TURBINAS FRANCIS

GENERALIDADES:Una turbina es una mquina motriz que consiste de una parte giratoria llamada rodete, que se impulsa por un fluido en movimiento. Dependiendo de la naturaleza de este fluido, las turbinas se pueden dividir en: hidrulicas, a vapor y a gas. La funcin de una planta hidroelctrica es utilizar la energa potencial del agua almacenada en un lago, a una elevacin ms alta y convertirla, primero en energa mecnica y luego en elctrica. Este proceso toma en consideracin varios factores entre los cuales uno de los ms importantes es la cada de agua (head). Este factor es decisivo al momento de escoger el tipo de turbina hidrulica que se instala en la planta.Una 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. La turbina Francis es un motor hidrulico de reaccin, que se emplea para caudales y alturas mediasLas Turbinas Francis son conocidas como turbinas de sobrepresin por ser variable la presin en las zonas del rodete, o de admisin total ya que ste se encuentra sometido a la influencia directa del agua en toda su periferia. Tambin se conocen como turbinas radiales-axiales y turbinas de reaccin, conceptos que se ampliarn en su momento.El campo de aplicacin es muy extenso, dado el avance tecnolgico conseguido en la construccin de este tipo de turbinas. Pueden emplearse en saltos de distintas alturas dentro de una amplia gama de caudales (entre 2 y 200 m3/s aproximadamente).Consideraremos la siguiente clasificacin, en funcin de la velocidad especfica del rodete, cuyo nmero de revoluciones por minuto depende de las caractersticas del salto.- Turbina Francis lenta. Para saltos de gran altura (alrededor de 200 m o ms).- Turbina Francis normal. Indicada en saltos de altura media (entre 200 y 20 m)- Turbinas Francis rpidas y extrarrpidas. Apropiadas a saltos de pequea altura (inferiores a 20 m).Turbina FrancisLa turbina Francis fue desarrollada por James B. Francis. Se trata de una turbo mquina motora a reaccin y de flujo mixto.Las turbinas Francis son turbinas hidrulicas que se pueden disear para un amplio rango de saltos y caudales, siendo capaces de operar en rangos de desnivel que van de los diez 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 la produccin de energa elctrica mediante centrales hidroelctricas.1- Partes de la Turbina: Caja espiralTiene como funcin distribuir uniformemente el fluido en la entrada del rodete de una turbina PredistribuidorTienen una funcin netamente estructural, para mantener la estructura de la caja espiral, tienen una forma hidrodinmica para minimizar las prdidas hidrulicas. DistribuidorEs el nombre con que se conocen los labes directores de la turbomquina, su funcin es regular el caudal que entra en la turbina, a la vez de direccionar al fluido para mejorar el rendimiento de la mquina. Este recibe el nombre de distribuidor Fink. RotorEs el corazn de la turbina, ya que aqu tiene lugar el intercambio de energa entre la mquina y el fluido, pueden tener diversas formas dependiendo del nmero de giros especfico para el cual est diseada la mquina. Tubo de aspiracinEs la salida de la turbina. Su funcin es darle continuidad al flujo y recuperar el salto perdido en las instalaciones que estn por encima del nivel de agua a la salida. En general 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.2- AplicacionesLas grandes turbinas Francis se disean de forma individual para cada emplazamiento, a efectos de lograr la mxima eficiencia posible, habitualmente ms del 90%. Son muy costosas de disear, fabricar e instalar, pero pueden funcionar durante dcadas.Adems de para la produccin de electricidad, pueden usarse para el bombeo y almacenamiento hidroelctrico, donde un embalse superior se llena mediante la turbina (en este caso funcionando como bomba) durante los perodos de baja demanda elctrica, y luego se usa como turbina para generar energa durante los perodos de alta demanda elctrica.Se fabrican micro turbinas Francis baratas para la produccin individual de energa para saltos mnimos de 52 metros.3- Ventajas y desventajas3.1 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.3.2 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 instalacin4 -Funcionamiento:La energa potencial gravitatoria del agua embalsada, se convierte en energa cintica en su recorrido hacia el distribuidor, donde, a la salida de ste, se dispone de energa en forma cintica y de presin, siendo, la velocidad de entrada del agua en el rodete, inferior a la que correspondera por altura de salto, debido a los cambios bruscos de direccin en su recorrido.Centrndonos en la zona del distribuidor, podemos aadir que el agua, a su paso por las palas fijas de la cmara espiral y las palas directrices del distribuidor, disminuye su presin, adquiriendo velocidad y, en tales condiciones, provoca el giro del rodete, al discurrir a travs de los labes de ste, sobre los cuales acta el resto de la presin existente en las masas de agua dotadas, a su vez, de energa cintica. El tubo de aspiracin produce una depresin en la salida del rodete o, dicho en otros trminos, una succin.Las turbinas Francis, son de rendimiento ptimo, pero solamente entre unos determinados mrgenes (para 60 % y 100 % del caudal mximo), siendo una de las razones por la que se disponen varias unidades en cada central, al objeto de que ninguna trabaje, individualmente, por debajo de valores del 60 % de la carga total.Al igual que las turbinas Pelton, las turbinas Francis pueden ser instaladas con el eje en posicin horizontal o vertical siendo esta ltima disposicin la ms generalizada por estar ampliamente experimentada, especialmente en el caso de unidades.