Análisis Turbina Francis

Tipo de turbina de reacción que utiliza agua como fluido de trabajo. Turbina de flujo mixto: el fluido entra radialmente y sale axialmente del rotor. Nombre dado en honor a James B. Francis, quien la desarrolló en 1848. Ampliamente utilizada en centrales hidroeléctricas debido a su versatilidad.

Turbina Francis

Componentes

Funcionamiento

• Carcasa espiral: Envoltura en forma de espiral alrededor del rotor que dirige el flujo radialmente hacia el rotor.

• Álabes guía: Redirigen el flujo hacia el rotor para cumplir con los requisitos de generación.

• Rotor: Intercambia energía con el fluido y es el componente fundamental de la turbina.

• Tubo de aspiración: Ducto que reduce la velocidad de salida del flujo, mejorando la eficiencia.

El fluido ingresa radialmente al rotor con un ángulo determinado por los álabes guía. El fluido intercambia energía con los álabes, dejando el rotor y saliendo axialmente al tubo de aspiración.

Fundamentos de Turbinas

• Grado de Reacción: Define si la turbina es de reacción o impulso. Las Francis son turbinas de reacción.(R≠0)

• Número de velocidad: Caracteriza la turbomáquina y permite la comparación con otras.

• Altura Neta Positiva en la Aspiración (NPSH): Medida de cuán cerca está el fluido del cambio de fase (cavitación).

• Cavitación: Fenómeno en el que el fluido alcanza zonas de baja presión y cambia de fase, creando burbujas de vapor.

• Punto de mejor eficiencia (BEP): Punto de operación donde se transfiere la mayor cantidad de energía.

• Triángulos de Velocidad: Representación de las condiciones cinemáticas del flujo en la turbina.

• Álabes: superficies con una forma determinada que se mueven a través de un fluido y están sujetos a las fuerzas de arrastre y sustentación ejercidas por el fluido.

• Ecuación fundamental de la turbomáquina:

Expresión para calcular la energía transferida por unidad de masa entre el fluido y el rotor.Aplicación de la ecuación de Euler en el BEP para obtener las variables cinéticas.Uso del rendimiento hidráulico y ajustes para mejorar la eficiencia del diseño.

SOM

Diseño Paramétrico

• Establecimiento de condiciones de operación (caudal, cabeza).
• Cálculo de dimensiones principales y variables cinéticas en entrada y salida del rotor.
• Correcciones para tomar en cuenta el espesor de los álabes y mejorar la eficiencia.

Parámetros de desempeño en turbinas

Cálculo de parámetros

• Dimensiones y variables del rotor
• Caracterización de la turbina y su funcionamiento
• Profundidad de sumergimiento del rotor para prevenir cavitación
• Cálculo del valor de NPSHreq

Protección contra la cavitación

• Requisitos de cumplimiento, como el BEP
• Importancia de la profundidad de sumergimiento
• Ecuación para obtener el valor de NPSHreq
• Relación empírica de Brekke para coeficientes a y b

Número de velocidad (Ω)

• Definición de Ω como parámetro de desempeño
• Cálculo de Ω mediante expresión matemática

Requerimientos estructurales

• Soporte de álabes bajo fuerzas ejercidas por el agua
• Diagrama de momento para el álabe del rotor
• Cálculo de esfuerzo flector máximo
• Espesor mínimo para soportar los esfuerzos generados por el torque del flujo

Cálculo del número de álabes (Zr)

• Equilibrio de fuerzas en un fluido que rota
• Obtención de Δn como longitud media mínima requerida del canal
• Cálculo del número de álabes requerido

Geometría del álabe

• Métodos geométricos para obtener la forma del álabe
• Vistas axial y radial del álabe
• Uso del plano auxiliar G-H para facilitar la obtención de la vista radial
• Vista tridimensional del álabe

Configuración del álabe

• Espesor en el borde de ataque y borde de salida

• Sobredimensionamiento del espesor de entrada