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Prof. Ing. Cesar Sanabria FACULTAD DE INGENIERIA UNA
TURBINAS FRANCIS
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TURBINAS FRANCISTambién 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).
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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
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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
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Eje Vertical
Eje Horizontal
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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
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COMPONENTES DE UNA TURBINA FRANCIS
Se consideran componentes de una turbina Francis:
Cámara espiral DistribuidorRotor o rodete Tubo de aspiración EjeEquipo de sallado Cojinete guía Cojinete de empuje
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CÁMARA ESPIRALEstá 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
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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
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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
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DISTRIBUIDOREl 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
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Los elementos componentes del distribuidor son:
Palas directricesEquipo de accionamientoServomotoresAnillo de distribuciónBielas
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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 radial
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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
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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
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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
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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
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ROTORSe 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
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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
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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
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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
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Un componente importante del rotor es el Difusor también denominado cono deflector o cono de dispersión
Constituye un cuerpo en forma tronco-cónica con la base mayor hacia del eje, dando la apariencia de terminación de éste
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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
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TUBO DE ASPIRACIONConsiste 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
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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
Sigue a continuación la zona acodada, metálica o de hormigón, la cual continúa con sección circular o puede hacer una transición a sección rectangular, en este caso la conducción es generalmente de hormigón hasta el final
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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
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EJEEl 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
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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
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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
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EQUIPO DE SELLADOEstá 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
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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 laberintos
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COJINETE GUIAConstituye 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
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Las superficies de contacto del cojinete esta entallado, vertical o diagonalmente, a fin de favorecer la circulación de aceite y asílograr autolubricación.
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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
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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
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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
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La parte fija estáconstituida, esencialmente por un numero determinado de zapatas o segmentos conocidos como patines
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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
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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
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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
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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
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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