Turbina Kaplan: funcionamiento, características y aplicaciones en energía hidráulica

  • La turbina Kaplan es ideal para caudales elevados y bajas alturas de caída.
  • Sus palas ajustables permiten una eficiencia de hasta el 90%.
  • Es utilizada comúnmente en centrales hidroeléctricas de saltos pequeños.

Turbina Kaplan energía renovable

Para generar energía hidráulica, es necesario aprovechar el movimiento de grandes cantidades de agua a través de un salto de agua, lo que permite mover una turbina. Una de las turbinas más utilizadas en generación hidroeléctrica es la turbina Kaplan. Este tipo de turbina se emplea en saltos de agua pequeños, de hasta algunas decenas de metros, donde el caudal es elevado.

En este artículo, detallaremos en qué consiste la turbina Kaplan, sus características principales y cómo se utiliza en la generación de energía hidráulica.

Qué es la turbina Kaplan

Turbina Kaplan

La turbina Kaplan es un tipo de turbina de chorro hidráulico, diseñada para funcionar en entornos con gradientes pequeños, de unos pocos metros hasta unas pocas decenas. Necesita, además, grandes caudales, entre 200 y 300 metros cúbicos por segundo, lo que la convierte en una turbina muy eficiente para la generación de energía hidráulica, una fuente de energía renovable.

Fue inventada por el profesor austriaco Viktor Kaplan en 1913, y su innovadora estructura la hace especialmente apta para situaciones donde el flujo de agua es variable. Una de las características clave de esta turbina es que sus palas pueden orientarse según la dirección del flujo, optimizando su rendimiento aún cuando el caudal sea tan solo de un 20-30% de su flujo nominal.

Una característica adicional de muchas turbinas Kaplan es que forman parte de sistemas de generación de energía que incluyen estatores fijos, que optimizan el flujo de agua que alimenta la turbina, mejorando así la capacidad de generación de electricidad. La eficiencia de la turbina Kaplan puede mantenerse elevada en un amplio rango de caudales, lo que la convierte en una pieza clave en muchas centrales hidroeléctricas.

Principio de funcionamiento

El principio de funcionamiento de la turbina Kaplan es sencillo pero eficiente. El agua llega a la turbina a través de un conducto en forma de espiral, lo que permite alimentar la turbina por toda su circunferencia. Después, el agua pasa por un distribuidor, que da al flujo un movimiento rotacional esencial para el funcionamiento de la turbina.

Una vez que el agua entra en la turbina, esta provoca que el impulsor gire, desviando el flujo de agua en un ángulo de 90° para luego invertirlo axialmente. Esta acción permite que la turbina aproveche la energía cinética del agua para aumentar su eficiencia en la generación de energía.

La turbina Kaplan tiene la capacidad de recuperar parte de la energía gracias a un difusor en su sistema de escape, algo que no es común en todas las turbinas hidráulicas. Este difusor contribuye a mejorar el rendimiento de la turbina en aplicaciones donde la presión del agua no es elevada, como en pequeños saltos de agua.

Energía hidráulica

Características principales y ventajas

Una de las ventajas más significativas de la turbina Kaplan es su capacidad para ajustar las palas según la dirección del flujo de agua. Esto permite que la turbina mantenga una alta eficiencia en una variedad de condiciones de caudal y presión.

A diferencia de las turbinas convencionales, como las turbinas de hélice, la Kaplan cuenta con reguladores de flujo que pueden ajustar tanto las palas del rodete como el ángulo de las cuchillas del distribuidor. Esto la convierte en una de las turbinas más versátiles del mercado, capaz de trabajar en amplios rangos de caudal y altura, con una eficiencia de hasta el 90%.

El campo de operación de la turbina Kaplan incluye caídas máximas de unos 80 metros de altura y caudales de hasta 50 metros cúbicos por segundo. Aunque comparte algunos aspectos con las turbinas Francis, la Kaplan es especialmente eficiente en condiciones de caudales elevados y bajas alturas de caída, donde otras turbinas perderían eficiencia.

Cómo funcionan las turbinas en energía hidráulica

Hélices

En una central hidroeléctrica, la regulación del voltaje de salida es fundamental para garantizar un suministro eléctrico constante. Esto significa que la velocidad de la turbina debe permanecer constante, incluso cuando las condiciones de flujo de agua varían. Las turbinas Kaplan están diseñadas para adaptarse a estos cambios, manteniendo constante el flujo de agua gracias a sistemas de control avanzados.

Las turbinas hidroeléctricas, ya sean Kaplan, Francis o Pélton, cuentan con diversos sistemas de control para garantizar que se mantengan estables al enfrentarse a cambios en la presión del agua. En particular, las turbinas Kaplan suelen tener boquillas de derivación, que redirigen eficientemente el exceso de agua para evitar daños por lo que se conoce como martillo de agua, un aumento repentino de la presión que puede ser muy perjudicial para las instalaciones.

Las turbinas hidráulicas se clasifican según el tipo de salto de agua y el caudal que manejan:

  • Saltos grandes con caudales pequeños: se emplean las turbinas Pelton.
  • Saltos medianos con mayor caudal: se emplean las turbinas Francis.
  • Saltos pequeños con caudales grandes: se emplean las turbinas Kaplan y de hélice.

La cantidad de agua que pasa por la turbina se regula según la demanda eléctrica de cada momento. El remanente del agua se dirige por canales de descarga para evitar cualquier pérdida en el sistema. En las instalaciones hidroeléctricas modernas, los sistemas de control garantizan un uso óptimo del caudal disponible, ayudando a mantener una producción de energía eficiente y sostenible.

Este artículo cubre en detalle el funcionamiento, ventajas y características de las turbinas Kaplan, una de las tecnologías más avanzadas y eficientes para el aprovechamiento de energía hidráulica. Dado su alto rendimiento y versatilidad, son una de las opciones más utilizadas en el sector de generación de energía a partir del agua.


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