capitulo vii turbomaquinas kaplan1

8/12/2019 Capitulo Vii Turbomaquinas Kaplan1

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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:


,

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:


,

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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Ing Willy Morales Alarcn Pg 14

j) Numero de revoluciones:

1

1

60.

.n

D

60.(2,55)

.(0,843)n

57,77n RPM

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