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PLANTAS HIDROELECTRICAS. TURBINA FRANCIS. Históricos . Las norias y turbinas hidráulicas han sido usadas históricamente para accionar molinos de diversos tipos, aunque eran bastante ineficientes. .

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Las norias y turbinas hidráulicas han sido usadas históricamente para accionar molinos de diversos tipos, aunque eran bastante ineficientes.

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En el siglo XIX las mejoras logradas en las turbinas hidráulicas permitieron que, allí donde se disponía de un salto de agua, se pudiese competir con la máquina de vapor.

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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.

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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.

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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.

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Francis era de origen ingles y emigro a los Estados unidos, donde fue encargado de realizar proyectos hidráulicos utilizando turbinas centrípetas, esto es con recorrido radial del agua de afuera hacia dentro, para un debido aprovechamiento de la acción centrípeta

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Más importante, sus métodos matemáticos y gráficos de cálculo mejoraron el estado del arte en lo referente al diseño e ingeniería de turbinas. Sus métodos analíticos permitieron diseños seguros de turbinas de alta eficiencia.

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Las turbinas Francis 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 diez 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 mediante centrales hidroeléctricas.

introduccion
INTRODUCCION

Las grandes turbinas Francis se diseñan de forma individual para cada emplazamiento, a efectos de lograr la máxima eficiencia posible, habitualmente más del 90%. Son muy costosas de diseñar, fabricar e instalar, pero pueden funcionar durante décadas.

clasificacion de las turbinas francis
CLASIFICACION DE LAS TURBINAS FRANCIS
  • Se clasifican, en función de la velocidadespecífica del rotor y de las características del salto
  • Turbina Francis lenta
  • Turbinas Francis normal
  • Turbinas Francis rapidas y extrarapidas
turbina francis lenta
TURBINA FRANCIS LENTA
  • Para saltos de gran altura, alrededor de 200 m o más
turbina francis normal
TURBINA FRANCIS NORMAL
  • Indicada en saltos de altura media, entre 200 y 20 m
turbina francis rapida y extrarapida
TURBINA FRANCIS RAPIDA Y EXTRARAPIDA
  • Apropiadas para saltos de pequeña altura, inferiores a 20 m
funcionamiento
FUNCIONAMIENTO
  • En la mayoría de los casos, la instalación de este tipo de turbinas, se realiza en centrales para cuya alimentación de agua se requiere la existencia de un embalse.
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Otra particularidad de la instalación de estas turbinas, radica en que el conjunto:

cámara espiral – distribuidor – rotor –tubo de aspiración, se encuentran a una cota inferior respecto a la cota del agua a su salida

  • La energía de presión del agua embalsada, se convierte en energía cinética en su recorrido por la tubería de descarga, la cámara espiral, el pre-distribuidor y el distribuidor
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En tales condiciones, provoca el giro del rotor, al discurrir a través de los álabes de la turbina

  • A la salida del rotor, el tubo de aspiración produce una depresión o succión, es en este conducto donde nuevamente la energía cinética es convertida en energía de presión
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La función de una planta hidroeléctrica es utilizar la energía potencial del agua almacenada en un lago, a una elevación más alta y convertirla, primero en energía mecánica y luego en eléctrica. 

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Este proceso toma en consideración varios factores entre los cuales uno de los más importantes es la caída de agua (head).  Este factor es decisivo al momento de escoger el tipo de turbina hidráulica que se instala en la planta.

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Una caída alta (entre 800 a 2000 pies) requiere una turbina para alta presión, de impulso o tipo Pelton. 

  • Si la caída es intermedia (entre 200 y 800 pies), entonces se escoge una turbina  de reacción tipo Francis. 
  • Para caídas bajas (menores de 200 pies) se utiliza un tipo de turbina de reacción tipo Kaplan.
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La turbina Francis es un motor hidráulico de reacción, que se emplea para caudales y alturas medias

En la figura, está representada en semicorte axial una turbina NEYRPIC,

de 100.000 CV de potencia, 333 r.p.m. para un salto de 179 m

horizontal vertical
HORIZONTAL VERTICAL
  • Para la elección de una turbina Francis de eje horizontal o de eje vertical, se tienen en cuenta diversos criterios.
componentes
COMPONENTES:
  • Cámara espiral.
  • Distribuidor.
  • Rodete.
  • Tubo de aspiración
  • Eje.
  • Equipo de sellado del eje de turbina.
  • Cojinete guía de turbina.
  • Cojinete de empuje.
camara espiral
CAMARA ESPIRAL
  • Está constituida por la unión sucesiva de una serie de virolas tronco-cónicas, cuyos ejes respectivos forman una espiral.
distribuidor
DISTRIBUIDOR
  • Está formado por un determinado número de palas móviles, cuyo conjunto constituye un anillo que está situado concéntricamente y entre las mismas cotas en altura que el antedistribuidor, descrito al exponer la cámara espiral, siendo, en definitiva, camino continuado del agua en su recorrido hacia el centro de la turbina
rodete
RODETE
  • Se trata de la pieza fundamental donde se obtiene la energía mecánica deseada
tubo de aspiracion
TUBO DE ASPIRACION
  • Recibe otros nombres, tales como hidrocono, difusor, etc. Consiste en una conducción, normalmente acodada, que une la turbina propiamente dicha con el canal de desagüe. Tiene como misión recuperar al máximo la energía cinética del agua a la salida del rodete o, dicho de otra forma, aprovechar el salto existente entre la superficie libre del agua y la salida del rodete
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EJE
  • Por medio del eje de turbina, al estar rígidamente unido mediante acoplamiento al eje del alternador, se transmite al rotor de éste el movimiento de rotación necesario
equipo de sellado
EQUIPO DE SELLADO
  • Como su nombre indica, está destinado a sellar, en definitiva, a cerrar e impedir el paso de agua que pudiera fluir desde el rodete hacia el exterior de la turbina, por el espacio existente entre la tapa de la misma y el eje.
cojinete guia
COJINETE GUIA
  • Está situado lo más cerca posible del rodete, sobre la tapa superior de turbina, inmediatamente por encima del cierre estanco o sellado del eje
cojinete de empuje
COJINETE DE EMPUJE
  • Destinados a soportar esfuerzos axiales
principales parametros que influyen en la eficiencia
PRINCIPALES PARAMETROS QUE INFLUYEN EN LA EFICIENCIA
  • La altura efectiva: busca ser máxima en los casos que el agua abandona el rodete axialmente
  • El perfil de los alabes del rodete: es diseñado teniendo en cuenta principalmente, el caudal y los ángulos de entrada y salida del agua
  • El perfil de los alabes del distribuidor
  • La operación a velocidad variable y constante
  • La cavitación como turbulencia
  • El tamaño en cuanto alas perdidas por fugas
  • Las perdidas por choques ala entrada del rodete
  • Las perdidas por fricción del fluido
  • Las perdidas de energía cinética debido ala velocidad absoluta del agua en la descarga del rodete.
eficiencias
EFICIENCIAS
  • Las grandes turbinas Francis se diseñan de forma individual para cada emplazamiento, a efectos de lograr la máxima eficiencia posible, habitualmente más del 90%. Son muy costosas de diseñar, fabricar e instalar, pero pueden funcionar durante décadas.
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Además de para la producción de electricidad, pueden usarse para el bombeo y almacenamiento hidroeléctrico, donde un embalse superior se llena mediante la turbina (en este caso funcionando como bomba) durante los períodos de baja demanda eléctrica, y luego se usa como turbina para generar energía durante los períodos de alta demanda eléctrica.

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Se fabrican micro turbinas Francis baratas para la producción individual de energía para saltos mínimos de 52 metros.

ventajas de la turbina francis

Ventajas de la turbina Francis

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 física también permiten altas velocidades de giro.

Junto a la tecnología y a nuevos materiales, las nuevas turbinas requieren cada vez menos mantenimiento

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- Es renovable.  

  • - No se consume. Se toma el agua en un punto y se devuelve a otro a una cota inferior.
  • - Es autóctona y, por consiguiente, evita importaciones del exterior.  
  • - Es completamente segura para personas, animales o bienes.  
  • - No genera calor ni emisiones contaminantes (lluvia ácida, efecto invernadero...)  
  • - Genera puestos de trabajo en su construcción, mantenimiento y explotación.  
  • - Requiere inversiones muy cuantiosas que se realizan normalmente en comarcas de montaña muy deprimidas económicamente.  
  • - Genera experiencia y tecnología fácilmente exportables a países en vías de desarrollo.
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No es recomendado para altura mayores de 800 m, por las presiones existentes en los sellos de la turbina.

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Hay que controlar el

comportamiento de la

cavitación.

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No es la mejor opción 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 instalación.