turbinas kaplan

Universidad de El Salvador Facultad de Ingeniera y Arquitectura Departamento de Sistemas Fluidomecnicos Escuela de Ingeniera Mecnica

Ciclo I - 2011

TURBINAS KAPLAN

Catedrtico: Ing. lvaro Antonio Aguilar O. Ctedra: Mquinas Hidrulicas

Alumnos:

Gerardo Josu Bolaos Flor de Mara Serrano Abner Alexis Martnez

Ciudad Universitaria, 22 de julio, de 2011

Maquinas Hidrulicas Turbinas Kaplan

1. ANTECEDENTES Las turbinas tipo Kaplan fueron diseado por el Dr. tcnico vctor Kaplan (18761934) 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 gua) para adaptar la turbina a diferentes niveles del caudal. Los ejes son de orientacin horizontal vertical. Se usa este tipo de turbina en plantas de presin baja y mediana. El aumento de las necesidades de energa hidroelctricas durante los albores del siglo XX puso de manifiesto la necesidad de turbinas que pudieran aprovechar cadas de agua de 3 a 9 m, que podran utilizarse en muchos ros construyendo pequeos embalses de agua. En 1913, el ingeniero austriaco Vctor Kaplan plante por primera vez la turbina de hlice, que acta al contrario que la hlice de un barco. Kaplan mejor la turbina haciendo que las palas pudieran pivotar sobre su eje. Los distintos ngulos de las palas aumentaban el rendimiento ajustando el ngulo al volumen de la cada de agua. Para mantener una salida fija del generador en una instalacin hidroelctrica la velocidad de la turbina debe mantenerse constante, independientemente de las variaciones de la presin del agua que las mueve. Esto requiere gran nmero de controles que, tanto en la turbina de Francis como en la de Kaplan, varan el ngulo de las palas.

2. CONCEPTOS BSICOS Turbina Es un motor rotativo que convierte en energa mecnica la energa de una corriente de agua, vapor de agua o gas. El elemento bsico de la turbina es la rueda o rotor, que cuenta con palas, hlices, 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 energa mecnica se transfiere a travs de un eje para proporcionar el movimiento de una mquina, un compresor, un generador elctrico o una hlice. Hidrulica Es el proceso mediante el cual la energa potencial del agua se convierte en energa elctrica a travs del trabajo de rotacin de una turbina. Las turbinas se clasifican en turbinas hidrulicas o de agua, turbinas de vapor y turbinas de combustin. Hoy la mayor parte de la energa elctrica mundial se produce utilizando generadores movidos por turbinas. Los molinos de viento que producen energa elctrica se llaman turbinas de viento.[2]


3. CARACTERSTICAS GENERALES Las turbinas pueden ser de varios tipos, segn los tipos de centrales: Plton (saltos grandes y caudales pequeos), Francis (salto ms reducido y mayor caudal), Kaplan (salto muy pequeo y caudal muy grande) y de hlice. 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 tuberas forzadas, controlados con vlvulas para adecuar el flujo de agua por las turbinas con respecto a la demanda de electricidad. El agua sale por los canales de descarga. Las turbina Kaplan son mquinas hidrulicas de reaccin de flujo axial, con alabes mviles que le permiten ajustarse con mucha facilidad, a diferentes condiciones de flujo sin que se tenga una cada de rendimiento de estas; su utilizacin se dan en lugares donde se tienen saltos pequeos o a lo sumo medianos pero, pero que con mucho caudal. 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. La tendencia en las turbinas hidrulicas modernas es utilizar cadas mayores y mquinas ms grandes. Segn el tamao de la unidad, las turbinas Kaplan se utilizan en cadas de unos 60 m. Las caractersticas principales TK son: de las

Dimensiones reducidas. Velocidades relativamente altas. Rendimiento elevado con carga variable. Notable capacidad para sobrecargas.

Fig. 1. Representacin esquemtica de una Turbina Kaplan (TK)

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Muchas de las pequeas 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 fsiles ha hecho volver la mirada hacia este tipo de sistemas de poca cada. Con el desarrollo de turbinas de hlice normalizadas con ejes casi horizontales, las instalaciones pequeas han recuperado su atractivo original. Para mantener una salida constante de voltaje en una hidroelctrica, la velocidad de la turbina se debe mantener independientemente de las variaciones de la presin del agua que Esto requiere gran nmero de controles que, tanto en la turbina como en la de Kaplan, varan el ngulo de las palas. instalacin constante, las mueve. de Francis

4. COMPONENTES PRINCIPALES Los rganos principales de una turbina Kaplan son, como en la Francis, la cmara de alimentacin o caracol, el distribuidor, el rodete mvil y el tubo de desfogue, ya que es tambin turbina de reaccin. La relacin de componentes fundamentales, siempre que ello sea factible, el sentido de circulacin del agua por la turbina, es el siguiente: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Cmara espiral. Distribuidor. Rodete. Tubo de aspiracin Eje. Equipo de sellado del eje de turbina. Cojinete gua de turbina. Cojinete de empuje.

Fig. 2. Partes de la TK.

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5. FUNCIN DE CADA COMPONENTE DE LA TURBINA KAPLAN

5.1 Cmara espiral

Fig. 3. Cmara espiral, carcasa o caracol.

Est constituida por la unin sucesiva de una serie de virolas tronco-cnicas, cuyos ejes respectivos forman una espiral. Desde el acoplamiento con la tubera forzada, donde el dimetro interior de la virola correspondiente alcanza su valor mximo, la seccin interior, circular en la mayora de los casos, va decreciendo paulatinamente hasta la virola que realiza el cierre de la cmara sobre s misma, cuyo dimetro interior se reduce considerablemente. Esta disposicin se conoce como el caracol de la turbina, en el que, debido a su diseo, se consigue que el agua circule con velocidad aparentemente constante y sin formar torbellinos, evitndose prdidas de carga. En la zona perifrica interna, totalmente concntrica con el eje de la turbina, y siguiendo planos paralelos, perpendiculares a dicho eje, se encuentra una abertura circular, formando un anillo, cuyos extremos estn enlazados perpendicularmente por una sucesin de palas fijas, situadas equidistantemente unas de otras, a lo largo del contorno de la circunferencia descrita por dicho anillo, a travs del cual, y por toda su periferia, fluir el agua, cubriendo la totalidad de los orificios as formados. La zona mencionada, se suele denominar ante-distribuidor o anillo traviesa. 5.2 Distribuidor El distribuidor propiamente dicho, est formado por un determinado nmero de palas mviles, cuyo conjunto constituye un anillo que est situado concntricamente y entre las mismas cotas en altura que el ante-distribuidor, descrito al exponer la cmara espiral, siendo, en definitiva, camino continuado del agua en su recorrido hacia el centro de la turbina (Fig. 2). Su funcin es la de distribuir, y regular o cortar totalmente, el caudal de agua que fluye hacia el rodete. Los elementos componentes ms destacados del distribuidor son:[5]


Palas directrices. Son las palas mviles a las que anteriormente se haca referencia. Tambin se las suele llamar labes directrices o directores. Cada una de ellas, al unsono con las dems, puede orientarse, dentro de ciertos lmites, al girar su eje respectivo, pasando de la posicin de cerrado total, cuando estn solapadas unas palas sobre otras, a la de mxima apertura que corresponde al desplazamiento extremo, tendiendo a quedar en direccin radial y manteniendo, entre s, una convergencia hacia el eje.

Fig. 4. Palas directrices del distribuidor.

5.3 Rodete Se asemeja a la hlice de un barco, al estar formado por un nmero determinado de palas, de 2 a 4 para saltos de pequea altura y de 5 e 9 cuando los saltos son mayores, dentro del campo de aplicacin de las turbinas Kaplan. Hemos de hacer constar que si las palas mencionadas mantienen una inclinacin fija, por estar rgidamente unidas al ncleo del rodete, formando pieza nica en un mismo bloque, por fundicin, soldadura o acoplamiento mecnico, la turbina recibe el nombre de turbina de hlice, cuya instalacin es recomendable en centrales que funcionan con salto y caudal casi constante y las cargas no sufren grandes variaciones. Se recurre al procedimiento de acoplamiento mecnico, cuando las palas han de colocarse con la inclinacin correcta en funcin de las pruebas hidrulicas que se realicen durante el montaje, o por preverse su posible adaptacin a nuevas condiciones de salto, caudales, etc. Solamente se denominan turbinas Kaplan, cuando todas y cada una de las palas del rodete estn dotadas de libertad de movimiento, pudiendo orientarse,[6]


dentro de ciertos lmites, girando al unsono y uniformemente sobre sus asientos respectivos situados en el ncleo, llamado tambin cubo del rodete, segn ejes radiales del eje de turbina, adoptando posiciones de mayor o menor inclinacin respecto a este ltimo, segn rdenes recibidas del regulador de velocidad Para lograr el control adecuado de las palas del rodete, tanto el ncleo de ste, como el eje de turbina, permiten alojar y pasar respectivamente por su interior los distintos dispositivos mecnicos, tales como servomotores, palancas, bielas, etc., destinados a dicho fin. Se distinguen tres sistemas de gobierno de las palas del rodete, dependiendo de la situacin del servomotor de accionamiento de las mismas sobre distintas zonas del eje del grupo. Servomotor en cabeza. El servomotor est instalado en el extremo superior del eje, en la zona del alternador. Servomotor intermedio. En este caso est situado en la zona de acoplamiento de los ejes de la turbina y del alternador (Fig. 4a.) Servomotor en ncleo. Est alojado en el propio ncleo del rodete (Fig. 4b.)

a)

b)

Fig. 5. Accionamiento de las palas del rodete de una TK mediante a) Servomotor intermedio b) Servomotor en el ncleo.[7]


En los rodetes Kaplan, el interior del ncleo est lleno de aceite, a fin de producir la estanqueidad necesaria que evite el paso de agua, a travs de los ejes de las palas. Tanto en el caso de turbinas de hlice como Kaplan, las palas del rodete estn situadas a un nivel ms bajo que el distribuidor, de modo que la corriente de agua que fluye por ste, incide sobre dichas palas en su parte posterior, en direccin paralela al eje de la turbina (Fig. 6).

Fig. 6. Incidencia del agua sobre las palas del rodete en turbinas Kaplan o de hlice.

5.4 Tubo de aspiracin Recibe otros nombres, tales como hidrocono, difusor, etc. Consiste en una conduccin, normalmente acodada, que une la turbina propiamente dicha con el canal de desage. Tiene como misin recuperar al mximo la energa cintica del agua a la salida del rodete o, dicho de otra forma, aprovechar el salto existente entre la superficie libre del agua y la salida del rodete En su inicio, partiendo de la unin circular con la turbina, se trata de un conducto metlico que, en la mayora de los casos, va aumentando gradualmente de dimetro, tomando forma tronco-cnica, tramo conocido como cono de aspiracin. Sobre el mismo se dispone, lateralmente, de una o dos entradas de hombre (Fig. 7), opuestas en el segundo caso, a fin de poder realizar revisiones, trabajos, etc.

Fig. 7. Diversos tubos de aspiracin.

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5.5 Eje El eje de un grupo tiene ciertas peculiaridades cuando se encuentra instalado en posicin vertical. Por medio del eje de turbina, al estar rgidamente unido mediante acoplamiento al eje del alternador, se transmite al rotor de ste el movimiento de rotacin necesario. Ahora bien, en este tipo de turbinas, es en la zona de eje correspondiente al alternador donde se suele disponer el medio para soportar todo el peso del conjunto, formado por ejes, rotor, rodete y empuje del agua sobre los labes de este ltimo. Tal medio, es el denominado cojinete de empuje. Adems del cojinete de empuje, el eje completo del grupo, dispone de hasta tres cojinetes guas. Dos de ellos estn situados en la zona del alternador, y un tercero en la zona de turbina. 5.6 Equipo de sellado del eje de la turbina Como su nombre indica, est destinado a sellar, en definitiva, a cerrar e impedir el paso de agua que pudiera fluir desde el rodete hacia el exterior de la turbina, por el espacio existente entre la tapa de la misma y el eje. En esencia consta de una serie de aros formados por juntas, bien de carbn, de material sinttico o grafitadas, etc., presionadas, sobre un casquillo o collarn solidario con el eje, por medio de muelles de acero inoxidable o servomecanismos convenientemente distribuidos alrededor de la periferia del mismo. Se conoce como junta del eje o junta de carbones (Fig. 34). Segn sean las caractersticas constructivas de cada turbina, la junta puede estar diseada para trabajar radial o axialmente. 5.7 Cojinete de gua de una turbina Est situado lo ms cerca posible del rodete, sobre la tapa superior de turbina, inmediatamente por encima del cierre estanco o sellado del eje. Consta de un anillo dividido radialmente en dos mitades o bien de una serie de segmentos, que asientan con perfecto ajuste sobre el eje. Las superficies en contacto con ste, estn recubiertas de metal blanco, antifriccin (aleacin a base de estao, antimonio, cobre, plomo, cadmio, etc., en distintos porcentajes), y suelen tener tallados, vertical o diagonalmente, unos canales sobre la superficie de contacto con el eje, para favorecer la circulacin de aceite y as lograr su auto lubricacin.

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5.8 Cojinete de empuje Este elemento, conocido tambin como soporte de suspensin, pivote, rangua o quicio, caracterstico y necesario en todos los grupos de eje vertical, hemos de considerado como un componente propio de dichos grupos en s y no de las turbinas hidrulicas que responden a tales condiciones de instalacin. Como ms significativos, los tipos de cojinetes de empuje son: Cojinete de empuje de zapatas rgidas. Cojinete de empuje de zapatas pivotantes. Cojinete de empuje de resortes. Cojinete de empuje esfrico. En todos ellos, destinados a soportar esfuerzos axiales, destacan dos partes cuyas funciones son comunes. As tenemos, para cada cojinete, la parte giratoria, totalmente solidaria con el eje del grupo, la cual descansa sobre la parte fija, enclavada en zonas inmviles de la estructura rgida, prximas al eje, como son puentes, etc.

Fig. 8. Cojinetes de empuje

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6. CARACTERSTICAS DE CONSTRUCCIN DE LAS TURBINAS KAPLAN. 6.1 Criterios de diseo y seleccin de turbinas hidrulicas Los criterios de diseo para las centrales hidroelctricas y la seleccin del tipo de turbina idnea para cada aprovechamiento especfico dependen de mltiples factores tcnicos y econmicos. En teora cada emplazamiento requiere el diseo de su equipamiento especfico para lograr su ptimo aprovechamiento. Esto slo se hace de esta forma despus de haber agotado las posibilidades de normalizacin de los equipos (en busca de los ms econmicos), o en aquellos casos en donde ganar 1 2 % en la eficiencia del conjunto pague lo costoso de las investigaciones, el desarrollo de modelos y lo que significa una produccin unitaria. Por regla general este tratamiento individual se reserva slo para centrales muy grandes. En la determinacin del nmero y tamao de las unidades para un proyecto dado deben analizarse los siguientes aspectos: Cuenca del recurso, pluviosidad, hidrologa y caudales garantizados, es decir, el agua disponible, su distribucin a lo largo del ao y la subordinacin de la entrega del agua y del rgimen de operacin. Regulacin, obras de toma, uso final del agua, embalses reguladores de aguas abajo. Geologa, topografa y la carga hidrulica disponible. Racionalidad, uso de recursos y materiales locales, economa y optimizacin. La mayor integracin nacional posible de la inversin en su conjunto. Caractersticas del servicio, tales como entrega posible al Sistema Electroenergtico Nacional, o si es aislado o en paralelo a otra minihidroelctrica, dimensiones y caractersticas de la curva de demanda de la carga elctrica conectada, etc. Criterios econmicos. Criterios extraenergticos, tales como lo referente al impacto social, poltico y ambiental. En el caso de las mini y microcentrales hidroelctricas en zonas montaosas, el criterio que ha prevalecido en la mayora de las decisiones que se toman por los territorios es el de montar, por su importancia estratgica, la mxima potencia que pueda dar el recurso. Ante limitaciones materiales, en ocasiones aunque se instale la potencia que resuelva el problema en el corto plazo, se han creado las condiciones que permitan pasar al mximo aprovechamiento posterior, ya sea cambiando el generador, instalando otra turbina, etc.

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6.2 Criterios de seleccin: 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 especfica (ns) cuyo valor exacto se obtiene a partir de la siguiente ecuacin:

Donde: n Numero de revoluciones. H Altura neta. Pa Potencia til o potencia en el eje.

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Fig. 9 diagrama de seleccin de bombas Esta velocidad especfica, rige el estudio comparativo de la velocidad de las turbinas, y es la base para su clasificacin. Se emplea en la eleccin de la turbina ms adecuada, para un caudal y altura conocidos, en los anteproyectos de instalaciones hidrulicas, consiguiendo una normalizacin en la construccin de rodetes de turbinas.

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6,3 Regulacin de turbinas Kaplan. Dentro de los tres tipos de turbinas estudiados, las Kaplan son las que disponen de un sistema de regulacin ms complejo, ya que, adems de los elementos conocidos, destinados al accionamiento de las palas directrices del distribuidor, cuenta con los mecanismos necesarios para el gobierno de las palas del rodete, a fin de que, con la adecuada posicin de las mismas, se pueda obtener el rendimiento idneo, incluso con grandes variaciones de caudal y de altura de salto figura 10)

Fig. 10 - Esquema del equipo de regulacin de turbinas Kaplan. Cuando se trata de grupos pequeos, la regulacin se lleva a efecto por un regulador con dos vlvulas distribuidoras, con dependencia recproca, de forma que siempre se logra la posicin exacta de las palas del rodete respecto de las palas del distribuidor. En el caso de grupos de grandes dimensiones, un regulador auxiliar externo, interconectado con el regulador que gobierna al distribuidor, controla la orientacin de las palas del rodete. Entre ambos reguladores existe una gran coordinacin de actuacin, llegando a depender, incluso, de la cota de salto existente. La conjugacin de la posicin de las palas del rodete, en relacin con las del distribuidor, se consigue mediante las seales recibidas por el regulador que[14]


gobierna a este ultimo, a travs de la denominada barra de retroceso, la cual le transmite las sucesivas posiciones de las palas del rodete. Tambin existen rodetes Kaplan en los que las palas cambian de posicin automticamente, debido a la accin de fuerzas hidrulicas internas en un embolo autocompensador, sin ser necesario el empleo de cilindros maniobrados por presin de aceite. Son los denominados rodetes de autoajuste. En todos los casos, la regulacin funciona de tal modo que cuando aumenta la carga, se abren, simultneamente, las palas del distribuidor y del rodete. Cuando desciende la carga, el distribuidor responde a la seal del regulador, cerrando con relativa rapidez, de forma ms lenta se cierran las palas del rodete. Interpretamos por apertura total de las palas del rodete cuando estas toman la posicin de inclinacin mxima, respecto a un plano perpendicular al eje de turbina que pase por los asientos de giro de las mismas. El cierre completo corresponde a la menor inclinacin de dichas palas, es decir, cuando llegan casi a solapar unas sobre otras. En los arranques, se suelen orientar con un grado de apertura superior al de conjugacin, normalizndose sta al alcanzarse, aproximadamente el 45% de la velocidad nominal.

7. CAMPO DE APLICACIN DE LAS TURBINAS KAPLAN.

Al igual que las turbinas Francis, las de tipo Kaplan, son turbinas de admisin total, incluidas as mismo en la clasificacin de turbinas de reaccin. Las caractersticas constructivas y de funcionamiento, son muy similares entre ambos tipos. Se emplean en saltos de pequea altura (alrededor de 50 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.

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Normalmente se instalan con el eje en posicin vertical, si bien se prestan para ser colocadas de forma horizontal o inclinada Un montaje caracterstico de este tipo de turbinas, conjuntamente con el alternador, constituye los llamados grupos-bulbo, propios de las centrales mareomotrices; o los grupos-pozo, utilizados para el mximo aprovechamiento de las corrientes de agua con muy poco salto. En ambas disposiciones, la cmara y el tubo de aspiracin constituyen un solo conducto, pudiendo estar situado el eje del grupo en posicin horizontal o inclinada La importancia de las turbinas Hlice y Kaplan en pequeos saltos con grandes caudales, las hacen idneas tanto en posicin horizontal como vertical; por su similitud con las turbinas Bulbo, empleadas tanto en centrales mareomotrices como en algunas minicentrales hidrulicas, presentamos este somero estudio que permite comprender su funcionamiento y campos de aplicacin. La tendencia a la construccin de turbinas cada vez ms rpidas, para velocidades especficas ns mayores de 450, conduce a las turbinas hlice y Kaplan, ya que en las turbinas Francis con ns del orden de 400, el agua no se puede guiar y conducir con precisin. El rodete est compuesto por unas pocas palas, que le confieren forma de hlice de barco; cuando stas sean fijas, se llama turbina hlice, mientras que si son orientables se denominan turbinas Kaplan; ambos casos las turbinas funcionan con un nico sentido de giro de rotacin; son pues turbinas irreversibles. Si adems de tener las palas orientables, las turbinas funcionan en los dos sentidos de rotacin (turbinas reversibles), y asimismo pueden actuar como bombas hlice accionadas por el propio generador, se las denomina turbinas Bulbo. En lo que sigue, se utilizara una teora relativa al clculo de turbinas Kaplan, que se puede aplicar directamente a las turbinas hlice y Bulbo. Para una turbina de hlice del tipo que sea, si se supone una velocidad de entrada C1 uniforme para toda la altura del perfil, las distintas curvaturas de las palas se deducen de las distintas velocidades perifricas Cu que tiene la rueda en los diversos puntos, la figura siguiente, muestra de que forma, siempre se cumpla que:

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Si la entrada del agua (1) se efecta sin choque, la superficie del labe debe estar en una direccin tangente a la velocidad relativa de entrada del agua W1, por lo que el labe tiene que ser, por lo que respecta a su altura, en la parte central e inicial, bastante vertical.

FIG. 14 Seccin transversal de una central hidrulica con turbina Kaplan En la parte final del labe, a la salida, ste se presenta ms aplanado y la velocidad C2 debe ser prcticamente axial, siendo la velocidad w2y C2 y W2 > W1 el grado de reaccin ser positivo y menor que la unidad en todo momento . FACTOR DE UTILIZACION 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:

Sustituyendo cada trmino por sus valores correspondientes se tiene:

Eliminando las velocidades relativas se obtiene:

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.

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9. DIAGRAMA DE VELOCIDADES A LA ENTRADA Y SALIDA DE LOS ALABES DEL RODETE En la figura 7.1 se presenta un labe de turbina Kaplan, seccin normal a la direccin radial, a una distancia R del eje.

Figura 16: Diagrama de velocidades a la entrada y salida de una turbina 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 W1 cerrando el tringulo vectorial correspondiente a la ecuacin vectorial.

La W1 debe 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[21]


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 W2 cierre 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 < C1 y W2 > W1, con el fin de tener un aprovechamiento de la carga dinmica y de la carga esttica del agua (Ec. 5.1). 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 alabeo en los bordes de ataque y de fuga se define por los valores de los ngulos 2, a lo largo de dichos bordes(figura 7.2).

Recordando que:

La componente giratoria C1u se 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.

Figura 17 Tringulos de velocidades[22]


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 C0u R0, 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.

10. REGULACIN, ALIMENTACIN Y DESFOGUE DE LAS TURBINAS KAPLAN Regulacin 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. La regulacin ms favorable se consigue cuando al girar las palas se conserva el mismo valor de y a la salida de las mismas se mantiene perpendicular a .

Para lograr el control adecuado de las palas del rotor, tanto el ncleo del rotor, como el eje de turbina, permiten alojar en su interior los distintos dispositivos mecnicos, tales como servomotores, palancas, bielas; destinados a dicho fin.

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Cada pala se prolonga mediante un eje (Fig. #.) 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. 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, proporcionando la lubricacin necesaria a todos los cojinetes y conexiones, y no permitiendo la entrada del agua en el interior del cubo. El vstago T es accionado 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.

Fig. 18. Mecanismo de regulacin de las palas mviles del rodete. Como se trata de piezas giratorias, hay que procurar evitar en g2, g3 y g4 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 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. El[24]


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. Alimentacin: El dispositivo ms conocido para la alimentacin es el distribuidor Fink, que se utiliza en todas las turbinas que es preciso regular el caudal, es el distribuidor de corriente de todas las turbinas de reaccin (Fig. 2#). 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, las cuales a su vez hacen girar a los labes de perfil aerodinmico, que pivotan en torno a un eje fijo.

Fig.19 Distribuidor Fink a) Cerrado b) Abierto. En este tipo de distribuidores la regulacin se realiza, tericamente, sin variacin de la velocidad absoluta de entrada del agua en el rodete , ya que lo nico que se modifica es el ngulo 1 dentro del plano perpendicular al eje de rotacin de la turbina, lo que implica que , no tenga componente axial. Desfogue: Es un conducto por el que desagua el agua, generalmente con ensanchamiento progresivo, recto (Fig. 20 e) o acodado (Fig. 21 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 (Fig. 21 e) permite su recuperacin, que de otra forma se perdera. Si la turbina no posee tubo de aspiracin, se la llama de escape libre (Fig. 21 d). Los tubos de aspiracin acodados (Fig. 21 c) suelen ser de hormign, con frecuencia blindados con chapa y de forma cuidadosamente estudiada para ptimo rendimiento, pasando

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gradualmente de la seccin circular a una seccin rectangular. El tubo de aspiracin forma parte de la turbina. Formas de realizacin de los difusores: Las formas de realizacin de los difusores varan con el de la turbina y con

el tipo de instalacin. Para las turbinas de eje horizontal y pequeos valores de el tubo de aspiracin puede ser una simple tubera acodada, de seccin creciente ( Fig 21 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.

Fig. 20 Conductos de desfogue c) acodado d) libre e) recto

Fig 21 Formas de los difusores a) tubera acodada de seccin creciente b) troncocnico.

Para las turbinas de eje vertical, la forma del difusor puede ser, para valores pequeos de la de un simple tronco de cono (Fig. 21 b) 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 Francis, hlice y Kaplan, en las que dicha energa aumenta con[26]


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.

11. 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 0. 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.

Fig.22 Trazado de una colina de una turbina Kaplan 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 0 de los labes del rodete. Asimismo se traza un nmero conveniente de colinas de la segunda serie, cada una para un valor de 0 = Cte, regulndose el caudal variando la apertura x del distribuidor.[27]


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 0 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 figura siguiente.

Fig23. Colinas de rendimientos de una turbina Kaplan para cinco valores del ngulo .

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Fig.24 Curvas de rendimiento

Para las TK y las TFrancis , el valor mximo del salto con relacin a la velocidad especifica se obtiene a travs de este diagrama

Fig25. Diagrama de Salto mximoVelocidad especifica

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CONCLUSIONLas turbinas Kaplan son de hlice con alabes ajustables para que el agua en el borde de ataque del alabe pueda producirse en la forma de mxima accin 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 caracterstica, importantsima para una turbina o rotor de hlice, y son utilizadas para manejar cargas de hasta 60m o menos y caudales medios y grandes alrededor de 15m

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BIBLIOGRAFIA1. Turb maquinas hidrulicas. Encinas Polo, Manuel, Editorial LIMUSA. 2. Trabajo Practico Maquinas Terminas Centrales Hidroelctricas Pdf. 3. Turbinas hidrulicas. Pedro Fernndez Dez, Departamento de Ingeniera Elctrica y Energtica Universidad de Cantabria. 4. Mecnica de fluidos y Maquinas hidrulicas. Claudio Mataix, Segunda Edicin, Ediciones del Castillo, S.A. Madrid. 5. Turbinas y equipamientos hidroelctricos Altos del Pirinieo Pdf. 6. Turbinas Kaplan , Profesor Csar Sanabria Universidad UNA, Pdf.

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turbinas kaplan

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