Turbina Kaplan

No sabes que es una turbina Kaplan? Si estás interesado en las energías renovables, entonces debes saber que la energía hidráulica es una de la fuente energética más importante en España y en gran parte del mundo, y esto se debe al gran funcionamiento de unas máquinas, llamadas turbinas hidráulicas.

Entre esos importantes tipos de turbinas hidráulicas, tenemos a la turbina Kaplan. Unas de las mas eficaces, y utilizadas en centrales hidráulicas de toda España. Por lo tanto, si te preguntas ¿Qué son las turbinas Kaplan? ¿Cómo funcionan? O ¿Para qué sirven? Has llegado al lugar adecuado

Pero, antes de meternos de lleno con las características y funcionamiento de una turbina Kaplan. Debes saber qué es una turbina hidráulica. Sobre todo, si quieres familiarizarte con este tipo de máquinas, descubrir sus diferentes diseños y su importancia en el área energética.

Qué es una turbina Kaplan

Cuando hablamos de una turbina hidráulica, nos referimos a una maquina capaz de convertir la energía de un fluido (La energía de un fluido se componen de tres tipos de energía; Cinética, Potencial y de Presión) en energía mecánica (Es un tipo de energía, que se basa en la posición y movimiento de los cuerpos).

¿Y porque se les llaman hidráulicas? Se llama energía hidraulica porque, éstas turbinas en la mayoría de los casos, utilizan las caídas o corrientes de agua. No obstante, en raras ocasiones pueden trabajar con otro tipo de fluidos.

Entonces, si una turbina hidráulica es capaz de transformar la energía del agua en energía mecánica ¿Cuál es su utilidad? Ciertamente, la energía mecánica, en este caso de rotación, obtenida por las turbinas hidráulicas, se puede transformar en energía eléctrica, gracias a un potente generador (La corriente del agua hace que la turbina gire, permitiendo que eje del generador realice el movimiento, y genere electricidad).

Un dato curioso es que en 1940, la energía eléctrica producida por las turbinas hidráulicas era de un 90% en toda España. Sin embargo, en la actualidad, solo el 20% es obtenida por este tipo de energía renovable (Energías naturales y autosustentables).

Imagen real de una Turbina Kaplan

Funcionamiento de la turbina Kaplan

Aunque, puedas pensar que el funcionamiento de una turbina Kaplan es muy complicado. En realidad, es que un sistema bastante simple a la hora de trabajar. Por eso, vamos explicarte de una manera sencilla, el proceso que lleva acabo una turbina Kaplan.

  1. El agua, primero llega a la tubería de entrada, en otras palabras, a la cámara de alimentación.
  1. En un momento pasa por el distribuidor de la turbina Kaplan, que se encargara de transportar el agua a los diferentes puntos de salida, llamados toberas.
  1. Ahora, el agua expulsada por las toberas, chocara con los alabes o paletas, que están en el rodete de la turbina.
  1. Los alabes provoca que eje o rotor de la turbina empiece a girar. Gracias a esto, la energía del agua, se transforma en energía de rotación.
  1. Si el eje esta unido a un generador, este producirá energía eléctrica.
  1. Finalmente, el agua es llevada al caudal del río, mediante el difusor o tubería de desagüe.

Características de la turbina Kaplan

Ya sabes, que una turbina Kaplan; Es una turbina de reacción, y que utiliza un flujo radial y axial. Sin embargo, hay otras características técnicas, que debes conocer acerca de estas turbinas hidráulicas y que te explicamos a continuación:

Diseño

Las turbinas Kaplan, destacan por tener diferentes formas tanto en su parte superior como en la inferior, lo que quiere decir que la sección inferior de esta turbina, tiene una forma esférica y la su parte superior, tiene forma cilíndrica.

Gracias a su diseño, la parte inferior puede reposar encima del concreto o suelo. Provocando una mayor seguridad en toda la máquina. Mientras, su parte superior economiza el costo total de toda la construcción. Por lo que, es considerada de las más eficiente en relación a su productividad y costos.

Compatibilidad con otras turbinas

Otra característica que tiene una turbina Kaplan, sin duda, es la capacidad de combinarse con otros tipos de turbinas. Ante todo, para mejorar el rendimiento y productividad de una central hidroeléctrica.

Por ejemplo, suelen combinarse con turbinas de hélices, ya que pueden trabajar con más capacidad, no obstante, todo el exceso de fluido será aprovechado por una turbina Kaplan, sin importar el tamaño, y mejorando el rendimiento de todo el proceso.

Regulación y rango

Recuerda, que una turbina Kaplan utiliza hélices, lo que dificulta la regulación completa o parcial del flujo del agua. Además, su funcionamiento solo está destinado para un rango especifico.

Lo anterior mencionado, influye directamente en el distribuidor, ya que no tiene la función de ser ajustable a placer, debido a que, una turbina Kaplan utiliza su máximo potencial en rangos determinados.

Aplicacion

Una turbina Kaplan, es utilizada mayormente en caídas pequeñas, por ejemplo, unos 50m, sin embargo, pueden trabajar hasta caídas de 80m, aunque no es lo recomendado en este tipo de turbina.

Mientras tanto, suele emplearse en caudales de gran y mediano tamaño (A partir de los 15m3/s). Al conocer ambas características, podemos deducir que las turbinas Kaplan son muy efectivas en caídas pequeñas y con bastante caudal de agua.

Diseño de los álabes

Los alabes (Son paletas curvas que pertenecen al rodete o distribuidor y se encargan de separar el flujo de corriente) no necesitan de mucho pulido en la parte más superficial, debido a la rugosidad de toda la superficie de contacto, y al agua, que no dependerá de las dimensiones de la turbina.

Finalmente, te dejamos la siguiente tabla. Donde encontrarás los datos técnicos que puede tener una turbina Kaplan. Cabe mencionar que cada modelo puede tener diferentes valores, no obstante, los siguientes son los más generales.

Tabla de datos de una turbina Kaplan

Clasificación según el Cambio de PresiónTurbina de Reacción
Clasificación según la Dirección del AguaRadiales y Axiales
Colocación del EjeVertical o Horizontal
Caudal Nominal (Qn)10 m³/s
Salto Neto4 m
Velocidad Específica (Nq)255
Velocidad de Giro255 rpm
Diámetro Rodete1,54 m
Diámetro Cubo0,63 m
Nº Palas Rodete4
Nº Álabes Distribuidor17
Empuje Axial Máximo8 Tn
Rendimiento Volumétrico0,93
Rendimiento Mecánico0,93
Rendimiento Total0,865
Generador Asíncrono
Polos _ 60 Hz28
Polos _ 50 Hz24
Compuerta12 m x 4
Empuje Máximo135 Tn

Partes de una turbina Kaplan

Una turbina Kaplan se compone de diferentes piezas, que puede asimilarse a otras turbinas hidráulicas como las Francis. Por lo tanto, te mostraremos cada elemento, y cuál es su función dentro de la misma turbina.

Esquema: Partes de una Turbina Kaplan
  • El Eje o Rotor: Es una pieza de una turbina hidráulica, que, al ejercerle una fuerza, provoca la rotación de la turbina. Se ubica encima del rodete, y en la mayoría de casos, debajo de un generador.
  • Rodete: Es un sistema en forma de disco, que contiene diferentes paletas, también llamados álabes. Se ubica en el distribuidor.
  • Alabes: Paletas o cucharas que golpean el agua, para finalmente ser llevado al difusor. Están acopladas al rodete.
  • Distribuidor: Se encarga de conducir el agua por diferentes puntos de salida, cómo cuando conduce el flujo del agua hacia las paletas del rodete.
  • Toberas: Puntos dentro de la turbina, por donde sale el agua que proviene del distribuidor.
  • Cámara de Alimentación: Estructura hecha de concreto, su forma se asimila a la de un caracol, y es por donde fluye el agua. Gracias a su diseño en espiral, permite que el agua viaje a una velocidad constante, y lo más importante, sin originar torbellinos que interfieran en la carga de toda la turbina.
  • Difusor: Permite que el agua salga de la turbina, y vaya directamente al caudal del río,

Ventajas y desventajas de usar una turbina Kaplan

Cada turbina hidráulica funcionara mejor o peor, según dos elementos muy importantes, el “Caudal del agua” y la “Altura de la caída del agua”. Por lo tanto, según estos criterios, debes saber qué tipo de turbina será mejor, si una Kaplan, Francis, etc.

Ventajas:

  • Las paletas o álabes de una turbina Kaplan se pueden regular.
  • Su eje puede ser instalado tanto de forma vertical, cómo horizontal.
  • Tiene una gran capacidad de absorción.
  • Cuando se trata de una carga parcial, puede lograr su máximo potencial.
  • Puede trabajar a altas velocidades de forma específica.
  • Se pueden ajustar las directrices fuera del agua.
  • Cuenta con dimensiones pequeñas, y que mantiene un tamaño párelo al caudal.

Desventajas:

  • Sufre de altas velocidades entorno al embalamiento (Vibraciones que pueden dañar la hélice).
  • No está hecho para grandes caídas de agua.

Nota: Si se quiere aprovechar todas las ventajas de una turbina Kaplan, hay que conocer en que circunstancia trabajar mejor, si tenemos una caída de gran altura, y con un lento caudal, entonces, se estará desaprovechando de gran manera la productividad de esta turbina hidráulica.

Usos de la turbina Kaplan

Ya te hemos mencionado, que la turbina Kaplan funciona mejor en caídas de agua menores de unos 50 m de altura, también, donde haya grandes caudales de agua. Estás suelen estar en centrales hidroeléctricas. Teniendo su cauce en ríos y represas cercanas.

Si has prestado atención a toda la información que hemos mostrado anteriormente, sabrás que el objetivo de una turbina Kaplan, sin duda, es la de tomar la energía del agua, y convertirla en energía de rotación. Lo que permite, obtener energía mecánica, y con la ayuda de un generador, poder producir energía eléctrica

Historia de la turbina Kaplan

Cómo te habíamos mencionado anteriormente, las turbinas Kaplan; Son un tipo de turbina hidráulica, siendo una de las más importantes juntos a las Pelton (como puedes ver aquí) y Francis, y de las más utilizadas en centrales hidráulicas españolas.

Creada en 1913, por el inventor de origen austriaco, Víctor Kaplan., este tipo de turbina, se clasifica cómo una turbina de reacción (Turbina que cambia la presión del fluido cuando este pasa por su rodete).

Las turbinas Kaplan, utilizan comúnmente un eje vertical (El eje o rotor, es un componente de la turbina que hace girar al generador, puede ir en sentido vertical u horizontal). También, son turbinas radiales y axiales (Cuando el agua llega al rodete, esta lo hace de forma radial, y seguidamente cambia de dirección para salir de forma paralela al eje, es decir de forma axial).

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