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Turbomquinas Ingeniera Elctrica UNSAAC
Ing. Willy Morales Alarcn Pg. 1
CARRERA PROFESIONAL DE
INGENIERIA ELECTRICA
ASIGNATURA DE TURBOMAQUINAS
TURBINAS KAPLAN
Ing. Willy Morales Alarcn
2012
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CAPITULO VII
TURBINAS DE HELICE Y KAPLAN
7.1. Definicin y Caractersticas generales de las turbinas hidrulicas:
Las turbinas tipo Kaplan son turbinas de admisin total y clasificadascomo turbinas de reaccin.
Inventada por Vctor Kaplan en 1912.
Son turbinas de reaccin, de alabes orientables.
Utilizadas en pequeas alturas y grandes caudales.
Se emplean en saltos de pequea altura (alrededor de 50 m y menores
alturas), con caudales medios y grandes (aproximadamente de 15 m3/s
en adelante). Son las turbinas ms econmicas para medianas y grandes potencias.
Actualmente su rendimiento mximo llega a superar 95%.
A igualdad de potencia, las turbinas Kaplan son menos voluminosas
que las turbinas Francis.
Normalmente se instalan con el eje en posicin vertical, si bien se
prestan para ser colocadas de forma horizontal o inclinada
Una de las caractersticas fundamentales de las turbinas Kaplan
constituye el hecho que las palas del rotor estn situadas a una cota
ms baja que la cota del distribuidor, de modo que el flujo del agua
incide sobre las palas en su parte posterior en direccin paralela al eje
de la turbina
Debido a su singular diseo, permiten desarrollar elevadas velocidades
especficas, obtenindose buenos rendimientos, incluso dentro de
extensos lmites de variacin de caudal.
Por su posicin pueden ser eje vertical o de eje horizontal.
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Turbina Kaplan de eje vertical
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Turbina Kaplan de eje horizontal
7.2. Componentes de una Turbina Kaplan
Dado el gran parecido con las turbinas Francis, todos aquellos
componentes tienen la misma funcin y similares caractersticas. Tal
ocurre con los elementos siguientes:
a) Cmara espiral
b) Distribuidor
c) Rotor o rodete
d) Tubo de aspiracin.
e) Eje
f) Equipo de sellado
g) Cojinete gua
h) Cojinete de empujeEl nico componente de las
turbinas Kaplan, que podra
considerarse como distinto
al de las turbinas Francis,
es el rotor o rodete.
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7.3. Rotor de una Turbina Kaplan
Se asemeja a la hlice de barco, est formado por un nmero determinado
de palas o labes, de 2 a 4 para saltos de pequea altura y de 5 e 9 cuando
los saltos son mayores, por supuesto dentro del campo de aplicacin delas turbinas Kaplan.
En las turbinas Kaplan, todas y cada una de las palas del rotor estn
dotadas de libertad de movimiento, pudiendo orientarse dentro de ciertos
lmites sobre sus asientos respectivos situados en el ncleo, llamado
tambin cubo del rodete, adoptando posiciones de mayor o menor
inclinacin respecto al eje de la turbina segn rdenes recibidas del
regulador de velocidad.Las turbinas Kaplan, son tambin conocidas como turbinas de doble
regulacin, por intervenir en el proceso de regulacin tanto las palas del
distribuidor, como sobre las palas del rotor dependiendo de las
condiciones de carga y del salto existente.
Con este procedimiento se consiguen elevados rendimientos, incluso para
cargas bajas y variables, as como en el caso de fluctuaciones importantes
del caudal.
Las palas directrices del distribuidor, se gobiernan de forma anloga a
como se realiza en las turbinas Francis.
Para lograr el control adecuado de las palas del rotor, tanto el ncleo del
rotor, como el eje de turbina, permiten alojar en su interior los distintos
dispositivos mecnicos, tales como servomotores, palancas, bielas,
destinados a dicho fin.
7.4. Sistemas de Gobierno de los alabes del rotor:
Se distinguen tres sistemas de gobierno de las palas del rotor,
dependiendo de la ubicacin del servomotor de accionamiento en las
distintas zonas del eje del grupo turbina-generador:
a) Servomotor en cabeza:
El servomotor est instalado en el extremo superior del eje, en la zona
del generador.
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b) Servomotor intermedio:
En este caso est situado en la zona de acoplamiento de los ejes de la
turbina y del generador
c) Servomotor en ncleo:Est alojado en el propio ncleo del rotor
Actualmente el empleo de servomotor en el ncleo es el ms utilizado,
con el se reducen las dimensiones y el nmero de elementos mecnicos
que en los otros sistemas realizan la interconexin entre el servomotor y
los ejes de las palas del rotor.
En los sistemas de servomotor intermedio y en ncleo, los conductos de
aceite entre regulador de velocidad y el servomotor se realizan medianteconductos concntricos dispuestos en el interior del eje del grupo turbina-
generador.
En algunas turbinas Kaplan las palas del rotor se pueden orientar con
mecanismos accionados por motores elctricos y reductores de velocidad
ubicados en el interior del eje.
En los rotores Kaplan, el interior del ncleo est lleno de aceite a fin de
producir la estanqueidad para evitar el paso de agua a travs de los ejes
de las palas
7.5. Fundamentos de clculo de una turbina de Hlice y Kaplan:
La ecuacin de la turbina es:2
w2 c2
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1 1 1 2 2 2c cos c cos gH
1 1 1c cos gH
1 1 1c cos c
1 1c gH
Recuperacin de la energa:
3 2. .c g HC
Donde:
C: coeficiente de recuperacin=0,3=30%
Dimetro de entrada del tubo de aspiracin:
3
3
4QD
c
Seccin de la entrada del tubo de aspiracin:
2
3 34
S D
24 4
4S D
Altura de aspiracin:
,
SH B H
Donde:
: coeficiente de cavitacin.
,
1000
altitudB B
B=10 m de agua
Si:
88% 80% ( )Q maximo
7.6. Calculo de la Turbina de Hlice y Kaplan:
a) Potencia Hidrulica:
100075
QHN CV
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b) Tubo de aspiracin:
Velocidad de entrada c3:
3 2c gHC
C: coeficiente de recuperacin=0,3 o 30%
Seccin de entrada S3:
3
3
QS
c
Dimetro de entrada del tubo de aspiracin D3:
3
3
4QD
c
Seccin de salida S4:
4 34S S
Velocidad de salida c4:
4
4
Qc
S
Dimetro de salida D4:
4
4
4QD
c
Altura de aspiracin (Hs):,
SH B H
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Donde:
: coeficiente de cavitacin.
,
1000
altitudB B
B=10 m de agua
c) El rodete:
2 30,995D D
El cabezal tiene una dimensin de:
20, 4
nD D
Dimetro de entrada Dimetro medio2
12
nD D
D
d) Diagrama de velocidades C1
Cm: Componente meridiano
1 1c gH
1 1 1c cos c
11
mc
csen
11
mcctan
Luego:
1
1
gH
c
e) Superficie de los alabes:
2 22
4
nD DS
C1 1
Cm
C1
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Ejemplo:
Dimensionar una turbina Kaplan para su mximo rendimiento que es de
87% el caudal de 6,5 m3/seg. Y la altura til de 5,5 m. La altitud de montaje
es de 1000 msnm y su coeficiente de cavitacin es 0,82 adems el ngulode ataque o ingreso de agua es de 50.
a) Potencia hidrulica:
1000
75
QHN CV
1000 6,5 5,5 0,87414,7
75
x x xN CV
b) Tubo de aspiracin:
En la entrada:
3 2. .0,3 2(9,81).(0,3)(5,5) 5,69 /c g H m seg
2
3
3
6,51,14
5,69
QS m
c
3
3
4 4 6,51, 21 12105,69
Q xD m mmc x
En la salida:
2
4 34 4,56S S m
4
4
6,51, 43 /
4,56
Qc m seg
S
4
3
4 4 6,5 2, 41 24101,43
Q xD m mmc x
Altura de aspiracin (Hs):
,
SH B H
Donde:
: coeficiente de cavitacin.
,
1000altitudB B
B=10 m de agua
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, 100010 91000
B m
9 (0,82).(5,5) 4, 49S
H m
c) El rodete:
Dimetro:
2 30,995D D
2 0,995(1210 )D mm
2 1203, 95 1204D mm mm
El cabezal:
20, 4nD D
0,4(1204 )nD mm
481, 6 482nD mm mm
Dimetro de entrada Dimetro medio
21
2
nD D
D
1
482 12104843
2D mm
d) Diagrama de velocidades C12 2
2
4
nD D
S
2 221204 482
0,954S m
1 2 2
2
4.(0,8).
( )m
n
Qc
D D
1 2 2
4.(0,8).(6,5)21,89 /
(1204 482 )m
c m seg
1
1
mc
c tan
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1
21,89
50c
tan
1 18,37 /c m seg
1
1
gH
c
1
0,87(9,81).(5, 5) 46,94
18, 37 18,37
2
1 2,55 m
11 m
cc
sen
1
21,89
50c
sen
1 28,57 /c m seg
i) Ancho de la corona directriz:
Dimetro de corona:
0 2D D
0 1204D mm
Asumimos que la corona tiene las mismas dimensiones del rodete
para evitar fugas.
Componente meridiana:
0 10,65m mc c
0 0, 65(21, 89 / )mc m seg
0 14, 22 /mc m seg
0
0 0
0,8.
0,9. . . m
QB
D c
0
0,8.(6,5)
0,9.(1, 204). .(14,22)
B
0 110B mm
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j) Numero de revoluciones:
1
1
60.
.n
D
60.(2,55)
.(0,843)n
57,77n RPM