TURBINA Es un dispositivo mecánico capaz de convertir en trabajo (en forma de movimiento de rotación) la energía presente en una masa de fluido. Las turbinas son máquinas que aprovechan la energía de un fluido en movimiento mediante un rotor para convertirla en energía mecánica. Es decir, las turbinas generan potencias a partir del fluido que se encuentra a altas presiones. Las turbinas poseen un elemento móvil rotativo que se denomina rodete (rueda giratoria que posee álabes circundantes) y tendrá la función de transferir la energía disponible del líquido hacia su eje. Como resultado se obtiene un momento de torsión al cual se le puede aplicar, por ejemplo a un generador eléctrico para obtener energía eléctrica, o usarlo directamente como energía mecánica accionando molinos, bombas hidráulicas, entre otras aplicaciones (IEE, sf)
TURBINA KAPLAN Las turbinas Kaplan son turbinas de agua de reacción de flujo axial, con un rodete que funciona de manera semejante a la hélice de un barco, y deben su nombre a su inventor, el austriaco Viktor Kaplan. Se emplean en saltos de pequeña altura. Las amplias palas o álabes de la turbina son impulsadas por agua a alta presión liberada por una compuerta Respecto a las turbinas Francis, las turbinas Kaplan se diferencian de aquéllas, principalmente, en las características características del rodete. En las turbinas 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.
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.
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 Turbina Kaplan es una turbina de hélice con álabes ajustables, de forma que la incidencia del agua en el borde de ataque del álabe pueda producirse en las condiciones de máxima acción, cualesquiera que sean los requisitos de caudal o de carga. Nos centraremos en el elemento que difiere plenamente entre ambos tipos de turbinas, el rodete, el cual identifica a la turbina Kaplan como tal, permitiendo la obtención de rendimientos óptimos, incluso con valores de 30% del caudal máximo.
PARTES DE LA TURBINA KAPLAN Las partes principales de la turbina Kaplan son: * Cámara de alimentación * El distribuidor * El rodete móvil o rotor * El tubo de desfogue La cámara de alimentación es el lugar por donde entre el agua para alimentar a la turbina. En pocas palabras es un ducto de admisión. El Distribuidor es un órgano fijo cuya misión es dirigir el agua, desde la sección de entrada de la máquina hacia la entrada en el rodete (cámara de admisión), distribuyéndola alrededor del mismo, (turbinas de admisión total), o a una parte, (turbinas de admisión parcial), es decir, permite regular el agua que entra en la turbina, desde cerrar el paso totalmente, caudal cero, hasta lograr el caudal máximo. El rodete Es el elemento esencial de la turbina, estando provisto de álabes en los que tiene lugar el intercambio de energía entre el agua y la máquina. El tubo de desfogue es un conducto por el que desagua el agua, generalmente con ensanchamiento progresivo, recto o acodado, 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.
Funcionamiento Turbina Kaplan La turbina Kaplan se asemeja a la hélice de un barco, al estar formado por un número determinado de palas, de 2 a 4 para saltos de pequeñas alturas y de 5 a 9 para saltos mayores. Las turbinas Kaplan son turbinas de reacción y de admisión total, cuyo funcionamiento es adecuado a pequeños saltos (hasta 50 m) y caudales medios y grandes (15 m3/s). Se conocen también como turbinas de doble regulación
En las turbinas 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. Utilización para: Altura de caída 7-50 Metros Caudal 0,7-1.000 m³/s Potencia 50-180.000 Kw.
VENTAJAS DE USAR LA TURBINA KAPLAN • Su diseño hidrodinámico permite bajas perdidas hidráulicas, por lo cual se garantiza un alto rendimiento.
• Su diseño es robusto, de tal modo se obtienen décadas de uso bajo un costo de mantenimiento menor con respecto a otras turbinas.
• Junto a sus pequeñas dimensiones, con lo cual la turbina puede ser instalada en espacios con limitaciones física también permiten altas velocidades de giro.
• Junto a la tecnología y a nuevos materiales, las nuevas turbinas requieren cada vez menos mantenimiento.
DESVENTAJAS. • No es recomendado para alturas mayores de 800 m, por las presiones existentes en los sellos de la turbina.
• Hay que controlar el comportamiento de la cavitación. • No es la mejor opción para utilizar frente a grandes variaciones de caudal, por lo que se debe tratar de mantener un flujo de caudal constante previsto, antes de la instalación.
MANTENIMIENTO DE UNA TURBINA KAPLAN. Es necesario comprobar periódicamente la estanqueidad del núcleo de las palas motoras, que tiene la doble misión de impedir la salida hacia fuera del aceite y de evitar que el agua penetre en el núcleo. Las turbinas Kaplan que sólo puedan regularse por medio de los álabes móviles y que experimenten fuertes y duraderas variaciones de carga, exigen que se revise más a menudo la rueda motriz. Comúnmente las turbinas sufren de un deterioro progresivo en rendimiento en el tiempo (a falta de una acción reparadora). Las causas habituales incluyen daños por cavitación, desgaste abrasivo erosión, corrosión galvánica, golpeando los daños causados por los desechos que pasa a través, y los errores en la soldadura de las reparaciones a los perfiles de cuchillas originales y acabado superficial. Las técnicas de mantenimiento relacionado con el rendimiento implican principalmente esas reparaciones de soldadura a la cavitación, daños por erosión abrasiva, y la corrosión galvánica en los componentes de la turbina, tales como el corredor, puertas peatonales incorporadas, y el anillo distribuidor. Una mejor práctica habitual es realizar revestimientos con un electrodo de soldadura de acero inoxidable 309L para proporcionar
alguna resistencia a la cavitación. En algunos casos, plantillas de hoja de contorno originales están disponibles en la planta para facilitar la devolución de la cuchilla entrada y bordes de salida de nuevo a las especificaciones OEM. Por lo general, las curvaturas de Kaplan están diseñadas con ranuras de alivio de la tensión y arrastran lados de la intersección cuchilla (Figura 1). Estas ranuras, minimizan la posibilidad de formación de grietas en las zonas altas de estrés de la hoja, crear cavidades en el perfil que causan perturbaciones aguas abajo en forma de vórtices de baja presión y flujo puede dar lugar a la erosión de la cavitación en el cubo y la nariz de cono. Se ha demostrado que los materiales de relleno, unido al sello de la cuchilla o muñón, han sido eficaces en la reducción de la erosión, especialmente cuando se combina con situada estratégicamente recubrimiento de acero inoxidable en el cubo y la nariz de cono. La Figura 2 muestra un área de superposición típica de un cono de Kaplan corredor / nariz. También el diseño esférico de algunos concentradores de canal más nuevos, en comparación con el diseño tradicional cónica, minimiza el espacio entre las cuchillas y centro como las palas se mueven para halagar posiciones
Figura 1: El estrés del relieve de corte y superposición.
Figura 2: Eje Típico / Punta delantera del fuselaje de acero inoxidable.
Las áreas adicionales para el recubrimiento de acero inoxidable incluyen el anillo de la garganta para proteger contra el "sello cavitación "en la periferia de la hoja, y las secciones del anillo distribuidor inferior y anillo inferior, donde los vórtices pueden arrastrarse fuera de las puertas peatonales incorporadas durante el alto flujo operación (Figura 3). (Figura 4), se puede reducir los vórtices y permitir mayores velocidades de flujo y la potencia de salida. El cambio exacto de perfil debe ser diseñado en base a la dinámica de fluidos computacional (CFD) y / o modelado físico.
Figura 3: Parte inferior del anillo de superposición.
Figura 4: Eje de la compuerta modificado.
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