Turbinas Kaplan: Características Clave, Aplicaciones y Funcionamiento

Con la gran mayoría de turbinas existentes, la Kaplan es una de ellas. Funciona según el principio de flujo axial de reacción, aunque otros tipos funcionan con este principio. En turbinas de flujo axial, el agua fluye a través del rodete en dirección paralela al eje de rotación. Quédate, ¡se explicará más!

Hoy conocerás la definición, aplicaciones, función, componentes, diagrama y principio de funcionamiento de una turbina Kaplan. También sus ventajas y desventajas.

¿Qué es una turbina Kaplan?

Una turbina Kaplan es una turbina hidráulica de tipo hélice que funciona según el principio de flujo axial de reacción. A diferencia de otras, la Kaplan tiene palas ajustables. Su invención permitió producción eficiente de energía en aplicaciones de baja carga. Esta carga varía de 10 a 70 metros (33 a 230 pies) y la potencia de 5 a 200 MW. El uso de turbinas Kaplan es en producción de energía de alto caudal y baja carga.

Las turbinas Kaplan son la evolución de la turbina Francis, permitiendo producción eficiente en baja carga, lo cual no es posible con turbinas Francis, y ahí comienza la modificación.

El profesor austríaco Viktor Kaplan desarrolló esta turbina en 1913. Combinó palas de hélice ajustables automáticamente con compuertas guía ajustables automáticamente para lograr eficiencia en amplia gama de caudales y niveles de agua.

Aplicaciones de la turbina Kaplan

• Ampliamente usadas para producción de energía eléctrica.
• Su versión pequeña o modelo se produce para generación individual.
• Grandes turbinas Kaplan se diseñan para operar a la mayor eficiencia posible.
• Recientemente, se usan en alta mar para generación de energía undimotriz.

Nota: al igual que otras turbinas, la función principal de una turbina Kaplan es la generación de energía eléctrica.

Componentes de la turbina Kaplan

Carcasa espiral (Scroll casing):

Es una carcasa tipo espiral con área de sección transversal decreciente. El agua desde las tuberías de presión entra aquí y luego pasa a las álabes guía donde gira 90°. También fluye axialmente a través del rodete. Protege al rodete, palas, álabes guía y otras partes internas de daños externos.

Mecanismo de álabes guía:

Las turbinas Kaplan usan el mecanismo de álabes guía para controlar toda la turbina. Se abre y cierra según la demanda de potencia. Cuando se requiere más potencia, se abre más para permitir más agua golpear las palas del rotor. A menor potencia, se cierra para cesar el flujo. Sin estos componentes, la eficiencia disminuye drásticamente.

Tubo de aspiración (Draft tube):

Su función es descargar agua desde la salida de la turbina al canal de fuga. Esto es porque la presión en la salida del rodete de turbinas de reacción es generalmente menor que la atmosférica. El agua no puede descargarse directamente al canal de fuga. Por tanto, se usa un tubo o tubería de área gradualmente creciente para la descarga.

Palas del rodete (Runner blades):

En turbinas Kaplan, las palas del rodete son componentes esenciales. De hecho, se considera el corazón ya que ayuda en la generación de energía eléctrica. La pala tiene un eje conectado al eje del generador. Hay un gran buje montado en el rodete que permite a las palas ajustarse firmemente. Estas palas son ajustables a un ángulo de ataque óptimo para máxima potencia. Las turbinas Kaplan tienen torsión a lo largo de su longitud.

Diagrama de turbina Kaplan:

Principios de funcionamiento de la turbina Kaplan

El funcionamiento es poco complejo y fácil de entender. El agua de la tubería de presión entra en la carcasa espiral, diseñada para no perder presión de flujo. Un álabe guía ajustable dirige el agua a las palas del rodete. Estos álabes se ajustan según el caudal requerido. El agua gira 90° para que su dirección sea axial a las palas.

El agua golpea y, debido a la fuerza de reacción, las palas comienzan a rotar. Para mayor eficiencia, las palas tienen torsión a lo largo de su longitud, obteniendo ángulo de ataque óptimo en todas las secciones transversales.

El agua entra al tubo de aspiración desde las palas, donde su energía de presión y cinética disminuye. La presión aumenta cuando la energía cinética se convierte en energía de presión.

Esta rotación es la que gira el eje del generador para producción de energía eléctrica.

Mira el video a continuación para aprender más sobre una turbina Kaplan:

Ventajas y desventajas de la turbina Kaplan

Ventajas:

• Diseño menos complejo y fácil de construir.
• Requiere menos espacio para instalación.
• Muy alta eficiencia comparada con otras.
• Más eficiente a baja carga.
• Menor número de palas.
• El acero inoxidable como material de palas reduce cavitación.

Desventajas:

• La cavitación es un inconveniente mayor. Ocurre por caída de presión en el tubo de aspiración.
• El eje solo puede posicionarse verticalmente.
• Su operación requiere gran caudal.

Conclusión

Las turbinas Kaplan son turbinas hidráulicas de tipo hélice que funcionan por flujo axial de reacción. Su función principal es generación de energía eléctrica. En este artículo dimos definición, aplicaciones, funcionamiento, componentes, diagrama, ventajas y desventajas.

Espero que hayas aprendido mucho; si es así, compártelo con otros estudiantes. ¡Gracias por leer! Hasta la próxima.