TURBINA FRANCIS

Objetivo de la práctica

Conocer los principios de operación de la turbina Francis y su aplicación.

Determinar las curvas características del equipo para determinar su funcionamiento óptimo.

MARCO TEÓRICO

TURBINAS HIDRÁULICAS

Una turbina hidráulica es un dispositivo capaz de convertir energía hidráulica en energía mecánica. Atendiendo a que la presión varíe o no en el rodete, las turbinas se clasifican en:

Turbinas de acción el agua sale del distribuidor a la presión atmosférica, y llega al rodete con la misma presión; en estas turbinas, toda la energía potencial del salto se transmite al rodete en forma de energía cinética.

Turbinas de reacción el agua sale del distribuidor con una cierta presión que va disminuyendo a medida que el agua atraviesa los álabes del rodete, de forma que, a la salida, la presión puede ser nula o incluso negativa; en estas turbinas el agua circula a presión en el distribuidor y en el rodete y, por lo tanto, la energía potencial del salto se transforma, una parte, en energía cinética, y la otra, en energía de presión.

TURBINA FRANCIS

La turbina Francis es una turbina hidráulica de reacción, que se emplea para caudales y alturas medias.

Alturas = 45-400 [m]Caudales = 10-700 [m3/s]

Características de la turbina

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.

Normalmente son 30 a 35% más caras que las turbinas Pelton.

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.

Elementos principales de la turbina Francis

Cámara espiral

Tiene como función distribuir uniformemente el fluido en la entrada del rodete. La forma en

espiral o caracol se debe a que la velocidad media del fluido debe permanecer constante en cada

punto de la misma. La sección transversal de la misma puede ser rectangular o circular, siendo

esta última la más utilizada.

Predistribuidor

Está compuesto por álabes fijos que tienen una función netamente estructural, para mantener la

estructura de la caja espiral y conferirle rigidez transversal, que además poseen una forma

hidrodinámica para minimizar las pérdidas hidráulicas.

Distribuidor

Es un órgano constituido por álabes móviles directores, cuya misión es dirigir convenientemente el

agua hacia los álabes del rodete (fijos) y regular el caudal admitido, modificando de esta forma la

potencia de la turbina de manera que se ajuste en lo posible a las variaciones de carga de la red

eléctrica, a la vez de direccionar el fluido para mejorar el rendimiento de la máquina. Este recibe el

nombre de distribuidor Fink.

Rotor o rodete

Es el corazón de la turbina, ya que aquí tiene lugar el intercambio de energía entre la máquina y

el fluido. En forma general, la energía del fluido al momento de pasar por el rodete es una suma

de energía cinética, energía de presión y energía potencial. La turbina convierte esta energía

en energía mecánica que se manifiesta en el giro del rodete. El rodete a su vez transmite esta

energía por medio de un eje a un generador eléctrico dónde se realiza la conversión final

en energía eléctrica.

Tubo de aspiración o de descarga

Es la salida de la turbina. Presenta un ensanchamiento de 10% (normalizado). Cumple doble

función: Aumenta la presión paulatinamente para evitar cavitación y disminuye la velocidad.

Esquema del equipo

Datos del equipo:

Potencia motor: 2 [hp].

Ángulo del vertedero: 90°Diámetro de la polea: 11 [cm].

Detalle de cálculos para el informe:

Caudal

Q=815

∗Cd∗tan (θ2 )∗√2 g∗h(52 ) [m 3/ s]

Donde:

: Ángulo del vertedero triangular [grados sexagesimales]g: Aceleración de la gravedad 9.8 [m/s2]h: Altura de nivel de vertedero [m]Cd: Coeficiente de descarga, 0.565

Altura neta

Tomando la ecuación de Bernoulli entre la entrada y la salida de la turbina tenemos:

Peγ

+Ve2

2g+Ze−Hn= Ps

γ+Vs

2

2g+Zs

Peγ

−Psγ

+Ve2

2g−Vs

2

2g+Ze−Zs=Hn

Hn=Peγ

+Ve2

2g+Ze−Zs [mca]

Donde:

Ps=0 Presión de salida (presión atmosférica)Vs=0 Velocidad de salida (pequeña comparada con Ve)Ze−Zs=−0,1[m ] Pe : Presión de entrada [N/m2]γ : Peso específico del agua a T=20°C (9786 [N/m3])Ve : Velocidad de entrada [m/s]g : Gravedad (9,81[m/s2])

Velocidad de entrada

Ve= QAe

Donde:Ae : Área de la tubería de entrada a la turbina [m2]Q : Caudal [m3/s]

Ae= π∗D2

4D : Diámetro de la tubería (0,03175 [m])

Potencia de entrada ó Potencia hidráulica absorbida:

Pa=γ∗Q∗H n

75[CV ]

Donde:

Pa: Potencia hidráulica absorbida [CV]γ : Peso específico del agua 1000 [Kg/m3]Q: Caudal [m3/s].H n: Altura neta [mca]Potencia de salida o potencia útil:

Pu=0,001396∗Wn∗d∗N [CV ]

Donde:

Pu: Potencia útil [CV]Wn: Carga neta (dinamómetro) [Kg] Wn=W 2−W 1

d : Distancia o brazo de momento [m]N : Número de revoluciones del eje de la turbina [rpm]

Rendimiento de la turbina:

η=PuPa

∗100 [% ]

PREPARACIÓN DEL INFORMEPara el informe se debe elaborar una tabla de la siguiente manera, presentando previamente un ejemplo de cálculo que establezca cómo se obtuvo la tabla de resultados:En base a la tabla de resultados:

1. Trazar curvas de velocidad en función de caudal para aperturas constantes del distribuidor.

2. Trazar curvas de la relación entre carga neta y velocidad para aperturas constantes del distribuidor.

Curvas características completas para una turbina Francis planteando,

3. Potencia útil en función de la velocidad para aperturas determinadas del distribuidor4. Rendimiento en función de la velocidad para aperturas determinadas del distribuidor5. Analizar el rendimiento de la unidad y analizar cada una de las diferentes curvas logradas. 6. Conclusiones y Recomendaciones

Preguntas Preparatorio:

1. ¿Cómo afecta en el generador la velocidad de la turbina?2. Investigue la curva de eficiencia en función del caudal nominal para una turbina Francis y

analícela3. ¿Cuándo seleccionaría usted una turbina Francis para una instalación?4. Realice un esquema con todas las partes importantes de la turbina.5. ¿Por qué se considera que esta turbina es de reacción?6. ¿Cuáles son los rangos de velocidades específicas para esta turbina?7. ¿Para qué se utiliza el distribuidor Fink?8. ¿Qué es y para qué se utiliza el coeficiente de Thoma?

Bibliografía

Mecánica de Fluidos y Máquinas hidráulicas, Mataix Claudio.