borde de ataque del labe. Si la velocidad tangencial del labe en ese punto es U (velocidad de arrastre), la velocidad relativa del fluido respecto al labe ser W1cerrando el tringulo vectorial correspondiente a la ecuacin vectorial.

La W1debe incidir sobre el labe de forma que se logre una mxima accin del agua, evitando separacin o choques, que reduzcan el rendimiento. El ngulo de incidencia se fija por la velocidad media relativa Cmr y la cuerda. La magnitud de la componente axial a la entrada Ca generalmente se conserva a la salida en las mquinas axiales. La velocidad absoluta a la salida C2 se procura que sea axial o con una componente giratoria mnima, a fin de tener un buen desfogue para reducir su magnitud, aumentando el coeficiente de utilizacin. Como la velocidad tangencial del alabe U es la misma, pues los dos puntos de entrada y salida estn a la misma distancia del eje, se tendrn que disear el borde de fuga de forma que la componente relativa del agua W2cierre el tringulo vectorial correspondiente a la ecuacin

Ya que en velocidades subsnicas, como es el caso del agua en las turbinas hidrulicas, el labe manda al fluido en la salida y la W2 saldr tangente al labe. La curvatura del labe, definida por el ngulo para Ca= constante, hace que C2< C1y W2> W1, con el fin de tener un aprovechamiento de la carga dinmica y de la carga esttica del agua (Ec. A).Esta disposicin del labe para una correcta incidencia del agua, es la correspondiente a las condiciones de diseo de toda turbina de hlice. En el caso de la Kaplan, se consigue, como se dijo, para diversas condiciones de trabajo, en virtud del cambio de paso que puede operarse en los labes. El diseo de los labes suele hacerse para el 80% de la capacidad de gasto de la turbina, ya que en stas condiciones se favorece el rendimiento global del labe en las diferentes condiciones de carga parcial o sobrecarga, en las que con frecuencia se ve obligada a trabajar la mquina. Para las condiciones de diseo la apertura del ngulo del distribuidor suele ser de 45, pudiendo variar entre 20 y 50 en trminos generales. El alabe o en los bordes de ataque y de fuga se define por los valores de los ngulos 2,a lo largo de dichos bordes (ver figura)


MAQUINAS HIDRULICAS

TUBINAS KAPLAN

La componente giratoria C1use calcula en cada punto de la zona de vrtices libres, que precede al rotor, aplicando el principio de conservacin del momento de la cantidad de movimiento. En la seccin de salida del distribuidor (subndice cero) se puede conocer la componente de giro C0u y el radio R0. El momento de la cantidad de movimiento sobre la unidad de masa ser C0uR0, que ser constante en toda la zona de vrtices libres, pues no hay momento exterior en esa zona. Por lo tanto, si se designa por el subndice (1) la seccin de ataque del agua al rotor se tendr

Donde R1, puede variar del cubo al extremo del labe y en consecuencia C1u vara tambin, pero en forma opuesta a R1 para conservar el valor constante del producto. Como Ca es constante, resulta que tan1 1, vara con U y con C1u, o lo que es igual con el radio. En el borde de fuga el cambio de tan2 2, vara Con U = ND, el cual, como se ve tiene valores diferentes a distintos dimetros, para una misma velocidad de giro


MAQUINAS HIDRULICAS

TUBINAS KAPLAN

Regulacin, alimentacin y desfogue de las turbinas kaplan Regulacin

A las turbinas hlice se las regula mediante labes mviles en la corona directriz, (distribuidor), en forma anloga a como se hace en las turbinas Francis. A la entrada del rodete se origina una prdida por choque y a la salida resulta una mayor en magnitud, pero de direccin ms inclinada; ambas circunstancias contribuyen a la disminucin del rendimiento, de forma que ste desciende tanto ms rpidamente, cuanto mayor sea la velocidad de la turbina. Una caracterstica negativa de las turbinas hlice es el bajo rendimiento de las mismas a cargas distintas de la nominal o diseo. En las turbinas Kaplan, las paletas directrices del distribuidor tambin son mviles lo cual permite mejorar la regulacin, pues al cambiar la inclinacin de los labes del rodete se consigue mantener bastante elevado el rendimiento para un extenso margen del grado de apertura del distribuidor.

(a) Turbina hlice: ns= 1050 (curva en gancho) ; (b) Turbina hlice: ns= 650 ; (c) Turbina Francis: ns= 500 ; (d) Turbina Francis: ns= 250 ; (e) Turbina Kaplan: ns= 230 ; (f) Turbina Kaplan: ns= 500 ; (g) Turbina Pelton: ns= 10 a 30 (curva plana) Rendimiento total de los diferentes tipos de turbinas en funcin del grado de la carga


MAQUINAS HIDRULICAS

TUBINAS KAPLAN

La regulacin ms favorable se consigue cuando al girar las palas se conserva el mismo valor de r c 1n y a la salida de las mismas se mantiene r c 2 perpendicular a r u 2. En el caso ideal se tiene que cumplir la ecuacin fundamental de las turbinas:

Que para (2 = 90) (u1 c1n =hid g Hn), para cualquier grado de admisin, alcanzndose elevados rendimientos en toda la zona de regulacin, lo que se puede conseguir actuando al mismo tiempo sobre las palas del distribuidor y de la rueda. La forma de conseguir este aumento de rendimiento variando la posicin de los labes se explica a la vista de las Fig V.5 como sigue: La velocidad relativa de entrada w 1 tiene que ser tangente al labe, por lo que ste tiene que quedar en la direccin de ella, a fin de que la entrada de agua tenga lugar sin choque; a la salida c2 tiene que alcanzar un valor razonable procurando sea perpendicular a u2 o formar un ngulo prximo a los 90. Al cambiar la posicin de los labes, disminuyendo por ejemplo la admisin, las velocidades se modifican; c 1 ser ahora menor que con admisin plena, porque el espacio libre existente encima del rodete resulta entonces excesivamente grande para un caudal menor, lo que origina una disminucin de la velocidad; a la entrada, las paletas del rodete se pueden poner, aproximadamente, en la direccin w 1 suavizndose as las prdidas por choque. A la salida se tiene la ventaja de que al ser 2 ms pequeo, la velocidad c 2 es tambin ms pequea, que es precisamente lo que interesa para aprovechar al mximo la energa puesta a disposicin de la mquina; como dato curioso, para caudales pequeos, menores que los de diseo, el tubo de aspiracin quedar siempre lleno, en forma anloga a cuando se trabaja con el caudal de proyecto, pero saliendo a una velocidad c2 menor. La doble regulacin de una turbina Kaplan hace que sta sea ms cara que una Francis de igual potencia, por lo que se utilizan en aquellas instalaciones en que se desee conseguir rapidez de giro y mxima facilidad de regulacin.


MAQUINAS HIDRULICAS

TUBINAS KAPLAN

Si esta ltima condicin no es muy precisa, es decir, si la turbina ha de funcionar casi siempre con poca variacin de carga, es preferible utilizar una turbina hlice, que por su sencillez, es muy superior a la Francis. La curva de rendimiento de una turbina Kaplan es una curva plana, y su rendimiento a cargas intermedias es superior no slo al de las turbinas hlice, sino al de todas las turbinas Francis, siendo su curva de rendimiento comparable con las curvas planas caractersticas de las turbinas Pelton. Esta curva de rendimiento plana, como se muestra en la Fig V.6, es la envolvente de las curvas que se obtendran con un nmero infinito de rodetes de turbina hlice de ns crecientes. Esta curva slo se obtiene utilizando una combinacin ptima del ngulo del rodete y de la apertura del distribuidor. Mecanismos de regulacin de las turbinas KAPLAN.

En la Fig V.7 se presenta un esquema del mecanismo de regulacin de las palas mviles del rodete, dispuesto en el interior del cubo. Cada pala se prolonga mediante un eje, que penetra en el cubo, perpendicular al eje de giro de la rueda. Cada eje de pala pivota en dos palieres P1 y P2 entre los que se encuentra calada una palanca L que es la que regula la orientacin de la pala, y que a su vez va sujeta al eje de la rueda. La fuerza centrfuga de la pala se transmite a la palanca L mediante bieletas, y en turbinas muy importantes, por un sistema de anillo incrustado en el eje UNIVERSIDAD ALBERT EINSTEIN

MAQUINAS HIDRULICAS

TUBINAS KAPLAN

y apoyado sobre L. Las bieletas X colocadas en la extremidad de la palanca L van sujetas al rbol mediante un soporte E; todo ello est dirigido por un vstago que pasa por el interior del rbol A, de forma que cualquier desplazamiento axial de este vstago provoca una rotacin simultnea de todas las palas. Todo el mecanismo de regulacin est baado en aceite a una cierta presin, (en las Bulbo del orden de 2 a 3 atm), proporcionando la lubricacin necesaria a todos los cojinetes y conexiones, y no permitiendo la entrada del agua en el interior del cubo.

Fig V.7.- Mecanismo de regulacin de las palas de una turbina Kaplan El vstago T se acciona por un servomotor S que gira solidario con el rbol; por encima de ste va situado un depsito fijo R, en el que las cmaras C1 y C2 estn comunicadas con una vlvula de regulacin de aceite D de una entrada y dos salidas. En el interior del rbol A existen dos tubos concntricos T1 y T2 por los que pasa el aceite a presin; el conducto entre el rbol y T1 pone en comunicacin la cmara C1 con la parte inferior del servomotor a travs del agujero t1 practicado en el pistn P que acta directamente sobre el vstago T de regulacin. Como se trata de piezas giratorias, hay que procurar en g2, g3 y g4 evitar prdidas o fugas de aceite entre las diversas cmaras que estn a presiones diferentes; asimismo, como el conjunto formado por el pistn P el vstago T y los tubos T1 y T2 situados en el interior del rbol A tienen UNIVERSIDAD ALBERT EINSTEIN

MAQUINAS HIDRULICAS

TUBINAS KAPLAN

que ir tambin engrasados, hay que disponer una junta de estancamiento en g1 de forma que se evite la comunicacin desde la parte interior del cubo de la rueda hacia la parte inferior del pistn P del servomotor, que est a presin variable. Segn sea la posicin del distribuidor de aceite D se puede colocar una de las caras del pistn P en comunicacin con la llegada de aceite a la presin de la tubera de entrada e, mientras que el otro lado del pistn P est a la presin de descarga. El interior del tubo T2 pone en comunicacin la parte superior del depsito R (cmara C3), con el interior del cubo de la rueda, por medio de un agujero t2 practicado en la cruceta de mando T de orientacin de las palas. Esta cmara C3, que est a la presin atmosfrica, contiene aceite a un cierto nivel y juega el papel de depsito de expansin del aceite contenido en el cubo, siendo este volumen de aceite funcin de la posicin de las palas. Esta cmara se debe situar en un nivel tal que la presin esttica que asegura la presencia de aceite en el cubo, sea suficiente para evitar la entrada del agua en el interior del cubo. El servomotor S puede estar colocado en una posicin cualquiera del rbol, como en la parte superior, o por encima del alternador, o bien entre el alternador y la turbina, o por debajo del mecanismo de orientacin de las palas cuando el espacio lo permita, como en la Fig.

Alimentacin El ms conocido es el distribuidor Fink, se utiliza en todas las turbinas que es preciso regular el caudal, es el distribuidor de corriente de todas las turbinas de reaccin (Francis, hlice, Kaplan y Driaz). Este distribuidor se muestra en la siguiente figura puede verse en la posicin cerrada (a) y en posicin abierta (b). Consta de dos bielas o brazos robustos, movidos por uno o varios servomotores de aceite que hacen girar al anillo donde pivota un extrem de las pequeas bielas, UNIVERSIDAD ALBERT EINSTEIN

MAQUINAS HIDRULICAS

TUBINAS KAPLAN

las cuales a su vez hacen girar a los labes de perfil aerodinmico, que pivotan en torno a un eje fijo.

En este tipo de distribuidores la regulacin se realiza, tericamente, sin variacin de la velocidad absoluta de entrada del agua en el rodetec1, ya que lo nico que se modifica es el ngulo 1dentro del plano perpendicular al eje de rotacin de la turbina, lo que implica que c1 no tenga componente axial. La componente tangencial c1n no da lugar a gasto alguno, ya que ste viene determinado por el mdulo de la componente radial en el distribuidor c1r, de la forma: Q= =

El ndice de c1 describe, por ser constante, un arco de circunferencia, aunque en la prctica esto no es riguroso, ya que al contraerse la vena lquida al disminuir la abertura del distribuidor, se produce un aumento de c1, siguiente figura.


MAQUINAS HIDRULICAS

TUBINAS KAPLAN

Al modificarse la direccin dec1por la accin de las directrices del distribuidor, la velocidad relativa en el rodete w1cambia de magnitud y direccin y el agua a la entrada en el rodete, cuando ste trabaje fuera de las condiciones de diseo, dejar de ser tangente a los labes. En estas condiciones, el tringulo de velocidades a la entrada del rodete proporciona una velocidad relativa w1 que se descompone en otras dos, una w1m segn la direccin tangencial al labe en M, y otra w1n perpendicular a la anterior es la componente de choque que origina unas prdidas a la entrada, que en la siguiente figura se muestra.

Desfogue. Es un conducto por el que desagua el agua, generalmente con ensanchamiento progresivo, recto (figura e) o acodado (figura c), que sale del rodete y la conduce hasta el canal de fuga, permitiendo recuperar parte de la energa cintica a la salida del rodete para lo cual debe ensancharse; si por razones de explotacin el rodete est instalado a una cierta altura por encima del canal de fuga, un simple difusor cilndrico(figura e) permite su recuperacin, que de otra forma se perdera. Si la turbina no posee tubo de aspiracin, se la llama de escape libre (figura d).Los tubos de aspiracin acodados (figura c) suelen ser de hormign, con frecuencia blindados con chapa y deforma cuidadosamente estudiada para ptimo rendimiento, pasando gradualmente dela seccin circular a una seccin rectangular. El tubo de aspiracin forma parte de la turbina.


MAQUINAS HIDRULICAS

TUBINAS KAPLAN

Formas de realizacin de los difusores. Las formas de realizacin de los difusores varan con el ns de la turbina y con el tipo de instalacin. Para las turbinas de eje horizontal y pequeos valores de ns el tubo de aspiracin puede ser una simple tubera acodada, de seccin creciente, figura (a), que desemboca por debajo del nivel del agua del canal. Para reducir el efecto perjudicial del codo, se puede utilizar para la parte recta final una disposicin inclinada.

Para las turbinas de eje vertical, la forma del difusor puede ser, para valores pequeos de ns la de un simple tronco de cono, figura (b) (troncocnico), pero tiene el inconveniente de necesitar un canal de desage en la perpendicular de la turbina. Para paliar este inconveniente se puede utilizar un difusor-aspirador acodado. La tubera de enlace con la turbina, es decir, el tubo de aspiracin, debe tener seccin suficiente y de forma tal que permita la mxima recuperacin de la energa cintica del agua a la salida del rodete, factor sumamente importante en las turbinas UNIVERSIDAD ALBERT EINSTEIN

MAQUINAS HIDRULICAS

TUBINAS KAPLAN

Francis, hlice y Kaplan, en las que dicha energa aumenta con el incremento de la velocidad especfica. De otro modo, el rendimiento sera muy bajo. Para calcular el tubo de aspiracin habr que determinar previamente la altura, desde la seccin inmediata al rodete hasta la superficie del agua del canal de descarga, que ha de ser compatible con el valor mximo de Pa, de la presin admisible a la salida del rodete; es decir, hay que hallar el grado mximo de vaco posible para evitar que se corte la columna de agua en el tubo de aspiracin y conseguir adems que no se produzcan los fenmenos de cavitacin y de contragolpe de ariete. Cuando la altura de aspiracin disponible es reducida, no podr conseguirse la recuperacin deseada de la energa cintica por no ser posible dar al tubo la longitud necesaria para ir disminuyendo paulatinamente la velocidad de salida del tubo; en este caso se ha de recurrir a tubos de aspiracin acodados de la longitud necesaria en el cual se realice la recuperacin de la velocidad que se convierte en presin, por cuanto el codo tiene seccin igual a la entrada y a la salida del mismo. No es posible decir de antemano cual de los tipos de tubos de aspiracin representados se acomoda mejor a determinada turbina. La experiencia prueba que una misma turbina con diferentes tubos de aspiracin puede tener diferentes rendimientos y que solamente a base de ensayos en modelo reducido se puede establecer con seguridad la forma ms conveniente. Aunque, desde luego, la forma del tubo de aspiracin lgicamente debe ser conforme con los principios que rigen a un difusor de buen rendimiento. Aunque el tubo recto cnico de seccin circular resulta tericamente el ms aconsejable, sin embargo, en muchos casos, por motivos de excavacin y sobre todo para ganar potencia en turbinas grandes, se hace uso del tubo acodado, normalmente a 90. Otro tipo de tubo de aspiracin es en forma de cono recto abocardado a la salida y con otro elemento cnico en la segunda mitad, que define con el cono principal un rea de paso anular en esa zona. El ensanchamiento final del rea permite reducir la longitud del tubo de desfogue. La seccin anular creada por los dos conos coaxiales favorece la difusin reducindose las prdidas de recirculacin del agua debido a las componentes tangenciales de la velocidad del agua a la salida del rotor.

Curvas caractersticas de las turbinas kaplan Sabemos que en las turbinas Kaplan existen dos rganos reguladores del caudal, los labes del distribuidor caracterizados por el parmetro x que determina su grado de apertura, y los labes mviles del rodete, cuya posicin viene caracterizada por el ngulo .


MAQUINAS HIDRULICAS

TUBINAS KAPLAN

Esto hace que sea posible el que la turbina funcione en un mismo punto del campo caracterstico con rendimientos distintos; lo que se pretende es el conseguir que la turbina Kaplan funcione en cada punto con un rendimiento ptimo. En lugar de una sola colina de rendimientos, como en las turbinas Francis o Pelton, se pueden trazar dos series distintas de colinas de rendimientos, Fig.

Trazado de la colina de una turbina Kaplan Regulacin del caudal orientando los labes del distribuidor, manteniendo los del rodete Fijo. En la primera serie se fijan los labes del rodete en una posicin determinada, traza una colina regulando el caudal nicamente con el distribuidor; para ngulos obtienen se obtienen otras tantas colinas de rendimientos. y se distintos se

Regulacin del caudal orientando los alabes del rodete, manteniendo los del distribuidor fijos. En la segunda serie se fija la apertura x del distribuidor, y se traza una colina regulando el caudal, modificando nicamente el ngulo de los labes del rodete; para distintas aperturas del distribuidor x1, x2, x3,..., etc, se obtienen otras tantas colinas. Colina de rendimientos. De este doblete de colinas hay una muy singular, cuyos rendimientos son los ptimos que se pueden alcanzar en el punto correspondiente del campo caracterstico; a esta colina es a la que UNIVERSIDAD ALBERT EINSTEIN

MAQUINAS HIDRULICAS

TUBINAS KAPLAN

normalmente se conoce como colina de rendimientos de la turbina Kaplan. Para el trazado de las curvas caractersticas universales de las turbinas Kaplan, se pueden seguir varios procedimientos. Mediante el primero se obtienen un nmero conveniente de colinas de la primera serie, una colina para cada valor de x dado, regulando el caudal variando el ngulo de los labes del rodete. Asimismo se traza un nmero conveniente de colinas de la segunda serie, cada una para un valor de , regulndose el caudal variando la apertura x del distribuidor. Se llevan las dos series de colinas as obtenidas a un mismo plano y se trazan las lneas de rendimiento mximo que se pueden alcanzar con una combinacin adecuada de la apertura del distribuidor x y del ngulo de las palas del rodete, lo cual se consigue trazando las envolventes de las isolneas de rendimientos de las diversas colinas, tal como se muestra en la siguiente figura. Segn cada punto del campo caracterstico se puede realizar con el correspondiente a la isolnea de, que pasa por dicho punto, con la condicin de que la apertura del distribuidor y el ngulo de los labes del rodete sean los correspondientes a las lneas de los puntos x = Cte, , que pasan por dicho punto. esto,

Siguiendo otro procedimiento se trazan una serie de colinas de rendimientos de uno de los dos tipos descritos anteriormente, siendo preferidos los del primero porque es ms fcil variar . Se comprueba que al aumentar aumenta Q11 mientras que el valor ptimo de n11 vara poco, disminuyendo para ngulos elevados, como se muestra en las colinas de rendimientos de la turbina Kaplan representada en la figura siguiente, obtenidas para cinco valores del ngulo de posicin de los labes del rodete. Se establece la condicin de situar cada punto del plano (Q11, n11) con el rendimiento ptimo, obtenindose.


MAQUINAS HIDRULICAS

TUBINAS KAPLAN

Colinas de rendimientos de una turbina Kaplan para cinco valores del ngulo

Se escoge un valor determinado de n11, se traza la vertical, n11= Cte, y se leen en las diferentes colinas los valores mximos del rendimiento, (caracterizadas por valores distintos de ), y en la interseccin de la vertical, n11 = Cte, con cuantos valores de Q11 se deseen, en cada caso, anotndose tambin el valor de e se obtiene dicho rendimiento. Para cada valor de n11 se obtienen l os tres tipos de curvas:

Que se han representado en la siguiente figura, para un mismo valor de n11, obtenidas a partir de las curvas caractersticas universales descritas anteriormente.


MAQUINAS HIDRULICAS

TUBINAS KAPLAN

Curvas de n, , x, para un mismo valor de n11 Para otros valores de n11 se trazan otras series de curvas de este tipo, y con estos datos se pueden trazar las curvas caractersticas universales de las turbinas Kaplan. Para ello, en cada punto del plano (Q11, n11) se anotan tres valores de el diagrama de dichas turbinas trazando: Las isolneas de igual rendimiento. Las isolneas de = Cte, que son los valores del ngulo del rodete con los que se obtienen los rendimientos mximos. Las de apertura, x = Cte, como se indica en la figura de arriba obtenindose as un diagrama universal aplicable a una serie de turbinas Kaplan geomtricamente semejantes a la turbina ensayada, figura de abajo. y x, obtenindose


MAQUINAS HIDRULICAS

TUBINAS KAPLAN

La turbina Kaplan en funcionamiento se caracteriza por un nmero de revoluciones por minuto n, dimetro D y altura neta Hn determinados, que a su vez proporcionan un n11 para dicha turbina Kaplan, siempre que Hn se mantenga constante, por cuanto Las caractersticas particulares de la turbina Kaplan se determinan sobre el diagrama universal, trazando la vertical que pasa por el punto n11 obtenindose as los valores mximos del rendimiento, para diferentes caudales, y los valores de x y de que hay que adoptar para conseguir dichos rendimientos.


MAQUINAS HIDRULICAS

TUBINAS KAPLAN


MAQUINAS HIDRULICAS

TUBINAS KAPLAN

Centrales Hidroelctricas en El Salvador con Turbinas Kaplan Instaladas

Central Hidroelctrica Guajoyo Est ubicada al noroeste de San Salvador, en el municipio de Metapn, departamento de Santa Ana. La central fue diseada para albergar una unidad de 15 MW, que utiliza el agua almacenada en el lago de Gija, y entr en operacin en diciembre de 1963. Consiste en una presa de concreto de 33 metros de altura, un dique de control de tierra de 12.5 metros de altura, un vertedero de fondo con una compuerta radial y un aliviadero de 4 bahas controlados con mamparos, canal de acceso, bocatoma de concreto, tnel de concreto de 6.25 metros de dimetro y 300 metros de longitud y una casa de mquinas de concreto semi subterrnea. Las principales caractersticas de la central son las siguientes: Unidades Toshiba tipo Kaplan de eje vertical. Toshiba, Japn. 19.7 MW 1

Turbina: Generador: Capacidad nominal: Nmero de unidades:


MAQUINAS HIDRULICAS

TUBINAS KAPLAN

rea: Volumen de agua embalsado: Volumen de agua til Caudal medio anual:

Embalse 26.3 km2 645 millones de m3 490 millones de m3 26.3 m3/Seg

Mximo Nominal Mnimo Aguas abajo

Niveles de Operacin (m.s.n.m.): 430 425 418 377

Mxima Mnima Diseo

Niveles de Operacin (m.s.n.m.): 54 m 42 m 48 m

Operacin: Caudal mximo turbinable 42 m3/seg (a 430 m.s.n.m.). Generacin media anual 64.2 GWh. Tipo de funcionamiento del embalse de regulacin. Operaciones de la central: Punta


MAQUINAS HIDRULICAS

TUBINAS KAPLAN

Central Hidroelctrica 15 de Septiembre

Dicha central est ubicada a 90 kilmetros al oriente de San Salvador, sobre el ro Lempa, en el cantn San Lorenzo, de San Ildefonso, departamento de San Vicente; y cantn Condadillo (Puente Cuscatln), Estanzuelas, en Usulutn. Es la central de mayor capacidad de CEL y cuenta con dos unidades, que inicialmente tena una potencia de 78.3 MW cada una; la primera entr en operacin en septiembre de 1983 y la segunda en marzo de 1984. Consiste en una presa de relleno de roca de 57.2 metros de altura, un vertedero de concreto de 8 compuertas, una bocatoma integral y una casa de mquinas superficial. Las principales caractersticas de la central son las siguientes: Unidades Voith tipo Kaplan de eje vertical. Hitachi Ltd., Japn. 156.60 MW 180.18 MW (Por 2 horas de operacin) 2 unidades de 90 MW Embalse 35.5 km2 380 millones de m3 37 millones de m3 366 m3/seg

Turbinas Generador Capacidad nominal Mxima Nmero de Unidades rea: Volumen de agua embalsado Volumen de agua til Caudal medio anual


MAQUINAS HIDRULICAS

TUBINAS KAPLAN

Mximo Nominal Mnimo Aguas abajo

Niveles de Operacin (m.s.n.m.) Mximo 49 (m.s.n.m.) 47 30 17

Mxima Mnima Diseo

Niveles de Operacin (m.s.n.m.) 32 m 19 m 30 m

Operacin Caudal mximo turbinable 330 m3/seg (a 49 m.s.n.m.). Generacin media anual 605.2 GWh. Tipo de funcionamiento del embalse Hilo de agua. Operaciones de la central: Base.


MAQUINAS HIDRULICAS

TUBINAS KAPLAN

Conclusiones 1. La utilizacin de las turbinas Kaplan en pequeos saltos con grandes caudales, las hacen factibles para proyectos hidroelctricos, tanto en posicin horizontal como vertical. 2. La turbina Kaplan es mucho ms costosa que la Francis, por la forma de regulacin de la turbina, la mejora de los resultados a carga parcial es tal, que la turbina con labes fijos slo se instala en emplazamientos donde la altura y la carga son constantes. La doble regulacin de una turbina Kaplan hace que sta sea ms cara que una Francis de igual potencia, por lo que se utilizan en aquellas instalaciones en que se desee conseguir rapidez de giro y mxima facilidad de regulacin. 3. El tubo de aspiracin, debe tener seccin suficiente y de forma tal que permita la mxima recuperacin de la energa cintica del agua a la salida del rodete, factor sumamente importante en las turbinas Francis, hlice y Kaplan, en las que dicha energa aumenta con el incremento de la velocidad especfica. De otro modo, el rendimiento sera muy bajo.


turbinas Kaplan trabajo

Documents

Transcript of turbinas Kaplan trabajo