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Universidad de El Salvador Facultad de Ingeniería y Arquitectura Departamento de Sistemas Fluidomecánicos Escuela de Ingeniería Mecánica

Ciclo I - 2011

TURBINAS KAPLAN

Catedrático: Ing. Álvaro Antonio Aguilar O. Cátedra:

Alumnos:

Máquinas Hidráulicas

Gerardo Josué Bolaños Flor de María Serrano Abner Alexis Martínez

Ciudad Universitaria, 22 de julio, de 2011

Maquinas Hidráulicas –Turbinas Kaplan

1. ANTECEDENTES Las turbinas tipo Kaplan fueron diseñado por el Dr. técnico víctor 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 guía) para adaptar la turbina a diferentes niveles del caudal. Los ejes son de orientación horizontal ó vertical. Se usa este tipo de turbina en plantas de presión baja y mediana. El aumento de las necesidades de energía hidroeléctricas durante los albores del siglo XX puso de manifiesto la necesidad de turbinas que pudieran aprovechar caídas de agua de 3 a 9 m, que podrían utilizarse en muchos ríos construyendo pequeños embalses de agua. En 1913, el ingeniero austriaco Víctor Kaplan planteó por primera vez la turbina de hélice, que actúa al contrario que la hélice de un barco. Kaplan mejoró la turbina haciendo que las palas pudieran pivotar sobre su eje. Los distintos ángulos de las palas aumentaban el rendimiento ajustando el ángulo al volumen de la caída de agua. Para mantener una salida fija del generador en una instalación hidroeléctrica la velocidad de la turbina debe mantenerse constante, independientemente de las variaciones de la presión del agua que las mueve. Esto requiere gran número de controles que, tanto en la turbina de Francis como en la de Kaplan, varían el ángulo de las palas.

2. CONCEPTOS BÁSICOS Turbina Es un motor rotativo que convierte en energía mecánica la energía de una corriente de agua, vapor de agua o gas. El elemento básico de la turbina es la rueda o rotor, que cuenta con palas, hélices, 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 energía mecánica se transfiere a través de un eje para proporcionar el movimiento de una máquina, un compresor, un generador eléctrico o una hélice. Hidráulica Es el proceso mediante el cual la energía potencial del agua se convierte en energía eléctrica a través del trabajo de rotación de una turbina. Las turbinas se clasifican en turbinas hidráulicas o de agua, turbinas de vapor y turbinas de combustión. Hoy la mayor parte de la energía eléctrica mundial se produce utilizando generadores movidos por turbinas. Los molinos de viento que producen energía eléctrica se llaman turbinas de viento. [2]

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3. CARACTERÍSTICAS GENERALES Las turbinas pueden ser de varios tipos, según los tipos de centrales: Pélton (saltos grandes y caudales pequeños), Francis (salto más reducido y mayor caudal), Kaplan (salto muy pequeño y caudal muy grande) y de hélice. 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 tuberías forzadas, controlados con válvulas 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 máquinas hidráulicas de reacción de flujo axial, con alabes móviles que le permiten ajustarse con mucha facilidad, a diferentes condiciones de flujo sin que se tenga una caída de rendimiento de estas; su utilización se dan en lugares donde se tienen saltos pequeños o a lo sumo medianos pero, pero que con mucho caudal. Las turbinas Kaplan se conocen también como turbinas de doble regulación, por intervenir el proceso, al unísono, tanto sobre las palas del distribuidor, como sobre las del rodete, en base a una correspondencia o ley de conjugación 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, así como en el caso de fluctuaciones importantes del caudal. La tendencia en las turbinas hidráulicas modernas es utilizar caídas mayores y máquinas más grandes. Según el tamaño de la unidad, las turbinas Kaplan se utilizan en caídas de unos 60 m. Las características principales TK son:

de las

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

Fig. 1. Representación esquemática de una Turbina Kaplan (TK)

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Muchas de las pequeñas 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 fósiles ha hecho volver la mirada hacia este tipo de sistemas de poca caída. Con el desarrollo de turbinas de hélice normalizadas con ejes casi horizontales, las instalaciones pequeñas han recuperado su atractivo original. Para mantener una salida constante de voltaje en una hidroeléctrica, la velocidad de la turbina se debe mantener independientemente de las variaciones de la presión del agua que Esto requiere gran número de controles que, tanto en la turbina como en la de Kaplan, varían el ángulo de las palas.

instalación constante, las mueve. de Francis

4. COMPONENTES PRINCIPALES Los órganos principales de una turbina Kaplan son, como en la Francis, la cámara de alimentación o caracol, el distribuidor, el rodete móvil y el tubo de desfogue, ya que es también turbina de reacción. La relación de componentes fundamentales, siempre que ello sea factible, el sentido de circulación del agua por la turbina, es el siguiente: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Cámara espiral. Distribuidor. Rodete. Tubo de aspiración Eje. Equipo de sellado del eje de turbina. Cojinete guía de turbina. Cojinete de empuje.

Fig. 2. Partes de la TK.

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5. FUNCIÓN DE CADA COMPONENTE DE LA TURBINA KAPLAN

5.1 Cámara espiral

Fig. 3. Cámara espiral, carcasa o caracol.

Está constituida por la unión sucesiva de una serie de virolas tronco-cónicas, cuyos ejes respectivos forman una espiral. Desde el acoplamiento con la tubería forzada, donde el diámetro interior de la virola correspondiente alcanza su valor máximo, la sección interior, circular en la mayoría de los casos, va decreciendo paulatinamente hasta la virola que realiza el cierre de la cámara sobre sí misma, cuyo diámetro interior se reduce considerablemente. Esta disposición se conoce como el caracol de la turbina, en el que, debido a su diseño, se consigue que el agua circule con velocidad aparentemente constante y sin formar torbellinos, evitándose pérdidas de carga. En la zona periférica interna, totalmente concéntrica con el eje de la turbina, y siguiendo planos paralelos, perpendiculares a dicho eje, se encuentra una abertura circular, formando un anillo, cuyos extremos están enlazados perpendicularmente por una sucesión de palas fijas, situadas equidistantemente unas de otras, a lo largo del contorno de la circunferencia descrita por dicho anillo, a través del cual, y por toda su periferia, fluirá el agua, cubriendo la totalidad de los orificios así formados. La zona mencionada, se suele denominar ante-distribuidor o anillo traviesa. 5.2 Distribuidor El distribuidor propiamente dicho, está formado por un determinado número de palas móviles, cuyo conjunto constituye un anillo que está situado concéntricamente y entre las mismas cotas en altura que el ante-distribuidor, descrito al exponer la cámara espiral, siendo, en definitiva, camino continuado del agua en su recorrido hacia el centro de la turbina (Fig. 2). Su función es la de distribuir, y regular o cortar totalmente, el caudal de agua que fluye hacia el rodete. Los elementos componentes más destacados del distribuidor son: [5]

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Palas directrices. Son las palas móviles a las que anteriormente se hacía referencia. También se las suele llamar álabes directrices o directores. Cada una de ellas, al unísono con las demás, puede orientarse, dentro de ciertos límites, al girar su eje respectivo, pasando de la posición de cerrado total, cuando están solapadas unas palas sobre otras, a la de máxima apertura que corresponde al desplazamiento extremo, tendiendo a quedar en dirección radial y manteniendo, entre sí, una convergencia hacia el eje.

Fig. 4. Palas directrices del distribuidor.

5.3 Rodete Se asemeja a la hélice de un barco, al estar formado por un número determinado de palas, de 2 a 4 para saltos de pequeña altura y de 5 e 9 cuando los saltos son mayores, dentro del campo de aplicación de las turbinas Kaplan. Hemos de hacer constar que si las palas mencionadas mantienen una inclinación fija, por estar rígidamente unidas al núcleo del rodete, formando pieza única en un mismo bloque, por fundición, soldadura o acoplamiento mecánico, la turbina recibe el nombre de turbina de hélice, cuya instalación 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 mecánico, cuando las palas han de colocarse con la inclinación correcta en función de las pruebas hidráulicas que se realicen durante el montaje, o por preverse su posible adaptación a nuevas condiciones de salto, caudales, etc. Solamente se denominan turbinas Kaplan, cuando todas y cada una de las palas del rodete están dotadas de libertad de movimiento, pudiendo orientarse, [6]

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dentro de ciertos límites, girando al unísono y uniformemente sobre sus asientos respectivos situados en el núcleo, llamado también cubo del rodete, según ejes radiales del eje de turbina, adoptando posiciones de mayor o menor inclinación respecto a este último, según órdenes recibidas del regulador de velocidad Para lograr el control adecuado de las palas del rodete, tanto el núcleo de éste, como el eje de turbina, permiten alojar y pasar respectivamente por su interior los distintos dispositivos mecánicos, tales como servomotores, palancas, bielas, etc., destinados a dicho fin. Se distinguen tres sistemas de gobierno de las palas del rodete, dependiendo de la situación del servomotor de accionamiento de las mismas sobre distintas zonas del eje del grupo. Servomotor en cabeza. El servomotor está instalado en el extremo superior del eje, en la zona del alternador. Servomotor intermedio. En este caso está situado en la zona de acoplamiento de los ejes de la turbina y del alternador (Fig. 4a.) Servomotor en núcleo. Está alojado en el propio núcleo 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 núcleo. [7]

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En los rodetes Kaplan, el interior del núcleo está lleno de aceite, a fin de producir la estanqueidad necesaria que evite el paso de agua, a través de los ejes de las palas. Tanto en el caso de turbinas de hélice como 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 (Fig. 6).

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

5.4 Tubo de aspiración Recibe otros nombres, tales como hidrocono, difusor, etc. Consiste en una conducción, normalmente acodada, que une la turbina propiamente dicha con el canal de desagüe. Tiene como misión recuperar al máximo la energía cinética 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 unión circular con la turbina, se trata de un conducto metálico que, en la mayoría de los casos, va aumentando gradualmente de diámetro, tomando forma tronco-cónica, tramo conocido como cono de aspiración. 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 aspiración.

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5.5 Eje El eje de un grupo tiene ciertas peculiaridades cuando se encuentra instalado en posición vertical. Por medio del eje de turbina, al estar rígidamente unido mediante acoplamiento al eje del alternador, se transmite al rotor de éste el movimiento de rotación 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 álabes de este último. Tal medio, es el denominado cojinete de empuje. Además del cojinete de empuje, el eje completo del grupo, dispone de hasta tres cojinetes guías. Dos de ellos están 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, está 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 carbón, de material sintético o grafitadas, etc., presionadas, sobre un casquillo o collarín 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). Según sean las características constructivas de cada turbina, la junta puede estar diseñada para trabajar radial o axialmente. 5.7 Cojinete de guía de una turbina Está situado lo más 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 éste, están recubiertas de metal blanco, antifricción (aleación a base de estaño, 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 circulación de aceite y así lograr su auto lubricación.

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5.8 Cojinete de empuje Este elemento, conocido también como soporte de suspensión, pivote, rangua o quicio, característico y necesario en todos los grupos de eje vertical, hemos de considerado como un componente propio de dichos grupos en sí y no de las turbinas hidráulicas que responden a tales condiciones de instalación. Como más significativos, los tipos de cojinetes de empuje son: Cojinete de empuje de zapatas rígidas. Cojinete de empuje de zapatas pivotantes. Cojinete de empuje de resortes. Cojinete de empuje esférico. En todos ellos, destinados a soportar esfuerzos axiales, destacan dos partes cuyas funciones son comunes. Así tenemos, para cada cojinete, la parte giratoria, totalmente solidaria con el eje del grupo, la cual descansa sobre la parte fija, enclavada en zonas inmóviles de la estructura rígida, próximas al eje, como son puentes, etc.

Fig. 8. Cojinetes de empuje

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6. CARACTERÍSTICAS DE CONSTRUCCIÓN DE LAS TURBINAS KAPLAN. 6.1 Criterios de diseño y selección de turbinas hidráulicas Los criterios de diseño para las centrales hidroeléctricas y la selección del tipo de turbina idónea para cada aprovechamiento específico dependen de múltiples factores técnicos y económicos. En teoría cada emplazamiento requiere el diseño de su equipamiento específico para lograr su óptimo aprovechamiento. Esto sólo se hace de esta forma después de haber agotado las posibilidades de normalización de los equipos (en busca de los más económicos), o en aquellos casos en donde ganar 1 ó 2 % en la eficiencia del conjunto pague lo costoso de las investigaciones, el desarrollo de modelos y lo que significa una producción unitaria. Por regla general este tratamiento individual se reserva sólo para centrales muy grandes. En la determinación del número y tamaño de las unidades para un proyecto dado deben analizarse los siguientes aspectos: Cuenca del recurso, pluviosidad, hidrología y caudales garantizados, es decir, el agua disponible, su distribución a lo largo del año y la subordinación de la entrega del agua y del régimen de operación. Regulación, obras de toma, uso final del agua, embalses reguladores de aguas abajo. Geología, topografía y la carga hidráulica disponible. Racionalidad, uso de recursos y materiales locales, economía y optimización. La mayor integración nacional posible de la inversión en su conjunto. Características del servicio, tales como entrega posible al Sistema Electroenergético Nacional, o si es aislado o en paralelo a otra minihidroeléctrica, dimensiones y características de la curva de demanda de la carga eléctrica conectada, etc. Criterios económicos. Criterios extraenergéticos, tales como lo referente al impacto social, político y ambiental. En el caso de las mini y microcentrales hidroeléctricas en zonas montañosas, el criterio que ha prevalecido en la mayoría de las decisiones que se toman por los territorios es el de montar, por su importancia estratégica, la máxima 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 máximo aprovechamiento posterior, ya sea cambiando el generador, instalando otra turbina, etc.

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6.2 Criterios de selección: 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 específica (ns) cuyo valor exacto se obtiene a partir de la siguiente ecuación:

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

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Fig. 9 diagrama de selección de bombas Esta velocidad específica, rige el estudio comparativo de la velocidad de las turbinas, y es la base para su clasificación. Se emplea en la elección de la turbina más adecuada, para un caudal y altura conocidos, en los anteproyectos de instalaciones hidráulicas, consiguiendo una normalización en la construcción de rodetes de turbinas.

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6,3 Regulación de turbinas Kaplan. Dentro de los tres tipos de turbinas estudiados, las Kaplan son las que disponen de un sistema de regulación más complejo, ya que, además 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 posición de las mismas, se pueda obtener el rendimiento idóneo, incluso con grandes variaciones de caudal y de altura de salto figura 10)

Fig. 10 - Esquema del equipo de regulación de turbinas Kaplan. Cuando se trata de grupos pequeños, la regulación se lleva a efecto por un regulador con dos válvulas distribuidoras, con dependencia recíproca, de forma que siempre se logra la posición 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 orientación de las palas del rodete. Entre ambos reguladores existe una gran coordinación de actuación, llegando a depender, incluso, de la cota de salto existente. La conjugación de la posición de las palas del rodete, en relación con las del distribuidor, se consigue mediante las señales recibidas por el regulador que [14]

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gobierna a este ultimo, a través de la denominada barra de retroceso, la cual le transmite las sucesivas posiciones de las palas del rodete. También existen rodetes Kaplan en los que las palas cambian de posición automáticamente, debido a la acción de fuerzas hidráulicas internas en un embolo autocompensador, sin ser necesario el empleo de cilindros maniobrados por presión de aceite. Son los denominados rodetes de autoajuste. En todos los casos, la regulación funciona de tal modo que cuando aumenta la carga, se abren, simultáneamente, las palas del distribuidor y del rodete. Cuando desciende la carga, el distribuidor responde a la señal del regulador, cerrando con relativa rapidez, de forma más lenta se cierran las palas del rodete. Interpretamos por apertura total de las palas del rodete cuando estas toman la posición de inclinación máxima, 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 inclinación 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 conjugación, normalizándose ésta al alcanzarse, aproximadamente el 45% de la velocidad nominal.

7. CAMPO DE APLICACIÓN DE LAS TURBINAS KAPLAN.

Al igual que las turbinas Francis, las de tipo Kaplan, son turbinas de admisión total, incluidas así mismo en la clasificación de turbinas de reacción. Las características constructivas y de funcionamiento, son muy similares entre ambos tipos. Se emplean en saltos de pequeña altura (alrededor de 50 m. y menores), con caudales medios y grandes (aproximadamente de 15 m3/s en adelante). Debido a su singular diseño, permiten desarrollar elevadas velocidades específicas, obteniéndose buenos rendimientos, incluso dentro de extensos límites de variación 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 posición vertical, si bien se prestan para ser colocadas de forma horizontal o inclinada Un montaje característico 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 máximo aprovechamiento de las corrientes de agua con muy poco salto. En ambas disposiciones, la cámara y el tubo de aspiración constituyen un solo conducto, pudiendo estar situado el eje del grupo en posición horizontal o inclinada 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 tanto en centrales mareomotrices como en algunas minicentrales hidráulicas, presentamos este somero estudio que permite comprender su funcionamiento y campos de aplicación. 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; cuando éstas sean fijas, se llama turbina hélice, mientras que si son orientables se denominan turbinas Kaplan; ambos casos 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 asimismo pueden actuar como bombas hélice accionadas por el propio generador, se las denomina turbinas Bulbo. En lo que sigue, se utilizara una teoría relativa al cálculo de turbinas Kaplan, que se puede aplicar directamente a las turbinas hélice y Bulbo. Para una turbina de hélice 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 periféricas 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 efectúa sin choque, la superficie del álabe debe estar en una dirección tangente a la velocidad relativa de entrada del agua W1, por lo que el álabe tiene que ser, por lo que respecta a su altura, en la parte central e inicial, bastante vertical.

FIG. 14 Sección transversal de una central hidráulica con turbina Kaplan En la parte final del álabe, a la salida, éste se presenta más aplanado y la velocidad C2 debe ser prácticamente axial, siendo la velocidad w2y C2 y W2 > W1 el grado de reacción será positivo y menor que la unidad en todo momento . FACTOR DE UTILIZACION Con frecuencia se expresa el factor de utilización en función del grado de reacción. En efecto, el factor de utilización se define por la relación:

Sustituyendo cada término por sus valores correspondientes se tiene:

Eliminando las velocidades relativas se obtiene:

Expresión del factor de utilización en función del grado de reacción y de las velocidades absolutas de entrada y de salida. Se observa que el grado de reacción debe ser inferior a la unidad y positivo, como ya se indicó, pues el factor de utilización siempre es menor que uno. Se advierte también que con un grado de reacción alto se mejora el coeficiente de, utilización.

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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 álabe de turbina Kaplan, sección normal a la dirección 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 cámara de alimentación y guiada por los álabes del distribuidor, gira en vórtices libres en la zona existente entre el, distribuidor y el rotor, hasta alcanzar a este último, atacando al álabe con una velocidad absoluta C1, que es variable en magnitud y dirección para cada punto del borde de ataque del álabe. Si la velocidad tangencial del álabe en ese punto es U (velocidad de arrastre), la velocidad relativa del fluido respecto al álabe será W1 cerrando el triángulo vectorial correspondiente a la ecuación vectorial.

La W1 debe incidir sobre el álabe de forma que se logre una máxima acción del agua, evitando separación o choques, que reduzcan el rendimiento. El ángulo de incidencia α 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 máquinas axiales. La velocidad absoluta a la salida C2 se procura que sea axial o con una componente giratoria mínima, a fin de tener un buen desfogue para reducir su magnitud, aumentando el coeficiente de utilización. Como la velocidad tangencial del alabe U es la misma, pues los dos [21]

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puntos de entrada y salida están a la misma distancia del eje, se tendrán que diseñar el borde de fuga de forma que la componente relativa del agua W2 cierre el triángulo vectorial correspondiente a la ecuación:

Ya que en velocidades subsónicas, como es el caso del agua en las turbinas hidráulicas, el álabe manda al fluido en la salida y la W2 saldrá tangente al álabe. La curvatura del álabe, definida por el ángulo θ para Ca = constante, hace que C2 < C1 y W2 > W1, con el fin de tener un aprovechamiento de la carga dinámica y de la carga estática del agua (Ec. 5.1). Esta disposición del álabe para una correcta incidencia del agua, es la correspondiente a las condiciones de diseño de toda turbina de hélice. 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 álabes. El diseño de los álabes suele hacerse para el 80% de la capacidad de gasto de la turbina, ya que en éstas condiciones se favorece el rendimiento global del álabe en las diferentes condiciones de carga parcial o sobrecarga, en las que con frecuencia se ve obligada a trabajar la máquina. Para las condiciones de diseño la apertura del ángulo del distribuidor suele ser de 45°, pudiendo variar entre 20° y 50° en términos generales. El alabeo en los bordes de ataque y de fuga se define por los valores de los ángulos β2, a lo largo de dichos bordes(figura 7.2).

Recordando que:

La componente giratoria C1u se calcula en cada punto de la zona de vórtices libres, que precede al rotor, aplicando el principio de conservación del momento de la cantidad de movimiento.

Figura 17 Triángulos de velocidades [22]

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En la sección de salida del distribuidor (subíndice 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 será C0u R0, que será constante en toda la zona de vórtices libres, pues no hay momento exterior en esa zona. Por lo tanto, si se designa por el subíndice (1) la sección de ataque del agua al rotor se tendrá:

Donde R1, puede variar del cubo al extremo del álabe y en consecuencia C1u varía también, pero en forma opuesta a R1 para conservar el valor constante del producto. Como Ca es constante, resulta que tanβ1 ó β1, varía con U y con C1u, o lo que es igual con el radio. En el borde de fuga el cambio de tanβ2 ó β2, varía Con U = πND, el cual, como se ve tiene valores diferentes a distintos diámetros, para una misma velocidad de giro.

10. REGULACIÓN, ALIMENTACIÓN Y DESFOGUE DE LAS TURBINAS KAPLAN Regulación A la entrada del rodete se origina una pérdida por choque y a la salida resulta una mayor en magnitud, pero de dirección más inclinada; ambas circunstancias contribuyen a la disminución del rendimiento, de forma que éste desciende tanto más rápidamente, cuanto mayor sea la velocidad de la turbina. Una característica negativa de las turbinas hélice es el bajo rendimiento de las mismas a cargas distintas de la nominal o diseño. En las turbinas Kaplan, las paletas directrices del distribuidor también son móviles lo cual permite mejorar la regulación, pues al cambiar la inclinación de los álabes del rodete se consigue mantener bastante elevado el rendimiento para un extenso margen del grado de apertura del distribuidor. La regulación más 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 núcleo del rotor, como el eje de turbina, permiten alojar en su interior los distintos dispositivos mecánicos, 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 orientación 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 árbol mediante un soporte E; todo ello está dirigido por un vástago que pasa por el interior del árbol A, de forma que cualquier desplazamiento axial de este vástago provoca una rotación simultánea de todas las palas. Todo el mecanismo de regulación está bañado en aceite a una cierta presión, proporcionando la lubricación necesaria a todos los cojinetes y conexiones, y no permitiendo la entrada del agua en el interior del cubo. El vástago T es accionado por un servomotor S que gira solidario con el árbol; por encima de éste va situado un depósito fijo R, en el que las cámaras C1 y C2 están comunicadas con una válvula de regulación de aceite D de una entrada y dos salidas.

Fig. 18. Mecanismo de regulación de las palas móviles del rodete. Como se trata de piezas giratorias, hay que procurar evitar en g2, g3 y g4 pérdidas o fugas de aceite entre las diversas cámaras que están a presiones diferentes; asimismo, como el conjunto formado por el pistón P el vástago T y los tubos T1 y T2 situados en el interior del árbol A tienen que ir también engrasados, hay que disponer una junta de estancamiento en g1 de forma que se evite la comunicación desde la parte interior del cubo de la rueda hacia la parte inferior del pistón P del servomotor, que está a presión variable. El [24]

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servomotor S puede estar colocado en una posición cualquiera del árbol, como en la parte superior, o por encima del alternador, o bien entre el alternador y la turbina, o por debajo del mecanismo de orientación de las palas cuando el espacio lo permita. Alimentación: El dispositivo más conocido para la alimentación 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 reacción (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 extremó de las pequeñas bielas, las cuales a su vez hacen girar a los álabes de perfil aerodinámico, que pivotan en torno a un eje fijo.

Fig.19 Distribuidor Fink a) Cerrado b) Abierto. En este tipo de distribuidores la regulación se realiza, teóricamente, sin variación de la velocidad absoluta de entrada del agua en el rodete , ya que lo único que se modifica es el ángulo α1 dentro del plano perpendicular al eje de rotación 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 energía cinética a la salida del rodete para lo cual debe ensancharse; si por razones de explotación el rodete está instalado a una cierta altura por encima del canal de fuga, un simple difusor cilíndrico (Fig. 21 e) permite su recuperación, que de otra forma se perdería. Si la turbina no posee tubo de aspiración, se la llama de escape libre (Fig. 21 d). Los tubos de aspiración acodados (Fig. 21 c) suelen ser de hormigón, con frecuencia blindados con chapa y de forma cuidadosamente estudiada para óptimo rendimiento, pasando

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gradualmente de la sección circular a una sección rectangular. El tubo de aspiración forma parte de la turbina. Formas de realización de los difusores: Las formas de realización de los difusores varían con el

de la turbina y con

el tipo de instalación. Para las turbinas de eje horizontal y pequeños valores de el tubo de aspiración puede ser una simple tubería acodada, de sección 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 disposición inclinada.

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

Fig 21 Formas de los difusores a) tubería acodada de sección creciente b) troncocónico.

Para las turbinas de eje vertical, la forma del difusor puede ser, para valores pequeños de la de un simple tronco de cono (Fig. 21 b) pero tiene el inconveniente de necesitar un canal de desagüe en la perpendicular de la turbina. Para paliar este inconveniente se puede utilizar un difusor-aspirador acodado. La tubería de enlace con la turbina, es decir, 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 [26]

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el incremento de la velocidad específica. De otro modo, el rendimiento sería muy bajo. Para calcular el tubo de aspiración habrá que determinar previamente la altura, desde la sección inmediata al rodete hasta la superficie del agua del canal de descarga, que ha de ser compatible con el valor máximo de Pa, de la presión admisible a la salida del rodete; es decir, hay que hallar el grado máximo de vacío posible para evitar que se corte la columna de agua en el tubo de aspiración y conseguir además que no se produzcan los fenómenos de cavitación y de contragolpe de ariete.

11. CURVAS CARACTERÍSTICAS DE LAS TURBINAS KAPLAN Sabemos que en las turbinas Kaplan existen dos órganos reguladores del caudal, los álabes del distribuidor caracterizados por el parámetro x que determina su grado de apertura, y los álabes móviles del rodete, cuya posición viene caracterizada por el ángulo φ0. Esto hace que sea posible el que la turbina funcione en un mismo punto del campo característico con rendimientos distintos; lo que se pretende es el conseguir que la turbina Kaplan funcione en cada punto con un rendimiento óptimo.

Fig.22 Trazado de una colina de una turbina Kaplan Mediante el primero se obtienen un número conveniente de colinas de la primera serie, una colina para cada valor de x dado, regulando el caudal variando el ángulo φ0 de los álabes del rodete. Asimismo se traza un número conveniente de colinas de la segunda serie, cada una para un valor de φ0 = Cte, regulándose el caudal variando la apertura x del distribuidor. [27]

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Se llevan las dos series de colinas así obtenidas a un mismo plano y se trazan las líneas de rendimiento máximo que se pueden alcanzar con una combinación adecuada de la apertura del distribuidor x y del ángulo φ0 de las palas del rodete, lo cual se consigue trazando las envolventes de las isolíneas 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 ángulo φ.

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Fig.24 Curvas de rendimiento

Para las TK y las TFrancis , el valor máximo del salto con relación a la velocidad especifica se obtiene a través de este diagrama

Fig25. Diagrama de Salto máximoVelocidad especifica

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CONCLUSION Las turbinas Kaplan son de hélice con alabes ajustables para que el agua en el borde de ataque del alabe pueda producirse en la forma de máxima acción 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 característica, importantísima para una turbina o rotor de hélice, y son utilizadas para manejar cargas de hasta 60m o menos y caudales medios y grandes alrededor de 15m

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BIBLIOGRAFIA 1. Turbó maquinas hidráulicas. Encinas Polo, Manuel, Editorial LIMUSA. 2. Trabajo Practico Maquinas Terminas Centrales Hidroeléctricas Pdf. 3. Turbinas hidráulicas. Pedro Fernández Díez, Departamento de Ingeniería Eléctrica y Energética Universidad de Cantabria. 4. Mecánica de fluidos y Maquinas hidráulicas. Claudio Mataix, Segunda Edición, Ediciones del Castillo, S.A. Madrid. 5. Turbinas y equipamientos hidroeléctricos Altos del Pirinieo Pdf. 6. Turbinas Kaplan , Profesor Cèsar Sanabria Universidad UNA, Pdf.

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