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TURBINA FRANCIS

 

 

PAGINA PRINCIPAL DE LA TURBINA FRANCIS

 

 

 

 

 

Definición y características generales de las turbinas hidráulicas

 

 

En esta foto se puede mostrar la turbina Francis que esta al fondo lado derecho del laboratorio del Instituto Tecnológico de Acapulco donde se realizan pruebas con este equipo en la materia de Maquinas hidráulicas

LA TURBINA FRANCIS

Generalidades: como ya se había dicho, la turbina Francis es en la actualidad, la turbina hidráulica típica de reacción de flujo radial. Lleva este nombre en honor al ingeniero james bichano Francis (1815-1892), de origen ingles y que emigro a los Estados unidos, donde fue encargado de realizar proyectos hidráulicos utilizando turbinas centrípetas, esto es con recorrido radial del agua de afuera hacia dentro, para un debido aprovechamiento de la acción centrípeta  

Concepto de Turbina

Una turbina es una máquina motriz que consiste de una parte giratoria llamada rodete, que se impulsa por un fluido en movimiento. Dependiendo de la naturaleza de este fluido, las turbinas se pueden dividir en: hidráulicas, a vapor y a gas. Con el de visualizar de mejor forma nuestro objetivo, el estudio de la turbina Francis, haremos una breve descripción de las turbinas hidráulicas.

Las turbinas hidráulicas son turbomáquinas que permiten la transferencia de energía  del agua a un rotor positivo de alabes, mientras el flujo pasa a través de éstos.

Turbinas Hidráulicas

Las turbinas hidráulicas aprovechan la energía de los saltos de agua para producir energía mecánica. Esencialmente poseen dos partes: el distribuidor (fijo) y el rodete (móvil).

Dependiendo de alguna propiedad particular, las turbinas pueden clasificarse de distintas formas. Si se toma en cuenta la forma de actuar del agua se encuentran las turbinas de acción, en las que la energía del agua a la salida del distribuidor es toda cinética, y las turbinas de reacción donde esto ocurre solo en parte. Asimismo también se pueden dividir las turbinas en axiales o radiales, según que la columna de líquido se desplace en el rodete a lo largo del eje de rotación, o bien normalmente al mismo, es decir, de forma radial. Las turbinas también se pueden clasificar según se utilicen para saltos de poca altura (Francis y de hélice, saltos que no sobrepasen los 10 m y grandes caudales de incluso centenares de metros cúbicos), para saltos de mediana altura y elevados (Francis, hasta unos 400 m y caudales medianos), o para saltos de gran altura (Pelton, superiores a 1700m y caudales pequeños, no más de 5 m3/s). Los materiales utilizados para la fabricación de una turbina pueden ser únicamente de fundición, de acero fundido, parte de fundición (los cubos) y parte en chapa de acero estampada (paletas); de bronce, y de acero inoxidable al cromo-níquel.

La turbina Francis  presenta las siguientes características: 

 Su óptimo diseño hidráulico garantiza un alto rendimiento

 Su diseño reforzado da una vida útil de muchas décadas en servicio continuo

 Alta velocidad de giro permite pequeñas dimensiones

 La aplicación de modernos materiales reduce el mantenimiento de las piezas móviles al mínimo

 La turbina Francis es instalada en todo lugar donde se dé un flujo de agua relativamente constante y donde se exige un alto rendimiento. Su eficiencia es aproximadamente de 8 % por encima de la turbina de Flujo Cruzado, pero tiene la desventaja de no poder operar con grandes variaciones del caudal de agua.

 

Las turbinas Francis de Pozo

Son principalmente utilizadas en la rehabilitación de centrales hidroeléctricas existentes, con bajas caídas de aproximadamente 1,5 m - 10 m y grandes volúmenes de agua. También para nuevas instalaciones se podría tener en cuenta la construcción de una turbina Francis de Pozo. La selección de esta turbina exige una apropiada experiencia, especialmente en el ámbito de aplicación común de la turbina Francis de Pozo con la turbina de Flujo Cruzado, con gusto le ofrecemos nuestra asesoría calificada para su proyecto específico.

Las turbinas Francis espiral 

Son empleadas predominantemente en instalaciones con potencias mayores, alturas de caídas de 5 m hasta aproximadamente 250 m y donde no varía mucho el caudal de agua. Por sus elevados números de revoluciones se puede lograr casi siempre la velocidad síncrona de un generador, lo que permite un acople directo entre la turbina y el generador. Cuando la turbina Francis espiral compite con la turbina Pelton se debe analizar con mucho cuidado varios aspectos adicionales (como la velocidad de giro, materiales en suspensión en el agua, variaciones en la oferta hídrica, etc.).

 

CLASIFICACIÓN DE LAS TURBINAS FRANCIS

 

                                      Turbina Francis radial      

  TURBINA FRANCIS 

                                     Turbina Francis radial - Axial (flujo dual)            

 

 

 ÓRGANOS PRINCIPALES DE UNA TURBINA FRANCIS.

 

 

 

Los órganos principales de una turbina Francis es el orden del paso del agua son:

 

La carcasa, caja espiral o caracol como ya se a dicho es un ducto alimentador de sección generalmente circular y diámetro decreciente, que circula al rotor, procurando el fluido necesario para la operación de la turbina. Generalmente es lámina de acero.

El distribuidor, lo constituye una serie de alabes directores en forma de persiana circular cuyo paso se puede modificar con la ayuda de un servomotor lo que permite imponer al fluido la dirección de ataque exigida por el rodete móvil y además regula el gasto de acuerdo con la potencia exigida de la turbina. El distribuidor se transforma parcialmente la energía de presión en energía cinética.

El rodete móvil o rotor. Esta formado por los propios alabes, los cuales están engastados en un plato perpendicular al eje de la maquina, de cuyo plato arrancan siguiendo la dirección axial, tomando en forma progresiva un alabeo y abriéndose a hacia la dirección radial.

El tubo de desfogue o difusor, da salida al agua de la tubería y al mismo tiempo procura una ganancia en carga estática hasta el valor de la presión atmosférica debido a su forma diferente SE TIENEN así a la salida del rotor una presión mas baja.

 

CÁLCULO Y DISEÑO DE LA TURBINA FRANCIS.

CON AYUDA DE UN SOFTWARE

 PASOS PARA PODER UTILIZAR EL SOFTWARE

1.- SE DEBEN TENER LAS CONDICIONES DE DISEÑO:

COMO POR EJEMPLO:(EN EL SOFTWARE SE DEBE DE INGRESAR LOS DATOS DE ARRIBA YA MENCIONADOS PARA QUE EL SOFTWARE PUEDA CALCULAR)

CAUDAL j

CARGA H

PESO ESPECIFICO DEL FLUIDO

NUMERO DE TURBINAS

LA EFICIENCIA

FRECUENCIA (DEPENDERÁ DEL PAÍS DONDE SE DISEÑE O PARA QUIEN SE DISEÑE EN MÉXICO ES DE 60 CICLOS POR SEGUNDO)

2.- CONOCIENDO ESTOS DATOS SE CALCULA LA POTENCIA TOTAL (PT)

Y POTENCIA POR UNIDAD (PU) EN KW Y CV.

3.- Se debe Obtener el valor de hsi apartir de la Figura 4.29 en función de la carga (H) y las curvas que presenta la turbina Francis. Diagrama. Limites de la velocidad especifica (métrica) en función de la carga en m, para turbinas Francis

             Figura 4.29

El valor obtenido de la hsi en el diagrama se obtiene con ayuda del software

Con ayuda del software también se obtiene la Velocidad de giro

Con ayuda del software también se obtiene los pp. CORREGIDOS

4.-Ahora obtenemos Ni (Nci) corregida para volver a obtener nuevamente  hsi corregida (hSCI)

5.- Se hace el Cálculo para la Obtención del parámetro de cavitación a partir de la Figura 4.27

 En función de la Velocidad especifíca mètrica hSCi.

 

              FIGURA 4.27

PASOS PARA DIMENSIONAMIENTO DE LA TURBINA FRANCIS

1.- DIMENSIONAMIENTO DE LA TURBINA FRANCIS

Obtención de los coeficientes de velocidad tangencial F1,F2 de la figura 4.12 para obtener los diámetros del Rotor

PASOS PARA DIMENSIONAMIENTO  DEL CARACOL

1.- DIMENSIONAMIENTO DEL CARACOL

El software también se obtiene Diámetro de la sección de entrada.

El software también se obtiene Diámetro Ecuatorial Máximo.

El software también se obtiene Dimensionando el caracol de 0 a 360 grados y lo grafica con respecto ala grafica 4.19

DIMENSIÓN DEL TUBO DE DESFOGUE

Dimensiones en tubos de desfogue acodados

El software también  obtiene  Anchura máxima del tubo de desfogue (EN PULGADAS Y METROS)

El software también  obtiene Altura vertical (EN PULGADAS Y METROS)

El software también  obtiene Longitud horizontal (EN PULGADAS Y METROS)

RENDIMIENTO DE LA TURBINA FRANCIS CON RESPECTO AL CAUDAL

El software también  Determina los valores mediante la Ecuación hp = 0.9 + 0.1hm

ηm Q11(m3/s) Qp m3/s ηp
0.8 1.2 9.9087913 0.98
0.82 0.984 8.1252089 0.982
0.84 0.952 7.8609745 0.984
0.86 0.92 7.59674 0.986
0.88 0.873 7.2086457 0.988
0.89 0.836 6.9031246 0.989
0.9 0.788 6.506773 0.99
1 Máx. 0.744 6.1434506  
0.9 0.728 6.0113334 0.99
0.89 0.68 5.6149818 0.989
0.88 0.625 5.1608288 0.988
0.86 0.556 4.5910733 0.986
0.84 0.515 4.2525229 0.984
0.82 0.472 3.8974579 0.982
0.8 0.435 3.5919369 0.98
0.78 0.408 3.3689891 0.978
0.75 0.38 3.1377839 0.975
0.7 0.344 2.8405202 0.97
0.65 0.316 2.609315 0.965

RENDIMIENTO DE LA TURBINA FRANCIS CON RESPECTO AL CAUDAL

RENDIMIENTO DE LA TURBINA FRANCIS EN FUNCIÓN DE LA POTENCIA

P(Kw) Qp m3/s
4374235.931 9.90879133
3586873.463 8.12520889
3470227.172 7.86097445
3353580.88 7.59674002
3182256.64 7.20864569
3047384.365 6.90312462
2872414.928 6.50677297
2712026.277 6.14345062
2653703.131 6.0113334
2478733.694 5.61498175
2278247.881 5.16082882
2026729.315 4.59107331
1877276.254 4.25252294
1720532.8 3.89745792
1585660.525 3.59193686
1487240.217 3.36898905
1385174.711 3.13778392
1253947.634 2.84052018
1151882.129 2.60931505

RENDIMIENTO DE LA TURBINA FRANCIS EN FUNCIÓN DE LA POTENCIA

BUENO ESTO SON TODOS LOS PASOS PARA PODER UTILIZAR EL SOFTWARE SI TIENES UNA DUDA DE COMO INGRESAR UN DATO MANDADME UN  e-mail  a ocampo_ramirez@hotmail.com CON GUSTO TE RESPONDERÉ LO QUE SI TIENES QUÉ TENER ES EL PROGRAMA DE Microsoft Excel PARA PODER VER EL SOFTWARE DE OTRO MODO NO LO PODRÁS VER.

POR ULTIMO VACUNA TUS DISCOS PARA QUE NO TENGAS PROBLEMAS EN TU MAQUINA

AHORA SI AQUÍ ESTA EL SOFTWARE.

PUEDES BAJARLO CON CONFIANZA (Software - Francis.xls)