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ADMINISTRACIÓN Y NEGOCIOS

Turbinas Kaplan

NOMBRE: Ariel Daza CARRERA: Mantenimiento industrial ASIGNATURA: Maquinaria y equipos industriales PROFESOR: Juan jerez barra FECHA: 03/06/2019

Introducción 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 mini centrales 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 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; en 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, vamos a exponer una teoría relativa al cálculo de turbinas Kaplan, que se puede aplicar directamente a las turbinas hélice y Bulbo. Para una turbina hélice del tipo que sea, si se supone una velocidad de entrada, toda la altura del perfil, las distintas curvaturas de las palas se deducen de las distintas velocidades periféricas que tiene la rueda en los diversos puntos de forma que siempre se cumpla que: R u = Cte

Turbina Kaplan MARCO TEORICO La turbina Kaplan es una turbina de agua de tipo hélice que tiene palas ajustables. Fue desarrollado en 1913 por el profesor austriaco Víctor Kaplan, quien combinó palas de la hélice se ajusta automáticamente con puertas peatonales incorporadas ajusta automáticamente para lograr la eficiencia en un amplio rango de nivel de flujo y el agua. Tuvo una evolución de la turbina de Francis. Su invención permite la producción eficiente de energía en aplicaciones de baja de la cabeza que no era posible con turbinas Francis. La cabeza va desde 10 hasta 70 metros y la salida de entre 5 y 120 MW. Diámetros Runner son entre 2 y 8 metros. La gama de la turbina es 79 a 429 rpm. Turbinas Kaplan son ampliamente utilizados en todo el mundo de alto flujo, la producción de energía bajo la cabeza. Es una turbina de reacción de flujo hacia el interior, lo que significa que la presión de los cambios fluido de trabajo a medida que avanza a través de la turbina y cede su energía. De energía se recupera tanto de la cabeza hidrostática y de la energía cinética del agua que fluye. El diseño combina las características de las turbinas radiales y axiales.

CARACTERÍSTICAS Y TENDENCIAS DE CONSTRUCCIÓN DE LAS TURBINAS KAPLAN. Estas turbinas cada año se construyen en tamaños 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, eléctrica construir más centrales hidroeléctricas 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 diámetro óptimo para una de estas MH es de 8 m, otra factor que se a podido apreciar es que la eficiencia hidráulica aumenta, suele darse especial énfasis a las variaciones de carga que producen variaciones sensibles de la eficiencia, factor decisivo para considerar las reducciones de costos de construcción. Otra de las características de estas turbinas es que la parte inferior, es de contorno esférico, mientras que la parte superior es cilíndrico lo que permite que la mitad inferior descanse en el concreto, en cuanto a la parte superior, reduce mucho el costo de construcción 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 tamaño de la maquina.

COMPONENTES PRINCIPALES DE UNA TURBINA KAPLAN Basándonos en la siguiente figura, los elementos constitutivos de una turbina Kaplan son: Cubo del rodete Distribuidor. Sello Cojinete Tubos de lubricación Chumacera de cargo Bomba para lubricación de la chumacera Grúa Alabes del distribuidor Servomotor del distribuidor (mecanismo de orientación de los álabes) Caracol metálico Tubo de desfogue.

CARACTERÍSTICAS DE CONSTRUCCIÓN DE LAS TURBINAS KAPLAN

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 o en aquellos casos en donde ganar 1 o 2% en la eficiencia del conjunto pague lo costoso de las investigaciones, el desarrollo de modelos y lo que significa una producción unitaria. 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 Electro energético Nacional, o si es aislado o en paralelo a otra mini hidroeléctrica, dimensiones y características de la curva de demanda de la carga eléctrica conectada, etc. Criterios económicos. Criterios extra energéticos, tales como lo referente al impacto social, político y ambiental.

DIAGRAMA DE VELOCIDADES A LA ENTRADA Y SALIDA DE LOS ALABES DEL RODETE

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 V1, 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 Vr1 cerrando el triángulo vectorial.

La Vr1 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 Vmr y la cuerda, cuyos valores se definieron al tratar las bombas axiales en el capítulo tercero. La magnitud de la componente axial a la entrada Va generalmente se conserva a la salida en las máquinas axiales. La velocidad absoluta a la salida V2 se procura que sea axial o con una componente giratoria mínima, a fin de tener un buen desfogue y para reducir su magnitud, aumentando el coeficiente de utilización. Como la velocidad tangencial del álabe U es la misma, pues, los dos puntos de entrada y salida están a la misma distancia del eje, se tendrá que diseñar el borde de fuga de forma que la componente relativa del agua Vr2 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 Vr2 saldrá tangente al álabe. La curvatura del álabe, definida por el ángulo θ para Vn = constante, hace que V2 < V1 y Vr2 > Vr1, con el fin de tener un aprovechamiento de la carga dinámica y de la carga estática del agua (Ec. 3). 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 β_1 y β_2 , a lo largo de dichos bordes.

Siendo:

tan β 1=

Va V ; tan β2 = a U−V u 1 U

V a=

Q ; U =π ND A

La componente giratoria Vu1 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. En la sección de salida del distribuidor (subíndice cero) se puede conocer la componente de giro Vu0 y el radio R0. El momento de la cantidad de movimiento sobre la unidad de masa será Vu0R0, que será constante en toda la zona de vórtices libres, pues no hay momento exterior en esa zona. Por lo tanto, la sección de ataque del agua al rotor se tendrá.

V u 0 R o=V u 1 R 1=constante

Donde R1 puede variar del cubo al extremo del álabe y en consecuencia Vu1 varía también, pero en forma opuesta a R1, para conservar el valor constante del producto. Como Va es constante, resulta que tan⁡〖β_1 〗 o β_2 varía con U y con Vu1, o lo que es igual con el radio. En el borde de fuga el cambio de tan⁡〖 β_1 〗 o β_2, varía con U=π ND, el cual, como se ve tiene valores diferentes a distintos diámetros, para una misma velocidad de giro.

ALIMENTACIÓN

El más 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 reacción (Francis, hélice, Kaplan y Dériaz). Este distribuidor se muestra en la siguiente figura puede verse en la posición cerrada (a) y en posición 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 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. En este tipo de distribuidores la regulación se realiza, teóricamente, sin variación de la velocidad absoluta de entrada del agua en el rodete c1, 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 c1 no tenga componente axial. La componente tangencial c1n no da lugar a gasto alguno, ya que éste viene determinado por el módulo de la componente radial en el distribuidor c1r, de la forma:

Conclusión La utilización de las turbinas Kaplan en pequeños saltos con grandes caudales, las hacen factibles para proyectos hidroeléctricos, tanto en posición horizontal como vertical.

La turbina Kaplan es mucho más costosa que la Francis, por la forma de regulación de la turbina, la mejora de los resultados a carga parcial es tal, que la turbina con álabes fijos sólo se instala en emplazamientos donde la altura y la carga son constantes. La doble regulación de una turbina Kaplan hace que ésta sea más cara que una Francis de igual potencia, por lo que se utilizan en aquellas instalaciones en que se desee conseguir rapidez de giro y máxima facilidad de regulación. 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 el incremento de la velocidad específica. De otro modo, el rendimiento sería muy bajo. Las turbinas Kaplan entran en competencia con las turbinas Francis para saltos entre 30 y 70 metros. Las primeras presentan la ventaja de adaptarse mejor a las variaciones de carga, funcionando con un buen rendimiento al 40% de la carga máxima, mientras que en la Francis, aproximadamente a un 60% de la carga máxima, aparece un fenómeno denominado antorcha que puede dar lugar a fuertes vibraciones. Por otro lado, las Kaplan para saltos mayores de 50 metros, y a igual de potencia, tienen un diámetro mayor que las Francis.