Introducción: Turbinas Kaplan para Plantas Hidroeléctricas y Energía Renovable
Las turbinas Kaplan fueron desarrolladas por primera vez en 1913 por el profesor austriaco Viktor Kaplan. La turbina Kaplan se diferencia de las turbinas de hélice de palas fijas porque las palas pueden girar en sus montajes; la turbina Kaplan es por lo tanto una turbina de paso variable. Este tipo de turbina ha encontrado una amplia aplicación en los últimos 100 años debido a su alta eficiencia operativa incluso a muy bajas alturas de presión.
Las turbinas Kaplan convierten la energía potencial en energía mecánica. Este tipo de turbina se clasifica como una turbina de reacción, ya que opera dentro de un sistema de presión y depende de un flujo continuo de agua desde el lado de succión hasta el lado de presión de la turbina.
Debido a la capacidad de la turbina Kaplan para operar eficientemente a muy bajas alturas de presión, son particularmente adecuadas para plantas de flujo de río y plantas de generación mareomotriz; estos tipos de plantas pertenecen al sector de energía renovable (‘verde’).
La turbina Kaplan es muy similar en diseño a la hélice de un barco. En comparación con otros motores primarios como turbinas de vapor o motores de combustión, las turbinas hidroeléctricas tienen velocidades de operación muy bajas, típicamente menos de 400 rpm.
Hélice de Barco
Las turbinas Kaplan pueden ser grandes. Las turbinas Kaplan más grandes del mundo tienen un diámetro de 8.6m y operan con una altura nominal de 34m. A pesar de esta pequeña altura de presión, cada turbina genera 230 MW.
¿Cuáles son las partes principales de una turbina Kaplan?
Una turbina de hélice consta de un cubo, palas y un eje. Un rotor típico generalmente tiene de tres a seis palas con un diámetro total del rotor que varía de dos a 11 metros. Con las turbinas Kaplan, las palas se conectan a un cubo central que alberga los mecanismos necesarios para girar las palas, pero no hay otras diferencias entre una turbina de hélice de palas fijas y una turbina Kaplan.
Una carcasa espiral -también conocida como carcasa de espiral- se utiliza para proporcionar un flujo uniforme de agua a todo el rotor. Se logra un flujo uniforme debido a la disminución gradual del área de la sección transversal de la carcasa. A medida que el área de la sección transversal disminuye, la velocidad del agua permanece constante y se entrega un flujo uniforme de agua al rotor.
Carcasa Espiral
La compuerta de álabes dirige el agua hacia el rotor Kaplan. La compuerta de álabes se utiliza para iniciar, detener y regular el flujo de agua hacia el rotor.
Un tubo de aspiración convierte parte de la energía cinética del agua descargada en energía de presión. Esta conversión aumenta la eficiencia operativa general de la turbina.
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¿Cómo funcionan las turbinas Kaplan?
El agua entra a través de un conductor de agua presurizado, conocido como tubería de presión. Luego fluye a lo largo de la carcasa espiral y a través de la compuerta de álabes. La compuerta de álabes dirige el flujo de agua tangencialmente a través de las palas del rotor y se aplica una fuerza resultante al rotor. Esta fuerza se aplica como torque en el eje del rotor, lo que hace que el rotor gire.
Componentes de la Turbina Kaplan
El agua luego sale del rotor y entra en el tubo de aspiración donde se recupera parte de su energía cinética restante como energía de presión. Finalmente, el agua se descarga al canal de descarga.
Observe que son solo las palas del rotor las que convierten la energía potencial y cinética del agua en energía mecánica. Esto se logra debido a la forma de las palas y la diferencia de presión creada a medida que el agua fluye a lo largo de la superficie de la pala.
Generación de Energía
Un eje común conecta el rotor a un generador, a medida que el rotor gira, también lo hace el rotor del generador. El rotor del generador gira dentro de un campo electromagnético, a medida que el rotor se mueve a través del campo magnético, se induce corriente en los devanados del estator del generador, en este punto la energía mecánica suministrada por la turbina Kaplan se ha convertido en energía eléctrica. La energía eléctrica ahora puede ser transferida a través de una red nacional a los consumidores finales.
Todo el proceso de generación de energía es continuo, lo que lleva a una forma de generación de energía constante, renovable y confiable.
Características Interesantes
En comparación con otros tipos de turbinas hidroeléctricas, como las turbinas Pelton y Francis, las turbinas Kaplan son capaces de operar a muy bajas alturas de presión y altos caudales. No es raro que las eficiencias operativas superen el 90%.
Rangos de Flujo y Altura de Turbinas Hidroeléctricas
Las turbinas Kaplan son turbinas de reacción, operan con un cuerpo completo de agua en ambos lados de succión y presión de la turbina. Las turbinas de reacción son turbinas de presión, mientras que las turbinas de impulso son sin presión.
El agua pasa sobre el rotor de hélice en una dirección paralela al eje del rotor. Este tipo de flujo se conoce como flujo axial, por lo que las turbinas de hélice se clasifican como turbinas de flujo axial.
Impulsor de Flujo Axial (Rotor)
Girar las palas del rotor Kaplan cambia el ángulo de ataque (el ángulo en el que la pala corta a través del agua), lo que aumenta la eficiencia de las turbinas cuando operan a diferentes caudales. El ángulo de ataque se refiere como el paso, de ahí el nombre de la hélice de paso variable (VPP) de Kaplan.
Variar el paso también varía la velocidad de la turbina y, en consecuencia, la cantidad de energía potencial que se puede convertir en energía mecánica. Combinado con una compuerta de álabes variable, las condiciones de operación de una turbina Kaplan pueden controlarse estrictamente para maximizar la eficiencia.
Sección Transversal de la Turbina Kaplan
Recursos Adicionales
https://theconstructor.org/practical-guide/kaplan-turbine-component-working/2904/
https://en.wikipedia.org/wiki/Kaplan_turbine