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.
Ventaja y desventajas de la turbina Francis
Las principales ventajas que ofrece son:
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Es muy fácil de controlar incluso con alturas variables.
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La variación de su eficiencia es muy baja con el paso del tiempo.
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El tamaño del corredor es pequeño comparado con otros tipos de turbinas.
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Tiene un costo de mantenimiento menor con respecto a los otros tipos de turbinas.
Las principales desventajas son:
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Las turbinas francis se diseñan para un determinado caudal. No es la mejor opción para utilizar frente a grandes variaciones de caudal ya que el rendimiento baja.
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Presenta problemas cuando trabaja con alturas mayores de 800 m.
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Presenta un problema de cavitación.
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La entrada de agua sucia con partículas puede generar importantes problemas a la turbina.
¿Cuál es el rendimiento de una turbina Francis?
Las turbinas Francis tienen una alta eficiencia, más del 90%. Además, este tipo de turbinas hidráulicas se pueden diseñar con una variada gama de cabezales y flujos.
Tienen una amplia gama de actividades en comparación con la altura del fluido que fluye a través de la turbina.
Trabajando con agua, esta turbina logra un rendimiento óptimo en una caída de 20 metros hasta 700 metros. La potencia de salida varía de un par de kilovatios a 750 MW. El diámetro del rotor puede ser de 1 a 10 m y la velocidad de rotación es de 83 a 1000 rpm.
Aplicaciones de la turbina Francis
Las turbinas Francis grandes están diseñadas individualmente para que cada sitio funcione con el suministro de agua y la altura de agua dados a la mayor eficiencia posible.
Además de la producción de energía eléctrica, esta turbina puede ser instalada en centrales hidroeléctricas de almacenamiento por bombeo. En este tipo de centrales hidroeléctricas hay dos embalses a diferentes alturas. Cuando hay sobrante energético, el embalse superior se llena con agua bombeada por la turbina que realiza la función de bomba.
El generador eléctrico actúa como un motor eléctrico grande para bombear agua durante períodos de baja demanda de energía. Cuando la demanda de energía es alta, el generador se invierte y se utiliza para generar electricidad.
¿Cuáles son las partes de una turbina Francis?
La turbina diseñada por James B. Francis está compuesta por:
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Cámara espiral: tiene la función de distribuir el fluido en la entrada del rodete. La forma en espiral o caracol permite que la velocidad media del fluido permanezca constante.
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Predistribuidor: Compuesto por álabes fijos que tienen una función estructural. El diseño hidrodinámico permite minimizar las pérdidas hidráulicas.
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Distribuidor: constituido por álabes móviles para dirigir el agua hacia los álabes del rodete (fijos) y regular el caudal admitido. El distribuidor permite direccionar el fluido para mejorar el rendimiento y ajustar la potencia a las variaciones de carga de la red eléctrica. Este recibe el nombre de distribuidor Fink.
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Rotor o rodete: es el responsable del intercambio de energía cinética, la energía potencial y la energía de presión en energía mecánica de rotación en el giro del rodete. El rodete a su vez transmite esta energía a un generador eléctrico.
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Tubo de aspiración: es la salida de la turbina.
¿Cómo funciona la turbina hidráulica Francis?
La turbina Francis es un tipo de turbina de agua de reacción. Es decir, utiliza la energía cinética del agua corriente como energía de presión para hacer girar una rueda hidráulica.
La turbina se encuentra entre el puerto de admisión donde se aplica la alta presión y la parte del puerto de descarga de baja presión.
La parte de entrada de la turbina es una carcasa (caja espiral) en forma de espiral, y varias paletas de guía hacen que el agua fluya tangencialmente hacia el corredor. El grado de apertura de la aleta guía se puede ajustar para realizar una operación eficiente de acuerdo con la cantidad de agua utilizada.
El agua que pasa a través del corredor actúa además sobre él cuando se dirige hacia el centro axial.
Finalmente, el agua sale con la energía cinética y con la energía potencial minimizada y el vórtice también desaparece.
