Turbina Francis 1e6c6t

ÍNDICE Introducción

02

¿Qué es una una turbina Francis

02

Historia

02

Turbina Francis

03

Componentes

03

Cámara espiral

04

Distribuidor

04

Rodete

04

Tubo de espiracion

04

Eje

04

Funcionamiento

05

Tipos de Turbinas Francis

05

Rodetes Lentos

06

Rodetes Normales

07

Rodetes Rápidos

07

Eleccion de una Turbina Francis

09

Potencia de una Turbina Francis

10

Esquema de Turbinas Francis en Centrales Hidroeléctricas:

11

Ventajas y desventajas de la Turbina Francis

12

Bibliografía

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TURBINA FRANCIS INTRODUCCION ¿Qué es una turbina? Una Turbina es un dispositivo mecánico capaz de convertir en trabajo (en forma de movimiento de rotación) la energía presente en una masa de fluido. Una Turbina Hidráulica es una turbo-máquina motora, que absorbe energía de una corriente fluida (agua) y restituye energía mecánica. Por lo tanto, realiza la función inversa a las bombas; de hecho, existen turbo-máquinas hidráulicas diseñadas para llevar a cabo las dos funciones (en algunas centrales hidroeléctricas de bombeo).Puesto que se trata de una turbo-máquina, su principio de funcionamiento se basa en la ecuación de Euler. La turbina Francis fue desarrollada por James B. Francis. Se trata de una turbomáquina motora a reacción y de flujo mixto. Son turbinas hidráulicas que se pueden diseñar para un amplio rango de saltos y caudales, siendo capaces de operar en rangos de desnivel que van de los dos metros hasta varios cientos de metros. Esto, junto con su alta eficiencia, ha hecho que este tipo de turbina sea el más ampliamente usado en el mundo, principalmente para la producción de energía eléctrica en centrales hidroeléctricas. “La turbina Francis es un motor hidráulico de reacción, que se emplea para caudales y alturas medias.”

HISTORIA En 1826 Benoit Fourneyron desarrolló una turbina de flujo externo de alta eficiencia (80%). El agua era dirigida tangencialmente a través del rodete de la turbina provocando su giro. Alrededor de 1820 Jean V. Poncelet diseñó una turbina de flujo interno que usaba los mismos principios, y S. B. Howd obtuvo en 1838 una patente en los EE.UU. para un diseño similar. En 1848 James B. Francis mejoró estos diseños y desarrolló una turbina con el 90% de eficiencia. Aplicó principios y métodos de prueba científicos para producir la turbina más eficiente elaborada hasta la fecha. Más importante, sus métodos matemáticos y gráficos de cálculo mejoraron el nivel de desarrollo alcanzado (estado del arte) en lo referente al diseño e ingeniería de turbinas. Sus métodos analíticos permitieron diseños seguros de turbinas de alta eficiencia.

TURBINA FRANCIS

Componentes:  

  

Cámara espiral. Distribuidor.  Palas directrices.  Sistema de accionamiento. Rodete. Tubo de aspiración. Eje.

Cámara espiral: La cámara espiral más habitual está formada por la unión sucesiva de una serie de virolas tronco-cónicas, cuyos ejes respectivos forman una espiral Esta disposición constructiva permite que el agua atraviese la cámara a velocidad sensiblemente constante, evitándose la formación de torbellinos que darían lugar a pérdidas de carga En la zona periférica interna se encuentra el ante distribuidor, formado por una serie de palas fijas equidistantes unas de otras cuya curvatura y orientación consiguen que la proyección del agua salga dirigida casi radialmente Distribuidor: El distribuidor está formado por un determinado número de palas móviles cuya función es la de distribuir, regular o cortar totalmente el caudal de agua que fluye hacia el rodete El distribuidor lo componen principalmente los siguientes elementos: 

Palas o álabes directrices orientables: Dirigen el líquido al rodete con un mínimo de pérdidas y transforman parte de la energía de presión en energía cinética El hecho de que los álabes se puedan orientar permite la regulación de la turbina, al poder variar el caudal que llega al rodete



El sistema de accionamiento de los álabes: Son los elementos mecánicos a base de servomecanismos, palancas y bielas que constituyen el equipo de regulación de la turbina y está gobernado por el regulador de velocidad.

Distribuidor Rodete: Se trata de la pieza fundamental de la turbina, donde se obtiene la energía mecánica deseada Consta de un núcleo central, alrededor del cual se encuentra dispuesto un número determinado de álabes, aproximadamente entre 12 y 21, equidistantemente repartidos y solidarios al mismo, formando pieza única en bloque por fundición o soldadura, es decir, sin uniones ni fijaciones rias La longitud de los álabes y su mayor o menor inclinación respecto al eje de la turbina, depende del caudal, de la altura del salto y, en consecuencia, de la velocidad específica

Tubo de aspiración: Es la salida de la turbina, sus funciones son:  

Aprovechar la altura de salto disponible entre la salida del rodete y el nivel de aguas abajo. Recuperar al máximo posible la energía cinética residual a la salida del rodete (c2)

Funcionamiento: La sucesiva transformación de la energía se efectúa del modo siguiente:    

La energía potencial gravitatoria del agua embalsada se convierte, salvo pérdidas, una parte en energía de presión y otra parte en cinética a su llegada a la turbina En el distribuidor la altura de presión disminuye a costa de aumentar la altura cinética, aunque esta conversión no es tan completa como en el caso de las turbinas de acción La entrada de agua en el rodete se realiza de forma prácticamente radial, incidiendo sobre los álabes y cediendo a éstos la mayor parte posible de su energía En consecuencia, la presión disminuye notablemente y también la velocidad del agua a la salida del rodete. El tubo de aspiración permite aprovechar la energía disponibleen el flujo de salida.

Tipos de Turbinas Francis: Según el Rodete: Las turbinas Francis son de tipo radial, isión centrípeta y tubo de aspiración; siempre se construyen en condiciones de rendimiento máximo, dando lugar a tres tipos fundamentales, lentas, normales y rápidas, diferenciándose unas de otras en la forma del rodete. Haciendo uso de la ecuación fundamental de las turbinas en condiciones de rendimiento máximo α2 = 90º resulta:

El ángulo β1 es de gran importancia por su influencia sobre la velocidad tangencial y el número de rpm. El rendimiento hidráulico oscila entre 0,85 y 0,95.

Los triángulos de velocidades a la entrada son de la forma indicada, en donde en función de los coeficientes óptimos de velocidad, se tiene:

La condición de rendimiento máximo: c2n= 0, µ2= 0, implica un rendimiento hidráulico de la forma:

que puede lograrse variando ξ1 ó µ1 de forma que si uno aumenta el otro tiene que disminuir y viceversa, con lo que u1 y c1 tienen que variar en la misma forma. En primera aproximación se pueden clasificar en función de la velocidad:

Los valores de ξ1 se pueden obtener de las gráficas de Voetsch y Allis Chalmers, en función del número específico de revoluciones.

Rodetes lentos: Se utilizan en los grandes saltos, Fig IV.3; con ellos se tiende a reducir el número de revoluciones, lo cual supone un aumento del diámetro D1 del rodete respecto al del tubo de aspiración D3. El ángulo a la entrada β1 < 90º, (α1 < 15º) y su número de revoluciones específico está comprendido entre 50 y 100. En estas turbinas se obtienen velocidades tangenciales reducidas. Los álabes tienen forma especial, aumentando su espesor a fin de que su cara posterior guíe mejor el chorro que atraviesa el rodete deslizándose en o con las paredes de los álabes, ya que de no ser así el chorro se despegaría de la cara posterior de los mismos, originando remolinos.

Rodetes

normales:

Se caracterizan porque el diámetro D1 es ligeramente superior al del tubo de aspiración D3, Fig IV.4. El agua entra en el rodete radialmente y sale de él axialmente, entrando así en el tubo de aspiración. El valor de β1 es del orden de 90º, (15º< α1 < 30º) y se alcanza un ns comprendido entre 125 y 200 rpm. No existen apenas huelgos entre el distribuidor y la rueda. En estas turbinas, en el triángulo de velocidades a la entrada, al ser β1 = 90º, se cumple:

Rodetes rápidos: Permiten obtener elevadas velocidades de rotación para valores de ns comprendidos entre 225 y 500, Fig IV. El diámetro del rodete D1 es menor que el D3 del tubo de aspiración y el cambio de dirección del agua se efectúa más bruscamente que en las turbinas normales.

El ángulo de entrada β1 > 90º, (α1< 45º) favorece el aumento del número de revoluciones, porque aumenta  u 1; en estas turbinas hay un huelgo bastante grande entre el rodete y el distribuidor, sin que ello tenga apenas ninguna influencia en el rendimiento; el agua entra radialmente y recorre un cierto espacio antes de entrar en el rodete; en este espacio al no existir rozamientos con los álabes, se consigue mejorar el rendimiento. En estas turbinas, para unos mismos valores de Hn y α1 en comparación con las normales, se obtiene un valor de  c 1 menor, resultando mayor la velocidad tangencial  u 1. Los conductos entre álabes resultan más largos y estrechos y, en consecuencia, las pérdidas por rozamiento son relativamente altas, lo cual reduce el rendimiento; los rodetes trabajan con mucha sobrepresión, produciéndose grandes aceleraciones en los conductos.

Elección de una Turbina Francis de eje horizontal o de eje vertical: Se tienen en cuenta diversos criterios. La turbina Francis de eje horizontal presenta las siguientes ventajas: a. Separación completa de la turbina y el generador. b. Disposición ventajosa de la sala de máquinas ya que la turbina y el generador están situados al mismo nivel. c. Fácil montaje. d. Facilidad de reparaciones en la turbina y en el generador. e. Costo reducido de la turbina y el generador. Respecto a la turbina de eje horizontal, la turbina Francis de eje vertical presenta los siguientes inconvenientes: a. La turbina y el generador ya no son completamente independientes puesto que ambas máquinas han de estar soportadas por un cojinete axial común. b. Al estar superpuestas la turbina y el generador, se precisa construir una sala de máquinas de, por lo menos, dos plantas. c. El montaje es más difícil. d. Los dispositivos de engrase (sobre todo del cojinete axial) son más complicados. e. El costo es superior en aproximadamente, un 20 % a igualdad las demás condiciones. En resumen, que la tendencia moderna es construir turbinas Francis de eje horizontal. Sin embargo, como las primeras turbinas Francis eran de eje vertical, las casas constructoras tienen mayor experiencia en la construcción de turbinas de este tipo, por lo que todavía se realizan muchas instalaciones con turbinas Francis de eje vertical. Sobre todo, es interesante el empleo de estas turbinas cuando, por razones de espacio disponible, conviene reducir la superficie de la sala de máquinas, todo lo que sea posible.

Formas adecuadas de instalar una Turbina Francis En las centrales hidráulicas con saltos de pequeña y mediana altura, la turbina Francis se monta con la cámara de descarga abierta. En las figuras se representan esquemáticamente dos turbinas Francis, de eje vertical y de eje horizontal, respectivamente, montadas en cámara abierta. En este tipo de cámara el agua llega libremente hasta la turbina, quedando ésta sumergida en el agua, tal como puede apreciarse con ambas figuras.

Para saltos de gran altura no es posible la instalación de cámara abierta, pues ésta quedaría sometida a grandes presiones. En estos casos, se emplean cámaras de descarga cerradas y para saltos aún mayores (300 m y más) cámaras de descarga en espiral; el agua llega a la turbina por la tubería forzada y sale por un tubo difusor o de aspiración. En la figura se presenta un esquema de una turbina con cámara forzada.

Potencias de Turbinas Francis:

Esquema de Turbinas Francis en Centrales Hidroeléctricas:

Rodete de una Turbina Francis, Presa Grand Coulee.

Espiral de entrada de una Turbina Francis, Presa Grand Coulee.

Ventajas y desventajas de la Turbina Francis: Ventajas  Su diseño hidrodinámico permite bajas perdidas hidráulicas, por lo cual se garantiza un alto rendimiento.  Su diseño es robusto, de tal modo se obtienen décadas de uso bajo un costo de mantenimiento menor con respecto a otras turbinas.  Junto a sus pequeñas dimensiones, con lo cual la turbina puede ser instalada en espacios con limitaciones físicas, también permiten altas velocidades de giro.  Junto a la tecnología y a nuevos materiales, las nuevas turbinas requieren cada vez menos mantenimiento. Desventajas  No es recomendado para alturas mayores de 800 m, por las presiones existentes en los sellos de la turbina.  Hay que controlar el comportamiento de la cavitación.  No es la mejor opción para utilizar frente a grandes variaciones de caudal debido a que el rendimiento cae al disminuir el caudal de diseño, por lo que se debe tratar de mantener un flujo de caudal constante previsto, antes de la instalación.

Bibliografía

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