Qué es una turbina Kaplan: cómo funciona y sus aplicaciones

La primera turbina Kaplan fue inventado por "Viktor Kaplan" en 1913 basado en el diseño del motor turbohélice. Por lo tanto, funciona según el principio inverso de la hélice. Tiene palas de hélice fusionadas con compuertas que se ajustan automáticamente para lograr eficiencia en una amplia gama de flujo y nivel de agua. Fue la primera turbina hidroeléctrica capaz de operar a baja altura y alto flujo de agua. La turbina Kaplan también se conoce como turbina de hélice porque sus palas parecen hélices y funcionan en la dirección opuesta con un fenómeno similar. Por lo tanto, esta turbina es aplicable en ríos y regiones de baja altura. Este artículo proporciona una descripción general de una turbina Kaplan y cómo funciona con las aplicaciones.

¿Qué es la turbina Kaplan?

Una turbina Kaplan es específicamente una turbina de reacción o un tipo de turbina hidroeléctrica de hélice utilizada en centrales hidroeléctricas. En esta turbina, el agua fluye hacia y desde la turbina en dirección axial. Esta turbina opera con un flujo de agua alto y una cabeza baja con la más alta eficiencia.

La característica principal de la turbina Kaplan es que las palas de la turbina cambian de ubicación cuando es necesario para mantener la máxima eficiencia en diferentes condiciones de suministro de agua. Cuando el agua pasa por esta turbina, pierde su presión, a esto se le llama turbina de reacción. El diagrama de la turbina Kaplan se muestra a continuación.

los principio de funcionamiento de una turbina Kaplan Depende principalmente del principio de reacción de flujo axial porque en las turbinas de flujo axial, el agua se alimenta al impulsor a lo largo de la dirección paralela al eje de rotación del impulsor. En la turbina, el agua de entrada tiene presión y energía cinética para una rotación eficiente de las palas en una central hidroeléctrica.

Construcción de turbinas Kaplan

El diseño de las turbinas Kaplan se puede hacer para permitir que grandes cantidades de suministro de agua pasen a través de ellas sin romperlas. En comparación con otros tipos de turbinas, estas turbinas están diseñadas de forma ligeramente diferente.
Estas turbinas están diseñadas con varias palas de rotor que están conectadas directamente al eje central de la turbina.

Estas palas de rotor están conectadas por juntas variables para que se pueda cambiar la posición. Es muy importante tener en cuenta que las palas del rotor de esta turbina no están horizontales sino ligeramente torcidas porque la parte exterior de la pala del rotor gira muy rápido en comparación con la parte interior.

Los componentes de la turbina Kaplan incluyen principalmente el corredor o impulsor, el cubo, el tubo daft, las paletas del corredor, el eje y las paletas guía.

Cuchillas de corredor

Las palas del impulsor son componentes esenciales de esta turbina tipo hélice. En comparación con otras turbinas de flujo axial, estas turbinas no tienen palas planas sino que están torcidas para que el agua fluya en la entrada para salir. Una vez que el agua golpea estas aspas, comienzan a girar, lo que hace que el eje siga girando.

Centro

El eje de esta turbina es vertical y el extremo inferior del eje está agrandado, lo que se denomina cubo. Las palas de la turbina están ubicadas en el cubo para controlar la revolución de las palas.

Árbol

En la turbina, un extremo del eje está simplemente conectado a la rueda de la turbina, mientras que el otro extremo está conectado a la bobina del generador. Cuando el patín gira debido a la rotación de las palas, el eje también gira, además, esta rotación puede transmitirse a la bobina del generador.

Una vez que la bobina del generador gira, genera electricidad. El eje de la turbina debe incluir propiedades resistentes al calor ya que gira a una alta velocidad que oscila entre 1800 rpm y 3600 rpm. El material utilizado en el eje de la turbina es acero estructural.

Amanecer guía

El álabe guía en la turbina es un componente de regulación que se enciende y se apaga dependiendo de la potencia requerida. Las paletas guía giran en un ángulo preciso para controlar el flujo de agua. Si el requisito de potencia es mayor, se abre más para permitir que una gran cantidad de agua golpee las palas del rotor. Cuando los requisitos de energía disminuyen, se abre menos, lo que permite que menos agua golpee las aspas. La eficiencia de la turbina se puede aumentar a través de las paletas de guía, de lo contrario no puede funcionar de manera eficiente.

Corredor

El impulsor o impulsor de la turbina juega un papel vital. Es un componente giratorio que ayuda a generar electricidad. El flujo axial de agua sobre las palas de la turbina puede causar que la revolución del impulsor haga girar el eje.

Mecanismo de control de la cuchilla

El álabe de la turbina tiene un eje móvil en el punto de conexión. El mecanismo de control de la hoja controla el ángulo de ataque cuando el agua golpea la hoja, causado por la conexión de la hoja móvil. Incluye los componentes esenciales de la turbina Kaplan.

Sobre de voluta o sobre de voluta

Toda la turbina puede estar rodeada por una carcasa enrollada para que disminuya la sección transversal. Inicialmente, el suministro de agua desde la compuerta hasta la voluta; luego, alimenta la zona de la paleta guía.

El agua gira hasta 90° con respecto a la pala guía y pasa axialmente a través del impulsor. Aquí, la carcasa de la turbina evita que los componentes críticos, como las palas del impulsor, las paletas de guía y una rueda de guía, se dañen debido a la carga externa.

Tubo de succión

La fuerza accesible a la salida de la rueda de turbina es generalmente menor que la fuerza atmosférica. Por lo tanto, el agua de salida no puede descargarse directamente en el canal de descarga. Un tubo puede mejorar lentamente el área y se usa para drenar el agua de la turbina Kaplan al conducto de descarga.

Entonces, el área de crecimiento del tubo se llama tubo de extracción. Un extremo de este tubo de aspiración está conectado a la salida del canal mientras que el otro extremo está sumergido por debajo del nivel del agua en el canal de descarga. El tubo de tiro solo se usa en la turbina de reacción.

Funcionamiento de la turbina Kaplan

El agua que sale de la tubería forzada entrará en la voluta de la turbina donde se fabrica la voluta para no perder presión de caudal. Las paletas guía de la turbina empujan el agua hacia las paletas de la rueda. Las palas son modificables según la necesidad del caudal de agua. La alimentación de agua toma un giro de 90 grados para que la dirección del agua sea axial hacia las palas del rodete.

Cuando el agua golpea las palas del corredor, comienza a girar debido a la fuerza de reacción del suministro de agua. Estas palas están retorcidas en toda su longitud para incluir siempre un ángulo de ataque óptimo para todas las secciones transversales de las palas para conseguir una mayor eficiencia. El agua ingresa a las palas desde el corredor hasta el tubo de tiro donde se reducen su energía cinética y su energía de fuerza.

Una vez que la energía cinética se transforma en energía de presión, se puede aumentar la presión del agua. La rotación de la turbina se puede utilizar para girar el eje del generador para generar energía.

Eficiencia de las turbinas Kaplan

La eficiencia de la turbina Kaplan es alta, alrededor del 90%.

La fórmula de eficiencia es (ξ) = WD(Trabajo realizado)/ρgQH

El trabajo realizado por segundo es = ρAV1[VW1 x u1]

Características

los Especificaciones de la turbina Kaplan Incluya lo siguiente.

• El caudal nominal es de 10 m³/s
• El salto de agua neto es de 4 m.
• La velocidad específica es de 255 rpm.
• La velocidad de rotación es de 255 rpm.
• El diámetro de la hélice es de 1,54 m.
• El diámetro del cubo es de 0,63 m.
• El número de palas de la hélice es 4.
• El número de paletas de distribución es 17
• El accionamiento axial más alto es de 8 Tn
• El o/p volumétrico es 0.93
• El o/p mecánico es 0.93
• Total o/p es 0.865

Problemas de la turbina Kaplan resueltos

Ejemplo 1: La relación de flujo de la turbina Kaplan es de 0,5 y la altura disponible es de 25 metros, entonces, ¿cuál es la velocidad aproximada del flujo de agua en la entrada del rodete?

El flujo de la turbina Kaplan puede estar dado por (ψ) = Vf/√2*g*H

Aquí, 'Vf' es la velocidad del flujo en la entrada del canal y 'H' es la altura disponible.

Conocemos los valores de

Ψ = 0,5

alto=25

g = 9,8 m/s^2

Sustituya estos valores en la ecuación anterior para obtener el valor de Vf.

(ψ) = Vf/√2*g*H

0,5 = Vf/√2x10x25

1/Vf = 0,5 (√2×9,8×25) = 1/√490×0,5 =1/22,13×0,5 = 1/11,06

Vf = 11,06 m/s

Ejemplo2: La velocidad de flujo de una turbina Kaplan es de 15 m/s y el diámetro exterior del impulsor es de 6 m mientras que el diámetro del cubo es de 3 m. Entonces, encuentre el volumen de flujo para la turbina Kaplan en m3/s?

Sabemos que el diámetro exterior o exterior del zapato Do = 6m

El diámetro del cubo Dh = 3m

La velocidad del flujo V = 15m/s

El caudal volumétrico se puede medir como Q = π/4 (Do – Dh)*V

= π/4(6-3)*15 => 3,14/4 (3)*15

= 0,785 (45) = 35,3 m^3/s

Ejemplo3: La velocidad de flujo de la turbina Kaplan es de 20 m/s y la altura disponible de la turbina es de 50 m. Entonces, calcule la relación de flujo de la turbina.

g = 10m/s^2.

altura = 50m

Vf1 = 20 m/s

ψ = Vf1/√2*g*H)

Sustituyendo los valores en la ecuación anterior, podemos obtener

ψ = Vf1/√2*g*H)

ψ = 20/√2*10 *50 = 20/√1000

ψ = 20/ 31,62 = 0,632

Las características

los Características de la turbina Kaplan Incluya lo siguiente.

• El tamaño es pequeño y compacto.
• Construcción sencilla.
• Las paletas guía son fijas y, por lo tanto, no se pueden cambiar.
• La paleta varía de 4 a 8
• La velocidad específica oscila entre 600 y 1000.
• El tipo de flujo es axial.
• La dirección del eje es vertical.
• Adecuado para cabezas bajas.
• La pérdida por fricción es menor.
• Caudal máximo.
• La eficiencia es alta.

Ventajas

los ventajas de la turbina kaplan Incluya lo siguiente.

• La turbina Kaplan opera a baja altura.
• Incluye menos cuchillas.
• Ocupa menos espacio.
• Incluye paletas flexibles.
• Construcción sencilla.
• Su eficiencia es muy alta en comparación con otras turbinas.
• Su tamaño no es grande.
• Aplicable para aplicaciones de alta descarga.

Desventajas

los desventajas de la turbina kaplan Incluya lo siguiente.

• La cavitación puede ocurrir debido a la caída de presión en el tubo de aspiración.
• Requiere alto rendimiento.
• El costo de fabricación e instalación es alto.
• El material utilizado para las palas de los corredores es acero inoxidable, lo que puede reducir el problema de la cavitación hasta cierto punto.

Aplicaciones

los Aplicaciones de turbinas Kaplan Incluya lo siguiente.

• Estas turbinas se utilizan para la producción de energía eléctrica.
• Estas turbinas operan de manera muy eficiente a altas tasas de flujo y bajas cabezas.
• Estos impulsores se utilizan cuando la cabeza es baja y el flujo es alto.

Así, se trata de una descripción general de las turbinas Kaplan y su trabajo con las aplicaciones. Estas turbinas funcionan según el principio de reacción de flujo axial y su función principal es generar energía eléctrica. Aquí hay una pregunta para usted, ¿qué es una turbina de impulso?