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Turbina Francis
Hecho de
Descripción breve
Una turbina Francis es una turbina hidráulica de reacción que combina conceptos de flujo radial y axial para extraer energía del agua a presiones y saltos medios y altos. El agua entra en la turbina radialmente a través de una caja espiral (voluta) y álabes directores ajustables, fluye hacia el centro y gira 90 grados para descargarse axialmente a través de un tubo de aspiración central. Es la turbina hidráulica más utilizada en el mundo para la generación de energía hidroeléctrica a gran escala debido a su excepcional rendimiento (superior al 90%).
Uso / Función
- Uso principal: Generación continua de energía hidroeléctrica a media y gran escala en ríos y embalses.
- Usos secundarios: Propulsión mecánica directa para complejos industriales, operaciones de bombeo de agua y almacenamiento de energía en plantas hidroeléctricas de bombeo.
- Escala: Desde plantas industriales medianas (cientos de kilovatios) hasta megaembalses hidroeléctricos (cientos de megavatios), funcionando con eficacia en saltos de agua de 10 a 600 metros.
Principio de funcionamiento
Fuerza de reacción y conversión de energía:
- Caja espiral (Voluta): El agua a presión procedente de la tubería forzada entra en una carcasa en espiral decreciente que mantiene constante la velocidad del agua y distribuye el flujo uniformemente alrededor de la circunferencia exterior.
- Distribuidor (Álabes fijos y directores): El agua pasa a través de álabes fijos y álabes directores orientables (mecanismo de distribución), que dirigen el fluido con un ángulo óptimo hacia los álabes del rodete a la vez que regulan el caudal total.
- Flujo radial entrante: A medida que el agua a presión se desplaza hacia el interior a través de los álabes curvados del rodete, su presión estática cae y transmite momento al rodete mediante fuerzas de reacción.
- Giro axial y salida: El agua gira 90 grados pasando de dirección radial a axial a medida que sale por la parte inferior del rodete.
- Recuperación de presión en el tubo de aspiración: El agua saliente fluye por un tubo divergente (tubo de aspiración) situado debajo de la turbina, que frena el agua y recupera energía cinética creando una presión de succión bajo el rodete.
Cómo crearlo
1. Fabricación del rodete y los álabes
- Moldear o soldar álabes con perfil de ala hidrográfica curvados de Acero o Bronce para soportar las fuerzas hidrodinámicas y la cavitación.
- Fijar los álabes entre una corona superior sólida y un anillo inferior para formar el rodete central de reacción.
- Equilibrar dinámicamente el rodete sobre un eje pesado de acero apoyado en cojinetes lubricados.
2. Ensamblaje del mecanismo director y la voluta espiral
- Construir una carcasa en espiral (voluta) de Hierro fundido o planchas de acero soldadas.
- Montar un anillo de álabes directores pivotantes alrededor de la circunferencia interior de la carcasa, conectados a un anillo de regulación central para ajustar el ángulo de paso.
3. Tubo de aspiración y canal de descarga
- Instalar un tubo cónico divergente directamente debajo de la salida del rodete, extendiéndolo por debajo del nivel de agua del canal de descarga.
- Montar el conjunto de la turbina dentro de una estructura reforzada sobre el canal de salida.
Materiales necesarios
- Rodete y álabes: Acero de alta resistencia o Bronce resistente a la corrosión.
- Carcasa y estructura: Hierro fundido o chapa de acero estructural gruesa.
- Fluido de trabajo: Agua a alta presión suministrada mediante tubería forzada desde una presa o embalse elevado.
Variantes y mejoras
- Turbina Francis reversible de bombeo: Funciona como turbina-generador en horas de alta demanda eléctrica, y revierte su sentido como motor-bomba en horas valle para bombear agua de vuelta al embalse superior.
- Turbina Francis de velocidad variable: Utiliza convertidores de potencia electrónicos para mantener la máxima eficiencia ante grandes variaciones en el nivel del embalse.
- Microturbina Francis: Unidades compactas de hierro fundido o acero inoxidable diseñadas para proyectos microhidroeléctricos comunitarios.
Límites y riesgos
- Cavitación: Las bajas presiones localizadas en la salida de los álabes del rodete pueden formar burbujas de vapor que colapsan violentamente, picando las superficies metálicas y destruyendo los álabes con el tiempo.
- Erosión por sedimentos: El agua a alta velocidad cargada de arena o sedimentos abrasivos causa un desgaste severo en los álabes del rodete y en las juntas del distribuidor.
- Complejidad de fabricación: La precisa curvatura de los álabes y las estrictas tolerancias mecánicas hacen que su fabricación sea notablemente más compleja que la de las ruedas de impulsión simples.