Turbina Kaplan

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La turbina Kaplan es una turbina hidráulica de tipo hélice con palas ajustables. Fue desarrollada en 1913 por el profesor austríaco Viktor Kaplan ^[1] , quien combinó palas de hélice de ajuste automático con compuertas de ajuste automático para lograr eficiencia en un amplio rango de caudales y niveles de agua .

La turbina Kaplan fue una evolución de la turbina Francis . Su invención permitió una producción eficiente de energía en aplicaciones de baja altura , algo que no era posible con las turbinas Francis. La altura oscila entre 10 y 70 metros (33 y 230 pies) y la potencia de salida entre 5 y 200 MW. Los diámetros de los rodetes oscilan entre 2 y 11 metros (6 pies 7 pulgadas y 36 pies 1 pulgada). 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 las cataratas de Albeni ) hasta 450 rpm. ^[2]

Las turbinas Kaplan se utilizan actualmente ampliamente en todo el mundo para la producción de energía de alto caudal y baja altura de caída.

Viktor Kaplan, que vivía en Brno , Austria-Hungría (hoy Chequia), obtuvo su primera patente para una turbina de hélice de palas ajustables en 1912. Pero el desarrollo de una máquina comercialmente exitosa llevaría otra década. Kaplan tuvo problemas de cavitación y en 1922 abandonó su investigación por razones de salud.

En 1919, Kaplan instaló una unidad de demostración en Poděbrady (hoy 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 marcó el éxito comercial y la aceptación generalizada de las turbinas Kaplan.

La turbina Kaplan es una turbina de reacción de flujo interno , 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 las turbinas radiales y axiales.

La entrada es un tubo con forma de espiral que rodea la compuerta de la turbina. El agua se dirige tangencialmente a través de la compuerta y se desplaza en espiral hacia un rodete con forma de hélice, lo que hace que gire.

La salida es un tubo de tiro con una forma especial que ayuda a desacelerar el agua y recuperar energía cinética .

La turbina no necesita estar en el punto más bajo del flujo de agua mientras el tubo de aspiración permanezca lleno de agua. Sin embargo, una ubicación más alta de la turbina aumenta la succión que el tubo de aspiración imparte a las aspas de la turbina. La caída de presión resultante puede provocar cavitación .

La geometría variable de la compuerta y de las palas de la turbina permiten un funcionamiento eficiente en una variedad de condiciones de flujo. Las eficiencias de las turbinas Kaplan suelen ser superiores al 90 %, pero pueden ser inferiores en aplicaciones con cargas muy bajas. ^[3]

Las áreas de investigación actuales incluyen mejoras de eficiencia impulsadas por 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 fundamental del diseño de Kaplan es mantener un sellado positivo para evitar la emisión de aceite en las vías fluviales. El vertido de aceite en los ríos no es deseable debido al desperdicio de recursos y el daño ecológico resultante.

Las turbinas Kaplan se utilizan ampliamente en todo el mundo para la producción de energía eléctrica. Cubren los sitios hidroeléctricos de menor altura y son especialmente adecuadas para condiciones de alto caudal.

Para la producción individual de energía se fabrican microturbinas económicas del modelo de turbina Kaplan diseñadas para 3 m de altura de elevación que pueden funcionar con tan sólo 0,3 m de altura de elevación con un rendimiento muy reducido siempre que haya suficiente caudal de agua. ^[4]

Las grandes turbinas Kaplan se diseñan individualmente para cada sitio para que funcionen con la máxima eficiencia posible, normalmente superior al 90 %. Su diseño, fabricación e instalación son muy costosos, pero funcionan durante décadas.

Recientemente han encontrado una nueva aplicación en la generación de energía undimotriz en alta mar: Wave Dragon .

La turbina Kaplan es la turbina de hélice más utilizada, pero existen otras variantes:

• Las turbinas de hélice tienen álabes no ajustables. Se utilizan donde el rango de caudal/potencia no es grande. Existen productos comerciales para producir varios cientos de vatios con solo unos pocos pies de altura de elevación . Las turbinas de hélice más grandes producen más de 100 MW. En la central generadora La Grande-1 en el norte de Quebec, 12 turbinas de hélice generan 1368 MW. ^[5]
• Las turbinas bulbo o tubulares están diseñadas en el tubo de suministro de agua. Un bulbo grande está centrado en la tubería de agua que sostiene el generador, la compuerta y el rodete. Las turbinas tubulares tienen un diseño completamente axial, mientras que las turbinas Kaplan tienen una compuerta radial.
• Las turbinas de pozo son turbinas de bulbo con una caja de engranajes, lo que permite utilizar un generador y un bulbo 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 bulbo al colocar el generador fuera del canal de agua. Esto se logra con un escalón en el canal de agua y un eje que conecta el rodete y el generador.
• La turbina VLH es una turbina "kaplan" de flujo abierto, de caída muy baja, inclinada en un ángulo respecto del flujo de agua. Tiene un diámetro grande (>3,55 m), es de baja velocidad y utiliza un alternador de imán permanente montado en un eje conectado directamente con regulación electrónica de potencia, y es muy amigable con los peces (<5 % de mortalidad). ^[6]
• La turbina DIVE es una turbina de hélice vertical con doble regulación mediante compuertas y variación de velocidad. Cubre un rango de aplicación 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.

• 
  Modelo de una turbina bulbo o tubular
• 
  Modelo de una turbina S
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  Esquema de una turbina Straflo
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  Turbinas VLH
• 
  Esquema de una turbina DIVE

https://www.wws-wasserkraft.at/es

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Turbina Kaplan.

• Turbina Kaplan, Monumento Histórico Nacional de Ingeniería Mecánica, consultado el 24 de junio de 2010
• Nota de aplicación de Bently Nevada sobre vibración de turbinas hidroeléctricas, consultada el 14 de agosto de 2014
• Modelo 3D de turbina Kaplan, consultado el 10 de febrero de 2021