turbomáquinas turbina francis

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Universidad Latina de Costa Rica
Sede Heredia
Curso:
Turbomáquinas
Proyecto Final
Turbomáquinas
Estudiantes:
Víctor Esquivel Castro

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Contenido
Introducción ............................................................................................................................ 3
Objetivos ................................................................................................................................. 4
Marco teórico .......................................................................................................................... 5
Turbina ................................................................................................................................ 5
Turbina Francis ................................................................................................................... 6
Partes de la Turbina Francis............................................................................................... 6
 Caja espiral .............................................................................................................. 6
 Predistribuidor.......................................................................................................... 7
 Distribuidor............................................................................................................... 7
 Tubo de aspiración .................................................................................................. 7
 Rodete...................................................................................................................... 8
Rodetes lentos:................................................................................................................ 8
Rodetes normales:.......................................................................................................... 8
Rodetes rápidos: ............................................................................................................. 9
Triángulos de velocidad...................................................................................................... 9
Aplicaciones .......................................................................................................................10
Ventajas y desventajas......................................................................................................10
Ventajas..........................................................................................................................10
Desventajas....................................................................................................................11
Cavitación ..........................................................................................................................11
Regulación de las turbinas Francis ...................................................................................12
Regulación directa..........................................................................................................12
Regulación indirecta.......................................................................................................13
Funcionamiento:.................................................................................................................14
Biografías...............................................................................................................................16

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Introducción

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Objetivos

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Marco teórico
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. La
función de una planta hidroeléctrica es utilizar la energía potencial del agua
almacenada en un lago, a una elevación más alta y convertirla, primero en energía
mecánica y luego en eléctrica. Este proceso toma en consideración varios
factores entre los cuales uno de los más importantes es la caída de agua (head).
Este factor es decisivo al momento de escoger el tipo de turbina hidráulica que se
instala en la planta.
Una caída alta (entre 800 a 2000 pies) requiere una turbina para alta presión, de
impulso o tipo Pelton. Si la caída es intermedia (entre 200 y 800 pies), entonces
se escoge una turbina de reacción tipo Francis. Para caídas bajas (menores de
200 pies) se utiliza un tipo de turbina de reacción tipo Kaplan.
La turbina Francis es un motor hidráulico de reacción, que se emplea para
caudales y alturas medias
Las Turbinas Francis son conocidas como turbinas de sobrepresión por ser
variable la presión en las zonas del rodete, o de admisión total ya que éste se
encuentra sometido a la influencia directa del agua en toda su periferia. También
se conocen como turbinas radiales-axiales y turbinas de reacción, conceptos que
se ampliarán en su momento.
El campo de aplicación es muy extenso, dado el avance tecnológico conseguido
en la construcción de este tipo de turbinas. Pueden emplearse en saltos de
distintas alturas dentro de una amplia gama de caudales (entre 2 y 200 m3/s
aproximadamente).
Consideraremos la siguiente clasificación, en función de la velocidad específica
del rodete, cuyo número de revoluciones por minuto depende de las
características del salto.

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 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)
 Turbinas Francis rápidas y extrarrápidas. Apropiadas a saltos de
pequeña altura (inferiores a 20 m).
Turbina Francis
La turbina Francis fue desarrollada por James B. Francis. Se trata de una turbo
máquina 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 diez metros hasta varios cientos de metros. Esto, junto
con su alta eficiencia, ha hecho que este tipo de turbina sea el más ampliamente
usado en el mundo, principalmente para la producción de energía eléctrica
mediante centrales hidroeléctricas.
Partes de la Turbina Francis
 Caja espiral
Tiene como función distribuir uniformemente el fluido en la entrada del rodete de
una turbina

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 Predistribuidor
Tienen una función netamente estructural, para mantener la estructura de la caja
espiral, tienen una forma hidrodinámica para minimizar las pérdidas hidráulicas.
 Distribuidor
Es el nombre con que se conocen los álabes directores de la turbomáquina, su
función es regular el caudal que entra en la turbina, a la vez de direccionar al fluido
para mejorar el rendimiento de la máquina. Este recibe el nombre de distribuidor
Fink.
 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.

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 Rodete
Elementoenel cual se realizalatransformaciónde energíahidráulicaamecánica.Conformadopor
el cubo,la corona y losálabes
Rodetes lentos:
Se utilizan en los grandes saltos, (Fig IV.3;) con ellos se tiende a reducir el número
de revoluciones, lo cual supone un aumento del diámetro D1 del rodete respecto al
del tubo de aspiración D3.El ángulo a la entrada β1 < 90º, (α1 < 15º) y su número
de revoluciones específico está comprendido entre50 y 100. En estas turbinas se
obtienen velocidades tangenciales reducidas. Los álabes tienen forma especial,
aumentando su espesor a fin de que su cara posterior guíe mejor el chorro que
atraviesa el rodete deslizándose en contacto con las paredes de los álabes, ya
que de no ser así el chorro se despegaría de la cara posterior de los mismos,
originando remolinos.
Rodetes normales:
Se caracterizan porque el diámetro D1 es ligeramente superior al del tubo de
aspiración D3, (Fig IV.4.) El agua entra en el rodete radialmente y sale de él
axialmente, entrando así en el tubo de aspiración. El valor de β1 es del orden de
90º, (15º< α1 < 30º) y se alcanza un (ns) comprendido entre125 y 200 rpm. No
existen apenas huelgos entre el distribuidor y la rueda. En estas turbinas, en el
triángulo de velocidades a la entrada, al ser β1 = 90º, se cumple:

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Rodetes rápidos:
Permiten obtener elevadas velocidades de rotación para valores de ns
comprendidos entre 225 y 500, (Fig IV.5.) El diámetro del rodete D1 es menor que
el D3 del tubo de aspiración y el cambio de dirección del agua se efectúa más
bruscamente que en las turbinas normales.
Triángulos de velocidad
El ángulo de entrada β1 > 90º, (α1< 45º) favorece el aumento del número de
revoluciones, porque aumenta U1; en estas turbinas hay un huelgo bastante
grande entre el rodete y el distribuidor, sin que ello tenga apenas ninguna
influencia en el rendimiento; el agua entra radialmente y recorre un cierto espacio
antes de entrar en el rodete; en este espacio al no existir rozamientos con los
álabes, se consigue mejorar el rendimiento. En estas turbinas, para unos mismos
valores de Hn y α1 en comparación con las normales, se obtienen un valor de U1
menor, resultando mayor la velocidad tangencial U1. Los conductos entre álabes

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resultan más largos y estrechos y, en consecuencia, las pérdidas por rozamiento
son relativamente altas, lo cual reduce el rendimiento; los rodetes trabajan con
mucha sobrepresión, produciéndose grandes aceleraciones en los conductos.
Aplicaciones
Las grandes turbinas Francis se diseñan de forma individual para cada
emplazamiento, a efectos de lograr la máxima eficiencia posible, habitualmente
más del 90%. Son muy costosas de diseñar, fabricar e instalar, pero pueden
funcionar durante décadas.
Además de para la producción de electricidad, pueden usarse para el bombeo y
almacenamiento hidroeléctrico, donde un 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 micro turbinas Francis baratas para la producción individual de energía
para saltos mínimos de 52 metros.
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 física también permiten altas
velocidades de giro.

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 Junto a la tecnología y a nuevos materiales, las nuevas turbinas requieren
cada vez menos mantenimiento
Desventajas
 No es recomendado para altura mayor 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,
por lo que se debe tratar de mantener un flujo de caudal constante previsto,
antes de la instalación
Cavitación
En teoría, cuando la presión absoluta del agua en un punto dentro de conductos o
máquinas hidráulicas llega a disminuir a tal grado que alcanza un valor igual o
menor a la presión de saturación que se tiene a la temperatura normal del agua,
se puede presentar un cambio de estado líquido a gaseoso, cuyas burbujas al ser
conducidas a secciones donde la presión es mayor tienden a regresar a su estado
líquido.
En la práctica este fenómeno puede ocurrir cuando los valores de la presión de
saturación del vapor (Psv) son equivalentes a los que se obtienen para
temperaturas del agua mucho mayores a las normales. Este cambio ocurre de
forma violenta debido a que las burbujas se ven sometidas a grandes presiones
que las obligan a implotar, es decir el equivalente a explotar de forma inversa o
hacia adentro.
En las turbinas Francis puede aparecer localizada sobre las palas a la salida. Por
lo que una forma de evitar este fenómeno será definir con precisión los valores de
posición de las maquinas respecto al nivel de aguas abajo.
Las turbinas de reacción se sitúan generalmente por encima del nivel de aguas
abajo, pero también pueden instalarse por debajo de dicho nivel empleando tubos
de desfogue acodados, como ocurre con ciertas turbinas de velocidad específica
alta, pero el valor de la posición, lo condiciona el parámetro de cavitación.

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Las condiciones a la salida del rotor se representan por (2) y las condiciones en el
nivel de aguas por (a), la coordenada z2 es igual a Hs (altura de aspiración), za =
0. Considerando como plano de referencia el del nivel de aguas abajo, donde a su
vez va ≈ 0 y aplicando la ecuación de Bernoulli entre (2) y (a) se obtiene
Regulación de las turbinas Francis
Segúnel métodooperativo,lossistemasde regulaciónde velocidadse puedenclasificarendos
grupos:
a) De regulacióndirecta
b) De regulaciónindirecta
Regulación directa
Para el caso de regulación directa un regulador centrífugo responde a las
variaciones de velocidad de la turbina, y mueve directamente el mando de
regulación que abrirá o cerrará la sección de entrada. Si la carga disminuye, el
momento resistente disminuirá, y al acelerarse la turbina, los contrapesos del
regulador tienden a separarse del eje de rotación y levantar el manguito; una
palanca con punto de apoyo en 0 accionará un mecanismo de cierre que
disminuirá el caudal. El par motor disminuye y se consigue el equilibrio dinámico a

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unas rpm superiores a las anteriores; cada posición del mecanismo de cierre se
corresponde con otra de los contrapesos, lo que implica una velocidad
predeterminada.
Regulación indirecta.
 Un elemento sensible a la velocidad, consistente en unos contrapesos con
un manguito y una palanca que se apoya y puede girar alrededor de un
punto 0. El elemento sensible a la velocidad puede ser también de tipo
electromagnético, con una bobina sensible a las variaciones de frecuencia,
que las transforma en movimiento mecánico.
 Una válvula de control o válvula de distribución, accionada a través de la
palanca por los elementos sensibles a la velocidad; su cometido es el de
distribuir el aceite a presión y enviarlo al correspondiente lado del
servomotor. La válvula de control está provista de un pistón doble, de
forma que el espacio entre los pistones esté siempre a presión; el doble
pistón está en equilibrio indiferente, y pequeñísimas fuerzas externas
bastan para desplazarlo. Esta válvula de control tiene una entrada y dos
salidas de aceite, así como dos tubos en conexión con el servomotor.
 El servomotor, que por medio de fuerzas hidráulicas controla la posición de
la varilla que acciona al distribuidor. Esencialmente consiste en un pistón
cuyo diámetro interior viene dado por la fuerza máxima necesaria que
requiera el ajuste del distribuidor; la presión de aceite suele ser de 10 a 15
atm., aunque en el caso de unidades muy grandes puede ser superior. La
velocidad de respuesta del pistón es una función de la cantidad de aceite
proporcionada por el cilindro.

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Funcionamiento:
La energía potencial gravitatoria del agua embalsada, se convierte en energía
cinética en su recorrido hacia el distribuidor, donde, a la salida de éste, se dispone
de energía en forma cinética y de presión, siendo, la velocidad de entrada del
agua en el rodete, inferior a la que correspondería por altura de salto, debido a los
cambios bruscos de dirección en su recorrido.
Centrándonos en la zona del distribuidor, podemos añadir que el agua, a su paso
por las palas fijas de la cámara espiral y las palas directrices del distribuidor,
disminuye su presión, adquiriendo velocidad y, en tales condiciones, provoca el
giro del rodete, al discurrir a través de los álabes de éste, sobre los cuales actúa el
resto de la presión existente en las masas de agua dotadas, a su vez, de energía
cinética. El tubo de aspiración produce una depresión en la salida del rodete o,
dicho en otros términos, una succión.
Las turbinas Francis, son de rendimiento óptimo, pero solamente 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.
Al igual que las turbinas Pelton, las turbinas Francis pueden ser instaladas con el
eje en posición horizontal o vertical siendo esta última disposiciónla más
generalizada por estar ampliamente experimentada, especialmente en el caso de
unidades de gran potencia.

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Biografías
Humberto Torio García, Maquinas Hidráulicas, (2014), primera edición, (PDF), Argentina,
consultado 17/08/2016, URL:
http://cdigital.uv.mx/bitstream/123456789/35220/1/toriogarciahumberto.pdf
Héctor García Gutiérrez, Arturo Nava Mastache, Selección y dimensionamiento de
turbinas hidráulicas para centrales hidroeléctricas, (2013), México, primera edición, (PDF),
consultado 17/08/2016, URL:
http://www.ingenieria.unam.mx/~deptohidraulica/publicaciones/pdf_publicaciones/SELECy
DIMENSIONAMIENTOdeTURBINAS.pdf
pfernandezdiez.es, turbina Francis, (2015), primera edición, (PDF), Guatemala,
Consultado 17/08/2016, URL:
http://files.pfernandezdiez.es/Turbinas/Hidraulicas/PDFs/04Turb.Hidr.pdf
Pedro Fernández Díez, Turbinas Hidraulicas , (2015), primera edición, (PDF), primera
edición, España, consultado 17/08/2016, URL:
http://www.ing.una.py/pdf_material_apoyo/turbinas-hidraulicas.pdf
Carlos J Renejo, Sistemas energéticos, (2014), primera edición, (PDF), España,
Consultado: 17/08/2016, URL:
http://personales.unican.es/renedoc/Trasparencias%20WEB/Trasp%20Sist%20Ener/03%
20T%20HIDRAULICAS.pdf
Jesús De Andrade, Miguel Asuaje, Turbomáquinas Hidráulicas, (2016) primera edición,
(PDF), México, Consultado: 18/08/2016, URL:
http://gecousb.com.ve/guias/GECO/Turbom%C3%A1quinas%20Hidr%C3%A1ulicas%20(
CT-3411)/Material%20Teorico%20(CT-3411)/CT-
3411%20Clase%204%20Turbinas%20Hidr%C3%A1ulicas%20Francis.pdf
Ramusca, turbina Francis, (2011), Paraguay, consultado 18/08/2016, URL:
https://ramaucsa.wordpress.com/2011/01/14/turbinas-francis-i/