Turbina Francis
Keywords: Turbina Francis, 1820, 1826, 1838, 1848, Energía cinética, Energía potencial, Estado del arte, Grado de reacción en turbomáquinas
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La turbina Francis fue desarrollada por James B. Francis. Se trata de una turbina de reacción de flujo interno que combina conceptos tanto de flujo radial como de flujo axial.
Las turbinas Francis son las turbinas hidráulicas más habituales usadas actualmente. Operan en rangos de desnivel que van de los diez metros hasta varios cientos de metros y se utilizan principalmente para la producción de energía eléctrica.
Desarrollo
Las norias y turbinas hidráulicas han sido usadas históricamente para accionar molinos de diversos tipos, aunque eran bastante ineficientes. En el siglo XIX las mejoras logradas en las turbinas hidráulicas permitieron que estas pudiesen competir con la máquina de vapor (por supuesto, allí donde se disponia de un salto de agua).
En 1826 Benoit Fourneyron desarrolló una turbina de flujo externo de alta eficiencia (80%). El agua era dirigida tangencialmente a través del rodete de la turbina provocando su giro. Jean V. Poncelet diseñó una turbina de flujo interno que usaba los mismos principios alrededor de 1820. S. B. Howd obtuvo en 1838 una patente en los EE.UU. para un diseño similar.
En 1848 James B. Francis mejoró estos diseños para crear una turbina con el 90% de eficiencia. Aplicó principios y métodos de prueba científicos para producir la turbina más eficiente elaborada hasta la fecha. Más importante, sus métodos matemáticos y gráficos de cálculo mejoraron el estado del arte en lo referente al diseño e ingeniería de turbinas. Sus métodos analíticos permitieron diseños seguros de turbinas de alta eficiencia.
Teoría de operación
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La turbina Francis es una turbina de reacción, lo cual significa que el fluido cambia de presión a medida que se desplaza a través de la turbina, perdiendo su energía. Se necesita una carcasa para contener el caudal de agua.
La admisión tiene forma de espiral. Los álabes directores dirigen el agua tangencialmente hacia el rodete. Este flujo radial actua sobre los álabes del rodete, causando que este gire. Los álabes directores (también conocidos como álabes giratorios o distribuidores o wicket gate en inglés) pueden ser ajustables para permitir un funcionamiento eficiente de la turbina para un rango amplio de condiciones del caudal de agua.
A medida que el agua se mueve a través del rodete su radio de giro disminuye, actuando sobre el rodete. Imagínese una bola girando por dentro una cuerda alrededor de un círculo. Si se empuja la cuerda para hacerla más corta, la bola gira más rápido. Esta propiedad ayuda a las turbinas de flujo interno a extraer la energía del agua.
En la salida, el agua actua sobre unas características tazas situadas en el rodete, dejándola sin remolinos y con muy poca energía cinética o potencial. El tubo de salida de la turbina tiene una forma especialmente diseñada para ayudar a decelerar el fujo de agua y recuperar energía cinética.
Aplicaciones
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Las grandes turbinas Francis se diseñan de forma individual para cada emplazamiento para de esta forma funcionar a la máxima eficiencia posible, habitualmente más del 90%. Son muy costosas de diseñar, fabricar e instalar, pero pueden operar durante decadas.
Adicionalmente a la producción de electricidad, pueden ser usadas además para el bombeo y almacenamiento hidroeléctrico; donde un embalse superior es llenado por la turbina (en este caso funcionando como bomba) durante los períodos de baja demanda eléctrica, y luego es usada como turbina para generar energía durante los períodos de alta demanda eléctrica.
Las turbinas Francis se pueden diseñar para un amplio rango de saltos y caudales. Esto, junto con su alta eficiencia, ha hecho de este tipo de turbina la más ampliamente usada en el mundo.
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