TURBINA KAPLAN

1. Estrutura e Princípio de Funcionamento do Rotor Kaplan

As turbinas Kaplan pertencem às turbinas de reação e consistem principalmente em um rotor, uma câmara do rotor, um conjunto de aletas guia e uma carcaça espiral.

As pás do rotor de uma turbina Kaplan são semelhantes a um ventilador, e a Figura abaixo mostra um rotor de quatro pás.

O rotor é instalado na câmara do rotor, e o fluxo de água entra e sai do rotor axialmente, como mostrado na Figura abaixo.

A seção da pá de uma turbina de água Kaplan tem formato aerofólio, espessa na raiz e fina nas bordas, com a água fluindo axialmente através das pás do rotor, e seu princípio de funcionamento é semelhante ao de uma turbina eólica. A Figura abaixo mostra o diagrama de forças da pá, no qual a força na pá é simplesmente analisada usando uma seção de uma pá. O eixo do rotor é perpendicular ao solo, e as linhas de seta na figura são linhas vetoriais que indicam magnitude e direção.

Primeiro, olhe para o diagrama da esquerda. O ponto m é uma partícula de água próxima à pá. Para clareza, ela é movida para o canto superior esquerdo. A velocidade da partícula de água é V. Devido à circulação à medida que a água entra na zona do rotor, sua direção no diagrama não é verticalmente para baixo, mas inclinada para a esquerda. A pá gira em torno do eixo, e a velocidade tangencial de sua seção transversal é U. Em relação à pá, a partícula de água m se move para a direita com uma velocidade de -U. Portanto, a velocidade relativa da partícula de água m em relação à pá é W, o que significa que a direção do fluxo de água agindo na pá é W. Em seguida, examine o diagrama da direita. A pá está sujeita ao fluxo de água na direção de W. Como W forma um ângulo de ataque α com a corda do aerofólio c, uma força de sustentação L perpendicular a W é gerada, juntamente com uma força de arrasto D (na mesma direção de W). A força resultante R dessas duas forças é a força que atua na pá. A componente horizontal de R é F, que é a força que impulsiona a pá a girar.

   

• Turbina Kaplan com pás fixas

As pás do rotor de uma turbina de pás fixas de fluxo axial são fixadas ao cubo, apresentando uma estrutura simples e baixo custo. No entanto, sua saída só pode ser controlada ajustando as aletas guia, resultando em uma queda significativa na eficiência da turbina quando há variações consideráveis na queda d'água e na carga. As turbinas de pás fixas de fluxo axial são geralmente aplicadas sob uma queda d'água inferior a 25 metros com uma potência de saída não superior a 50.000 quilowatts.

• Turbina Kaplan com pás ajustáveis

As pás do rotor de uma turbina Kaplan de fluxo axial podem girar correspondentemente de acordo com as mudanças na queda d'água e na carga, ajustando o ângulo de ataque α das pás. Isso permite que a turbina mantenha um excelente desempenho operacional mesmo quando a queda d'água e a carga variam consideravelmente. O mecanismo que controla a rotação das pás está localizado dentro do cubo, consistindo principalmente de um cilindro hidráulico que aciona as pás. O pistão dentro do cilindro aciona a rotação das pás através de uma haste de pistão, bielas, braços das pás e outros componentes.

A Figura abaixo é um diagrama esquemático da rotação da pá do rotor de uma turbina Kaplan. A figura da esquerda mostra a pá na posição fechada; a do meio é a posição de cálculo, que é a posição de projeto durante a operação normal; a da direita é a posição totalmente aberta.

3. A estrutura da TURBINA KAPLAN

Uma turbina Kaplan consiste principalmente em três componentes principais. As partes rotativas incluem o rotor e o eixo principal. As partes fixas incluem principalmente a carcaça espiral, o anel de suporte, o anel inferior, a tampa superior, o suporte superior, o cone, a câmara do rotor e o tubo de sucção. O conjunto de aletas guia inclui aletas guia móveis, alavancas das aletas guia, links das aletas guia, anel de controle e servomotor. Existem também mancais guia, selos do eixo e outros componentes.

A Figura abaixo é uma vista em corte do anel de suporte, anel inferior, tampa superior, suporte superior, cone e revestimento do tubo de sucção, mostrando a estrutura básica. O anel de suporte serve como base de toda a turbina hidráulica e é o componente mais crítico.

A tampa superior é instalada na parte superior do anel de suporte, enquanto o anel inferior e a câmara do rotor são montados abaixo do anel de suporte. A carcaça espiral é montada na circunferência externa do anel de suporte. O tubo de sucção é instalado abaixo da câmara do rotor. A tampa superior é montada na parte superior interna do anel de suporte, a tampa de suporte é instalada dentro da tampa superior, e o cone (cone guia) é montado na parte inferior interna da tampa de suporte. A Figura abaixo mostra um diagrama esquemático dos componentes acima montados juntos.

4. Condições de operação da turbina Kaplan

A Figura abaixo é um diagrama esquemático da direção do fluxo de água de uma turbina hidráulica de fluxo axial, com as linhas de seta azuis indicando a direção do fluxo de água.