UNIVERSIDAD DE SONORA

UNIVERSIDAD DE SONORATURBINA FRANCISGENERALIDADESUna turbina es una mquina motriz que consiste de una parte giratoria llamada rodete, que se impulsa por un fluido en movimiento.

Este factor es decisivo al momento de escoger el tipo de turbina hidrulica que se instala en la plantaUna cada alta (entre 800 a 2000 pies) requiere una turbina para alta presin, de impulso o tipo Pelton. Si la cada es intermedia (entre 200 y 800 pies), entonces se escoge una turbina de reaccin tipo Francis. Para cadas bajas (menores de 200 pies) se utiliza un tipo de turbina de reaccin tipo Kaplan.

Turbina Francis.Laturbina Francisfue desarrollada porJames B. Francis. Se trata de unaturbo mquinamotora areacciny de flujo mixto.

Las turbinas Francis son turbinas hidrulicasque se pueden disear 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 ms ampliamente usado en el mundo, principalmente para laproduccin de energa elctrica encentrales hidroelctricas.

1- Partes de la Turbina:

Caja EspiralTiene como funcin distribuir uniformemente el fluido en la entrada del rodete.

Caja EspiralLa forma en espiral ocaracolse debe a que la velocidad media del fluido debe permanecer constante en cada punto de la misma. La seccin transversal de la misma puede ser rectangular o circular, siendo esta ltima la ms utilizada.

Predistribuidor Est compuesto por labes fijos que tienen una funcin netamente estructural, para mantener la estructura de la caja espiral y conferirle rigidez transversal, que adems poseen una forma hidrodinmica para minimizar las prdidas hidrulicas.Distribuidor Es un rgano constituido por labes mviles directores, cuya misin es dirigir convenientemente el agua hacia los labes del rodete (fijos) y regular el caudal admitido

Distribuidormodificando de esta forma la potencia de la turbina de manera que se ajuste en lo posible a las variaciones de carga de la red elctrica, a la vez de direccionar el fluido para mejorar el rendimiento de la mquina. Este recibe el nombre de distribuidor Fink.

Rotor La turbina convierte la energa en energa mecnica que se manifiesta en el giro del rodete. El rodete a su vez transmite esta energa por medio de un eje a un generador elctrico dnde se realiza la conversin final en energa elctrica. Tubo de aspiracin Se construye en forma de difusor, para generar un efecto de aspiracin, el cual recupera parte de la energa que no fuera entregada al rotor en su ausencia.

Ventajas y desventajas

ventajasSu diseo hidrodinmico permite bajas perdidas hidrulicas, por lo cual se garantiza un alto rendimiento.Su diseo es robusto, de tal modo se obtienen dcadas de uso bajo un costo de mantenimiento menor con respecto a otras turbinas.Junto a sus pequeas dimensiones, con lo cual la turbina puede ser instalada en espacios con limitaciones fsica tambin permiten altas velocidades de giro.Junto a la tecnologa y a nuevos materiales, las nuevas turbinas requieren cada vez menos mantenimiento.

DesventajasNo es recomendado para altura mayores de 800 m, por las presiones existentes en los sellos de la turbina.Hay que controlar el comportamiento de la cavitacin.No es la mejor opcin para utilizar frente a grandes variaciones de caudal, por lo que se debe tratar de mantener un flujo de caudal constante previsto, antes de la instalacin

Para la eleccin de una turbina Francis de eje horizontal o de eje vertical, se tienen en cuenta diversos criterios.

Para la eleccin 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.Separacin completa de la turbina y el generador.Disposicin ventajosa de la sala de mquinas ya que la turbina y el generador estn situados al mismo nivel.Fcil montaje.Facilidad de reparaciones en la turbina y en el generador.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 mquinas han de estar soportadas por un cojinete axial comn.Al estar superpuestas la turbina y el generador, se precisa construir una sala de mquinas de, por lo menos, dos plantas.El montaje es ms difcil.Los dispositivos de engrase (sobre todo del cojinete axial) son ms complicados.

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTODE UNA TURBINA FRANCIS

La instalacin de este tipo de turbinas se realiza generalmente en centrales en las que para la alimentacin de agua se requiere de la existencia de un embalse. Otra particularidad de la instalacin de estas turbinas, radica en que el conjunto: cmara espiral distribuidor rotor tubo de aspiracin, se encuentran a una cota inferior respecto a la cota del agua a su salida.

En saltos de muy poca altura, la turbina se halla sumergida, en este caso no se dispone de cmara espiral, el rotor se instala en el interior de una cmara abierta conectada directamente con la toma de agua o el embalse.

La energa de presin del agua embalsada, se convierte en energa cintica en su recorrido por la tubera de descarga, la cmara espiral, el pre-distribuidor y el distribuidor.En tales condiciones, provoca el giro del rotor, al discurrir a travs de los labes de la turbina.

A la salida del rotor, el tubo de aspiracin produce una depresin o succin, es en este conducto donde nuevamente la energa cintica es convertida en energa de presin.

APLICACIONESLas grandes turbinas Francis se disean de forma individual para cada emplazamiento, a funcin de lograr la mxima eficiencia posible, habitualmente ms de 90%.Produccin elctrica:La utilizacin de las turbinas en general y en este caso de la turbina Francis, en la actualidad, ha permitido obtener energa elctrica en la mayora de los pases que tienen una geografa adecuada para este tipo de turbina (ros con bajas cadas y altos caudales).

Bombeo y almacenamiento:Adems de la produccin de electricidad, pueden usarse para bombeo y almacenamiento hidroelctrico, donde un embalse superior se llena mediante la turbina ( en este caso usndose como bomba) durante los periodos de baja demanda elctrica, y luego se usa como turbina para generar energa durante los periodos de alta demanda elctrica.Tambin se fabrican micro turbinas Francis baratas para la produccin individual de energa para saltos mnimos de 52 metros.