La turbina Kaplan es una turbina de agua de tipo hélice que tiene palas ajustables. Fue desarrollado en 1913 por el profesor austriaco Viktor Kaplan , [1] quien combinó palas de hélice ajustadas automáticamente con compuertas de ventanilla ajustadas automáticamente para lograr eficiencia en una amplia gama de flujo y nivel de agua .
La turbina Kaplan fue una evolución de la turbina Francis . Su invención permitió una producción de energía eficiente en aplicaciones de baja carga , lo que no era posible con las turbinas Francis. La altura varía de 10 a 70 metros (33 a 230 pies) y la salida varía de 5 a 200 MW. Los diámetros de los rodetes están entre 2 y 11 metros (6 pies 7 pulg y 36 pies 1 pulg). Las turbinas giran a una velocidad constante, que varía de una instalación a otra. Esa velocidad varía desde tan solo 54,5 rpm ( presa de Albeni Falls ) hasta 450 rpm. [2]
Las turbinas Kaplan se utilizan ahora ampliamente en todo el mundo en la producción de energía de alto flujo y baja altura.
Desarrollo
Viktor Kaplan, que vive en Brünn, Austria-Hungría (ahora Brno , Chequia), obtuvo su primera patente para una turbina de hélice de palas ajustables en 1912. Pero el desarrollo de una máquina de éxito comercial llevaría otra década. Kaplan luchó con problemas de cavitación y en 1922 abandonó su investigación por razones de salud.
En 1919, Kaplan instaló una unidad de demostración en Poděbrady (ahora en Chequia). En 1922 Voith introdujo una turbina Kaplan de 1100 HP (aproximadamente 800 kW) para su uso principalmente en ríos. En 1924 se puso en funcionamiento una unidad de 8 MW en Lilla Edet , Suecia. Esto lanzó el éxito comercial y la aceptación generalizada de las turbinas Kaplan.
Teoría de operación
La turbina Kaplan es una turbina de reacción de flujo hacia adentro , lo que significa que el fluido de trabajo cambia de presión a medida que se mueve a través de la turbina y cede su energía. La energía se recupera tanto de la carga hidrostática como de la energía cinética del agua que fluye. El diseño combina características de turbinas radiales y axiales.
La entrada es un tubo en forma de voluta que se envuelve alrededor de la puerta de entrada de la turbina. El agua se dirige tangencialmente a través de la puerta peatonal y gira en espiral hacia un corredor en forma de hélice, lo que hace que gire.
La salida es un tubo de tiro de forma especial que ayuda a desacelerar el agua y recuperar la energía cinética .
No es necesario que la turbina esté en el punto más bajo de flujo de agua siempre que el tubo de aspiración permanezca lleno de agua. Sin embargo, una ubicación más alta de la turbina aumenta la succión que el tubo de tiro imparte a las palas de la turbina. La caída de presión resultante puede provocar cavitación .
La geometría variable de la puerta peatonal incorporada y las palas de la turbina permiten un funcionamiento eficiente para una variedad de condiciones de flujo. Las eficiencias de las turbinas Kaplan suelen ser superiores al 90%, pero pueden ser inferiores en aplicaciones de carga muy baja. [3]
Las áreas de investigación actuales incluyen mejoras de eficiencia impulsadas por la dinámica de fluidos computacional (CFD) y nuevos diseños que aumentan las tasas de supervivencia de los peces que pasan.
Debido a que las palas de la hélice giran sobre cojinetes de aceite hidráulico de alta presión, un elemento crítico del diseño de Kaplan es mantener un sello positivo para evitar la emisión de aceite en la vía fluvial. La descarga de petróleo en los ríos no es deseable debido al desperdicio de recursos y al daño ecológico resultante.
Aplicaciones
Las turbinas Kaplan se utilizan ampliamente en todo el mundo para la producción de energía eléctrica. Cubren los sitios hidroeléctricos más bajos y son especialmente adecuados para condiciones de alto caudal.
Las económicas micro turbinas del modelo de turbina Kaplan se fabrican para la producción de energía individual diseñadas para 3 m de altura que pueden funcionar con tan solo 0,3 m de altura con un rendimiento muy reducido, siempre que el flujo de agua sea suficiente. [4]
Las turbinas grandes de Kaplan se diseñan individualmente para que cada sitio funcione con la mayor eficiencia posible, por lo general más del 90%. Son muy costosos de diseñar, fabricar e instalar, pero funcionan durante décadas.
Recientemente han encontrado un nuevo hogar en la generación de energía de las olas en alta mar, ver Wave Dragon .
Variaciones
La turbina Kaplan es la más utilizada de las turbinas de tipo hélice, pero existen otras variaciones:
- Las turbinas de hélice tienen álabes de hélice no ajustables. Se utilizan donde el rango de flujo / potencia no es grande. Existen productos comerciales para la producción de varios cientos de vatios de sólo unos pocos pies de la cabeza . Las turbinas de hélice más grandes producen más de 100 MW. En la estación generadora La Grande-1 en el norte de Quebec, 12 turbinas de hélice generan 1368 MW. [5]
- Las turbinas de bulbo o tubulares están diseñadas en el tubo de suministro de agua. Una bombilla grande está centrada en la tubería de agua que sostiene el generador, la puerta peatonal y el corredor. Las turbinas tubulares tienen un diseño totalmente axial, mientras que las turbinas Kaplan tienen una compuerta lateral radial.
- Las turbinas de pozo son turbinas de bulbo con una caja de cambios. Esto permite un generador y una bombilla más pequeños.
- Las turbinas Straflo son turbinas axiales con el generador fuera del canal de agua, conectado a la periferia del rodete.
- Las turbinas S eliminan la necesidad de una carcasa de bombilla al colocar el generador fuera del canal de agua. Esto se logra con un trote en el canal de agua y un eje que conecta el corredor y el generador.
- La turbina VLH es una turbina "kaplan" de flujo abierto y muy baja altura inclinada en ángulo con el flujo de agua. Tiene un diámetro grande> 3,55 m, es de baja velocidad utilizando un alternador de imán permanente montado en el eje directamente conectado con regulación electrónica de potencia y es muy amigable para los peces (<5% de mortalidad). [6]
- La DIVE-Turbine es una turbina de hélice vertical con doble regulación mediante portillos y variación de velocidad. Cubre una gama de aplicaciones de hasta 4 MW con eficiencias comparables a las turbinas Kaplan estándar. Debido al diseño de la hélice con palas fijas, se considera una turbina amigable con los peces. [7]
- Las turbinas Tyson son turbinas de hélice fija diseñadas para sumergirse en un río de corriente rápida, ya sea ancladas permanentemente en el lecho del río o unidas a un barco o barcaza.
esquema de una turbina straflo
esquema de una DIVE-Turbine
Ver también
- Turbina Banki
- Tubo de aspiración
- Turbina Francis
- Turbina helicoidal Gorlov
- Hidroelectricidad
- Energía hidroeléctrica
- Rueda Pelton
- Turbina de tornillo
- Sensor Fish , un dispositivo utilizado para estudiar el impacto de los peces que
viajan a través de las turbinas Francis y Kaplan - Pérdidas tridimensionales y correlación en turbomáquinas
- Turbina
- Turbina de agua
Referencias
https://www.wws-wasserkraft.at/en
- ^ "Nuevos sellos austriacos" . El sol (1765). Sydney. 24 de enero de 1937. p. 13 . Consultado el 10 de marzo de 2017 , a través de la Biblioteca Nacional de Australia., ... Victor Kaplan, inventor de la turbina Kaplan ....
- ^ Proyecto hidroeléctrico Tocoma (PDF) . IMPSA (Informe).
- ^ Grant Ingram (30 de enero de 2007). "Diseño de turbina Kaplan muy simple" (PDF) .
- ^ "Turbina hidráulica Kaplan de carga baja de 1000 W" . Aurora Power & Design . Consultado el 15 de septiembre de 2015 .
- ^ Société d'énergie de la Baie James (1996). Le complexe hydroélectrique de la Grande Rivière: fase de Réalisation de la deuxième (en francés). Montreal: Société d'énergie de la Baie James. pag. 397. ISBN 2-921077-27-2.
- ^ Turbina VLH
- ^ DIVE-Turbina
enlaces externos
- Turbina Kaplan Landmark de ingeniería mecánica histórica nacional , recuperada el 24 de junio de 2010
- Nota de aplicación de Bently Nevada sobre vibración de turbinas hidráulicas , recuperada el 14 de agosto de 2014
- Turbina Kaplan modelo 3D , recuperada el 10 de febrero de 2021