turbina francis -Francis turbine
La turbina Francis es un tipo de turbina de agua . Es una turbina de reacción de flujo interno que combina conceptos de flujo radial y axial . Las turbinas Francis son las turbinas de agua más comunes en uso hoy en día y pueden lograr una eficiencia superior al 95%.
El proceso para llegar al diseño moderno del rodete Francis tomó desde 1848 hasta aproximadamente 1920. Se hizo conocido como la turbina Francis alrededor de 1920, y recibió su nombre del ingeniero británico-estadounidense James B. Francis , quien en 1848 creó un nuevo diseño de turbina.
Las turbinas Francis se utilizan principalmente para producir electricidad. La potencia de salida de los generadores eléctricos generalmente varía desde unos pocos kilovatios hasta 1000 MW, aunque las instalaciones minihidráulicas pueden ser menores. El mejor rendimiento se observa cuando la altura de la cabeza está entre 100 y 300 metros (330 y 980 pies). Los diámetros de la tubería forzada están entre 1 y 10 m (3,3 y 32,8 pies). Las velocidades de las diferentes unidades de turbina oscilan entre 70 y 1000 rpm . Una compuerta colocada alrededor del exterior del corredor giratorio de la turbina 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.
Desarrollo
Las ruedas hidráulicas de diferentes tipos se han utilizado durante más de 1000 años para accionar molinos de todo tipo, pero eran relativamente ineficientes. Las mejoras en la 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 del generador donde existían fuentes potenciales de energía hidroeléctrica.
En 1826, el ingeniero francés Benoit Fourneyron desarrolló una turbina de agua de flujo hacia afuera de alta eficiencia (80%). El agua se dirigió tangencialmente a través del corredor de la turbina, lo que provocó que girara. Otro ingeniero francés, 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 para 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 turbinas. Sus métodos analíticos permitieron el diseño de turbinas de alta eficiencia para igualar con precisión el flujo de agua y la presión ( cabeza de agua ) de un sitio.
Componentes
Una turbina Francis consta de las siguientes partes principales:
Carcasa en espiral : La carcasa en espiral alrededor del corredor de la turbina se conoce como carcasa de voluta o caja de espiral. A lo largo de su longitud, tiene numerosas aberturas a intervalos regulares para permitir que el fluido de trabajo incida sobre las palas del rodete. Estas aberturas convierten la energía de presión del fluido en energía cinética justo antes de que el fluido incida sobre los álabes. Este mantiene una velocidad constante a pesar del hecho de que se han previsto numerosas aberturas para que el fluido entre en los álabes, ya que el área de la sección transversal de esta carcasa disminuye uniformemente a lo largo de la circunferencia.
Paletas de guía y soporte : La función principal de las paletas de guía y soporte 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 corredor.
Palas de rodete : Las palas de rodete son el corazón de cualquier turbina. Estos son los centros donde golpea el fluido y la fuerza tangencial del impacto produce un torque que hace que el eje de la turbina gire. Es necesario prestar mucha atención al diseño de los ángulos de las palas en la entrada y la salida, ya que estos son parámetros importantes que afectan la producción de energía.
Tubo de tiro : El tubo de tiro es un conducto que conecta la salida del corredor con la carrera 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 cola sin una caída apreciable de la cabeza disponible.
Teoría de operación
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 los álabes de la turbina extraen la energía del fluido de trabajo. Una parte de la energía es cedida por el fluido debido a los cambios de presión que se producen 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 voluta de la turbina. A 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.
Eficiencia de la hoja
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,
y
Por lo tanto
La pérdida de energía cinética por unidad de masa en la salida es Vf2 2/2 . Por lo tanto, despreciando la fricción, la eficiencia de la pala se convierte en
es decir
Grado de reacción
El grado de reacción se puede definir como la relación entre el cambio de energía de presión en los álabes y el cambio de energía total del fluido. Esto significa que es una relación que indica la fracción del cambio total en la energía de presión del fluido que ocurre en las palas de la turbina. El resto de los cambios ocurren 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 en las palas del estator. Si el grado de reacción es cero, significa que los cambios de energía debido a las palas del rotor son cero, lo que lleva a un diseño de turbina diferente llamado Turbina Pelton .
La segunda igualdad anterior se cumple, ya que la descarga es radial en una turbina Francis. Ahora, poniendo el valor de 'e' desde arriba y usando (as )
Solicitud
Las turbinas Francis pueden diseñarse para una amplia gama de cabezales y flujos. Esta versatilidad, junto con su alta eficiencia, las ha convertido en la turbina más utilizada en el mundo. Las unidades de tipo Francis cubren un rango de altura 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 grandes turbinas Francis están diseñadas individualmente para que cada sitio opere con el flujo de agua y la cabeza de agua dados con la eficiencia más alta posible, típicamente por encima del 90 % (al 99 %).
A diferencia de la turbina Pelton , la turbina Francis funciona de la mejor manera 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 el almacenamiento por bombeo , donde la turbina llena un depósito (que actúa como una bomba) impulsada por el generador que actúa como un gran motor eléctrico durante los períodos de baja demanda de energía, y luego se invierte y utilizado para generar energía durante los picos de demanda. Estos depósitos de almacenamiento por bombeo 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 uso posterior.
Ver también
- Tubo de aspiración
- Evolución de turbina Francis a 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
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 NLA. Stony Brook, NY: Fundación de Investigación de la Universidad Estatal de Nueva York, 1992. OCLC 1073565482 .
- SM Yahya, página número 13, fig. 1.14.