Turbina Francis
Turbina Francis
La turbina Francis es un tipo de turbina de agua desarrollada por James B. Francis en Lowell, Massachusetts. Es una turbina de reacción de flujo hacia adentro que combina conceptos de flujo radial y axial.
Las turbinas Francis son la turbina de agua más común actualmente en uso. Operan en una cabeza de agua de 40 a 600 m (130 a 2,000 pies) y se utilizan principalmente para la producción de energía eléctrica. Los generadores eléctricos que usan este tipo de turbina con mayor frecuencia tienen una potencia de salida que oscila entre unos pocos kilovatios y hasta 800 MW, aunque las instalaciones mini-hidroeléctricas pueden ser más bajas. Los diámetros de la tubería de entrada están entre 3 y 33 pies (0.91 y 10 m). El rango de velocidad de la turbina es de 75 a 1000 rpm. Una compuerta peatonal en la parte exterior del corredor giratorio de la turbina controla la velocidad del flujo de agua a través de la turbina para diferentes velocidades de salida de potencia. Las turbinas Francis casi siempre se montan con el eje vertical para aislar el agua del generador. Esto también facilita la instalación y el mantenimiento.
Vista lateral de una turbina Francis vertical. Aquí el agua entra horizontalmente en una tubería con forma de espiral (caja espiral) envuelta alrededor de la parte exterior de la rotación de la turbina y sale verticalmente hacia abajo a través del centro de la turbina.
Desarrollo
En 1826 Benoit Fourneyron desarrolló una turbina de agua de alta eficiencia (80%) de flujo de salida. El agua fue dirigida tangencialmente a través del corredor de la turbina, causando que gire. Jean-Victor Poncelet diseñó una turbina de flujo interno hacia 1820 que usaba los mismos principios. S. B. Howd obtuvo una patente de EE. UU. En 1838 para un diseño similar.
En 1848, James B. Francis, mientras trabajaba como ingeniero jefe de la compañía Locks and Canals en la ciudad textil de Lowell, Massachusetts, con fábrica de ruedas hidráulicas, mejoró estos diseños para crear turbinas más eficientes. Aplicó principios científicos y métodos de prueba para producir un diseño de turbina muy eficiente. Más importante aún, sus métodos matemáticos y gráficos de cálculo mejoraron el diseño e ingeniería de la turbina. Sus métodos analíticos permitieron el diseño seguro de turbinas de alta eficiencia para coincidir con precisión el flujo y la presión del agua del sitio (cabezal de agua).
Las ruedas hidráulicas de diferentes tipos se han utilizado históricamente durante más de 1.000 años para fábricas de todos los tipos, pero eran relativamente ineficientes. Las mejoras en la eficiencia del siglo XIX de las turbinas de agua les permitieron reemplazar casi todas las aplicaciones de ruedas de agua y competir con las máquinas de vapor dondequiera que hubiera energía disponible. Después de que los generadores eléctricos se desarrollaron a fines del siglo XIX, las turbinas eran una fuente natural de energía del generador donde existían fuentes potenciales de energía hidroeléctrica.
Partes de la turbina Francis
Componentes
Una turbina Francis consta de las siguientes partes principales:
Carcasa en espiral: la carcasa en espiral alrededor del corredor de la turbina se conoce como carcasa espiral o caja espiral. A lo largo de su longitud, tiene numerosas aberturas a intervalos regulares para permitir que el fluido de trabajo incida en las cuchillas del corredor. Estas aberturas convierten la energía de presión del fluido en energía de momento justo antes de que el fluido incida en las cuchillas. Esto mantiene una velocidad constante a pesar del hecho de que se han previsto numerosas aberturas para que el fluido entre en las cuchillas, ya que el área de la sección transversal de esta carcasa disminuye uniformemente a lo largo de la circunferencia.
Guía o paletas: la función principal de la guía o las paletas es convertir la energía de presión del fluido en energía de momento. También sirve para dirigir el flujo en ángulos de diseño a las hojas del corredor.
Hojas de corredor: las hojas de corredor son el corazón de cualquier turbina. Estos son los centros donde el fluido golpea y la fuerza tangencial del impacto hace que el eje de la turbina gire, produciendo torque. Se necesita mucha atención en el diseño de los ángulos de la hoja en la entrada y la salida, ya que estos son los principales parámetros que afectan la producción de potencia.
Tubo de barrido: el tubo de tiro es un conducto que conecta la salida del corredor con la pista de cola donde se descarga el agua de la turbina. Su función principal es reducir la velocidad del agua descargada para minimizar la pérdida de energía cinética en la salida. Esto permite que la turbina se coloque por encima del agua de la cola sin una caída apreciable de la cabeza disponible.
Teoría de operación
La turbina Francis es un tipo de turbina de reacción, una categoría de turbina en la que el fluido de trabajo llega a la turbina bajo una inmensa presión y la energía es extraída por las palas de la turbina del fluido de trabajo. Una parte de la energía es abandonada por el fluido debido a los cambios de presión que ocurren en las palas de la turbina, cuantificada por la expresión del grado de reacción, mientras que la parte restante de la energía se extrae por la carcasa de la voluta de la turbina. En la salida, el agua actúa sobre las características del corredor giratorio en forma de copa, dejando a baja velocidad y bajo remolino con muy poca energía cinética o potencial restante. El tubo de salida de la turbina está configurado para ayudar a desacelerar el flujo de agua y recuperar la presión.
Turbina Francis (vista exterior) unida a un generador
Álabes directores (en color amarillo) configurados para mínimo caudal (vista interior)
Álabes directores (en color amarillo) configurados para máximo caudal (vista interior).
Eficiencia de las Palas
Por lo general, la velocidad de flujo (velocidad perpendicular a la dirección tangencial) permanece constante en todo momento, es decir, Vf1=Vf2 y es igual a la de la entrada al tubo de aspiración. Usando la ecuación de la turbina de Euler, E/m=e=Vw1U1, donde e es la transferencia de energía al rotor por unidad de masa del fluido. Desde el triángulo de velocidad de entrada,
y
Por lo tanto
Diagrama de velocidad ideal, que ilustra que, en casos ideales, la componente de giro de la velocidad de salida es cero y el flujo es completamente axial
La pérdida de energía cinética por unidad de masa se convierte Vf22/2.
Por lo tanto, descuidando la fricción, la eficacia de la cuchilla se vuelve
i.e.
El grado de reacción
El grado de reacción puede definirse como la relación entre el cambio de energía de presión en las palas y el cambio total de energía del fluido [2]. Esto significa que es una relación que indica la fracción del cambio total en la energía de presión del fluido que se produce en las palas de la turbina. El resto de los cambios ocurren en las palas del estator de las turbinas y la carcasa de voluta, ya que tiene un área variable de sección transversal. Por ejemplo, si el grado de reacción es del 50%, eso significa que la mitad del cambio total de energía del fluido tiene lugar en las palas del rotor y la otra mitad está ocurriendo en las palas del estator. Si el grado de reacción es cero, significa que la energía cambia debido a las palas del rotor es cero, lo que lleva a un diseño de turbina diferente llamado Turbina Pelton.
La segunda igualdad anterior se cumple, ya que la descarga es radial en una turbina Francis. Ahora, poniendo el valor de 'e' desde arriba y usando
Diagrama de velocidad real, que ilustra que el componente de giro de la velocidad de salida no es cero
En contraste con la turbina Pelton, la turbina Francis funciona en su mejor forma completamente llena de agua en todo momento. La turbina y el canal de salida pueden colocarse más abajo que el lago o el nivel del mar en el exterior, lo que reduce la tendencia a la cavitación.
(como )
Aplicación
Las turbinas Francis pueden diseñarse para una amplia gama de cabezales y flujos. Esto, junto con su alta eficiencia, los ha convertido en la turbina más utilizada en el mundo. Las unidades de tipo Francis cubren un rango de cabeza de 40 a 600 m (130 a 2,000 ft), y su potencia de salida del generador conectado varía desde solo unos pocos kilovatios hasta 800 MW. Las turbinas Francis grandes están diseñadas individualmente para que cada sitio opere con el suministro de agua y el cabezal de agua con la mayor eficiencia posible, generalmente más del 90%.
Espiral de entrada de una turbina Francis, Presa Grand Coulee.
Además de la producción eléctrica, también pueden usarse para el almacenamiento por bombeo, donde un depósito es llenado por la turbina (que actúa como una bomba) impulsada por el generador que actúa como un gran motor eléctrico durante períodos de baja demanda de energía, y luego se invierte y utilizado para generar energía durante la demanda máxima. Estos depósitos de almacenamiento de bombas actúan como grandes fuentes de almacenamiento de energía para almacenar energía eléctrica "excedente" en forma de agua en depósitos elevados. Este es uno de los pocos métodos que permite almacenar la capacidad eléctrica excesiva temporal para su posterior utilización.
Sensor de Peces,un dispositivo utilizado para estudiar el impacto de los peces que viajan a través de turbinas Francis y Kaplan
Pequeña turbina Francis hecha en Suiza
