Turbinas Francis: características y rendimiento

Turbinas Francis: características y rendimiento

La turbina Francis es una turbina hidráulica utilizada en instalaciones de energía hidráulica que funcionan con una altura de caída considerable.

Esta turbina fue desarrollada por James Bicheno Francis. La función de la turbina Francis es, principalmente, generar electricidad con la ayuda de un generador.

La turbina Francis es el tipo más común de turbina que se instala en las plantas de generación de energía que funcionan sobre la base del flujo de masa de agua a través de una planta de producción.

En contraste con la turbina Pelton, la turbina Francis funciona en su mejor momento completamente llena de agua en todo momento.

Rendimiento de una turbina Francis

El rendimiento de una turbina Francis se mide comúnmente a través de su eficiencia hidráulica, que depende de cómo convierte la energía del agua en energía mecánica.

Un estudio de diversas plantas hidroeléctricas ha mostrado que, en condiciones ideales, las turbinas Francis pueden alcanzar eficiencias de hasta un 93% a 95%. Esto ocurre cuando el flujo de agua y la altura de caída se encuentran dentro de un rango optimizado, donde la turbina opera cerca de su punto de diseño. En estas condiciones, la conversión de la energía hidráulica en energía mecánica es extremadamente eficiente, y las pérdidas de energía por fricción y turbulencia son mínimas.

Sin embargo, cuando la turbina se opera fuera de su rango de diseño, por ejemplo, en casos de caudales fluctuantes o cambios en la altura de la caída, la eficiencia puede disminuir considerablemente.

En condiciones de carga parcial, la eficiencia puede caer a valores del 85% al 90%. En algunos casos extremos, cuando la turbina opera a caudales muy bajos o a caídas muy altas (fuera de los parámetros óptimos de diseño), la eficiencia puede disminuir incluso por debajo del 80%.

El estudio de una planta hidroeléctrica en los Alpes suizos mostró que, con caudales muy variables, el rendimiento de una turbina Francis puede verse afectado, pero aún se mantiene dentro de un rango de eficiencia de entre el 85% y el 90%, lo que resalta su capacidad de adaptación.

En comparación, otras turbinas, como las Kaplan, pueden tener un rendimiento ligeramente mejor en situaciones de caudal variable, pero con limitaciones en cuanto a la altura de la caída.

Tipo de turbina

La turbina Francis es clasificada como una turbina de reacción. Esto significa que la energía hidráulica que se convierte en energía mecánica no solo proviene de la velocidad del agua, sino también de la diferencia de presión.

A diferencia de las turbinas de impulso, en las que el agua golpea las palas a alta velocidad, las turbinas de reacción como la Francis aprovechan tanto el cambio de presión como el flujo del agua para generar trabajo. En una turbina de reacción, el fluido sigue un camino dentro de la máquina y, a medida que pasa por las palas, su presión disminuye y su velocidad aumenta, lo que resulta en la conversión de la energía del agua en energía rotacional.

Este tipo de turbina es muy eficiente en caídas medias a altas, que suelen ser características de muchas plantas hidroeléctricas, y puede operar en una variedad de condiciones hidráulicas, adaptándose a diferentes caudales y alturas de caída.

Diseño de una turbina Francis

Sección interior de una turbina Francis El diseño de esta turbina es altamente especializado para maximizar su eficiencia en una amplia gama de condiciones operativas.

La turbina cuenta con un rotor, que es un conjunto de palas curvadas y dispuestas de forma tal que el agua fluye a través de ellas en un ángulo que optimiza la conversión de energía. El agua entra de manera radial (perpendicular al eje de la turbina) y luego se convierte en un flujo axial (a lo largo del eje). Este diseño es ideal para situaciones de caída media a alta, donde el agua entra con presión y se convierte en energía mecánica de forma eficiente.

Además, la turbina Francis tiene una carcasa espiral que guía el flujo de agua de manera uniforme hacia el rotor, lo que ayuda a reducir las pérdidas de energía por turbulencias y mejora la eficiencia general del sistema. Esta carcasa y el diseño de las palas permiten que la turbina funcione de manera estable incluso cuando las condiciones del caudal y la altura de caída varían.

Aplicaciones de la turbina Francis

Las turbinas Francis de gran tamaño son diseñadas de manera personalizada para maximizar la eficiencia en función de las características específicas de cada sitio, como el suministro de agua y la altura de caída disponible. Su capacidad para adaptarse a diferentes condiciones de caudal y altura de caída las convierte en una opción ideal para plantas hidroeléctricas de gran escala.

Además de su uso principal en la generación de energía eléctrica, las turbinas Francis son ampliamente utilizadas en centrales hidroeléctricas de almacenamiento por bombeo.

En este tipo de instalaciones, se emplean dos embalses situados a diferentes alturas. Durante períodos de baja demanda energética, el exceso de energía disponible es utilizado para bombear agua desde el embalse inferior al superior. En este proceso, la turbina Francis actúa como una bomba, utilizando un generador eléctrico que funciona como un motor para realizar el bombeo de agua.

Cuando la demanda de electricidad aumenta, el generador eléctrico se invierte y comienza a generar electricidad utilizando el agua almacenada en el embalse superior. Este sistema de almacenamiento permite equilibrar las fluctuaciones de la demanda energética, haciendo de las turbinas Francis una opción eficiente y flexible para plantas hidroeléctricas que necesitan operar bajo diferentes condiciones de carga.

Ventajas y desventajas de la turbina Francis

Ventajas principales

  1. Facilidad de control en condiciones variables: La turbina Francis es muy fácil de controlar, incluso cuando la altura de caída y el caudal del agua fluctúan, lo que permite su funcionamiento eficiente en diversas condiciones operativas.
  2. Alta estabilidad en eficiencia: La variación de su eficiencia con el paso del tiempo es mínima, lo que garantiza un rendimiento confiable y duradero a lo largo de su vida útil.
  3. Tamaño compacto: El tamaño del corredor de la turbina Francis es relativamente pequeño en comparación con otros tipos de turbinas, lo que permite una instalación más compacta y menos costosa.
  4. Bajo costo de mantenimiento: En comparación con otras turbinas hidráulicas, las turbinas Francis requieren un mantenimiento relativamente bajo, lo que contribuye a una mayor rentabilidad y reducción de costes operativos.

Desventajas principales

  1. Diseño específico para caudal determinado: Las turbinas Francis están diseñadas para operar de manera óptima con un caudal específico. No son la mejor opción para instalaciones que experimentan grandes variaciones de caudal, ya que el rendimiento puede disminuir considerablemente en tales condiciones.
  2. Limitaciones con alturas de caída mayores a 800 m: Aunque es eficiente en caídas medias a altas, la turbina Francis presenta problemas de rendimiento cuando se utiliza en alturas superiores a los 800 metros, debido a las altas presiones que pueden generar.
  3. Riesgo de cavitación: Al igual que otras turbinas de reacción, las turbinas Francis pueden sufrir cavitación, un fenómeno que ocurre cuando la presión del agua en la entrada de la turbina baja demasiado, causando la formación de burbujas de vapor que dañan las palas y reducen la eficiencia.
  4. Sensibilidad a agua sucia: La entrada de agua con partículas o impurezas puede generar problemas significativos para la turbina, ya que estas partículas pueden dañar los componentes internos, como las palas y el rodete, reduciendo la vida útil de la turbina y afectando su rendimiento.

Partes de una turbina Francis

La turbina Francis, diseñada por James B. Francis, consta de varios componentes clave que trabajan en conjunto para optimizar su eficiencia y conversión de energía. A continuación se describen sus partes principales:

  • Cámara espiral: Esta parte tiene la función de distribuir el fluido a lo largo de la entrada del rodete. Su forma en espiral o caracol asegura que la velocidad media del fluido permanezca constante mientras se dirige hacia el rotor. Esto permite que el agua fluya de manera uniforme, reduciendo las pérdidas y garantizando un rendimiento eficiente en la entrada del sistema.
  • Predistribuidor: Compuesto por álabes fijos, el predistribuidor tiene una función estructural clave, ya que prepara el flujo de agua antes de que ingrese al distribuidor. Su diseño hidrodinámico está optimizado para minimizar las pérdidas hidráulicas y asegurar que el fluido llegue de manera eficiente al siguiente componente, con un flujo laminar que reduce turbulencias.
  • Distribuidor: El distribuidor se compone de álabes móviles que dirigen el agua hacia los álabes fijos del rodete y regulan el caudal admitido. También ajusta la dirección del flujo para mejorar el rendimiento general y permitir que la turbina responda a las variaciones de carga de la red eléctrica. Este componente, conocido como distribuidor Fink, es crucial para la regulación de la potencia de la turbina en función de las condiciones operativas.
  • Rotor o rodete: Es el componente fundamental en el que se produce el intercambio de energía. El rotor convierte la energía hidráulica, que incluye la energía de presión y cinética del agua, en energía mecánica de rotación. Esta energía rotacional se transfiere a un generador eléctrico, convirtiéndola en energía eléctrica. El diseño de las palas del rodete permite una conversión eficiente y estable de la energía del fluido.
  • Tubo de aspiración: Es la salida de la turbina, por donde el agua, una vez utilizada para generar energía, es evacuada del sistema. El diseño del tubo de aspiración está optimizado para reducir las pérdidas de energía en la salida del flujo, garantizando que la turbina funcione de manera eficiente durante todo el proceso.
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Fecha de publicación: 26 de noviembre de 2018
Última revisión: 12 de febrero de 2025