Historia
La turbina Francis fue desarrollada por James B. Francis en la década de 1850. Aunque las ruedas hidráulicas se habían utilizado durante más de 1,000 años, eran ineficientes. James Francis aplicó principios matemáticos en el diseño de la turbina Francis, logrando una eficiencia superior al 90%.
Sección Transversal de Turbina Francis
Aunque ahora existen diferentes variantes de la turbina Francis, los principios fundamentales de operación permanecen inalterados desde hace más de 100 años. Con el crecimiento de la industria eléctrica en los últimos 150 años, la turbina Francis ha competido eficazmente con otros motores primarios en términos de costo, lo que ha llevado a su uso generalizado en diversas aplicaciones.
Variantes de Turbina Francis
Introducción
Gracias a su diseño versátil, las turbinas Francis son adecuadas para una amplia gama de presiones y caudales. Debido a este amplio rango de operación, la turbina Francis es el tipo más común de turbina hidroeléctrica utilizada hoy en día.
El rodete Francis puede funcionar tanto como bomba hidráulica como turbina hidráulica, lo que representa una característica única en comparación con otros rodetes hidroeléctricos comunes como los rodetes Kaplan y Pelton . Las plantas de energía de almacenamiento por bombeo emplean exclusivamente rodetes Francis debido a esta característica única.
La eficiencia de las turbinas Francis a menudo supera el 90% bajo condiciones de operación óptimas. Esta eficiencia se mantiene hasta que la carga cae por debajo del 40%.
Teoría de Operación
Las turbinas Francis convierten la energía potencial en energía mecánica. Este tipo de turbina se clasifica como una turbina de reacción, ya que opera dentro de un sistema de presión y depende de un flujo continuo de agua desde el lado de succión al lado de presión de la turbina.
Construcción
La turbina Francis consta de una serie de palas montadas entre una corona de rodete y una banda de rodete. Los espacios entre las palas permiten que el agua fluya desde la periferia exterior del rodete hacia la sección interior del rodete; este tipo de flujo se conoce como flujo radial.
Rodete de Turbina Francis
Una caja espiral -también conocida como caja de caracol- se utiliza para entregar un flujo uniforme de agua a todo el rodete. El flujo uniforme se logra debido a la disminución gradual del área de la sección transversal de la carcasa. A medida que el área de la sección transversal disminuye, la velocidad del agua en la carcasa se mantiene y se entrega un flujo uniforme de agua al rodete.
Caja Espiral de Turbina Francis
Álabes guía dirigen el agua hacia el rodete. El propósito de los álabes guía es convertir la energía potencial del agua en energía cinética y dirigir el agua hacia el rodete en un ángulo óptimo.
Un tubo de aspiración se utiliza para convertir parte de la energía cinética del agua descargada de nuevo en energía de presión. Esta conversión aumenta la eficiencia operativa general de la turbina.
¿Disfrutando de este artículo? ¡Entonces asegúrate de revisar nuestro Curso en Video sobre Plantas de Energía Hidroeléctrica! El curso incluye un cuestionario, un manual, y recibirás un certificado al finalizar. ¡Disfruta!
Cómo Funcionan las Turbinas Francis
El siguiente video es un extracto de nuestro Curso en Video en Línea de Introducción a las Plantas de Energía Hidroeléctrica.
El agua se entrega a través de un conducto de agua presurizado conocido como tubería forzada. El agua viaja a lo largo de la caja espiral y pasa a través de los álabes guía. Los álabes guía convierten la energía potencial del agua en energía cinética y también se pueden usar para iniciar, detener y regular el flujo hacia el rodete.
El agua entra en el rodete Francis de manera radial, fluyendo desde el exterior hacia el interior del rodete. Luego, el agua se descarga hacia abajo, fuera de la base del rodete; este tipo de flujo se conoce como flujo axial debido a que el flujo es paralelo al eje del rodete.
Sección Transversal de Turbina Francis
Debido a que el flujo es tanto radial en la entrada como axial en la descarga, las turbinas Francis se clasifican como turbinas de flujo mixto.
El tubo de aspiración convierte parte de la energía cinética restante del agua en energía potencial; el agua luego se descarga al canal de descarga.
Generación de Energía
Una vez que el agua fluye a través del rodete, las palas convierten la energía potencial del agua en energía mecánica. La energía mecánica se aplica como torque en el eje principal del rodete y el eje comienza a girar.
Un eje común conecta el rodete a un generador, por lo que a medida que el rodete gira, también lo hace el rotor del generador. El rotor del generador gira dentro de un campo electromagnético, a medida que el rotor se mueve a través del campo magnético, se induce corriente en los devanados del estator del generador, en este punto la energía mecánica suministrada por el rodete Francis se ha convertido en energía eléctrica. La energía eléctrica ahora puede ser transferida a través de una red nacional a los consumidores finales.
Todo el proceso de generación de energía es continuo, lo que lleva a una forma constante, renovable y confiable de generación de energía.
Cómo Funcionan las Plantas de Energía de Almacenamiento por Bombeo
El siguiente video es un extracto de nuestro Curso en Video en Línea de Introducción a las Plantas de Energía Hidroeléctrica.
Consulta nuestro artículo sobre almacenamiento por bombeo para obtener información más detallada.
Recursos Adicionales
https://en.wikipedia.org/wiki/Francis_turbine
https://theconstructor.org/practical-guide/francis-turbines-components-application/2900
https://lesics.com/how-does-francis-turbine-work.html
https://blog.gridpro.com/understanding-the-flow-through-francis-turbine