Turbina Francis
Historia
La turbina Francis fue
desarrollada por James
B. Francis. Se trata de
una turbomáquina moto
ra a reacción y de flujo
mixto.
Turbina Francis
• También conocidas como turbinas de sobrepresión, de
admisión total, turbinas radial-axial o como turbinas de
reacción.
• El campo de aplicación es muy extenso, pueden
emplearse en saltos de distintas alturas dentro de una
amplia gama de caudales (entre 2 y 200 m3/s
aproximadamente).
Turbina Francis
• Las turbinas Francis son de muy buen rendimiento, pero
solamente entre determinados márgenes de descarga,
entre 60 % y 100 % del caudal máximo.
• Esta es una de las razones por la que en una central
hidroeléctrica se disponen varias unidades, a objeto de
que ninguna trabaje, individualmente, por debajo de
valores del 60 % de la descarga total.
Turbina Francis
• Al igual que las turbinas Pelton, las turbinas Francis
pueden ser instaladas con el eje en posición horizontal o
en posición vertical.
• Siendo la posición vertical del eje la más generalizada
por estar ampliamente experimentada, especialmente en
el caso de unidades de gran potencia
Posición vertical y horizontal
CLASIFICACION
DE LAS
TURBINAS FRANCIS
• Se clasifican, en función de la velocidad específica del
rotor y de las características del salto.
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.
 Turbinas Francis rápidas y extrarrápidas:
apropiadas para saltos de pequeña altura, inferiores a 20
m.
COMPONENTES DE UNA TURBINA
FRANCIS
Componentes de una
turbina Francis:
 Cámara espiral
 Distribuidor
 Rotor o rodete
 Tubo de aspiración
 Eje
 Equipo de sallado
 Cojinete guía
 Cojinete de empuje
CÁMARA ESPIRAL
• Está constituida por la unión
sucesiva de una serie de
virolas tronco-cónicas, cuyos
ejes respectivos forman una
espiral.
• Esta disposición se conoce
como el caracol de la turbina
y debido a su diseño se
consigue que el agua circule
con velocidad constante y sin
formar torbellinos,
evitándose pérdidas de
carga.
CÁMARA ESPIRAL
• En la zona periférica interna y
concéntrica con el eje de la
turbina se encuentra una
abertura circular formando un
anillo, cuyos extremos están
enlazados paralelamente al eje
de la turbina por una sucesión
de palas fijas equidistantes una
de otra, a través del cual fluirá
el agua, esta zona es
denominada pre-distribuidor
de la turbina
DISTRIBUIDOR
• El distribuidor está formado
por un determinado número
de palas móviles, cuyo
conjunto constituye un anillo
que está situado
concéntricamente entre el
pre-distribuidor y la turbina.
• Su función es la de distribuir
y regular, eventualmente
cortar totalmente, el caudal
de agua que fluye hacia el
rotor.
Elementos componentes
del distribuidor
Palas directrices
Equipo de accionamiento
Servomotores
 Anillo de distribución
Bielas
DISTRIBUIDOR
Palas directrices o álabes
directrices
• Son las palas móviles, cada una de
ellas al unísono con las demás
pueden orientarse dentro de ciertos
límites, al girar su eje pasando de la
posición de cierre total a la de
máxima apertura, que corresponde
al desplazamiento extremo,
tendiendo a quedar en dirección
radial.
DISTRIBUIDOR
• Equipo de accionamiento : se trata de un conjunto
de dispositivos mecánicos, a base de servomecanismos,
palancas y bielas, que constituyen el equipo de
regulación de la turbina, gobernado por el regulador de
velocidad.
• Servomotores hidráulicos: normalmente son dos,
desplaza una gran biela en sentido inverso una respecto
de la otra, proporcionando un movimiento de giro
alternativo a un aro móvil, llamado anillo o volante de
distribución, concéntrico con el eje de a turbina.
DISTRIBUIDOR
• Anillo de distribución: con sus movimientos, hace
girar a todas y cada una de las palas directrices; el giro
conjunto y uniforme de las palas directrices, permite
variar la sección de paso de agua a través del
distribuidor.
DISTRIBUIDOR
• Bielas : el eje de la
pala directriz va ligada
al anillo mediante una
biela, la misma no va
unida directamente al
anillo, sino que lo hace
mediante una bieleta,
que ejerce la función
de fusible mecánico.
ROTOR
• Se trata de la pieza
fundamental mediante
la cual se obtiene la
energía mecánica
deseada.
• Está unido
rígidamente al eje de la
turbina y
perfectamente
concéntrica con el
distribuidor.
ROTOR
• Consta de un núcleo central
alrededor del cual se encuentra
dispuesto determinado número
de palas de superficie alabeada
equidistantemente repartidas y
fijadas al núcleo.
• Forma una pieza única hecha por
fundición o soldadura sin uniones
ni fijaciones accesorias.
ROTOR
Las palas están unidas por su parte externa inferior a un
anillo que hace cuerpo con las mismas.
 En su extremo superior van unidas a otro anillo el cual
va sujeto al eje de la turbina.
La longitud y mayor o menor inclinación respecto al eje
de la turbina de las palas o álabes del rotor dependen del
caudal, de la altura del salto y de la velocidad específica.
ROTOR
• Experimentalmente, se ha establecido que el
número de álabes del rotor debe de ser diferente
al de álabes del distribuidor, en caso contrario se
producirían vibraciones al coincidir los espacios
de ambos conjuntos.
• El número de álabes del distribuidor suele ser
primo, respecto al número de álabes del rotor.
ROTOR
• Un componente importante del rotor es
el Difusor también denominado cono
deflector o cono de dispersión.
• Constituye un cuerpo en forma
troncocónica con la base mayor hacia
del eje, dando la apariencia de
terminación de éste.
• Su función consiste en dirigir el agua
que sale a través de los álabes del rotor,
evitando choques entre sí y contra los
propios álabes, a fin de evitar
torbellinos y otros efectos hidráulicos
perjudiciales.
TUBO DE ASPIRACION
• Consiste en un
conducto, normalmente
acodado, que une la
turbina con el canal de
desagüe. Tiene como
misión recuperar al
máximo la energía
cinética del agua a la
salida del rotor.
EJE
• Es por medio del eje
de turbina, que al
estar rígidamente
unido mediante un
acoplamiento al eje
del generador,
transmite al rotor
del generador el
movimiento de
rotación.
EQUIPO DE SELLADO DEL EJE
• Está destinado a sellar, cerrar e impedir el paso de agua,
que pudiera fluir desde el rotor hacia el exterior de la
turbina, por el espacio existente entre la tapa de la
turbina y el eje.
• Consta de una serie de aros formados por juntas de
carbón o material sintético presionadas, generalmente
por medio de servomecanismos hidráulicos u otro
medio mecánico, sobre un collar solidario al eje.
EQUIPO DE SELLADO DEL EJE
COJINETE GUIA
• Constituye un anillo,
normalmente dividido
radialmente en dos mitades,
o de una serie de segmentos,
que se asientan
perfectamente sobre el eje.
• Las superficies en contacto
están recubiertas de
material antifricción.
COJINETE DE EMPUJE
• Este elemento, conocido también como soporte de
suspensión, es un componente característico y necesario
en todos los grupos (conjunto turbina-generador) de eje
vertical.
• Su ubicación, respecto al eje del grupo varia según los
tipos de turbinas.
• En el caso de grupos accionados por turbinas Pelton o
Francis, el cojinete se ubica encima del rotor del
generador.
COJINETE DE EMPUJE
PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO
DE UNA TURBINA FRANCIS
• La instalación de este tipo de turbinas se realiza
generalmente en centrales en las que para la
alimentación de agua se requiere de 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.
PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO
DE UNA TURBINA FRANCIS
• En saltos de muy poca
altura, la turbina se halla
sumergida, en este caso no
se dispone de cámara
espiral, el rotor se instala
en el interior de una
cámara abierta conectada
directamente con la toma
de agua o el embalse.
PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO
DE UNA TURBINA FRANCIS
• 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.
• 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.
Ventajas
• 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.
Desventajas
• 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
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