Transcript Turbina Francis

PLANTAS HIDROELECTRICAS
TURBINA FRANCIS
 Las norias y turbinas hidráulicas han sido usadas
históricamente para accionar molinos de diversos
tipos, aunque eran bastante ineficientes.
 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.
 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.
 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.
 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.
 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
 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.
 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.
COMO OPERAN
LAS TURBINAS FRANCIS
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
 Se clasifican, en función de la velocidad específica del
rotor y de las características del salto
 Turbina Francis lenta
 Turbinas Francis normal
 Turbinas Francis rapidas y extrarapidas
TURBINA FRANCIS LENTA
 Para saltos de gran altura, alrededor de 200 m o más
TURBINA FRANCIS NORMAL
 Indicada en saltos de altura media, entre 200 y 20 m
TURBINA FRANCIS RAPIDA Y
EXTRARAPIDA
 Apropiadas para saltos de pequeña altura, inferiores a
20 m
TURBINA DE EJE VERTICAL
TURBINA DE EJE HORIZONTAL
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.
 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 predistribuidor y el distribuidor
 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
 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.
 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.
 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.
 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
 Para la elección de una turbina Francis de eje
horizontal o de eje vertical, se tienen en cuenta
diversos criterios.
HORIZONTAL
VERTICAL
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
 Está constituida por la unión sucesiva de una serie de
virolas tronco-cónicas, cuyos ejes respectivos forman
una espiral.
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
 Se trata de la pieza fundamental donde se obtiene la
energía mecánica deseada
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
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
 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
 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
 Destinados a soportar esfuerzos axiales
PRINCIPALES PARAMETROS QUE INFLUYEN
EN LA EFICIENCIA
 La altura efectiva: busca ser máxima en los casos que el agua abandona
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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
 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.
 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.
 Se fabrican micro turbinas Francis baratas para la
producción individual de energía para saltos mínimos
de 52 metros.
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
 - Es renovable.
 - No se consume. Se toma el agua en un punto y se devuelve
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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.
No 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
cavitación.
 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.