Turbinas Francis 4h5x13

TURBINAS FRANCIS POR: HAROLD RIVERA ANDRÉS HERNÁNDEZ ALEJANDRA PINEDA

CONTENIDO • INTRODUCCIÓN • MARCO TEÓRICO – ANTECEDENTES – CONCEPTOS BÁSICOS – QUÉ ES – PARTES – CLASIFICACIÓN – CÁLCULOS – APLICACIONES – FABRICANTES

• PROTOTIPO – CÁLCULOS – FUNCIONAMIENTO

INTRODUCCIÓN Las turbinas hidráulicas son turbomáquinas hidráulicas motora que trabaja de forma inversa a la de una bomba. Las turbinas hidráulicas se dividen en dos grandes grupos que son las turbinas de acción o de impulso y las turbinas de reacción. En esta presentación nos enfocaremos en el segundo grupo y específicamente en las turbinas Francis las cuales también se dividen en otros grupos de acuerdo a las características que veremos expuestas en el transcurso de la presentación.

MARCO TEÓRICO ANTECEDENTES Desde principios del siglo XIX se utilizaron turbinas hidráulicas para el funcionamiento de diversos tipos de molinos en pequeñas industrias cercanas a los ríos, durante este siglo se mejoró el diseño de las Turbinas hidráulicas hasta el punto donde su eficiencia llegó a ser más alta que las máquinas a vapor de la época.

En 1820 Jean V. Poncelet: diseñó una turbina de flujo interno.

MARCO TEÓRICO ANTECEDENTES En 1826 Benoit Fourneyron: Desarrolló una turbina de flujo externo de alta eficiencia (80%), Fourneyron logró inventar la «turbina de presión universal y continua.

MARCO TEÓRICO ANTECEDENTES En 1848 James B. Francis: Mejoró el diseño de las turbinas y desarrolló una con el 90% de eficiencia, aplicando principios y métodos de prueba científicos para producir una de las turbinas más eficientes de las que se tiene registro.

MARCO TEÓRICO CONCEPTOS BÁSICOS DEFINICIÓN TURBINA HIDRÁULICA La turbina hidráulica es una turbomáquina motora que escencialmente funciona como una bomba rotodinámica que trabaja a la inversa. Una turbina absorve energía del fluido y restituye energía mecánica.

MARCO TEÓRICO QUÉ ES DEFINICIÓN TURBINA FRANCIS Es una turbo-máquina motora a reacción y de flujo mixto, que utiliza un fluido para su funcionamiento. Actualmente la Turbina Francis es la turbina que más se utiliza en la generación de electricidad, generalmente en las instalaciones eléctricas y represas a lo largo de todo el mundo, debido a su eficiencia tan alta, su bajo costo de mantenimiento y la producción tan grande de energía que se

MARCO TEÓRICO QUÉ ES

Central Tres Gargantas turbina Francis.mp4

MARCO TEÓRICO CONCEPTOS BÁSICOS ELEMENTOS CONSTITUTIVOS TURBINA HIDRÁULICA 1. Canal de llegada o tubería forzada 2. Caja espiral 3. Distribuidor 4. Rodete 5. Tubo de aspiración

MARCO TEÓRICO PARTES ELEMENTOS CONSTITUTIVOS 1. Caja espiral 2. Distribuidor 3. Rodete 4. Codo de entrada en el tubo de aspiración 5. Nivel inferior 6. Sección de salida de la turbina

MARCO TEÓRICO PARTES ELEMENTOS CONSTITUTIVOS 1. Caja espiral Según las dimensiones de la turbina se construye de acero colado, fundición, chapa roblonada o soldada u hormigón armado.

MARCO TEÓRICO PARTES ELEMENTOS CONSTITUTIVOS 2. Distribuidor Junto con la caja espiral, dirigen el agua al rodete con un número mínimo de pérdidas y transforman parte de la energía de presión en energía cinética. El distribuidor es de alabes

MARCO TEÓRICO PARTES ELEMENTOS CONSTITUTIVOS 3. Rodete Es el corazón de la turbina, ya que aquí tiene lugar el intercambio de energía entre la máquina y el fluidoEl rotor puede tener diversas formas dependiendo del número

MARCO TEÓRICO PARTES ELEMENTOS CONSTITUTIVOS 4. Codo de entrada en el tubo de aspiración Crea una de´resión a la salida del rodete. Despreciando las pérdidas en el tubo de aspiración , la presión va aumentando desde la salida del rodete hasta la

MARCO TEÓRICO PARTES ELEMENTOS CONSTITUTIVOS 4. Codo de entrada en el tubo de aspiración Crea una depresión a la salida del rodete. Despreciando las pérdidas en el tubo de aspiración , la presión va aumentando desde la salida del rodete hasta la

MARCO TEÓRICO PARTES ELEMENTOS CONSTITUTIVOS 5. Nivel de Inferior Es el nivel inferior del salto S. Sección de salida de la turbina Esta sección sirve para definir la altura neta según las normas internacionales.

MARCO TEÓRICO PARTES

Animacion turbina Francis - Montaje completo.mp4

MARCO TEÓRICO CLASIFICACIÓN Las turbinas Francis se clasifican con base a 3 características principales: • Capacidad – Espiral – Pozo

• Rodete – Lento – Normal – Rápido

• Posición – Vertical – Horizontal

MARCO TEÓRICO CLASIFICACIÓN CAPACIDAD • Pozo: Son utilizadas principalmente en centrales hidroeléctricas con bajas caídas aproximadamente de 50 m - 100 m y grandes volúmenes de agua.

MARCO TEÓRICO CLASIFICACIÓN CAPACIDAD • Espiral: Se emplean en instalaciones con potencias más altas y alturas de caída desde 100 m hasta 250 m aproximadamente y donde no varía mucho el caudal de agua.

MARCO TEÓRICO CLASIFICACIÓN RODETE • Lento: Son de tipo radial, isión centrípeta y tubo de aspiración, siempre se construyen en condiciones de rendimiento máximo, se utilizan en los grandes saltos, con el aumento del diámetro se tiende a reducir el número de revoluciones.

MARCO TEÓRICO CLASIFICACIÓN RODETE • Normal: Se caracterizan porque el diámetro es ligeramente superior al del tubo de aspiración, además se utilizan en lugares con un flujo estable y una altura de caída menor a los 200 m.

MARCO TEÓRICO CLASIFICACIÓN RODETE • Rápida: Se puede obtener elevadas velocidades de rotación, debido a que el diámetro del rodete es menor que el del tubo de aspiración y el cambio de dirección del agua se efectúa más bruscamente que en las turbinas normales.

MARCO TEÓRICO CLASIFICACIÓN POSICIÓN • Vertical: Son Turbinas que se utilizan para alturas o profundidades pequeñas y revoluciones bajas.

MARCO TEÓRICO CLASIFICACIÓN POSICIÓN • Horizontal: Son turbinas que se instalan en represas con alturas y profundidades muy grandes, por lo que las revoluciones que se manejan por lo general son muy altas.

MARCO TEÓRICO CÁLCULOS Para escoger una turbina Francis se deben calcular los siguientes datos: • Tamaño del rodete • Tamaño de carcaza o caracol • Tamaño del tubo de aspiración • Tamaño del diámetro de entrada • Número de polos

MARCO TEÓRICO CÁLCULOS • TAMAÑO RODETE

MARCO TEÓRICO CÁLCULOS

• TAMAÑO RODETE   Para calcular el tamaño del rodete se deben calcular los siguientes valores: =

U= Ns= P= D=11,7

 

D3=84,5�

D1/D3 = 0.4 + 94.5 / Ns D2/D3 = 1 / (0.96 + 0.00038 Ns) H1/D3 = 0.094 + 0.00025 Ns H2/D3 = - 0.05 + 42 / Ns ; Si 50 ≤ Ns ≤ 110

MARCO TEÓRICO CÁLCULOS

• TAMAÑO DE CARCAZA O CARACOL

MARCO TEÓRICO CÁLCULOS

• TAMAÑO DE CARCAZA O CARACOL Para calcular el tamaño de la carcaza o caracol, se deben calcular los siguientes valores: A / D3 = 1.2 – 19.56 / Ns B / D3 = 1.1 + 54.8 / Ns C / D3 = 1.32 + 49.25 / Ns D / D3 = 1.50 + 48.8 / Ns E / D3 = 0.98 + 63.60 / Ns F / D3 = 1 + 131.4 / Ns G / D3 = 0.89 + 96.5 / Ns H / D3 = 0.79 + 81.75 / Ns I / D3 = 0.1 + 0.00065 Ns L / D3 = 0.88 + 0.00049 Ns

MARCO TEÓRICO CÁLCULOS

• TAMAÑO DEL TUBO DE ASPIRACIÓN

MARCO TEÓRICO CÁLCULOS

• TAMAÑO DEL TUBO DE ASPIRACIÓN N / D3 = 1.54 + 203.5 / Ns O / D3 = 0.83 + 140.7 / Ns P / D3 = 1.37 – 0.00056 / Ns Q / D3 = 0.58 + 22.6 / Ns R / D3 = 1.6 – 0.0013 / Ns S / D3 = Ns / (– 9.28 + 0.25 Ns) T / D3 = 1.50 + 0.00019 Ns U / D3 = 0.51 + 0.0007 Ns V / D3 = 1.10 + 53.7 / Ns Z / D3 = 2.63 + 33.8 / Ns

MARCO TEÓRICO APLICACIÓN Se utilizan para producción de electricidad. Las grandes turbinas Francis se diseñan de forma individual para cada aprovechamiento hidroeléctrico, a efectos de lograr el máximo rendimiento posible, habitualmente más del 90%. Son muy costosas de diseñar, fabricar e instalar, pero pueden funcionar durante décadas.

MARCO TEÓRICO APLICACIÓN También pueden utilizarse para el bombeo y almacenamiento hidroeléctrico, utilizando dos embalses, uno a cota superior y otro inferior (contraembalse); el embalse superior se llena mediante la turbina (en este caso funcionando como bomba) durante los períodos de baja demanda eléctrica, y luego se usa como turbina para generar energía durante los períodos de alta demanda eléctrica.Se fabrican microturbinas Francis baratas para la producción individual de

MARCO TEÓRICO APLICACIÓN

ANDRITZ HYDRO Turbine animation - Francis.mp4

MARCO TEÓRICO FABRICANTES Ossberger: Empresa alemana Desde 1873 Canyonhydro: Empresa Estadounidense Con más de 35 años de creación Cerpch: Empresa Brasileña desde los años ochenta Hacker Empresa brasileña desde 1972 Andritz: Empresa de Austria desde 1900

PROTOTIPO CÁLCULOS U

7,83

N (RPM)

3560

�

1,66E-03

∩

0,9

P

160,1

ƴ

9810

Ns

19,5020693

Q(m³/s)

5,18E-04

D3

4,94E+01

H(m)

35

D1

2,40E+02

D

4,20E-02

D2

5,11E+01

H1

9,08E+01

H2

106,3031

PROTOTIPO FUNCIONAMIENTO MATERIALES • Turbo • Motobomba • Tubería • rios de tubería • Recipiente de agua

PROTOTIPO FUNCIONAMIENTO ELABORACIÓN

PROTOTIPO FUNCIONAMIENTO FUNCIONAMIENTO