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IV.- TURBINA FRANCIS
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IV.1.- CLASIFICACIÓN SEGÚN EL RODETE
Las turbinas Francis, Fig IV.1.a.b, son de tipo radial, admisión centrípeta y tubo de aspiración;
siempre se construyen en condiciones de rendimiento máximo, dando lugar a tres tipos fundamentales,
lentas, normales y rápidas, diferenciándose unas de otras en la forma del rodete.
Haciendo uso de la ecuación fundamentalde las turbinas en condiciones de rendimiento máximo
α 2 = 90º resulta:
c 1 u1 cos α 1 = ηhid g Hn

ó

c1 n u1 = η hid g Hn

El ángulo β 1 es de gran importancia por su influencia sobre la velocidad tangencial y el número de
rpm. El rendimiento hidráulico oscila entre 0,85 y 0,95.
Los triángulos de velocidades a la entrada son de la forma indicada en la Fig IV.2, en donde en función
⎧ Rodeteslentos , u1 < c1n ; ξ1 < µ 1
de los coeficientes óptimos de velocidad, se tiene: ⎨ Rodetes normales , u1 = c1n ; ξ1 = µ1
⎩ Rodetes rápidos , u1 > c1n ; ξ1 > µ1
La condición de rendimiento máximo: c2n= 0, µ2= 0, implica un rendimiento hidráulico de la forma:

ηhid = 2 ( ξ 1 µ1 - ξ 2 µ 2 ) = µ 2 = 0 = 2 ξ1 µ 1
que puede lograrse variando ξ1 ó µ1 de forma que si uno aumenta el otro tiene quedisminuir y viceversa,


con lo que u 1 y c1 tienen que variar en la misma forma.
En primera aproximación se pueden clasificar en función de la velocidad:
⎧
€
€
ηhid
⎪ Normal: ηhid = 2 µ 12 = 2 ξ 12 ⇒ ξ1 = µ 1 =
2
⎪
⎪
ηhid
Tipo de rodet e: ⎨ Lento: ξ1 <
2
⎪
⎪
ηhid
⎪ Rápido: ξ1 >
2
⎩
Los valores de ξ1 se pueden obtener de las gráficas de Voetsch y Allis Chalmers, Fig IV.9, en función
del númeroespecífico de revoluciones.
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Turbina Francis TF.IV.-55

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 entre
50 y100. 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.

Fig IV.1.a.- Esquema general del montajede una turbina Francis

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 β 1 es del orden de 90º, (15º< α 1 < 30º) y se alcanza un ns comprendido entre 125 y 200 rpm. No existen apenas huelgos entre eldistribuidor y la rueda. En estas turbinas, en el
triángulo de velocidades a la entrada, al ser β1 = 90º, se cumple:
u1 = c1 cos α 1 ; u12 = η hid g H n
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Turbina Francis TF.IV.-56

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 dedirección del agua se efectúa más bruscamente que en las turbinas normales.

Fig IV.1.b.- Detalle del rodete y el distribuidor en una turbina Francis

Rodetes lentos
Rodetes normales
Rodetes rápidos
Fig IV.2.- Triángulos de velocidades a la entrada según diversos valores de β1

El ángulo de entrada β 1 > 90º, (α1< 45º) favorece el aumento del número de revoluciones, porque au
menta u 1 ; en estasturbinas 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 mejo€rar el rendimiento.
En estas turbinas, para unos mismos valores de Hn y α1 en comparación con las...