História
A turbina Francis foi desenvolvida por James B Francis na década de 1850. Rodas d'água foram utilizadas para realizar trabalho útil por mais de 1.000 anos, mas eram ineficientes. James Francis aplicou princípios matemáticos ao projetar a turbina Francis, criando uma turbina com eficiência superior a 90%.
Seção Transversal da Turbina Francis
Embora existam diferentes variações da turbina Francis disponíveis atualmente, os princípios fundamentais de funcionamento permanecem os mesmos daqueles usados há mais de 100 anos. Com o crescimento da indústria de energia elétrica nos últimos 150 anos, a turbina Francis conseguiu competir com outros motores primários em termos de custo, o que levou ao seu uso generalizado em muitas aplicações.
Diferentes Variações da Turbina Francis
Introdução
Devido ao seu design versátil, as turbinas Francis são adequadas para uma ampla gama de pressões e taxas de fluxo. Devido a essa ampla faixa de operação, a turbina Francis é o tipo mais comum de turbina hidrelétrica empregada hoje.
O rotor Francis pode ser operado tanto como uma bomba hidráulica quanto como uma turbina hidráulica, o que é uma característica única em comparação com outros rotores hidrelétricos comuns, como os rotores Kaplan e Pelton. Usinas de armazenamento por bombeamento empregam exclusivamente rotores Francis, devido a essa característica única.
A eficiência das turbinas Francis frequentemente excede 90% quando as condições de operação adequadas são atendidas. Essa eficiência não diminui até que a carga esteja abaixo de 40%.
Teoria de Operação
As turbinas Francis convertem energia potencial em energia mecânica. Este tipo de turbina é classificado como uma turbina de reação, pois opera dentro de um sistema de pressão e depende de um corpo contínuo de água do lado de sucção para o lado de pressão da turbina.
Construção
A turbina Francis consiste em uma série de pás montadas entre uma coroa de rotor e uma banda de rotor. Espaços entre as pás permitem que a água flua da periferia externa do rotor para a seção interna do rotor; este tipo de fluxo é conhecido como fluxo radial.
Rotor da Turbina Francis
Um caso espiral - também conhecido como caracol - é usado para fornecer um fluxo uniforme de água para todo o rotor. O fluxo uniforme é alcançado devido à área de seção transversal gradualmente decrescente do invólucro. À medida que a área de seção transversal diminui, a velocidade da água no invólucro é mantida e um fluxo uniforme de água é entregue ao rotor.
Caso Espiral da Turbina Francis
Álabes-guia direcionam a água em direção ao rotor. O objetivo dos álabe-guia é converter a energia potencial da água em energia cinética e direcionar a água para o rotor em um ângulo ideal.
Um tubo de sucção é usado para converter parte da energia cinética da água descarregada de volta em energia de pressão. Essa conversão aumenta a eficiência operacional geral da turbina.
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Como Funcionam as Turbinas Francis
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A água é entregue através de um condutor de água pressurizado conhecido como adutora. A água viaja ao longo do caso espiral e passa pelos álabe-guia. Os álabe-guia convertem a energia potencial da água em energia cinética e também podem ser usados para iniciar, parar e regular o fluxo para o rotor.
A água entra no rotor Francis radialmente, fluindo de fora para dentro do rotor. A água é então descarregada para baixo, saindo da base do rotor; este tipo de fluxo é conhecido como fluxo axial devido ao fluxo ser em uma direção paralela ao eixo do rotor.
Seção Transversal da Turbina Francis
Porque o fluxo é tanto radial na entrada quanto axial na descarga, as turbinas Francis são classificadas como turbinas de fluxo misto.
O tubo de sucção converte parte da energia cinética restante da água em energia potencial; a água é então descarregada para o canal de fuga.
Geração de Energia
Uma vez que a água está fluindo através do rotor, as pás convertem a energia potencial da água em energia mecânica. A energia mecânica é aplicada como torque no eixo principal do rotor e o eixo começa a girar.
Um eixo comum conecta o rotor a um gerador, então à medida que o rotor gira, o rotor do gerador também gira. O rotor do gerador gira dentro de um campo eletromagnético, à medida que o rotor se move através do campo magnético, a corrente é induzida nos enrolamentos do estator do gerador, neste ponto a energia mecânica fornecida pelo rotor Francis foi convertida em energia elétrica. A energia elétrica agora pode ser transferida através de uma rede nacional para os consumidores finais.
Todo o processo de geração de energia é contínuo, o que leva a uma forma constante, renovável e confiável de geração de energia.
Como Funcionam as Usinas de Armazenamento por Bombeamento
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Veja nosso artigo sobre armazenamento por bombeamento para mais informações detalhadas.
Recursos Adicionais
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