Turbina Kaplan
La turbina Kaplan fue una evolución de la turbina Francis. Su invención permitió la producción eficiente de energía en aplicaciones de baja altura, lo que no fue posible con las turbinas Francis. La altura del cabezal oscila entre 10 y 70 metros y la salida oscila entre 5 y 200 MW. Los diámetros del corredor están entre 2 y 11 metros. Las turbinas giran a una velocidad constante, que varía de una instalación a otra. Esa tasa varía desde tan solo 69,2 rpm (Bonneville North Powerhouse, Washington EE. UU.) A 429 rpm. La instalación de la turbina Kaplan que genera la mayor cantidad de energía desde su cabezal nominal de 34.65 m es a partir de 2013 la turbina Kaplan de la Planta de Energía de la Represa Tocoma (Venezuela) que genera 230 MW (Capacidad de la turbina, 257MVA para generador) con cada uno de los diez corredores de 8.6 m de diámetro .
Turbina Kaplan
La turbina Kaplan es una turbina de agua tipo hélice que tiene cuchillas ajustables. Fue desarrollado en 1913 por el profesor austriaco Viktor Kaplan, quien combinó las palas de la hélice ajustadas automáticamente con puertas de acceso automáticas ajustadas automáticamente para lograr la eficiencia en un amplio rango de flujo y nivel de agua.
Las turbinas Kaplan ahora son ampliamente utilizadas en todo el mundo en producción de energía de alto flujo y baja altura.
Una turbina Kaplan de la Presa de Bonneville después de 61 años de servicio
Teoría de operación
Desarrollo
La turbina Kaplan es una turbina de reacción de flujo hacia adentro, lo que significa que el fluido de trabajo cambia la presión a medida que se mueve a través de la turbina y cede su energía. La potencia se recupera tanto de la cabeza hidrostática como de la energía cinética del agua que fluye. El diseño combina características de turbinas radiales y axiales.
En 1919 Kaplan instaló una unidad de demostración en Poděbrady, Checoslovaquia. En 1922, Voith introdujo una turbina Kaplan de 1100 HP (aproximadamente 800 kW) para usar principalmente en ríos. En 1924, una unidad de 8 MW se puso en línea en Lilla Edet, Suecia. Esto marcó el éxito comercial y la amplia aceptación de las turbinas Kaplan.
Viktor Kaplan, que vive en Brno, Austria-Hungría, obtuvo su primera patente para una turbina con hélice de hoja ajustable en 1912. Pero el desarrollo de una máquina comercialmente exitosa tomaría otra década. Kaplan luchó con problemas de cavitación, y en 1922 abandonó su investigación por razones de salud.
En este rodete Kaplan, los pivotes en la base de la hoja son visibles; estos permiten que el ángulo de las cuchillas se modifique durante la marcha. El cubo contiene cilindros hidráulicos para ajustar el ángulo.
No es necesario que la turbina esté en el punto más bajo del flujo de agua, siempre que el tubo de tiro permanezca lleno de agua. Sin embargo, una ubicación más alta de la turbina aumenta la succión impartida en las palas de la turbina por el tubo de aspiración. La caída de presión resultante puede conducir a la cavitación.
La salida es un tubo de tiro con forma especial que ayuda a desacelerar el agua y recuperar la energía cinética.
La entrada es un tubo en forma de espiral que se envuelve alrededor de la puerta de acceso de la turbina. El agua se dirige de manera tangencial a través de la puerta de acceso y se convierte en espiral en un corredor con forma de hélice, lo que hace que gire.
Turbina Kaplan vertical (cortesía de Voith-Siemens).
La geometría variable de la compuerta y las palas de la turbina permiten un funcionamiento eficiente para un rango de condiciones de flujo. Las eficiencias de la turbina Kaplan son típicamente superiores al 90%, pero pueden ser menores en aplicaciones con muy poca carga.
Las áreas actuales de investigación incluyen mejoras de eficiencia impulsadas por 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 fundamental del diseño de Kaplan es mantener un sello positivo para evitar la emisión de aceite a 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 son ampliamente utilizadas en todo el mundo para la producción de energía eléctrica. Cubren los sitios hídricos más bajos y son especialmente adecuados para condiciones de alto flujo.
Las microturbinas de bajo costo en el modelo de turbina Kaplan están fabricadas para la producción de energía individual diseñada para 3 m de altura, que puede funcionar con tan solo 0,3 m de altura con un rendimiento muy reducido y un flujo de agua suficiente.
Las turbinas Kaplan grandes están diseñadas individualmente para que cada sitio opere con la mayor eficiencia posible, típicamente más del 90%. Son muy caros 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 tipo hélice, pero existen varias otras variaciones:
Las turbinas de hélice tienen paletas de hélice no ajustables. Se usan donde el rango de flujo / potencia no es grande. Existen productos comerciales para producir varios cientos de vatios desde solo unos pocos pies de altura. 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.
Bombilla o turbinas tubulares están diseñadas en el tubo de suministro de agua. Una bombilla grande está centrada en la tubería de agua que contiene el generador, la puerta peatonal y el corredor. Las turbinas tubulares tienen un diseño completamente axial, mientras que las turbinas Kaplan tienen una compuerta radial.
Las turbinas Pit son turbinas 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 corredor.
Las S-turbinas 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 caudal muy abierto y muy baja inclinada en ángulo con respecto al flujo de agua. Tiene un diámetro grande> 3,55 m, es de baja velocidad utilizando un alternador de imanes permanentes montado directamente en el eje con regulación electrónica de potencia y es muy amigable para los peces (<5% de mortalidad).
La DIVE-Turbine es una turbina de hélice vertical con doble regulación por compuertas y variación de velocidad. Cubre un rango de aplicaciones de hasta 2 MW con eficiencias comparables a las turbinas Kaplan estándar. Debido al diseño de la hélice con cuchillas fijas, se considera una turbina amigable para los peces.
Viktor Kaplan Turbine Technisches Museum Wien
TLas turbinas Tyson son una turbina de hélice fija diseñada para sumergirse en un río de flujo rápido, ya sea permanentemente anclada en el lecho del río o unida a un barco o barcaza..a
modelo de un bulbo o turbina tubular
modelo de una S-turbina
esquema de una straflo-turbina
VLH turbinas
esquema de una DIVE-Turbina
DIVE-Turbina, una versión de turbina de hélice, durante la instalación en el sitio.
Sensor peces, un dispositivo utilizado para estudiar el impacto de los peces
viajando a través de las turbinas Francis y Kaplan