turbina francis
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TURBINAS 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).
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 tota
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.
CLASIFICACIÓN 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
PARTES DE UNA TURBINA FRANCIS.
Se consideran partes de una turbina Francis:
Cámara espiral
Distribuidor
Rotor o rodete
Tubo de aspiración
Eje
Equipo de sallado
Cojinete guía
Cojinete de empuje
CÁMARA ESPIRA
Está constituida por la unión sucesiva de una serie de virolas tronco-cónicas, cuyos ejes
respectivos forman una espiral. Desde el acoplamiento con la tubería forzada la sección
interior, circular en la mayoría de los casos, va decreciendo paulatinamente hasta que
realiza el cierre de la cámara sobre sí misma, cuyo diámetro interior se reduce
considerablemente. 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.
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
y su función es la de distribuir y regular, eventualmente cortar totalmente, el caudal de
agua que fluye hacia el rotor.
Los elementos componentes del distribuidor son:
Palas directrices
Equipo de accionamiento
Servomotores
Anillo de distribución
Bielas
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 radia
Los ejes de las palas están asentados en su parte inferior en cojinetes situados en una
corona circular denominada escudo inferior y guiados en su parte superior por cojinetes
dispuestos en la tapa de la turbina o en otra corona circular, el escudo superior.
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.
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 distribuido.
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
y está unido rígidamente al eje de la turbina y perfectamente concéntrica con el
distribuidor.
Consta de un núcleo central alrededor del cual se encuentra dispuesto determinado
número de palas de superficie alabeada equidistantemente repartidas y fijadas al núcleo.
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.
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.
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.
En su unión con la turbina se trata de un conducto metálico de sección circular que va
aumentando gradualmente de diámetro tomando forma tronco-cónica, tramo conocido
como cono de aspiración.
En algunas turbinas, para conseguir un equilibrio de presiones entre la parte inferior y
superior del rotor, se establece una comunicación entre ambas zonas por medio de un
conducto, que partiendo del cono de aspiración permite el paso de agua, colocándose en
dicho conducto una válvula conocida como válvula de compensación.
EJE
El eje de la turbina tiene ciertas peculiaridades cuando se encuentra instalado en posición
vertical. 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.
En instalaciones de este tipo, es sobre el eje del generador donde se dispone del sistema
para soportar todo el peso del conjunto formado por: los ejes, el rotor del generador, la
turbina y el empuje del agua sobre los álabes de la turbina este sistema es el denominado
cojinete de empuje.
A más del cojinete de empuje, el eje completo del conjunto, dispone de hasta tres
cojinetes guías, dos de ellos normalmente ubicados sobre el eje del generador y un tercero
sobre el eje de la turbina. En determinados casos, por características constructivas y
referidas a condiciones de peso y sustentación o de aireación del rotor, el eje es hueco en
su totalidad.
EQUIPO DE SELLADO
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.
La serie de aros concéntricos, radial o axialmente, se disponen de manera alterna entre la
parte giratoria y la parte fija, contribuyendo eficazmente al cierre hidráulico, esto constituye
los denominados laberinto.
COJINETE GUIA
Constituye un anillo, normalmente dividido radialmente en dos mitades, o de una serie de
segmentos, que se asientan perfectamente sobre el eje y las superficies en contacto están
recubiertas de material antifricción.
Las superficies de contacto del cojinete esta entallado, vertical o diagonalmente, a fin de
favorecer la circulación de aceite y así lograr autolubricación.
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 turbina.
En el caso de grupos accionados por turbinas Pelton o Francis, el cojinete se ubica encima
del rotor del generador. En el caso de turbinas Kaplan, puede estar localizado por debajo
del rotor del generador.
La parte giratoria del cojinete esta solidaria con el eje del grupo y descansa sobre la parte
fija que se encuentra enclavada en las estructuras rígidas inmóviles próximas al eje. La
parte giratoria consta de una pieza de material especial en forma anular, cuya superficie de
contacto con la parte fija está perfectamente pulida, denominada espejo.
La parte fija está constituida, esencialmente por un numero determinado de zapatas o
segmentos conocidos como patine.
Los cojinetes de empuje, especialmente los de grupos grandes, disponen de un sistema
lubricación de aceite a presión, a fin de proporcionar lubricación desde el instante que el
grupo comienza a girar, con lo que se logra la formación de una película de aceite que
soporta la carga total, dicha película, de milésimas de milímetro, ha de mantenerse desde
el momento de arranque del grupo hasta la parada total del mismo. Cuando el grupo
adquiere una velocidad predeterminada, aproximadamente el 30% de la normal de
funcionamiento, el sistema de aceite a presión queda desconectado, manteniéndose la
capa de lubricación como consecuencia del baño de aceite que cubre las zonas en
contacto.
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. 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.
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.