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• FLOR KARINA CORNEJO CRUZ

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Turbomáquinas

Ingeniería Eléctrica

UNSAAC

CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERIA ELECTRICA

ASIGNATURA DE TURBOMAQUINAS

TURBINAS FRANCIS

Ing. Willy Morales Alarcón

2018 Ing. Willy Morales Alarcón

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6.1.

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CAPITULO VI TURBINAS HIDRÁULICAS DE REACCIÓN DE FLUJO SEMIAXIAL TURBINA FRANCIS Definición y características generales de las turbinas hidráulicas:  En la actualidad la TF es la TH de instalación más frecuente, porque cubre la gama de alturas netas y potencias más usuales.  En los saltos de poca altura la TF es reemplazada a veces por las TK.  En los saltos de gran altura la TF invade el campo reservado hasta entonces a la TP.  Actualmente las TF se instalan en saltos que oscilan entre 10 – 600 m.  Tendencias a mayores potencias.  Las turbinas hidráulicas permiten la transferencia de energía del agua a un rotor provisto de alabes, mientras el flujo pasa a través de éstos.  El paso del agua por el rotor se efectúa en dirección radial.  Las máquinas se llaman radiales, (turbina Francis).  El paso por entre los alabes se hace en la dirección del eje de la máquina, es de tipo axial, (turbina Kaplan).  Cuando la turbina es capaz de utilizar la energía estática del agua se llama de reacción, como son la Francis y la Kaplan.  Las turbinas, Francis, Kaplan y Peltón, son conocidas como las tres grandes, por ser las principales turbinas hidráulicas empleadas en la actualidad.

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Rendimiento η

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Gasto volumétrico de Q (%)

Fig. Curvas del rendimiento en función del gasto de las cuatro turbinas típicas: 1) Peltón 2) Francis 3) Kaplan y 4) Tubular (Cortesía EscherWyss).

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ns 6.2.

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Fig. Limite de aplicación de las turbinas Peltón, Francis y Kaplan de acuerdo con la carga y la velocidad específica (TECNOEXPORT, PRAGA).

La turbina Francis:  La turbina Francis es, típica de reacción de flujo radial.  El nombre es en honor al ingeniero James Bichano Francis (1815-1892).  La turbina Francis ha evolucionado bastante en el curso de este siglo.  La Francis en aprovechamientos hidráulicos es de características muy variadas de carga y caudal.  Se encuentran turbinas Francis en saltos de agua de 30 m. como también en saltos de 550 m. y con caudales que a veces alcanzan 200 m3/s y otras sólo de 10 m3/s.  Es versátil las más generalizada en el mundo hasta el momento actual.  De acuerdo con la carga sobre el caudal o viceversa, dan lugar a dos tipos, no completamente definidos: la Francis pura y la Francis mixta.  las turbinas Francis pura, por los saltos de agua con cargas relativamente grandes y caudales relativamente reducidos.

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Distribuidor

Caracol

Rotor Desfogue Fig. Turbina Francis pura

Fig. Rodete Francis para una carga de 206 m, 30000 CV 375 rpm (TECNOEXPORT, PRAGA)

En las turbinas Francis mixta: Tiene aplicación en saltos de agua de cargas medianas y bajas, con caudales medianos y relativamente grandes:

Turbina Francis Mixta

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Fig. Sección de una turbina Francis: P=62500 HP n=105,5 rpm H=160 pies instalado en Wolf Creek Plan Army. (Cortesía Baldwin Lima Hamilton)

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Fig. Rodete de la turbina Francis para: 218000 Kw Planta hidroeléctrica de Malpaso Chis., México D=5,6 m A=2,5 m P=63000 kg (Cortesía KOBE STELL) Es una de las turbinas más grandes de América Latina.

6.3.

DESCRIPCION Y VENTAJAS DE LA TF: El órgano más importante de una TF, es el rodete; los restantes órganos son construidos en torno a él, antes y después del mismo, para hacer llegar al fluido al rodete o evacuarlo del mismo en condiciones óptimas y con el máximo rendimiento. Los rodetes de las TF suelen siempre equilibrarse, y es muy conveniente que se equilibren también dinámicamente. El equilibrio se logra removiendo material si es preciso del tubo, rara vez por adición de material. Es claro que para el equilibrio dinámico en general será necesaria una remoción del metal en dos planos transversales para conseguir el par equilibrante.

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En la turbina Francis:  A mayores cargas mayor acción radial y  A mayores, caudales mayor acción axial En la turbina Kaplan:  Disminuye el número de álabes al aumentar la velocidad específica, esto es, al aumentar el caudal y disminuir la carga. Por tanto la turbina es el órgano fundamental de todo aprovechamiento hidroeléctrico, por ser el que transforma la energía del agua en energía mecánica. El rotor de la turbina con sus álabes, es el elemento básico de la turbina, pues en él se logra la transferencia energética. En las turbinas de reacción (Francis y Kaplan) se dispone un ducto alimentador en forma de caracol circundando la máquina, el cual recibe el Ing. Willy Morales Alarcón

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6.4.

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agua de la tubería de llegada y la sirve al rodete móvil por medio del distribuidor; este último regula el gasto de acuerdo con la potencia exigida a la turbina y además impone al líquido el giro necesario para su acción sobre los álabes. En la descarga del agua de la máquina se instala otro ducto abocinado, llamado tubo de desfogue, que permite una ganancia en la gradiente de presión y mejora el rendimiento de la máquina. Órganos principales de una turbina Francis: Los órganos principales de una turbina Francis, en el orden del paso del agua son:  El caracol  El distribuidor  El rodete móvil y  El tubo de desfogue

Fig. Corte ecuatorial de una turbina Francis.

 La carcasa, caja espiral o caracol: Es un ducto alimentador Sección circular Diámetro decreciente Circunda al rotor Generalmente es de lámina de acero Del caracol pasa el agua al distribuidor guiada por unas paletas direccionales fijas a la carcasa, que forman los portillos de acceso

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Fig. Turbina Francis de 137500 Kw Milboro, Japón (Cortesia Hitachi Ltda., Japón)

 El distribuidor: Lo constituye una serie de alabes directores Forma de persiana circular Cuyo paso se puede modificar con la ayuda de un servomotor Que permite imponer al fluido la dirección de ataque exigida por el rodete móvil y además regular el gasto de acuerdo con la potencia pedida a la turbina, desde valores máximos a un valor cero, en posición cerrada. En el distribuidor se transforma parcialmente la energía de presión en energía cinética. Foto. Distribuidor de una turbina Francis de: 20,000 HP 400 rpm Bajo 413 pies de carga para Nueva Compañía Eléctrica de Chapola. Jal., México. (CortesíaAllisChal mers) Ing. Willy Morales Alarcón

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 El rodete móvil o rotor: Conformado por los propios álabes Están engastados en un plato perpendicular al eje de la máquina. Los álabes se ciñen en su extremo final por un suncho en forma de anillo para dar la debida rigidez al conjunto.

Foto. Rotor de turbino Francis P=68000 KW H=110 m n= 280.8 rpm Instalado en Combambe, Angola (CortesíaEscherWyss)

 El tubo de desfogue o difusor: Da salida al agua de la tubería y Al mismo tiempo procura una ganancia en carga estática hasta el valor de la presión atmosférica, debido a su forma divergente. Se tiene a sí a la salida del rotor una presión más baja que la atmosférica y, por tanto, una gradiente de presión dinámica más alta a través del rodete. Las Francis mixtas, con mucha acción axial, se emplean con grandes caudales.

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Foto. Tubo de desfogue de una turbina Francis de: 17.000 HP 240 rpm 153 pies de carga (Cortesía AllisChalmers)

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Algunas ventajas: 1. En el rodete es el flujo centrípeto, lo cual, además de ser favorable para la cesión de energía y reducir las pérdidas conduce a una salida central del agua del rodete; permitiendo el empleo de un tubo de aspiración de fácil diseño. 2. El entrehierro, o espacio sin alabes entre el distribuidor y el rodete, permite en las T de ns elevado una entrada satisfactoria de la corriente al rodete con choque reducido, aun en cargas distintas de la carga nominal o de diseño; en efecto, la corriente en el entrehierro cambia de dirección radial o axial, al paso que se transforma la energía de presión en cinética por la convergencia natural del flujo, sin necesidad de ser guiada, disminuyéndose, la superficie mojada. 3. El distribuidor Fink, desarrollado en conexión con las TF, y también empelado en las restantes TH de reacción guía la corriente para lograr una entrada sin choque en la carga nominal; y aun en cargas inferiores con choque mínimo, ya que al reducirse el caudal del distribuidor se cierra de manera que el ángulo de la corriente absoluta a la entrada del rodete disminuye, lo que produce una disminución de w1, y una divergencia menor entre el ángulo β1 de la corriente y el ángulo de entrada de los alabes.

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Campo de las TF en el campo general de aplicación de las TH:

Los saltos naturales se caracterizan por un caudal y una altura de salto H determinadas. Del caudal total se deduce el caudal Q asignado a una T. Estas dos variables Q y H se han llevado como abscisas y ordenadas al grafico. Este grafico representa intuitivamente la TH más adaptada (más económica) para cada aplicación o punto del plano H-Q. 1. Como aumenta el tamaño de la T para la misma potencia a medida que aumenta el caudal. 2. En un mismo punto del plano es decir, para un Q y H determinados, al aumentar n aumenta ns y el tipo de T cambia; dicho de otra manera para un mismo punto se pueden utilizar distintas n; la línea n=cte, que pasa por este punto, representa solo la velocidad mas económica. 3. Para una misma altura neta, el tamaño crece al aumentar la potencia, y aumenta el número de revoluciones más económico. Ing. Willy Morales Alarcón

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6.7.

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Clasificaciones diversas de la TF: 1. Según el tipo de instalación: a) Instalación del tipo cerrado:

b) Instalación de tipo abierto o instalación en cámara de agua:

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2. Según el numero de flujo: a) TF simples, o de un solo flujo b) TF gemelas o de dos flujos: Poseen un rodete de doble admisión y absorben, por tanto, caudal doble. La TF de doble admisión tiene ns 2 veces mayor que la TF simple. En la actualidad se construyen ocasionalmente.

3. Según la disposición del eje: a) TF de eje vertical b) TF de eje horizontal La disposición vertical se ha impuesto cada vez más sobre todo en las grandes potencias; pero también en potencias medias y pequeñas por las ventajas siguientes: a) Superficie mínima requerida por la central b) Se evita el peligro de cavitación c) Se evita la complicación adicional de la estructura d) U solo cojinete de empuje e) En general rendimiento mas elevado (del 1 – 2%) 4. Según la altura del salto: a) TF de alta presión b) TF de baja presión.

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Convencionalmente establecemos la línea divisoria entre ambos tipos en un salto de 80 m. He aquí algunas peculiaridades de ambos tipos: 1) A igualdad de P al aumentar H deberá aumentar Q y aumentar n, con lo cual la maquina resulta de menor tamaño.

2) Las T de baja presión de gran potencia requieren cajas espirales de gran tamaño fabricadas de chapa. 3) En las T de alta presión el peligro de erosión obliga a seleccionar los materiales, y el peligro de fugas intersticiales a mantener el juego entre la parte fija y móvil de la T a un mínimo con un esmerado diseño.

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Clasificación de la TF según el ns: La mejor clasificación de la TH es una clasificación numérica, en la que se asigna a cada tipo de TH un ns. Esto es aplicable a las TF. Para calcular el ns de una TH, a partir del salto neto y del caudal nominal o de diseño es preciso estimar el rendimiento total ηtotal que depende de la potencia de la T, en este caso para la TF. Si: Pa < 1500 kw, se podrá estimar ηtotal de 82-85 % 1500 < Pa < 6000 kw, ηtotal de 85-88 % y Pa > 6000 kw, ηtotal de 88-90 %

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Las turbinas Francis de acuerdo a ns, se denominan: 60 < ns < 125, se denomina TF lentas 125