La turbina Francis és una turbina hidràulica utilitzada en instal·lacions denergia hidràulica que funcionen amb una altura de caiguda considerable.
Aquesta turbina va ser desenvolupada per James Bicheno Francis. La funció de la turbina Francis és, principalment, generar electricitat amb lajuda dun generador.
La turbina Francis és el tipus més comú de turbina que s'instal·la a les plantes de generació d'energia que funcionen sobre la base del flux de massa d'aigua mitjançant una planta de producció.
En contrast amb la turbina Pelton, la turbina Francis funciona en el millor moment completament plena d'aigua en tot moment.
Rendiment d'una turbina Francis
El rendiment d'una turbina Francis es mesura comunament a través de la seva eficiència hidràulica, que depèn de com l'energia de l'aigua converteix en energia mecànica.
Un estudi de diverses plantes hidroelèctriques ha mostrat que, en condicions ideals, les turbines Francis poden assolir eficiències de fins a un 93% a 95% . Això passa quan el flux daigua i lalçada de caiguda es troben dins un rang optimitzat, on la turbina opera prop del seu punt de disseny. En aquestes condicions, la conversió de lenergia hidràulica en energia mecànica és extremadament eficient, i les pèrdues denergia per fricció i turbulència són mínimes.
Tot i això, quan la turbina s'opera fora del seu rang de disseny, per exemple, en casos de cabals fluctuants o canvis en l'alçada de la caiguda, l'eficiència pot disminuir considerablement.
En condicions de càrrega parcial, leficiència pot caure a valors del 85% al 90%. En alguns casos extrems, quan la turbina opera a cabals molt baixos o caigudes molt altes (fora dels paràmetres òptims de disseny), l'eficiència pot disminuir fins i tot per sota del 80%.
L?estudi d?una planta hidroelèctrica als Alps suïssos va mostrar que, amb cabals molt variables, el rendiment d?una turbina Francis es pot veure afectat, però encara es manté dins d?un rang d?eficiència d?entre el 85% i el 90%, cosa que en ressalta la capacitat d?adaptació.
En comparació, altres turbines, com les Kaplan, poden tenir un rendiment lleugerament millor en situacions de cabal variable, però amb limitacions quant a l'alçada de la caiguda.
Tipus de turbina
La turbina Francis és classificada com una turbina de reacció . Això significa que lenergia hidràulica que es converteix en energia mecànica no només prové de la velocitat de laigua, sinó també de la diferència de pressió.
A diferència de les turbines d'impuls, en què l'aigua colpeja les pales a alta velocitat, les turbines de reacció com la Francis aprofiten tant el canvi de pressió com el flux de l'aigua per generar feina. En una turbina de reacció, el fluid segueix un camí dins de la màquina i, a mesura que passa per les pales, la pressió disminueix i la velocitat augmenta, cosa que resulta en la conversió de l'energia de l'aigua en energia rotacional.
Aquest tipus de turbina és molt eficient en caigudes mitjanes a altes, que solen ser característiques de moltes plantes hidroelèctriques, i pot operar en una varietat de condicions hidràuliques, adaptant-se a diferents cabals i alçades de caiguda.
Disseny d'una turbina Francis
El disseny daquesta turbina és altament especialitzat per maximitzar la seva eficiència en una àmplia gamma de condicions operatives.
La turbina compta amb un rotor, que és un conjunt de pales corbades i disposades de manera que l'aigua flueix a través d'elles en un angle que optimitza la conversió d'energia. L'aigua entra de manera radial (perpendicular a l'eix de la turbina) i es converteix després en un flux axial (al llarg de l'eix). Aquest disseny és ideal per a situacions de caiguda mitjana a alta on l'aigua entra amb pressió i es converteix en energia mecànica de forma eficient.
A més, la turbina Francis té una carcassa espiral que guia el flux d'aigua de manera uniforme cap al rotor, cosa que ajuda a reduir les pèrdues d'energia per turbulències i millora l'eficiència general del sistema. Aquesta carcassa i el disseny de les pales permeten que la turbina funcioni de manera estable fins i tot quan les condicions del cabal i l'alçada de caiguda varien.
Aplicacions de la turbina Francis
Les turbines Francis grans són dissenyades de manera personalitzada per maximitzar l'eficiència en funció de les característiques específiques de cada lloc, com el subministrament d'aigua i l'alçada de caiguda disponible. La seva capacitat per adaptar-se a diferents condicions de cabal i alçada de caiguda les converteix en una opció ideal per a plantes hidroelèctriques de gran escala.
A més del seu ús principal en la generació d'energia elèctrica, les turbines Francis són àmpliament utilitzades en centrals hidroelèctriques d'emmagatzematge per bombament .
En aquest tipus d'instal·lacions, es fan servir dos embassaments situats a diferents alçades. Durant períodes de baixa demanda energètica, l'excés d'energia disponible és utilitzat per bombar aigua des de l'embassament inferior al superior. En aquest procés, la turbina Francis actua com una bomba, utilitzant un generador elèctric que funciona com un motor per fer el bombament d'aigua.
Quan la demanda d'electricitat augmenta, el generador elèctric s'inverteix i comença a generar electricitat utilitzant l'aigua emmagatzemada a l'embassament superior. Aquest sistema demmagatzematge permet equilibrar les fluctuacions de la demanda energètica, fent de les turbines Francis una opció eficient i flexible per a plantes hidroelèctriques que necessiten operar sota diferents condicions de càrrega.
Avantatges i desavantatges de la turbina Francis
Avantatges principals
- Facilitat de control en condicions variables La turbina Francis és molt fàcil de controlar, fins i tot quan l'alçada de caiguda i el cabal de l'aigua fluctuen, cosa que permet el seu funcionament eficient en diverses condicions operatives.
- Alta estabilitat en eficiència : La variació de la seva eficiència amb el pas del temps és mínima, cosa que garanteix un rendiment fiable i durador al llarg de la seva vida útil.
- Grandària compacta La mida del corredor de la turbina Francis és relativament petit en comparació amb altres tipus de turbines, el que permet una instal·lació més compacta i menys costosa.
- Baix cost de manteniment En comparació amb altres turbines hidràuliques, les turbines Francis requereixen un manteniment relativament baix, cosa que contribueix a una major rendibilitat i reducció de costos operatius.
Desavantatges principals
- Disseny específic per a cabal determinat Les turbines Francis estan dissenyades per operar de manera òptima amb un cabal específic. No són la millor opció per a instal·lacions que experimenten grans variacions de cabal, ja que el rendiment pot disminuir considerablement en aquestes condicions.
- Limitacions amb alçades de caiguda majors de 800 m : Encara que és eficient en caigudes mitjanes a altes, la turbina Francis presenta problemes de rendiment quan s'utilitza en alçades superiors als 800 metres, a causa de les altes pressions que poden generar.
- Risc de cavitació : Igual que altres turbines de reacció, les turbines Francis poden patir cavitació, un fenomen que passa quan la pressió de l'aigua a l'entrada de la turbina baixa massa, causant la formació de bombolles de vapor que fan malbé les pales i redueixen l'eficiència.
- Sensibilitat a aigua bruta : L'entrada d'aigua amb partícules o impureses pot generar problemes significatius per a la turbina, ja que aquestes partícules poden fer malbé els components interns, com les pales i el rodet, reduint la vida útil de la turbina i afectant-ne el rendiment.
Parts d'una turbina Francis
La turbina Francis, dissenyada per James B. Francis, consta de diversos components clau que treballen en conjunt per optimitzar-ne l'eficiència i la conversió d'energia. A continuació se'n descriuen les parts principals:
- Cambra espiral : Aquesta part té la funció de distribuir el fluid al llarg de l'entrada del rodet. La seva forma en espiral o cargol assegura que la velocitat mitjana del fluid romangui constant mentre es dirigeix cap al rotor. Això permet que l'aigua flueixi de manera uniforme, reduint les pèrdues i garantint un rendiment eficient a l'entrada del sistema.
- Predistribuïdor : Compost per àleps fixos, el predistribuïdor té una funció estructural clau, ja que prepara el flux daigua abans que ingressi al distribuïdor. El seu disseny hidrodinàmic està optimitzat per minimitzar les pèrdues hidràuliques i assegurar que el fluid arribi de manera eficient al component següent, amb un flux laminar que redueix turbulències.
- Distribuïdor : El distribuïdor es compon d'àleps mòbils que dirigeixen l'aigua cap als àleps fixos del rodet i regulen el cabal admès. També ajusta la direcció del flux per millorar el rendiment general i permetre que la turbina respongui a les variacions de càrrega de la xarxa elèctrica. Aquest component, conegut com a distribuïdor Fink , és crucial per a la regulació de la potència de la turbina en funció de les condicions operatives.
- Rotor o rodet : És el component fonamental en què es produeix l'intercanvi d'energia. El rotor converteix lenergia hidràulica, que inclou lenergia de pressió i cinètica de laigua, en energia mecànica de rotació. Aquesta energia rotacional es transfereix a un generador elèctric, convertint-la en energia elèctrica. El disseny de les pales del rodet permet una conversió eficient i estable de lenergia del fluid.
- Tub d'aspiració És la sortida de la turbina, per on l'aigua, una vegada utilitzada per generar energia, és evacuada del sistema. El disseny del tub dʻaspiració està optimitzat per reduir les pèrdues dʻenergia en la sortida del flux, garantint que la turbina funcioni de manera eficient durant tot el procés.