turbinas Kaplan trabajo

2011

Universidad Albert Einstein. Tema: Turbinas Hidráulicas de reacción de flujo  Turbinas Kaplan  Docente: Ing. Alvaro Antonio Aguilar Orantes  Materia: Maquinas Hidráulicas   Alumnos: Gabriel de Jesús Umaña Martínez  David Armando Villatoro Saravia   Andrés peña de león 

26/11/2011

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TUBINAS KAPLAN

INTRODUCCIÓN 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. Esta turbina debe su nombre al ingeniero Víctor Kaplan (1876-1934) quien concibió la idea corregir el paso de los álabes automáticamente con las variaciones de la potencia.

Ingeniero Víctor Kaplan (1876-1934)

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Características generales de la turbina kaplan  

 

 

Las turbinas tipo Kaplan son turbinas de admisión total y clasificadas como turbinas de reacción de flujo axial. La Kaplan es una turbina de hélice con alabes ajustables, de forma que la incidencia del agua en el borde de ataque del alabe pueda producirse en las condiciones de máxima acción, cualesquiera que sean los requisitos de caudal o de carga. Se emplean en saltos de pequeña altura (alrededor de 60 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.

Componentes de una turbina Kaplan. 1. 2. 3. 4.

La cámara de alimentación o caracol El distribuidor El rodete móvil El tubo de desfogue

1) La cámara de alimentación suele ser de concreto en muchos casos, debido a la gran capacidad

de gasto que admite la turbina Kaplan. La sección toridal puede ser circular o rectangular. 2) La carcasa, caja espiral o caracol,

es un ducto alimentador de sección generalmente circular y diámetro decreciente, que circunda al rotor, procurando el fluido necesario para la operación de la turbina. Generalmente es de lámina de acero. Del caracol pasa el agua al distribuidor guiado por unas paletas direccionales fijas a la carcasa, que forman los portillos de acceso.

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3) El distribuidor lo constituye una serie de laves directores, cuyo paso se puede modificar con la

ayuda e un servomotor, lo que permite imponer al fluido la dirección de ataque exigida por el rodete móvil y además regular el gasto de acuerdo con la potencia pedida a la turbina, desde valores máximos a un valor cero, en posición cerrada. En el distribuidor se transforma parcialmente la energía de presión en energía cinética. 4) El rotor de la turbina de

forma de hélice, está constituido por un robusto cubo, cuyo diámetro es el orden del 40% al 50% del diámetro total al extremo de los álabes, en el cual van empotrados los álabes encargados de efectuar la transferencia de energía del agua al eje de la unidad.

5) El tubo de desfogue o difusor  da

salida al agua de la tubería y al mismo tiempo procura una ganancia en carga estática hasta el valor de la presión atmosférica, debido a su forma divergente. Se tiene así a la salida del rotor una presión más baja que la atmosférica, y por tanto, un gradiente de presión dinámica más alta a través del rodete.

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Esquema de una turbina Kaplan

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Características constructivas de la turbina 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 optimo 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 deconstrucción 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. Sino mas bien se puede expresar como.

Donde ReK: velocidad característica K: rugosidad en (m) C: velocidad del flujo (m/s) V: viscosidad cinemática (  /s)

Rotor Kaplan

Maquinado de un alabe en una copiadora

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Esto indica que se debe hacer un estudio de las vellosidades de flujo que prevalecen para dar el acabado de los alabes. Se debe tener en cuenta que estas maquina; su costo de construcción es de un precio considerable ya que la herramientas con que se fabricas son también costosas en precio y no sé encuentran solo en lugares especializados en este tipo de construcciones. Los cálculos de las aspas demuestran que los valores característicos de esfuerzos a los cuales se ven sometidos los alabes son de el mismo valor si estos son geométricamente iguale y bajo condiciones de operación semejantes. Los datos se pueden obtener de modelos con mucha exactitud, ya que las leyes de semejanza que plantea la mecánica de fluidos son muy confiables. En cuanto a las características de los materiales de los que se pueden construir los alabes es preciso que estos tengan propiedades de resistencia a la flexión ya que el agua ejerce una carga muy grande de este tipo. Estas exigencia requiere de que la construcción de acero fundido para cargas pequeñas, para cargas medianas se mejor utilizar aceros de baja aleación, hasta llegar a los aceros de 13% cromo y 1% níquel, para cargas grandes.

Campo de aplicación de la turbina Kaplan 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 por lo que este tipo de turbinas es ideal pera las centrales hidroeléctricas.

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Expresión de la energía transferida, grado de reacción y factor de utilización. La energía transferida del fluido al rotor, en una turbina tiene como expresión bajo la forma de Euler.

La última expresión se utiliza si se da Hu en unidades de longitud, que equivale a considerar la energía por unidad de peso. Expresando la energía transferida bajo la forma de componentes energéticas, en la turbina axial tiene la forma. UNIVERSIDAD ALBERT EINSTEIN

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A

En esta última ecuación desaparece el término de acción centrípeta, ya que la velocidad de arrastre conserva el mismo valor a la salida que a la entrada, pues no hay traslación radial del agua durante el paso de ésta por el rotor, sino solamente axial, lo que justifica su nombre.

También se puede sustituir Y por H, expresando H en pies o metros y considerando la energía por unidad de peso. La carga dinámica viene representada por el primer término del segundo miembro en la ecuación A. La carga estática, aprovechada por la máquina, queda reducida en este caso al cambio energético debido a la velocidad relativa del fluido, manifestada por un efecto acelerativo del agua a lo largo del ducto entre los álabes del rotor. El grado de reacción en la turbina axial quedará expresado por:

B

C

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Como C1> C2y W2> W1el grado de reacción será positivo y menor que la unidad. 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 ya citada.

D C yD

E

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.

Diagrama de velocidades a la entrada y salida delos alabes del rodete En la figura se presenta un álabe de turbina Kaplan, sección normal a la dirección radial, a una distancia R del eje

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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 W1cerrando el triángulo vectorial correspondiente a la ecuación vectorial.

La W1debe 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 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 W2cierre 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< C1y W2> W1, con el fin de tener un aprovechamiento de la carga dinámica y de la carga estática del agua (Ec. A).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 alabe o en los bordes de ataque y de fuga se define por los valores de los ángulos β2,a lo largo de dichos bordes (ver figura)

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

La componente giratoria C1use 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 C0u y el radio R0. El momento de la cantidad de movimiento sobre la unidad de masa será C0uR0, 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 tanβ1ó β1, varía con U y con C1u, o lo que es igual con el radio. En el borde de fuga el cambio de tanβ2ó β2, varía Con U = πND, el cual, como se ve tiene valores diferentes a distintos diámetros, para una misma velocidad de giro

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Regulación, alimentación y desfogue de las turbinas kaplan 

Regulación

A las turbinas hélice se las regula mediante álabes móviles en la corona directriz, (distribuidor), en forma análoga a como se hace en las turbinas Francis. 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.

(a) Turbina hélice: ns= 1050 (curva en gancho) ; (b) Turbina hélice: ns= 650 ; (c) Turbina Francis: ns= 500 ; (d) Turbina Francis: ns= 250 ; (e) Turbina Kaplan: ns= 230 ; (f) Turbina Kaplan: ns= 500 ; (g) Turbina Pelton: ns= 10 a 30 (curva plana)  Rendimiento total de los diferentes tipos de turbinas en función del grado de la carga

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La regulación más favorable se consigue cuando al girar las palas se conserva el mismo valor de r c 1n y a la salida de las mismas se mantiene r c 2 perpendicular a r u 2. En el caso ideal se tiene que cumplir la ecuación fundamental de las turbinas:          

c1n =hid g Hn), para cualquier grado de admisión, alcanzándose elevados rendimientos en toda la zona de regulación, lo que se puede conseguir actuando al mismo tiempo sobre las palas del distribuidor y de la rueda. La forma de conseguir este aumento de rendimiento variando la posición de los álabes se explica a la vista de las Fig V.5 como sigue: Que para (α2 = 90°)

(u1

La velocidad relativa de entrada w 1 tiene que ser tangente al álabe, por lo que éste tiene que quedar en la dirección de ella, a fin de que la entrada de agua tenga lugar sin choque; a la salida c2 tiene que alcanzar un valor razonable procurando sea perpendicular a u2 o formar un ángulo próximo a los 90°. Al cambiar la posición de los álabes, disminuyendo por ejemplo la admisión, las velocidades se modifican; c 1 será ahora menor que con admisión plena, porque el espacio libre existente encima del rodete resulta entonces excesivamente grande para un caudal menor, lo que origina una disminución de la velocidad; a la entrada, las paletas del rodete se pueden poner, aproximadamente, en la dirección w 1 suavizándose así las pérdidas por choque. A la salida se tiene la ventaja de que al ser β2 más pequeño, la velocidad c 2 es también más pequeña, que es

precisamente lo que interesa para aprovechar al máximo la energía puesta a disposición de la máquina; como dato curioso, para caudales pequeños, menores que los de diseño, el tubo de aspiración quedará siempre lleno, en forma análoga a cuando se trabaja con el caudal de proyecto, pero saliendo a una velocidad c2 menor. 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.

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Si esta última condición no es muy precisa, es decir, si la turbina ha de funcionar casi siempre con poca variación de carga, es preferible utilizar una turbina hélice, que por su sencillez, es muy superior a la Francis. La curva de rendimiento de una turbina Kaplan es una curva plana, y su rendimiento a cargas intermedias es superior no sólo al de las turbinas hélice, sino al de todas las turbinas Francis, siendo su curva de rendimiento comparable con las curvas planas características de las turbinas Pelton. Esta curva de rendimiento plana, como se muestra en la Fig V.6, es la envolvente de las curvas que se obtendrían con un número infinito de rodetes de turbina hélice de ns crecientes. Esta curva sólo se obtiene utilizando una combinación óptima del ángulo del rodete y de la apertura del distribuidor. 

Mecanismos de regulación de las turbinas KAPLAN.

En la Fig V.7 se presenta un esquema del mecanismo de regulación de las palas móviles del rodete, dispuesto en el interior del cubo. Cada pala se prolonga mediante un eje, 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. La fuerza centrífuga de la pala se transmite a la palanca L mediante bieletas, y en turbinas muy importantes, por un sistema de anillo incrustado en el eje UNIVERSIDAD ALBERT EINSTEIN

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y apoyado sobre L. 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, (en las Bulbo del orden de 2 a 3 atm), proporcionando la lubricación necesaria a todos los cojinetes y conexiones, y no permitiendo la entrada del agua en el interior del cubo.

Fig V.7.- Mecanismo de regulación de las palas de una turbina Kaplan El vástago T se acciona 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. En el interior del árbol A existen dos tubos concéntricos T1 y T2 por los que pasa el aceite a presión; el conducto entre el árbol y T1 pone en comunicación la cámara C1 con la parte inferior del servomotor a través del agujero t1 practicado en el pistón P que actúa directamente sobre el vástago T de regulación. Como se trata de piezas giratorias, hay que procurar en g2, g3 y g4 evitar 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 UNIVERSIDAD ALBERT EINSTEIN

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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. Según sea la posición del distribuidor de aceite D se puede colocar una de las caras del pistón P en comunicación con la llegada de aceite a la presión de la tubería de entrada e, mientras que el otro lado del pistón P está a la presión de descarga. El interior del tubo T2 pone en comunicación la parte superior del depósito R (cámara C3), con el interior del cubo de la rueda, por medio de un agujero t2 practicado en la cruceta de mando T de orientación de las palas. Esta cámara C3, que está a la presión atmosférica, contiene aceite a un cierto nivel y juega el papel de depósito de expansión del aceite contenido en el cubo, siendo este volumen de aceite función de la posición de las palas. Esta cámara se debe situar en un nivel tal que la presión estática que asegura la presencia de aceite en el cubo, sea suficiente para evitar la entrada del agua en el interior del cubo. El 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, como en la Fig.



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, UNIVERSIDAD ALBERT EINSTEIN

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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 rodetec1, ya que lo único que se modifica es el ángulo α1dentro 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: Q=   =   El índice de c1 describe, por ser constante, un arco de circunferencia, aunque en la práctica esto no es riguroso, ya que al contraerse la vena líquida al disminuir la abertura del distribuidor, se produce un aumento de c1, siguiente figura.

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Al modificarse la dirección dec1por la acción de las directrices del distribuidor, la velocidad relativa en el rodete w1cambia de magnitud y dirección y el agua a la entrada en el rodete, cuando éste trabaje fuera de las condiciones de diseño, dejará de ser tangente a los álabes. En estas condiciones, el triángulo de velocidades a la entrada del rodete proporciona una velocidad relativa w1 que se descompone en otras dos, una w1m según la dirección tangencial al álabe en M, y otra w1n perpendicular a la anterior es la componente de choque que origina unas pérdidas a la entrada, que en la siguiente figura se muestra.



Desfogue.

Es un conducto por el que desagua el agua, generalmente con ensanchamiento progresivo, recto (figura e) o acodado (figura 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(figura e) permite su recuperación, que de otra forma se perdería. Si la turbina no posee tubo de aspiración, se la llama de escape libre (figura d).Los tubos de aspiración acodados (figura c) suelen ser de hormigón, con frecuencia blindados con chapa y deforma cuidadosamente estudiada para óptimo rendimiento, pasando gradualmente dela sección circular a una sección rectangular. El tubo de aspiración forma parte de la turbina.

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Formas de realización de los difusores. Las formas de realización de los difusores varían con el ns de la turbina y con el tipo de instalación. Para las turbinas de eje horizontal y pequeños valores de ns el tubo de aspiración puede ser una simple tubería acodada, de sección creciente, figura (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.

Para las turbinas de eje vertical, la forma del difusor puede ser, para valores pequeños de ns la de un simple tronco de cono, figura (b) (troncocónico), 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 UNIVERSIDAD ALBERT EINSTEIN

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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. 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. Cuando la altura de aspiración disponible es reducida, no podrá conseguirse la recuperación deseada de la energía cinética por no ser posible dar al tubo la longitud necesaria para ir disminuyendo paulatinamente la velocidad de salida del tubo; en este caso se ha de recurrir a tubos de aspiración acodados de la longitud necesaria en el cual se realice la recuperación de la velocidad que se convierte en presión, por cuanto el codo tiene sección igual a la entrada y a la salida del mismo. No es posible decir de antemano cual de los tipos de tubos de aspiración representados se acomoda mejor a determinada turbina. La experiencia prueba que una misma turbina con diferentes tubos de aspiración puede tener diferentes rendimientos y que solamente a base de ensayos en modelo reducido se puede establecer con seguridad la forma más conveniente. Aunque, desde luego, la forma del tubo de aspiración lógicamente debe ser conforme con los principios que rigen a un difusor de buen rendimiento. Aunque el tubo recto cónico de sección circular resulta teóricamente el más aconsejable, sin embargo, en muchos casos, por motivos de excavación y sobre todo para ganar potencia en turbinas grandes, se hace uso del tubo acodado, normalmente a 90º. Otro tipo de tubo de aspiración es en forma de cono recto abocardado a la salida y con otro elemento cónico en la segunda mitad, que define con el cono principal un área de paso anular en esa zona. El ensanchamiento final del área permite reducir la longitud del tubo de desfogue. La sección anular creada por los dos conos coaxiales favorece la difusión reduciéndose las pérdidas de recirculación del agua debido a las componentes tangenciales de la velocidad del agua a la salida del rotor.

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 .

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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. En lugar de una sola colina de rendimientos, como en las turbinas Francis o Pelton, se pueden trazar dos series distintas de colinas de rendimientos, Fig.

Trazado de la colina de una turbina Kaplan 

Regulación del caudal orientando los álabes del distribuidor, manteniendo los del rodete Fijo.

En la primera serie se fijan los álabes del rodete en una posición determinada,     y se traza una colina regulando el caudal únicamente con el distribuidor; para ángulos  distintos se obtienen se obtienen otras tantas colinas de rendimientos. 

Regulación del caudal orientando los alabes del rodete, manteniendo los del distribuidor fijos.

En la segunda serie se fija la apertura x del distribuidor, y se traza una colina regulando el caudal, modificando únicamente el ángulo  de los álabes del rodete; para distintas aperturas del distribuidor x1, x2, x3,..., etc, se obtienen otras tantas colinas. 

Colina de rendimientos.

De este doblete de colinas hay una muy singular, cuyos rendimientos son los óptimos que se pueden alcanzar en el punto correspondiente del campo característico; a esta colina es a la que UNIVERSIDAD ALBERT EINSTEIN

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normalmente se conoce como colina de rendimientos de la turbina Kaplan. Para el trazado de las curvas características universales de las turbinas Kaplan, se pueden seguir varios procedimientos. 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  de los álabes del rodete. Asimismo se traza un número conveniente de colinas de la segunda serie, cada una para un valor de   , regulándose el caudal variando la apertura x del distribuidor. 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  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 siguiente figura. Según

esto,

cada punto del campo característico se puede realizar con el    correspondiente a la isolínea de,     que pasa por dicho punto, con la condición de que la apertura del distribuidor y el ángulo de los álabes del rodete sean los correspondientes a las líneas de los puntos x = Cte,    , que pasan por dicho punto.

Siguiendo otro procedimiento se trazan una serie de colinas de rendimientos de uno de los dos tipos descritos anteriormente, siendo preferidos los del primero porque es más fácil variar  . Se comprueba que al aumentar  aumenta Q11 mientras que el valor óptimo de n11 varía poco, disminuyendo para ángulos  elevados, como se muestra en las colinas de rendimientos de la turbina Kaplan representada en la figura siguiente, obtenidas para cinco valores del ángulo  de posición de los álabes del rodete. Se establece la condición de situar cada punto del plano (Q11, n11) con el rendimiento óptimo, obteniéndose.

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Colinas de rendimientos de una turbina Kaplan para cinco valores del ángulo 

Se escoge un valor determinado de n11, se traza la vertical, n11= Cte, y se leen en las diferentes colinas los valores máximos del rendimiento, (caracterizadas por valores distintos de  ), y en la intersección de la vertical, n11 = Cte, con cuantos valores de Q11 se deseen, en cada caso, anotándose también el valor de  e se obtiene dicho rendimiento. Para cada valor de n11 se obtienen l os tres tipos de curvas:

Que se han representado en la siguiente figura, para un mismo valor de de las curvas características universales descritas anteriormente.

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n 11,

obtenidas a partir

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Curvas de n,  , x, para un mismo valor de n11

Para otros valores de n11 se trazan otras series de curvas de este tipo, y con estos datos se pueden trazar las curvas características universales de las turbinas Kaplan. Para ello, en cada punto del plano (Q11, n11) se anotan tres valores de   y x, obteniéndose el diagrama de dichas turbinas trazando: Las isolíneas de igual rendimiento. Las isolíneas de = Cte, que son los valores del ángulo del rodete con los que se obtienen los rendimientos máximos. Las de apertura, x = Cte, como se indica en la figura de arriba obteniéndose así un diagrama universal aplicable a una serie de turbinas Kaplan geométricamente semejantes a la turbina ensayada, figura de abajo.

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La turbina Kaplan en funcionamiento se caracteriza por un número de revoluciones por minuto n, diámetro D y altura neta Hn determinados, que a su vez proporcionan un n11 para dicha turbina Kaplan, siempre que Hn se mantenga constante, por cuanto Las características particulares de la turbina Kaplan se determinan sobre el diagrama universal, trazando la vertical que pasa por el punto n11 obteniéndose así los valores máximos del rendimiento, para diferentes caudales, y los valores de x y de  que hay que adoptar para conseguir dichos rendimientos.

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Centrales Hidroeléctricas en El Salvador con Turbinas Kaplan Instaladas

 Central Hidroeléctrica Guajoyo

Está ubicada al noroeste de San Salvador, en el municipio de Metapán, departamento de Santa Ana. La central fue diseñada para albergar una unidad de 15 MW, que utiliza el agua almacenada en el lago de Güija, y entró en operación en diciembre de 1963. Consiste en una presa de concreto de 33 metros de altura, un dique de control de tierra de 12.5 metros de altura, un vertedero de fondo con una compuerta radial y un aliviadero de 4 bahías controlados con mamparos, canal de acceso, bocatoma de concreto, túnel de concreto de 6.25 metros de diámetro y 300 metros de longitud y una casa de máquinas de concreto semi subterránea. Las principales características de la central son las siguientes: Turbina: Generador: Capacidad nominal: Número de unidades:

Unidades Toshiba tipo Kaplan de eje vertical. Toshiba, Japón. 19.7 MW 1

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TUBINAS KAPLAN

Área: Volumen de agua embalsado: Volumen de agua útil Caudal medio anual:

Embalse 26.3 km2 645 millones de m3 490 millones de m3 26.3 m3/Seg

Máximo Nominal Mínimo Aguas abajo

Niveles de Operación (m.s.n.m.): 430 425 418 377

Máxima Mínima Diseño

Niveles de Operación (m.s.n.m.): 54 m 42 m 48 m

Operación: Caudal máximo turbinable 42 m3/seg (a 430 m.s.n.m.). Generación media anual 64.2 GWh. Tipo de funcionamiento del embalse de regulación. Operaciones de la central: Punta

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 Central Hidroeléctrica 15 de Septiembre

Dicha central está ubicada a 90 kilómetros al oriente de San Salvador, sobre el río Lempa, en el cantón San Lorenzo, de San Ildefonso, departamento de San Vicente; y cantón Condadillo (Puente Cuscatlán), Estanzuelas, en Usulután. Es la central de mayor capacidad de CEL y cuenta con dos unidades, que inicialmente tenía una potencia de 78.3 MW cada una; la primera entró en operación en septiembre de 1983 y la segunda en marzo de 1984. Consiste en una presa de relleno de roca de 57.2 metros de altura, un vertedero de concreto de 8 compuertas, una bocatoma integral y una casa de máquinas superficial. Las principales características de la central son las siguientes:

Turbinas Generador Capacidad nominal Máxima Número de Unidades Área: Volumen de agua embalsado Volumen de agua útil Caudal medio anual

Unidades Voith tipo Kaplan de eje vertical. Hitachi Ltd., Japón. 156.60 MW 180.18 MW (Por 2 horas de operación) 2 unidades de 90 MW Embalse 35.5 km2 380 millones de m3 37 millones de m3 366 m3/seg

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Máximo Nominal Mínimo Aguas abajo

Niveles de Operación (m.s.n.m.) Máximo 49 (m.s.n.m.) 47 30 17

Máxima Mínima Diseño

Niveles de Operación (m.s.n.m.) 32 m 19 m 30 m

Operación Caudal máximo turbinable 330 m3/seg (a 49 m.s.n.m.). Generación media anual 605.2 GWh. Tipo de funcionamiento del embalse Hilo de agua. Operaciones de la central: Base.

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