Turbina FrancisApuntes de Tubomáquinas / 2014-2Ing. Hipólito Rodríguez

Historia

La turbina Francis fue desarrollada por James B. Francis. Se trata de una turbomáquina motora 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 TURBINAFRANCIS

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 componentesdel distribuidor

Palas directricesEquipo de accionamientoServomotores Anillo de distribuciónBielas

DISTRIBUIDORPalas 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.

ROTORLas 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 FUNCIONAMIENTODE 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 FUNCIONAMIENTODE 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 FUNCIONAMIENTODE 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