Turbinas Hidráulicas

Introducción

Las centrales hidroeléctricas pueden ser adaptadas a distintas condiciones en el flujo de entrada de agua mediante la implementación de la turbina con las especificaciones correctas para un trabajo en específico. Las dos turbinas más utilizadas en la actualidad son la turbina de acción Pelton y la turbinas de reacción Francis.

Las turbinas Francis son bastante utilizadas en la industria de la generación eléctrica debido a las ventajas que presenta que son: alta eficiencia, bajo costo de mantenimiento, etc. Es por ello que el estudio del comportamiento de una turbina Francis es tan importante. Además existe el factor de las condiciones de operación ideales de la turbina, algunas turbinas funcionan mejor a diferentes caudales, alturas, velocidades, etc. Es ahí donde las curvas características de las turbinas adquieren importancia, pues nos permiten conocer cómo va a ser el desempeño de cada turbina y pueden facilitar la elección de una turbina adecuada para la situación específica con la que se desea trabajar.

En el presente laboratorio se detalla el fundamento teórico que rige el funcionamiento de una turbina Francis, sus componentes, sus partes y se menciona un caso de la aplicación de la misma en territorio peruano. Además se explicarán las distintas curvas características para la turbina Francis obtenidas con el software GUNT.

Marco Teórico

Turbina Francis

Es una turbina de reacción y de flujo mixto. Son de rendimiento óptimo, pero únicamente entre unos determinados márgenes (para 60% y 100% del caudal máximo), siendo una de las razones por la que se disponen varias unidades en cada central, al objeto de que ninguna trabaje, individualmente, por debajo de valores del 60 % de la carga total.

Estos tipos de turbinas son muy usadas en centrales hidroeléctricas debido a que fueron fabricadas para vastos rangos de caudal y salto y también por la alta eficiencia que brinda. También es conocida como turbina de sobrepresión por presentar variabilidad de las presiones en la zona del rodete debido al sometimiento directo del agua en todo su perímetro.

Partes de la turbina Francis

Cámara espiral: Zona periférica interna y concéntrica con el eje de la turbina. Dentro de esta se encuentra una abertura circular formando un anillo cuyos extremos están enlazados paralelamente al eje de la turbinas por una sucesión de palas equidistantes una de otra.

Distribuidor: Formado por cierto número de palas móviles, cuyo conjunto constituye un anillo que está situado concéntricamente entre el predistribuidor y la turbina y la función principal de esta es la de distribuir y regular el caudal de agua que fluye hacia el rotor

Rodete: Pieza fundamental mediante la cual se obtiene la energía mecánica deseada y está unido de manera rígida al eje de la turbina y perfectamente concéntrica con el distribuidor. Presenta un núcleo central alrededor del cual se encuentra dispuesto determinado número de palas de superficies alabeadas fijadas al núcleo.

Tubo de aspiración: Conducto que une la turbina con el canal de desagüe. La misión principal de esta parte es recuperar al máximo la energía cinética a la salida del rotor.

Eje: Esta parte tiene cierta peculiaridad cuando se encuentra instalado en posición vertical. Es por medio del eje de la turbina que al estar de manera rígida unido mediante el acoplamiento al eje del generador transmite al rotor del generador el movimiento de rotación

Equipo de sellado del eje de la turbina: Su función es sellar e impedir el paso de agua que pudiera fluir desde el rotor hacia el exterior de la turbina por el espacio existente entre la tapa de la turbina y su eje.

Cojinete guía de turbina: Compuesto por un anillo el cual normalmente divide de manera radial en dos mitades que se asientan sobre el eje y la superficie de contacto. Están recubiertas por un material antifricción

Cojinete de empuje: Componente necesario en todo los grupos de eje vertical respecto al eje del grupo, este varía según los tipos de turbina.En el caso de Francias se encuentra ubicado encima del rotor del generador

Funcionamiento

Las turbinas de reacción como es el caso de una turbina Francis funcionan debido a que el fluido a la entrada ingresa bajo una presión muy grande y la energía debido a esa presión es extraída por la turbina desde el fluído de trabajo. Es así como una parte de la energía del fluido es cedida debido a la variación de presiones que ocurren dentro de la turbina. A la salida de la turbina el fluido se encuentra a baja velocidad y una baja energía potencial y cinética. Asimismo, la turbina está diseñada con una forma específica a la salida que ayuda a desacelerar el fluido aún más para de esta manera normalizar los niveles de presión.

Ventajas y Desventajas

Ventajas

Desventajas

Posee un costo de mantenimiento bajo debido a su compacticidad.

La cavitación es un problema pues se encuentra sumergida.

La turbina es una de las más eficientes en el mercado bajo las condiciones de flujo y altura adecuadas.

Es sensible a grandes variaciones de caudal pues sólo opera idealmente bajo su caudal de diseño.

La turbina puede implementada en condiciones de limitado espacio debido a sus pequeñas dimensiones.

No funciona muy eficientemente a altas alturas de caída de agua debido al golpe del agua que dichas alturas ocasionarían en la turbina.

Está gráfica representa las eficiencias de la turbinas con respecto a la altura de la caída de agua y el caudal . Se puede ver que la turbina Francis es la más regular de las tres conocidas

Resumen Ejecutivo

Tabla 1: Válvula abierta

Caudal

Altura

Presiones

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