La turbina Francis es un tipo de turbina hidráulica . Es una turbina de reacción de flujo interno que combina los conceptos de flujo radial y axial . Las turbinas Francis son las turbinas hidráulicas más comunes en uso en la actualidad y pueden alcanzar una eficiencia superior al 95 %. [1]
El proceso para llegar al diseño moderno del rodete Francis tomó desde 1848 hasta aproximadamente 1920. [1] Se lo conoció como turbina Francis alrededor de 1920, en honor al ingeniero británico-estadounidense James B. Francis , quien en 1848 creó un nuevo diseño de turbina. [1]
Las turbinas Francis se utilizan principalmente para producir electricidad. La potencia de salida de los generadores eléctricos generalmente varía desde unos pocos kilovatios hasta 1000 MW, aunque las instalaciones minihidráulicas pueden ser inferiores. El mejor rendimiento se observa cuando la altura de caída está entre 100 y 300 metros (330 a 980 pies). [2] Los diámetros de las tuberías forzadas están entre 1 y 10 m (3,3 y 32,8 pies). Las velocidades de las diferentes unidades de turbina varían de 70 a 1000 rpm . Una compuerta alrededor del exterior del rodete giratorio de la turbina controla la velocidad del flujo de agua a través de la turbina para diferentes tasas de producción de energía. Las turbinas Francis generalmente se montan con un eje vertical, para aislar el agua del generador. Esto también facilita la instalación y el mantenimiento. [3]
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Durante más de 1000 años se han utilizado ruedas hidráulicas de distintos tipos para impulsar molinos de todo tipo, pero eran relativamente ineficientes. Las mejoras de eficiencia de las turbinas hidráulicas en el siglo XIX permitieron que sustituyeran a casi todas las aplicaciones de ruedas hidráulicas y compitieran con las máquinas de vapor allí donde hubiera energía hidráulica disponible. Después de que se desarrollaran los generadores eléctricos a fines del siglo XIX, las turbinas se convirtieron en una fuente natural de energía generadora allí donde existían posibles fuentes de energía hidroeléctrica.
En 1826, el ingeniero francés Benoit Fourneyron desarrolló una turbina de agua de flujo hacia afuera de alta eficiencia (80%). El agua se dirigía tangencialmente a través del rodete de la turbina, lo que hacía que girara. Otro ingeniero francés, Jean-Victor Poncelet , diseñó una turbina de flujo hacia adentro en torno a 1820 que utilizaba los mismos principios. SB Howd obtuvo una patente estadounidense en 1838 por un diseño similar.
En 1848, James B. Francis , mientras trabajaba como ingeniero jefe de la empresa Locks and Canals en la ciudad de Lowell, Massachusetts , una fábrica textil impulsada por ruedas hidráulicas , [4] mejoró estos diseños para crear turbinas más eficientes. Aplicó principios científicos y métodos de prueba para producir un diseño de turbina muy eficiente. Más importante aún, sus métodos de cálculo matemático y gráfico mejoraron el diseño y la ingeniería de turbinas. Sus métodos analíticos permitieron el diseño de turbinas de alta eficiencia para que coincidieran con precisión con el flujo de agua y la presión ( altura de elevación ) de un sitio.
Una turbina Francis consta de las siguientes partes principales:
Carcasa espiral : La carcasa espiral que rodea el rodete de la turbina se conoce como carcasa de voluta o caja de voluta. A lo largo de su longitud, presenta numerosas aberturas a intervalos regulares para permitir que el fluido de trabajo incida sobre los álabes del rodete. Estas aberturas convierten la energía de presión del fluido en energía cinética justo antes de que el fluido incida sobre los álabes. Esto mantiene una velocidad constante a pesar de que se han previsto numerosas aberturas para que el fluido entre en los álabes, ya que el área de la sección transversal de esta carcasa disminuye uniformemente a lo largo de la circunferencia.
Álabes guía y de apoyo : la función principal de los álabes guía y de apoyo es convertir la energía de presión del fluido en energía cinética. También sirven para dirigir el flujo en ángulos de diseño hacia los álabes del rodete.
Álabes del rodete : los álabes del rodete son el corazón de cualquier turbina. Son los centros donde el fluido choca y la fuerza tangencial del impacto produce un par que hace que el eje de la turbina gire. Es necesario prestar mucha atención al diseño de los ángulos de los álabes en la entrada y la salida, ya que estos son parámetros importantes que afectan la producción de energía.
Tubo de aspiración : El tubo de aspiración es un conducto que conecta la salida del rodete con el canal de descarga por donde se descarga el agua de la turbina. Su función principal es reducir la velocidad del agua descargada para minimizar la pérdida de energía cinética en la salida. Esto permite que la turbina se coloque por encima del agua de descarga sin una caída apreciable de la carga disponible.
La turbina Francis es un tipo de turbina de reacción, una categoría de turbina en la que el fluido de trabajo llega a la turbina bajo una inmensa presión y la energía es extraída por los álabes de la turbina del fluido de trabajo. Una parte de la energía es cedida por el fluido debido a los cambios de presión que ocurren en los álabes de la turbina, cuantificados por la expresión del grado de reacción , mientras que la parte restante de la energía es extraída por la carcasa de voluta de la turbina. A la salida, el agua actúa sobre las características del rodete en forma de copa que gira, saliendo a baja velocidad y con poco remolino con muy poca energía cinética o potencial restante. El tubo de salida de la turbina tiene una forma que ayuda a desacelerar el flujo de agua y recuperar la presión.
Por lo general, la velocidad del flujo (velocidad perpendicular a la dirección tangencial) permanece constante en todo momento, es decir, V f1 = V f2 y es igual a la que hay en la entrada del tubo de aspiración. Utilizando la ecuación de la turbina de Euler, E / m = e = V w1 U 1 , donde e es la transferencia de energía al rotor por unidad de masa del fluido. A partir del triángulo de velocidad de entrada,
y
Por lo tanto
La pérdida de energía cinética por unidad de masa en la salida es V f2 2 /2 . Por lo tanto, despreciando la fricción, la eficiencia de la pala se convierte en
es decir
El grado de reacción se puede definir como la relación entre el cambio de energía de presión en las palas y el cambio de energía total del fluido. [5] Esto significa que es una relación que indica la fracción del cambio total en la energía de presión del fluido que se produce en las palas de la turbina. El resto de los cambios se producen en las palas del estator de las turbinas y en la carcasa de la voluta, ya que tiene un área de sección transversal variable. Por ejemplo, si el grado de reacción se da como 50%, eso significa que la mitad del cambio de energía total del fluido se produce en las palas del rotor y la otra mitad en las palas del estator. Si el grado de reacción es cero, significa que los cambios de energía debidos a las palas del rotor son cero, lo que lleva a un diseño de turbina diferente llamado turbina Pelton .
La segunda igualdad anterior se cumple, ya que la descarga es radial en una turbina Francis. Ahora, ingresando el valor de 'e' de arriba y usando (como )
Las turbinas Francis pueden diseñarse para una amplia gama de alturas y caudales. Esta versatilidad, junto con su alta eficiencia, las ha convertido en las turbinas más utilizadas en el mundo. Las unidades de tipo Francis cubren un rango de alturas de 40 a 600 m (130 a 2000 pies), y la potencia de salida de su generador conectado varía desde unos pocos kilovatios hasta 1000 MW. Las turbinas Francis de gran tamaño se diseñan individualmente para cada sitio para operar con el caudal de agua y la altura de agua determinados con la mayor eficiencia posible, normalmente superior al 90% (hasta el 99% [6] ).
A diferencia de la turbina Pelton , la turbina Francis funciona mejor cuando está completamente llena de agua en todo momento. La turbina y el canal de salida pueden colocarse por debajo del nivel del lago o del mar en el exterior, lo que reduce la tendencia a la cavitación .
Además de la producción eléctrica , también se pueden utilizar para el almacenamiento por bombeo , donde un depósito se llena con la turbina (que actúa como una bomba) impulsada por el generador que actúa como un gran motor eléctrico durante los períodos de baja demanda de energía, y luego se invierte y se utiliza para generar energía durante la demanda máxima. Estos depósitos de almacenamiento por bombeo actúan como grandes fuentes de almacenamiento de energía para almacenar energía eléctrica "excedente" en forma de agua en depósitos elevados. Este es uno de los pocos métodos que permiten almacenar capacidad eléctrica excedente temporal para su uso posterior.
