La turbina Francis es un tipo de turbina hidráulica . Es una turbina de reacción de flujo interno que combina conceptos de flujo radial y axial . Las turbinas Francis son las turbinas hidráulicas más comunes que se utilizan 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 conoció como turbina Francis alrededor de 1920, y lleva el nombre del 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 los generadores eléctricos suele oscilar entre unos pocos kilovatios y 1.000 MW, aunque las instalaciones minihidráulicas pueden ser inferiores. El mejor rendimiento se observa cuando la altura de la cabeza está entre 100 y 300 metros (330 y 980 pies). [2] Los diámetros de las compuertas forzadas están entre 1 y 10 m (3,3 y 32,8 pies). Las velocidades de las diferentes unidades de turbina oscilan entre 70 y 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 suelen montarse con un eje vertical para aislar el agua del generador. Esto también facilita la instalación y el mantenimiento. [ cita necesaria ]
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Durante más de 1.000 años se han utilizado ruedas hidráulicas de diferentes tipos para impulsar molinos de todo tipo, pero eran relativamente ineficientes. Las mejoras en la eficiencia de las turbinas hidráulicas en el siglo XIX les permitieron reemplazar casi todas las aplicaciones de ruedas hidráulicas y competir con las máquinas de vapor dondequiera que estuviera disponible la energía hidráulica. Después de que se desarrollaron los generadores eléctricos a fines del siglo XIX, las turbinas fueron una fuente natural de energía generadora donde existían posibles fuentes de energía hidroeléctrica.
En 1826, el ingeniero francés Benoit Fourneyron desarrolló una turbina hidráulica de flujo hacia afuera de alta eficiencia (80%). El agua se dirigió tangencialmente a través del rodete de la turbina, provocando que girara. Otro ingeniero francés, Jean-Victor Poncelet , diseñó una turbina de flujo hacia adentro alrededor de 1820 que utilizaba los mismos principios. SB Howd obtuvo una patente estadounidense en 1838 para un diseño similar.
En 1848 , James B. Francis , mientras trabajaba como ingeniero jefe de la compañía Locks and Canals en la ciudad de Lowell, Massachusetts , fábrica textil impulsada por ruedas hidráulicas , [3] 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 las turbinas. Sus métodos analíticos permitieron el diseño de turbinas de alta eficiencia para igualar con precisión el flujo y la presión de agua ( cabeza de agua ) de un sitio.
Una turbina Francis consta de las siguientes partes principales:
Carcasa en espiral : La carcasa en espiral que rodea el rodete de la turbina se conoce como carcasa de voluta o caja de espiral. A lo largo de su longitud, tiene numerosas aberturas a intervalos regulares para permitir que el fluido de trabajo incida sobre las palas del rodete. Estas aberturas convierten la energía de presión del fluido en energía cinética justo antes de que el fluido incida sobre las palas. Esto mantiene una velocidad constante a pesar de que se han previsto numerosas aberturas para que el fluido entre en las palas, ya que el área de la sección transversal de esta carcasa disminuye uniformemente a lo largo de la circunferencia.
Paletas guía y tirantes : La función principal de las paletas guía y tirantes es convertir la energía de presión del fluido en energía cinética. También sirve para dirigir el flujo en ángulos de diseño hacia las palas del rodete.
Palas de rodadura : Las palas de rodadura son el corazón de cualquier turbina. Estos son los centros donde golpea el fluido 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 las palas en la entrada y salida, ya que estos son parámetros importantes que afectan la producción de energía.
Tubo de tiro : El tubo de tiro es un conducto que conecta la salida del rodete con la pista de cola 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 cola sin una caída apreciable de la altura 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 presión inmensa y las palas de la turbina extraen la energía del fluido de trabajo. Una parte de la energía es cedida por el fluido debido a los cambios de presión que se producen 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. En la salida, el agua actúa sobre las características del corredor giratorio en forma de copa, saliendo a baja velocidad y bajo remolino con muy poca energía cinética o potencial . El tubo de salida de la turbina tiene una forma que ayuda a desacelerar el flujo de agua y recuperar la presión.
Normalmente 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 de la entrada al tubo de aspiración. Usando 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. Desde el 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, si se desprecia la fricción, la eficiencia de la hoja se vuelve
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. [4] Esto significa que es una relación que indica la fracción del cambio total en la energía de presión del fluido que ocurre 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 total de energía del fluido tiene lugar 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 flujos. Esta versatilidad, junto con su alta eficiencia, las ha convertido en la turbina más utilizada del mundo. Las unidades tipo Francis cubren un rango de altura de 40 a 600 m (130 a 2000 pies) y la potencia de salida del generador conectado varía desde unos pocos kilovatios hasta 1000 MW. Las turbinas Francis grandes están diseñadas individualmente para que cada sitio funcione con el flujo de agua y la altura de agua determinados con la mayor eficiencia posible, generalmente por encima del 90% (al 99% [5] ).
A diferencia de la turbina Pelton , la turbina Francis funciona en el mejor de los casos 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 almacenamiento por bombeo , donde la turbina (que actúa como bomba) llena un depósito impulsado por el generador que actúa como un gran motor eléctrico durante períodos de baja demanda de energía, y luego se invierte y Se utiliza para generar energía durante los picos de demanda. Estos depósitos de almacenamiento por bombeo actúan como grandes fuentes de almacenamiento de energía para almacenar el "exceso" de energía eléctrica en forma de agua en depósitos elevados. Este es uno de los pocos métodos que permiten almacenar temporalmente el exceso de capacidad eléctrica para su uso posterior.
