Turbina kaplan

La turbina Kaplan es una turbina hidráulica de tipo hélice que tiene palas ajustables. Fue desarrollado en 1913 por el profesor austriaco Viktor Kaplan, quien combinó palas de hélice ajustadas automáticamente con compuertas ajustadas automáticamente para lograr eficiencia en una amplia gama de flujos y niveles de agua.

La turbina Kaplan fue una evolución de la turbina Francis. Su invención permitió una producción de energía eficiente en aplicaciones de baja cabeza, lo que no era posible con las turbinas Francis. La altura varía de 10 a 70 metros (33 a 230 pies) y la potencia varía de 5 a 200 MW. Los diámetros de los corredores están entre 2 y 11 metros (6 pies 7 pulgadas y 36 pies 1 pulgada). Las turbinas giran a un ritmo constante, que varía de una instalación a otra. Esa velocidad varía desde tan solo 54,5 rpm (presa de Albeni Falls) hasta 450 rpm.

Las turbinas Kaplan ahora se utilizan ampliamente en todo el mundo para la producción de energía de alto flujo y baja altura.

Desarrollo

Viktor Kaplan, que vivía en Brünn, Austria-Hungría (ahora Brno, Chequia), obtuvo su primera patente para una turbina de hélice de palas ajustables en 1912. Pero el desarrollo de una máquina comercialmente exitosa tomaría otra década. Kaplan luchó contra problemas de cavitación y en 1922 abandonó su investigación por motivos de salud.

En 1919, Kaplan instaló una unidad de demostración en Poděbrady (ahora en Chequia). En 1922, Voith introdujo una turbina Kaplan de 1100 HP (aproximadamente 800 kW) para uso principalmente en ríos. En 1924 se puso en funcionamiento una unidad de 8 MW en Lilla Edet, Suecia. Esto impulsó el éxito comercial y la amplia aceptación de las turbinas Kaplan.

Teoría del funcionamiento

La turbina Kaplan es una turbina de reacción de flujo interno, lo que significa que el fluido de trabajo cambia de presión a medida que se mueve a través de la turbina y cede su energía. La energía se recupera tanto de la cabeza hidrostática como de la energía cinética del agua que fluye. El diseño combina características de turbinas radiales y axiales.

La entrada es un tubo en forma de espiral que se enrolla alrededor de la compuerta de la turbina. El agua se dirige tangencialmente a través de la ventanilla y gira en espiral sobre un corredor en forma de hélice, lo que hace que gire.

La salida es un tubo de aspiración de forma especial que ayuda a desacelerar el agua y recuperar energía cinética.

No es necesario que la turbina esté en el punto más bajo de flujo de agua siempre que el tubo de aspiración permanezca lleno de agua. Sin embargo, una ubicación más alta de la turbina aumenta la succión que el tubo de aspiración imparte a las palas de la turbina. La caída de presión resultante puede provocar cavitación.

La geometría variable de la compuerta y las palas de la turbina permiten un funcionamiento eficiente para una variedad de condiciones de flujo. Las eficiencias de las turbinas Kaplan suelen ser superiores al 90%, pero pueden ser inferiores en aplicaciones de muy baja altura.

Las áreas de investigación actuales incluyen mejoras de eficiencia impulsadas por la dinámica de fluidos computacional (CFD) y nuevos diseños que aumentan las tasas de supervivencia de los peces que pasan.

Debido a que las palas de la hélice giran sobre cojinetes de aceite hidráulico de alta presión, un elemento crítico del diseño de Kaplan es mantener un sello positivo para evitar la emisión de aceite al canal. La descarga de petróleo en los ríos no es deseable debido al desperdicio de recursos y al daño ecológico resultante.

Aplicaciones

Las turbinas Kaplan se utilizan ampliamente en todo el mundo para la producción de energía eléctrica. Cubren los sitios hidroeléctricos de caída más baja y son especialmente adecuados para condiciones de alto flujo.

Las microturbinas económicas del modelo de turbina Kaplan se fabrican para la producción de energía individual diseñadas para 3 m de altura y pueden funcionar con tan solo 0,3 m de altura con un rendimiento muy reducido siempre que haya suficiente flujo de agua.

Las turbinas Kaplan grandes se diseñan individualmente para que cada sitio funcione con la mayor eficiencia posible, normalmente más del 90%. Son muy costosos de diseñar, fabricar e instalar, pero funcionan durante décadas.

Recientemente han encontrado una nueva aplicación en la generación de energía de las olas en alta mar, ver Wave Dragon.

Variaciones

La turbina Kaplan es la más utilizada de las turbinas de tipo hélice, pero existen otras variaciones:

• Turbinas Propeller tienen furgonetas de hélice no ajustables. Se utilizan donde el rango de flujo / potencia no es grande. Existen productos comerciales para producir varios cientos de vatios de sólo unos pocos pies de cabeza. Las turbinas de hélice más grandes producen más de 100 MW. En la estación generadora La Grande-1 en el norte de Quebec, 12 turbinas hélice generan 1368 MW.
• Bulb o Turbinas tubulares están diseñados en el tubo de suministro de agua. Una bombilla grande se centra en la tubería de agua que sostiene el generador, la puerta de la mecha y el corredor. Las turbinas tubulares son un diseño totalmente axial, mientras que las turbinas Kaplan tienen una puerta de wicket radial.
• Turbinas de pito son turbinas de bombilla con caja de engranajes. Esto permite un generador más pequeño y una bombilla.
• Turbinas Straflo son turbinas axiales con el generador fuera del canal de agua, conectado a la periferia del corredor.
• S-turbines eliminar la necesidad de una carcasa de bombilla colocando el generador fuera del canal de agua. Esto se logra con un jinete en el canal de agua y un eje que conecta el corredor y el generador.
• El Turbina VLH es un flujo abierto, muy bajo cabeza "kaplan" turbina inclinada en un ángulo al flujo de agua. Tiene un diámetro grande н3.55 m, es de baja velocidad utilizando un alternador de imán permanente montado en el eje directamente conectado con regulación de potencia electrónica y es muy fácil de pesca (muerte del 95%).
• El DIVE-Turbine es una turbina de hélice vertical con doble regulación por puertas de wicket y variación de velocidad. Cubre una gama de aplicaciones de hasta 4 MW con eficiencias comparables a las estándar Kaplan-Turbines. Debido al diseño de hélice con cuchillas fijas se considera una turbina amigable con pescado.

  

• Turbinas Tyson son una turbina de hélice fija diseñada para ser inmersa en un río de flujo rápido, ya sea permanentemente anclada en la cama del río, o adjunta a un bote o barcaza.

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  modelo de una bombilla o turbinas tubulares

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  modelo de una S-turbina

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  esquemática de un estrato-turbina

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  Turbinas VLH

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  esquema de una DIVE-Turbina