Turbina Francis.docx

DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA

ASIGNATURA: MÁQUINAS ELÉCTRICAS I

NRC: 3437

Deber 3: Tipo Fundamental de Turbinas: Turbina Francis y Turbina Pelton

NOMBRE Palacios Sanguano Steven

15/01/2019 - Sangolquí

1. Turbina Francis 1.1 ¿Qué es? La turbina Francis fue desarrollada por James B. Francis. Se trata de una turbomáquina motora a reacción y de flujo mixto. Las turbinas Francis son turbinas hidráulicas que se pueden diseñar para un amplio rango de saltos y caudales, siendo capaces de operar en rangos de desnivel que van de los dos metros hasta varios cientos de metros. Esto, junto con su alta eficiencia, ha hecho que este tipo de turbina sea la más ampliamente usada en el mundo, principalmente para la producción de energía eléctrica en centrales hidroeléctricas. 1.2 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. 1.3 Clasificación Las turbinas Francis se pueden clasificar en función de la velocidad específica del rotor y de las características del salto: 

Turbina Francis lenta: para saltos de gran altura, alrededor de 200 m o más



Turbina Francis normal: indicada en saltos de altura media, entre 200 y 20 m



Turbina Francis rápidas y extrarrápidas: apropiadas para saltos de pequeña altura, inferiores a 20 m 1.4 Esquema y partes



Cámara espiral: distribuye 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 puede ser rectangular o circular, siendo esta última la más utilizada. 

Predistribuidor: formado 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: 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, pues 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: es la salida de la turbina. Su función es darle continuidad al flujo y recuperar el salto perdido en las instalaciones que están por encima del nivel de agua a la salida. En general se construye en forma de difusor, para generar un efecto de aspiración, el cual recupera parte de la energía que no fuera entregada al rotor en su ausencia.

Figura 2. Esquema de la Turbina Francis.

Aquí el agua entra horizontalmente en un tubo en forma de espiral (caso caracol) envuelto alrededor del exterior del corredor rotante de la turbina y sale verticalmente hacia abajo a través del centro de la turbina. 1.5 Usos Se utilizan para producción de electricidad. Las grandes turbinas Francis se diseñan de forma individual para cada aprovechamiento hidroeléctrico, a efectos de lograr el máximo rendimiento posible, habitualmente más del 90%. Son muy costosas de diseñar, fabricar e instalar, pero pueden funcionar durante décadas. También pueden utilizarse para el bombeo y almacenamiento hidroeléctrico, utilizando dos embalses, uno a cota superior y otro inferior (contraembalse); el embalse superior se llena mediante la turbina (en este caso funcionando como bomba) durante los períodos de baja demanda eléctrica, y luego se usa como turbina para generar energía durante los períodos de alta demanda eléctrica. Se fabrican microturbinas Francis baratas para la producción individual de energía para saltos menores de 52 metros. 1.6 Ventajas y desventajas Ventajas 

Su diseño hidrodinámico permite bajas perdidas hidráulicas, por lo cual se garantiza un alto rendimiento.



Su diseño es robusto, de tal modo se obtienen décadas de uso bajo un costo de mantenimiento menor con respecto a otras turbinas.



Junto a sus pequeñas dimensiones, con lo cual la turbina puede ser instalada en espacios con limitaciones físicas, también permiten altas velocidades de giro.



Junto a la tecnología y a nuevos materiales, las nuevas turbinas requieren cada vez menos mantenimiento.

Desventajas 

No es recomendado para alturas mayores de 800 m, por las presiones existentes en los sellos de la turbina.



Hay que controlar el comportamiento de la cavitación.



No es la mejor opción para utilizar frente a grandes variaciones de caudal debido a que el rendimiento cae al disminuir el caudal de diseño, por lo que se debe tratar de mantener un flujo de caudal constante previsto, antes de la instalación.

2. Turbina Pelton 2.1 ¿Qué es? Una turbina Pelton es uno de los tipos más eficientes de turbina hidráulica. Es una turbomáquina motora, de flujo tangencial (transversal), admisión parcial y de acción. Consiste en una rueda (rodete o rotor) dotada de cucharas en su periferia, las cuales están especialmente realizadas para convertir la energía de un chorro de agua que incide sobre las cucharas. 2.2 Características 

Constituido por un disco de acero con álabes, como ya se ha dicho, de doble cuchara ubicada en la periferia de la rueda.



Los álabes puedes estar fundidos con la misma rueda o unidos individualmente por medio de bulones o pernos.



La forma de fabricación más común es por separado álabes y rueda ya que facilita su construcción y mantenimiento.



Se funden en una sola pieza rueda y álabes cuando la rueda tiene un gran velocidad específica, con este proceso de fabricación se logra mayor rigidez, solidez uniformidad y montaje rápido.



Se debe tener especial cuidado al escoger el material de fabricación adecuado en una turbina pelton; este material debe resistir la fatiga, la corrosión y la erosión; la fundición de grafito laminar y acero, resisten perfectamente estas condiciones cuando son moderadas.



El Número de álabes suele ser de 17 a 26 por rueda, todo esto dependiendo de la velocidad específica.



Cuando se necesita una velocidad alta el número de álabes es pequeño debido a que a mayor velocidad específica, mayor caudal lo que exige álabes mas grandes y con esto caben menos en cada rueda.

2.3 Esquema y partes

Figura 3. Esquema de una turbina Pelton. 

La Cámara De Distribución: Es la prolongación de la tubería forzada, acoplada a ésta por una brida de unión Entre la tubería forzada y la cámara de distribución se localiza la válvula de entrada a la turbina



El inyector: Es el elemento mecánico destinado a dirigir y regular el chorro de agua. Está compuesto por:



Tobera: constituye una boquilla, con orificio de sección circular de un diámetro entre 5 y 30 cm., instalada al final de la cámara de distribución



Aguja: Constituye un vástago situado concéntricamente en el interior del cuerpo de la tobera con movimiento de desplazamiento longitudinal en dos sentidos.



Deflector: Es un dispositivo mecánico que, a modo de pala o pantalla, que puede ser intercalado con mayor o menor incidencia en la trayectoria del chorro de agua, entre la tobera y el rotor a fin de desviar, total o parcialmente el agua, impidiendo el embalamiento del rotor

2.4 Tipos y clasificación según instalación Pueden ser instaladas con el eje en posición vertical u horizontal, siendo esta última disposición la más adecuada 2.4.1 Eje horizontal En esta disposición solo se pueden instalar turbinas de uno o dos chorros como máximo, debido a la complicada instalación y mantenimiento de los inyectores. Sin embargo, en

esta posición, la inspección de la rueda en general es más sencilla, por lo que las reparaciones o desgastes se pueden solucionar sin necesidad de desmontar la turbina.

Figura 4. PELTON de 1 chorro eje horizontal. Figura 5. PELTON de 2 chorros eje horizontal.

2.4.2 Eje vertical En esta posición se facilita la colocación de alimentación en un plano horizontal y con esto es posible aumentar el número de chorros sin aumentar el caudal y tener mayor potencia por unidad. Se acorta la longitud entre la turbina y el generador, disminuyen las excavaciones y hasta disminuir al diámetro de la rueda y aumentar la velocidad de giro. Se debe hacer referencia que en la disposición vertical, se hace más difícil y, por ende, más caro su mantenimiento, lo cual nos lleva a que esta posición es más conveniente para aquellos lugares en donde se tengan aguas limpias y que no produzcan gran efecto abrasivo sobre los álabes.

Figura 6. Posición de eje vertical. 2.5 Usos 

Existe gran variedad de turbinas en diversos tamaños en el mercado, sin embargo es recomendable el uso de la turbina tipo Pelton en alturas a partir de 300 metros hasta unos 700 metros o más aproximadamente.



Las turbinas pequeñas se utilizan para fines domésticos. Gracias a la energía dinámica generada por la velocidad del agua, puede producir fácilmente energía

eléctrica de manera tal que estas turbinas son en su gran mayoría utilizadas para el funcionamiento de plantas hidroeléctricas. 

Es utilizada en saltos de gran altura (alrededor de 200 m y mayores), y caudales relativamente pequeños (hasta 10 m3/s aproximadamente).



Son de buen rendimiento para amplios márgenes de variación del caudal (entre 30 % y 100 % del caudal máximo).



Pueden ser instaladas con el eje en posición vertical u horizontal, siendo esta última disposición la más adecuada

Fuentes de consulta: Turbomáquinas Hidráulicas, Turbinas Hidráulicas, Bombas, Ventiladores. MATAIX, C Turbomachinery Design and Theory. Rama S. R., Gorla y Aijaz A., Khan. Vinueza, J. (2015). Unidad 2: Plantas Hidroeléctricas. Turbinas Pelton. Obtenido de: https://equipo2fae.wordpress.com/turbimas-pelton/ Yepes, V.; Martí, J.V. (2017). Máquinas, cables y grúas empleados en la construcción. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 814. Valencia, 212 pp. Linkografía: http://members.tripod.com/mqhd_ita.mx/u3.htm