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Turbina Kaplan
Descripción breve
Una turbina Kaplan es una turbina hidráulica de reacción de tipo hélice con álabes orientables, diseñada específicamente para generar energía con saltos hidráulicos bajos (baja altura de caída de agua, típicamente de 2 a 70 metros) y grandes caudales volumétricos. A diferencia de las turbinas de hélice de álabes fijos, la turbina Kaplan permite ajustar automáticamente tanto los álabes del rodete como los álabes directores según las variaciones del caudal de agua, manteniendo una alta eficiencia en una amplia gama de condiciones de funcionamiento.
Uso / Función
- Uso principal: Generación continua de electricidad a gran escala en ríos de bajo salto, centrales de pasada y presas mareomotrices.
- Usos secundarios: Regulación de caudales en canales de riego mientras se aprovecha la energía mecánica, y accionamiento de bombas de trasvase de agua a gran escala en configuración inversa.
- Escala: Instalaciones industriales de mediana a gran escala (desde cientos de kilovatios en pequeños canales hasta cientos de megavatios en grandes presas fluviales).
Principio de funcionamiento
Flujo axial e hidrodinámica orientable:
- Entrada de agua: El agua a presión entra radialmente a través de una caja espiral y pasa por una serie de álabes directores (distribuidor) dispuestos en círculo.
- Transición de flujo radial a axial: Los álabes directores imprimen un movimiento giratorio al agua y la dirigen axialmente a lo largo del eje hacia el rodete tipo hélice.
- Generación de sustentación: Al fluir el agua axialmente sobre los álabes del rodete con perfil hidrodinámico, se produce una fuerza de sustentación que hace girar el rodete rápidamente.
- Ajuste de paso variable: Un mecanismo interno hace girar los álabes individuales del rodete para adaptarlos al ángulo del agua entrante, manteniendo la máxima eficiencia hidrodinámica incluso cuando el caudal varía.
- Recuperación en el tubo de aspiración: El agua sale axialmente a través de un tubo divergente bajo el canal de salida, recuperando energía cinética restante en forma de presión estática para maximizar el salto útil total.
Cómo crearlo
1. Ensamblaje del cubo del rodete y álabes orientables
- Mecanizar un cubo central hueco de Acero fundido o Bronce para albergar los varillajes de control de paso de los álabes.
- Moldear álabes de hélice hidrodinámicos (generalmente de 3 a 6 álabes) en acero resistente a la corrosión o bronce.
- Montar los álabes en el cubo mediante pivotes y palancas internas conectadas a un vástago de control central que atraviesa el eje hueco.
2. Mecanismo distribuidor y carcasa
- Construir una carcasa exterior cilíndrica con una sección cónica inferior divergente en Acero o Hierro fundido.
- Instalar un anillo de álabes directores pivotantes (distribuidor) sobre el rodete, conectados a un anillo de regulación exterior.
3. Eje y sistema de regulación
- Conectar el cubo del rodete a un eje vertical de Acero apoyado en cojinetes de empuje y guía.
- Acoplar el vástago de control de los álabes y el anillo del distribuidor a un regulador hidráulico o varillaje mecánico para un control sincronizado del paso.
Materiales necesarios
- Álabes y cubo del rodete: Acero de alta resistencia o Bronce resistente a la corrosión.
- Carcasa exterior y tubo de aspiración: Hierro fundido, chapa de acero estructural o hormigón armado.
- Eje y varillajes: Acero al carbono forjado de alta resistencia.
- Fluido de trabajo: Agua de bajo salto procedente de un río o embalse.
Variantes y mejoras
- Turbina de bulbo: Variante horizontal en la que el generador y la turbina están sellados dentro de un “bulbo” aerodinámico sumergido directamente en el flujo de agua, reduciendo costes de obra civil.
- Turbina de tubo: Turbina Kaplan en línea inclinada u horizontal con el generador montado externamente fuera del conducto de agua.
- Turbina VLH (Very Low Head): Variante Kaplan de gran diámetro y rotación lenta diseñada para saltos de agua inferiores a 3 metros con mínimo impacto en la fauna acuática.
Límites y riesgos
- Riesgo de cavitación: La baja presión en el lado de succión de los álabes de la hélice puede generar burbujas de cavitación destructivas, requiriendo una profundidad de sumergido precisa bajo el canal de salida.
- Complejidad mecánica: El mecanismo interno del cubo necesario para orientar los álabes bajo alta presión aumenta las necesidades de mantenimiento y el riesgo de fugas de lubricante.
- Mortalidad de peces: La rotación de los álabes a alta velocidad puede dañar la fauna piscícola si no se emplean rejas de protección o diseños ecológicos con reducido número de álabes.