Turbina Francis

Corte de vista lateral de una turbina Francis vertical. Aquí el agua entra horizontalmente en una tubería en forma de espiral (caja en espiral) envuelta alrededor del exterior del corredor giratorio de la turbina y sale verticalmente hacia abajo a través del centro de la turbina.

La turbina Francis es un tipo de turbina de agua que fue desarrollada por James B. Francis en Lowell, Massachusetts . ^[1] Es una turbina de reacción de flujo hacia adentro que combina conceptos de flujo radial y axial.

Las turbinas Francis son las turbinas de agua más utilizadas en la actualidad. "El diseño Francis se ha utilizado con alturas de cabeza de 30 a 600 m, pero ofrece su mejor rendimiento entre 100 y 300 m" ^[2] y se utiliza principalmente para la producción de energía eléctrica. Los generadores eléctricos que utilizan con mayor frecuencia este tipo de turbinas tienen una potencia de salida que generalmente varía desde unos pocos kilovatios hasta 1000 MW, aunque las instalaciones minihidráulicas pueden ser menores. Los diámetros de la compuerta (tuberías de entrada) están entre 1 y 10 m. Los rangos de velocidad de las diferentes unidades de turbinas son de 70 a 1000 rpm. Una puerta peatonal alrededor del exterior de la turbina.El corredor giratorio controla la tasa de flujo de agua a través de la turbina para diferentes tasas de producción de energía. Las turbinas Francis generalmente se montan con un eje vertical para aislar el agua del generador. Esto también facilita la instalación y el mantenimiento. ^{[ cita requerida ]}

Desarrollo

Piezas de turbina Francis

Gatehouse de Pawtucket en Lowell, Massachusetts; sitio de la primera turbina Francis

Francis Runner, presa de Grand Coulee

Las ruedas hidráulicas de diferentes tipos se han utilizado durante más de 1.000 años para impulsar molinos de todo tipo, pero eran relativamente ineficientes. Las mejoras de eficiencia de las turbinas hidráulicas del siglo XIX les permitieron reemplazar casi todas las aplicaciones de ruedas hidráulicas y competir con las máquinas de vapor dondequiera que hubiera energía hidráulica disponible. Después de que se desarrollaron los generadores eléctricos a fines del siglo XIX, las turbinas fueron una fuente natural de energía generadora donde existían posibles fuentes de energía hidroeléctrica.

En 1826 Benoit Fourneyron desarrolló una turbina de agua de flujo hacia afuera de alta eficiencia (80%). El agua se dirigió tangencialmente a través del rodete de la turbina, haciéndola girar. Jean-Victor Poncelet diseñó una turbina de flujo hacia adentro alrededor de 1820 que usaba los mismos principios. SB Howd obtuvo una patente estadounidense en 1838 por un diseño similar.

En 1848 James B. Francis , mientras trabajaba como ingeniero jefe de la empresa Locks and Canals en la ciudad de Lowell, Massachusetts , una fábrica textil impulsada por ruedas hidráulicas , mejoró estos diseños para crear turbinas más eficientes. Aplicó principios científicos y métodos de prueba para producir un diseño de turbina muy eficiente. Más importante aún, sus métodos de cálculo matemático y gráfico mejoraron el diseño y la ingeniería de la turbina. Sus métodos analíticos permitido el diseño de turbinas de alta eficiencia de ajustar con precisión el flujo de agua de un sitio y de presión ( carga de agua ).

Componentes

Una turbina Francis consta de las siguientes partes principales:

Carcasa en espiral : La carcasa en espiral alrededor del rodete de la turbina se conoce como carcasa en espiral o carcasa en espiral. En toda su longitud, tiene numerosas aberturas a intervalos regulares para permitir que el fluido de trabajo incida en las palas del corredor. Estas aberturas convierten la energía de presión del fluido en energía cinética justo antes de que el fluido incida en las palas. Esto mantiene una velocidad constante a pesar de que se han proporcionado numerosas aberturas para que el fluido entre en las palas, ya que el área de la sección transversal de esta carcasa disminuye uniformemente a lo largo de la circunferencia.

Paletas guía y estay : La función principal de las paletas guía y estay es convertir la energía de presión del fluido en energía cinética. También sirve para dirigir el flujo en ángulos de diseño a las palas del rodete.

Palas de corredor : las palas de corredor son el corazón de cualquier turbina. Estos son los centros donde choca el fluido y la fuerza tangencial del impacto hace que el eje de la turbina gire, produciendo un par. Es necesario prestar mucha atención al diseño de los ángulos de las palas en la entrada y la salida, ya que estos son los principales parámetros que afectan la producción de energía.

Tubo de tiro : El tubo de tiro es un conducto que conecta la salida del corredor a la pista de cola donde se descarga el agua de la turbina. Su función principal es reducir la velocidad del agua descargada para minimizar la pérdida de energía cinética en la salida. Esto permite que la turbina se coloque por encima del agua de la cola sin una caída apreciable de la carga disponible.

Teoría de funcionamiento

Corredor de turbina Francis de Three Gorges Dam

La turbina Francis es un tipo de turbina de reacción, una categoría de turbina en la que el fluido de trabajo llega a la turbina bajo una presión inmensa y la energía es extraída por las palas de la turbina del fluido de trabajo. Una parte de la energía es cedida por el fluido debido a los cambios de presión que ocurren en los álabes de la turbina, cuantificados por la expresión del grado de reacción , mientras que la parte restante de la energía es extraída por la carcasa de voluta de la turbina. En la salida, el agua actúa sobre las características del corredor giratorio en forma de copa, saliendo a baja velocidad y bajo remolino con muy poca energía cinética o potencial restante. El tubo de salida de la turbina está diseñado para ayudar a desacelerar el flujo de agua y recuperar la presión.

• Turbina Francis (vista exterior) conectada a un generador

• Vista recortada, con compuertas laterales (amarillas) en el ajuste de flujo mínimo

• Vista recortada, con puertas peatonales incorporadas (amarillas) en la configuración de flujo completo

Eficiencia de la hoja

Diagrama de velocidad ideal, que ilustra que, en casos ideales, el componente de remolino de la velocidad de salida es cero y el flujo es completamente axial.

Por lo general, la velocidad del flujo (velocidad perpendicular a la dirección tangencial) permanece constante en todo momento, es decir, V _f1 = V _f2 y es igual a la de la entrada del tubo de aspiración. Usando la ecuación de la turbina de Euler, E / m = e = V _w1 U ₁ , donde e es la transferencia de energía al rotor por unidad de masa del fluido. Desde el triángulo de velocidad de entrada,

${\displaystyle V_{w1}=V_{f1}\cot \alpha _{1}}$

y

${\displaystyle U_{1}=V_{f1}(\cot \alpha _{1}+\cot \beta _{1}),}$

Por lo tanto

${\displaystyle e=V_{f1}^{2}\cot \alpha _{1}(\cot \alpha _{1}+\cot \beta _{1}).}$

La pérdida de energía cinética por unidad de masa se convierte en V _f2 ² /2 .

Por lo tanto, despreciando la fricción, la eficiencia de la hoja se vuelve

${\displaystyle \eta _{b}={e \over (e+V_{f2}^{2}/2)},}$

es decir

${\displaystyle \eta _{b}={\frac {2V_{f1}^{2}(\cot \alpha _{1}(\cot \alpha _{1}+\cot \beta _{1}))}{V_{f2}^{2}+2V_{f1}^{2}(\cot \alpha _{1}(\cot \alpha _{1}+\cot \beta _{1}))}}\,.}$

Grado de reacción

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Diagrama de velocidad real, que ilustra que el componente de remolino de la velocidad de salida no es cero.

El grado de reacción se puede definir como la relación entre el cambio de energía de presión en las palas y el cambio de energía total del fluido. ^[3] Esto significa que es una relación que indica la fracción del cambio total en la energía de presión del fluido que se produce en las palas de la turbina. El resto de los cambios se producen en las palas del estator de las turbinas y la carcasa de la voluta, ya que tiene un área de sección transversal variable. Por ejemplo, si el grado de reacción se da como 50%, eso significa que la mitad del cambio de energía total del fluido tiene lugar en las palas del rotor y la otra mitad se produce en las palas del estator. Si el grado de reacción es cero, significa que la energía cambia debido a las palas del rotor es cero, lo que lleva a un diseño de turbina diferente llamado Turbina Pelton .

${\displaystyle R=1-{\frac {V_{1}^{2}-V_{2}^{2}}{2e}}=1-{\frac {V_{1}^{2}-V_{f2}^{2}}{2e}}}$

La segunda igualdad anterior se mantiene, ya que la descarga es radial en una turbina Francis. Ahora, poniendo el valor de 'e' desde arriba y usando (as )${\displaystyle V_{1}^{2}-V_{f2}^{2}=V_{f1}^{2}\cot \alpha _{2}}$${\displaystyle V_{f2}=V_{f1}}$

${\displaystyle R=1-{\frac {\cot \alpha _{1}}{2(\cot \alpha _{1}+\cot \beta _{1})}}}$

Aplicación

Desplazamiento Francis Inlet, presa Grand Coulee

Pequeña turbina Francis de fabricación suiza

Las turbinas Francis pueden diseñarse para una amplia gama de cabezales y caudales. Esta versatilidad, junto con su alta eficiencia, las ha convertido en la turbina más utilizada en el mundo. Las unidades tipo Francis cubren un rango de carga de 40 a 600 m (130 a 2000 pies), y la potencia de salida del generador conectado varía desde unos pocos kilovatios hasta 1000 MW. Las turbinas Francis grandes están diseñadas individualmente para que cada sitio opere con el flujo de agua y la altura de agua dados con la mayor eficiencia posible, típicamente más del 90% (al 99% ^[4] ).

A diferencia de la turbina Pelton, la turbina Francis funciona en su mejor momento completamente llena de agua en todo momento. La turbina y el canal de salida pueden colocarse por debajo del nivel del lago o del mar en el exterior, lo que reduce la tendencia a la cavitación .

Además de la producción eléctrica , también se pueden utilizar para almacenamiento por bombeo , donde un depósito es llenado por la turbina (que actúa como una bomba) impulsada por el generador que actúa como un gran motor eléctrico durante períodos de baja demanda de energía, y luego se invierte y utilizado para generar energía durante los picos de demanda. Estos depósitos de almacenamiento de bombas actúan como grandes fuentes de almacenamiento de energía para almacenar el "exceso" de energía eléctrica en forma de agua en depósitos elevados. Este es uno de los pocos métodos que permiten almacenar el exceso de capacidad eléctrica temporal para su posterior utilización.

Ver también

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con la turbina Francis .

• Tubo de aspiración
• Evolución de la turbina Francis a la turbina Kaplan
• Energía hidroeléctrica
• Turbina Jonval
• Turbina Kaplan
• Rueda Pelton
• Sensor Fish , un dispositivo utilizado para estudiar el impacto de los peces que viajan a través de las turbinas Francis y Kaplan

Citas

1. Historia de Lowell
2. Paul Breeze, Tecnologías de generación de energía (tercera edición), 2019
3. Bansal, RK (2010). Un libro de texto de mecánica de fluidos y máquinas hidráulicas (revisado en la novena edición). India: publicaciones de Laxmi. págs. 880–883.
4. L. Suo, ... H. Xie, en Energía renovable integral, 2012

Bibliografía general

• Layton, Edwin T. De la regla empírica a la ingeniería científica: James B. Francis y la invención de la turbina Francis . Serie de monografías de la NLA. Stony Brook, Nueva York: Fundación de Investigación de la Universidad Estatal de Nueva York, 1992. OCLC 1073565482 . 
• SM Yahya, página número 13, fig. 1,14. ^{[ se necesita cita completa ]}