Turbina de francis

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 ecuaciónfundamental de 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 Rodetes lentos , 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 tieneque disminuir y viceversa, con lo que u1 y c1 tienen que variar en la misma forma. En primera aproximación se pueden clasificar en función de la velocidad:  2 2 Normal: η hid = 2 µ 1 = 2 ξ1 ⇒ ξ1 = µ 1 =   η hid Tipo de rodete:  Lento: ξ 1 < 2  η hid  Rápido: ξ 1 > 2 

ηhid 2

Los valores de ξ1 se pueden obtener de las gráficas de Voetsch y Allis Chalmers, Fig IV.9, en función delnúmero específico de revoluciones. 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.
TF.IV.-51

El ángulo a la entrada β1 < 90º, (α1 < 15º) y su número de revoluciones específico está comprendido entre 50 y 100. En estas turbinas seobtienen 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.

Alternador

Distribuidor Rodete

Distribuidor

Tubo deaspiración

Fig IV.1.a.- Esquema general del montaje de 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 y200 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:
2 u1 = c1 cos α 1 ; u1 = η hid g H n

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 elcambio de dirección del agua se efectúa más bruscamente que en las turbinas normales.
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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

Fig IV.3.- Rodete Francis lento, β1 > 90

Fig IV.4.- Rodete Francis normal, β1 = 90TF.IV.-53

Fig IV.5.- Rodetes Francis rápidos, β1 < 90

Fig IV.6.- Rodetes Francis de flujo radial

Fig IV.7.- Rodetes Francis de flujo diagonal

El ángulo de entrada β 1 > 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...