Turbina Kaplan-helice

Turbinas Kaplan y H´ Helice e´ lice 1st Juan Gabriel Cruz Mora

2nd Juli´ Julian a´ n Alejandro Barbosa Vega

3rd Leonardo Nino n˜ o Chivat´ Chivata´

 Estudiante Ingenier ´  Electrica ´ıa   El´  ´   Escuela Colombiana de Ingenier ´  ´ıa   Bogot´ Bogota, a´ , Colombia  [email protected]  [email protected]

 Estudiante Ingenier ´  Electrica ´ıa   El´  ´   Escuela Colombiana de Ingenier ´  ´ıa   Bogot´ Bogota, a´ , Colombia  [email protected]  [email protected] .edu.co

 Estudiante Ingenier ´  Electrica ´ıa   El´  ´   Escuela Colombiana de Ingenier ´  ´ıa   Bogot´ Bogota, a´ , Colombia [email protected]

4th Andr´es es Salvador Perilla  Estudiante Ingenier´ Ingenier´ıa ıa El´  ectrica  Escuela Colombiana de Ingenier´ Ingenier´ıa ıa Bogot´ Bogota, a´ , Colombia [email protected]

 Abstract—This document present a brief context about kaplan Turbines urbines,, also include includess the turbin turbinee especifi especificati cations ons,, parts parts and the function functionss of each one; one; it is very very importa important nt to the reader reader understand the cases when it’s imperative make a hidroelectric design using Kaplan or Helice turbines. ´ Helice, e´ lice, Kaplan, Rodete, Alabes.  Index Terms—Turbina, H´

no coincide con la direcci´on on de entrada y salida del agua. El distribuidor en este caso rodea todo el rodete, llegando el agua por la totalidad de la periferia de este. e´ ste.  B. Flujo Axial

  El agua agua entra entra y sale sale parale paralela la al eje de rotaci rotaci´on o´ n de la turbina. •   Se emplean en saltos de peque na n˜ a altura y grandes caudales. •   Las amplias palas o alabes a´ labes de la turbina son impulsadas por agua a alta presi on o´ n liberada por una compuerta. •   Dimensiones reducidas •   Alto rendimiento con cargas variables; esto e´ sto es debido a que es posibl posiblee la regul regulaci´ aci´on o n de las las pala palass del del roto rotorr en funci´ funcion o´ n a la potencia que se requiere. •

´ I. I NTRODUCCI ON A trav trav´es e´ s del presente presente art´ art´ıculo ıculo se explor exploran an las bases de ingenier ingenier´´ıa ıa y constitut constitutiv ivas as de las turbinas turbinas Kaplan, Kaplan, sus caraccaracteristicas, aplicaciones y el funcionamiento de cada parte que la compone. Se menciona las caracteristicas de la instalaci on o´ n donde las prestaciones de la turbina son superiores a las dem as a´ s clases de turbinas. Por ultimo u´ ltimo se tratan algunas metodologias para realizar el dise˜no no de las partes partes escenc escencial iales es de este e´ ste tipo de turbinas. ´ I I . T URBINA  H ID R AULICA

C. Altura Altura vs Caudal Caudal

Una turbina hidr´ hidraulica a´ ulica es una m´ m aquina a´ quina que obtiene energ´ energ ´ıa ıa mec´anica anica de rotaci´on on debido a la energ´ıa ıa cin etica e´ tica y potencial del flujo en movimiento que la atraviesa. Normalmente esta energ´ energ´ıa ıa de rotaci rotaci´on o´ n se utiliza utiliza para transform transformarla arla en energ energ ´ıa ıa el´ electrica, e´ ctrica, mediante mediante el acoplamiento acoplamiento de la turbina a un generador erador en las centra centrales les hidr hidr aulicas. a´ ulicas. Las turbinas turbinas hidr aulicas a´ ulicas tienen tienen un rendimie rendimiento nto muy alto que incluso incluso puede llegar llegar al 90%. III. C ARACTER´ISTICAS I STICAS Son uno de los tipos m as a´ s eficientes de turbinas de agua de reacci´on on de flujo axial.  A. Reacci´  on

El agua mueve el rodete, no por el golpe directo, sino por la reaccion o´ n que provoca su salida sobre el rodete, as´ as ´ı que nos interesa que tengamos un gran caudal de agua para que mueva con m´ mas a´ s fuerza el rodete por lo tanto la altura a la que cae el agua no es muy importante. El sentido de giro del rodete

Figure Figure 1. Altura Altura vs Caudal Caudal para diferent diferentes es tipos de turbinas. turbinas.

En este gr´ grafico a´ fico tenemos en el eje y la altura de ca´ ca ´ıda ıda del agua en metros y en el eje x el caudal en metros c ubicos u´ bicos

por segundo. Tenemos tres tipos de turbinas: Pelt o´ n, Francis y Kaplan; las cuales son ubicadas seg u´ n su aplicacion ´ en cuanto a altura de ca´ıda del agua y el caudal a trabajar; podemos ver que la turbina tipo Kaplan se encuentra en la zona inferior donde la altura es aproximadamente 40 metros aunque hay dise˜nos que contemplan este tipo de turbina y trabajan con un salto de 75 metros. El caudal seg u´ n la gr´afica var´ıa entre 30 ´ y 1000 metros c ubicos por segundo.  D. Diferencias entre turbinas Kaplan y H elice ´ 

  Kaplan: Los a´ labes del rodete son siempre regulables, mientras que los a´ labes de los distribuidores pueden ser fijos o regulables. • H´elice: Los a´ labes del rodete como los del distribuidor son fijos, por lo que solo se utilizan cuando el caudal y el salto son pr a´ cticamente constantes. •

1) Datos Importantes:

  Si ambos son regulables, se dice que la turbina es una turbina Kaplan verdadera. •   Si solo son regulables los a ´ labes del rodete, se dice que la turbina es una turbina semi-Kaplan. •

 E. Regulaci´  on de las palas del rodete

Lo ideal es obtener un a´ ngulo adecuado de las palas del rodete con respecto a la horizontal para obtener as´ı una mayor eficiencia seg u´ n la potencia requerida, si las palas est a´ n cerradas (´angulos entre 0 y 5°) la potencia ser a´ muy reducida; con las palas abiertas (´angulo entre 5° y 35°) la potencia que se obtiene es elevada. F. Rendimiento vs Caudal

presi´on del agua se transforma en energ ´ıa cin´etica, el agua tiene una presi on ´ m´as pequen˜ a en la salida que en la entrada. Los a´ labes del rodete en las turbinas Kaplan son siempre regulables y tienen la forma de una h´elice, mientras que los a´ labes de los distribuidores pueden ser fijos o regulables. Si ambos son regulables, se dice que la turbina es una turbina Kaplan verdadera; si solo son regulables los a´ labes del rodete, se dice que la turbina es una turbina Semi-Kaplan. Las turbinas Kaplan son de admisi´on axial, mientras que las semi-Kaplan puede ser de admisi o´ n radial o axial. Para su regulaci on, ´ los a´ labes del rodete giran alrededor de su eje, accionados por unas manijas, que son solidarias a unas bielas articuladas a una cruceta, que se desplaza hacia arriba o hacia abajo por el interior del eje hueco de la turbina. Este desplazamiento es accionado por un servomotor hidr a´ ulico, con la turbina en movimiento. Las turbinas de h e´ lice se caracterizan porque tanto los a´ labes del rodete como los del distribuidor son fijos, por lo que solo se utilizan cuando el caudal y el salto son pr´acticamente constantes. El rodete est´a compuesto por unas pocas palas, que le confieren forma de h e´ lice de barco; cuando e´ stas sean fijas, se llama turbina h e´ lice, mientras que si son orientables se denominan turbinas Kaplan; en ambos casos las turbinas funcionan con un u´ nico sentido de giro de rotaci o´ n; son pues turbinas irreversibles. V. PARTES DE LA  T URBINA  A. Rodete de la Turbina

Rodete de la Turbina: Se asemeja a la h e´ lice de un barco, al estar formando por un numero determinada de palas de 2 a 4 para saltos de peque˜na altura y de 5 a 9 cuando los saltos son mayores. Por lo general su material es de acero inoxidable.  B. Palas del Rodete

Figure 2. Rendimiento vs Caudal.

IV. A PLICACIONES Las turbinas Kaplan son uno de los tipos m´as eficientes de turbinas de agua de reacci o´ n de flujo axial, con un rodete que funciona de manera semejante a la h e´ lice del motor de un barco, y deben su nombre a su inventor, el austriaco Viktor Kaplan. Se emplean en saltos de peque˜n a altura y grandes caudales. Las amplias palas o ´alabes de la turbina son impulsadas por agua a alta presi o´ n liberada por una compuerta. En este tipo de turbinas, parte de la energ´ıa de

El rodete est´a compuesto por unas pocas palas, que le confieren forma de h´elice de barco; cuando e´ stas sean fijas, se llama turbina h e´ lice, mientras que si son orientables se denominan turbinas Kaplan; en ambos casos las turbinas funcionan con un u´ nico sentido de giro de rotaci o´ n; son pues turbinas irreversibles. Se denominan turbinas Kaplan, cuando todas y cada una de las palas del rodete est a´ n dotadas de libertad de movimiento, pudiendo orientarse dentro de ciertos l ´ımites, adoptando posiciones de mayor o menor inclinaci´o n, seg´u n las o´ rdenes recibidas del regulador de velocidad. Para lograr el control adecuado de las palas del rodete, tanto el n u´ cleo de este, como el eje de turbina, permiten alojar en su interior dispositivos mec´anicos como servomotores, palancas, vielas, etc. C. El Distribuidor 

se encarga de regular el flujo adem a´ s de imprimir el a´ ngulo necesario al agua hacia el rodete de la turbina y los alabes de la turbina, distribuy e´ ndola alrededor del mismo, (turbinas de admisi´on total), o a una parte,(turbinas de admisi´on parcial), es decir, permite regular el agua que entra en la turbina, desde cerrar el paso totalmente, caudal cero, hasta lograr el caudal m´aximo. Es tambi´e n un o´ rgano que transforma la energ´ıa

de presi´on en energ´ıa de velocidad, est´a precedido de una c´amara espira que conduce el agua desde la secci o´ n de entrada, asegurando un reparto sim e´ trico de la misma en la superficie de entrada del distribuidor.  D. Carcasa o Caracol

Es parte de la estructura fija de la m´aquina y tiene forma en espiral. En ella se convierte parte de la energ ´ıa de presio´ n del agua en energ´ıa cin´etica, dirigiendo el agua alrededor del distribuidor.  E. Camara de Alimentaci´  on

Es el lugar por donde entre el agua para alimentar a la turbina. En pocas palabras es un ducto de admisi o´ n. La c´amara de alimentaci´on suele ser de concreto en muchos casos, debido a la gran capacidad de gasto que admite la turbina Kaplan. La secci´on toroide puede ser circular o rectangular. F. 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 energ´ıa cin´etica a la salida del rodete para lo cual debe ensancharse; si por razones de explotaci´on el rodete est´a instalado a una cierta altura por encima del canal de fuga, un simple difusor cil´ındrico permite su recuperaci o´ n, que de otra forma se perder´ıa. Si la turbina no posee tubo de aspiraci´on, se la llama de escape libre. Tambi´en recibe otros nombres como tubo de aspiraci o´ n, hidrocono, difusor, etc. Es una conduccio´ n en forma de codo que une la turbina propiamente dicha con el canal de desague. ¨ Su misi´o n es recuperar al m a´ ximo la energ´ıa cin´etica del agua a la salida del rodete o, dicho de otra manera, aprovechar el salto existente entre la superficie libre del agua y la salida del rodete. G. Cojinete Gu´  ıa de Turbina

se sit´u a lo m´as cercano posible al rodete, sobre la tapa superior de la turbina. Se trata de un anillo dividido radialmente en dos mitades o bien de una serie de segmentos, que asientan con perfecto ajuste sobre el eje. El material es un metal antifricci´on (aleaci´on de esta˜no, plomo, etc.), y suelen tener tallados, vertical o diagonalmente, unos canales sobre la superficie de contacto con el eje, para favorecer la circulaci o´ n de aceite y que sea posible su autolubricaci o´ n. Para que la temperatura no aumente anormalmente en la zona de fricci o´ n del eje, el aceite lubricante, que est´a alojado en una cuba alrededor del cojinete, se refrigera mediante agua. Cojinete de empuje: su funci o´ n es soportar todo el peso del conjunto de la turbina y del empuje del agua sobre los  ´alabes del rodete. Se pueden dividir en parte m o´ vil y parte fija: la parte giratoria o m´ovil gira solidariamente con el eje del grupo, y descansa sobre la parte fija, que va enclavada en la estructura r ´ıgida. Las zonas de fricci o´ n son adecuadamente lubricadas. Ejemplo: por medio de e´ l, al estar r´ıgidamente unido mediante acoplamiento al eje del alternador, se transmite al rotor de e´ ste el movimiento de rotaci o´ n necesario.

V I . F UNCIONAMIENTO  A. Aspectos Generales

Normalmente se instalan con el eje en posicion vertical, pero tambi´en pueden ser colocadas de forma horizontal o inclinada. Turbina de flujo axial, de reacci o´ n y de admisi o´ n total, su principal caracter´ıstica es que cuenta con un rodete que contiene a´ labes regulables, su funci o´ n es controlar la componente tangencial de la velocidad a la entrada del rodete, en consecuencia el fluido sale de los alabes directores (distribuidor) y entra en la rueda con un momentum angular adquirido. A medida que el fluido discurre a trav e´ s del rodete, su momentum angular se reduce e imparte un momento de torsi´on a la rueda, que a su vez impulsa el eje para producir energ´ıa. Adem´as posee un distribuidor radial tipo Fink de paletas regulables. Puede tener una c a´ mara tipo espiral circular o del tipo rectangular y un tubo de succi o´ n de forma recta o acodada, segu´ n sea el requerimiento de la altura de succi o´ n. Gracias a sus a´ labes orientables tanto en el rodete como en el distribuidor, se puede operar con muy buena eficiencia dentro de un rango amplio de caudales debido a su doble regulaci o´ n. Tambi´en se puede encontrar turbinas Kaplan con a´ labes fijos o llamadas tambi e´ n turbinas de h e´ lice, con ellos se logra una reducci o´ n significativa de costos pero se reduce la eficiencia, especialmente a cargas parciales. Los alabes se regulan para reducir o aumentar el caudal, dependiendo de la potencia requerida. Para su regulaci o´ n, los a´ labes del rodete giran alrededor de su eje, accionados por unas manijas, que son solidarias a unas bielas articuladas a una cruceta, que se desplaza hacia arriba o hacia abajo por el interior del eje hueco de la turbina. Este desplazamiento es accionado por un servomotor hidr a´ ulico, con la turbina en movimiento. Los a´ labes del rodete en las turbinas Kaplan son siempre regulables y tienen la forma de una h e´ lice, mientras que los a´ labes de los distribuidores pueden ser fijos o regulables. Es una Turbina de reacci o´ n: Son aquellas en las que el fluido de trabajo si sufre un cambio de presion ´ importante en su paso a trav e´ s de rodete.  B. Regulaci´  on de las Turbinas

A las turbinas h e´ lice se las regula mediante a´ labes mo´ viles en la corona directriz, (distribuidor), en forma an a´ loga a como se hace en las turbinas Francis. A la entrada del rodete se origina una p´erdida por choque y a la salida resulta una  ρ c2 mayor en magnitud, pero de direcci o´ n m´as inclinada; ambas circunstancias contribuyen a la disminuci o´ n del rendimiento, de forma que e´ ste desciende pfernandezdiez.es TH-Turbinas Kaplan y Bulbo.-V.95 tanto m a´ s r´apidamente, cuanto mayor sea la velocidad de la turbina. Una caracter´ıstica negativa de las turbinas h´elice es el bajo rendimiento de las mismas a cargas distintas de la nominal o dise n˜ o. En las turbinas Kaplan, las paletas directrices del distribuidor tambi e´ n son m´oviles lo cual permite mejorar la regulaci´on, pues al cambiar la inclinaci´o n de los a´ labes del rodete se consigue mantener bastante elevado el rendimiento para un extenso margen del grado de apertura del distribuidor.

VII. D IMENSIONAMIENTO Para dimensionar en forma preliminar y general a los elementos de la turbina, se emplean las funciones de correlaci o´ n obtenidas por el procedimiento de regresi o´ n. Las expresiones de correlaci´on obtenidas para dimensionar los diferentes elementos de e´ stas, est´an en funci´o n del di´ametro m´aximo del rodete (DM) expresado en m y de la velocidad espec´ıfica (Ns) que se obtendr a´ de curvas de fabricantes o formulas emp ´ıricas.

el dimensionamiento de las carcazas de usan funciones de interpolaci´on como funcio´ n de la velocidad espec´ıfica y del porcentaje del di´ametro de descarga. Para cada uno de los tipo de carcazas las funciones son:

 A. Tama˜  no del Rodete

Para determinar las dimensiones principales del rodete, el coeficiente de velocidad perif ´erica φ est´a definido como:

φ  =



Dm

∗ π ∗ N  √  60 ∗ 2g ∗ Hd

(1)

  N’: Velocidad de rotaci´on s´ıncrona •  Dm: Diamtro del rodete en metros •   Hd: Salto util ´ o disponible para ejercer trabajo sobre la turbina en metros. •

Ahora bien, la funci´on φ = f (N s)   se calcula por correlaci´on de los datos disponibles, como se observa a continuaci´on. Despejando de la ecuaci´o n anterior y para una

Figure 4. Dimensiones de la carcaza.

C. Tama˜  no tubo de aspiracion ´ 

El taman˜ o del tubo de aspiraci o´ n est´a directamente determinado por el tama˜no del rodete, ambos tienen en com´un EL ´ DIAMETRO y la velocidad absoluta en su secci o´ n de entrada, la cual corresponde aproximadamente con la velocidad de descarga del rodete.

Figure 3. Coeficiente de velocidad perif e´ rica.

R EFERENCIAS

velocidad especifica, el di a´ metro se puede calcular asi:

dm =

84, 5 φ

∗ ∗

√ 

Hd

(2)

N 



 B. Carcaza o Caracol

Ns 600 El rango de velocidad espec´ıfica de 400 aproximadamente, se puede adoptar la carcaza de acero o de concreto, dependiendo de las caracter´ısticas particulares de la central hidroel´ectrica. Este rango de Ns corresponde rigurosamente a cargas de dise n˜ o (Hd) entre 15 y 35 m. La carcaza de acero se recomienda para cargas Hd 5 m y potencia de dise˜no P t 70   MW. La carcaza de concreto se utiliza para cargas de dise˜no Hd 40   metros y potencia de dise˜no 50  P t  100   MW. De lo anterior se puede decir que las carcazas de concreto operan con cargas mayores que las de acero y potencias del mismo rango.Para

≤

≥  ≤  ≤

≤

≤

≥

[1] Rich, George R. Hydraulic Transients. Dover Publications, Inc., New York, Usa, 1963. [2] U.S.B.R., “Selecting Hydraulic Reaction Turbines,” (A Water Resourse Technical Publication), United States Department of  The Interior, Bureau of Reclamation, Denver, Co., USA, 1976. [3] I. S. Jacobs and C. P. Bean, “Fine particles, thin films and exchange anisotropy,” in Magnetism, vol. III, G. T. Rado and H. Suhl, Eds. New York: Academic, 1963, pp. 271–350. [4] Comisi´on Federal de Electricidad, Documentacio´ n proporcionada por fabricantes de turbinas hidr´aulicas y generadores el´ectricos, M´exico, 1976.