Uno de los elementos más utilizados a nivel global para la generación de energía hidroeléctrica es la turbina Francis. Se trata de una turbo máquina que fue desarrollada por James B. Francis y que funciona a través de la reacción y de flujo mixto. Son turbinas hidráulicas que son capaces de poder dar un amplio rango de saltos y caudales y funcionan en desniveles que van de los dos metros hasta varios de cientos de metros.
En este artículo vamos a contarte todas las características e importancia que tiene la turbina Francis.
Características principales
Este tipo de turbinas es capaz de operar en desniveles de alturas que van desde los varios metros hasta los cientos de metros. De esta forma, está diseñada para poder trabajar en un amplio rango de saltos y caudales. Gracias a la alta eficiencia cola que está construida y los materiales que se emplean para ello ha hecho que éste modelo será de los más utilizados en todo el mundo. El uso principal se le da en el ámbito de la generación de energía eléctrica en centrales hidroeléctricas.
La energía hidroeléctrica, tal y como sabemos, se trata de un tipo de energía renovable que utiliza los altos de agua de los envases para poder generar una corriente eléctrica. Estas turbinas son bastante difíciles y costosa de diseñar de instalar pero pueden funcionar durante décadas. Esto hace que la inversión en el coste inicial de este tipo de turbinas sea más alto que el resto. Sin embargo, merece la pena ya que la inversión inicial es capaz de recuperarse en los primeros años. Tal y como ocurre con la energía fotovoltaica en la que empleamos paneles solares de una media de 25 años de vida útil, podemos recuperar la inversión durante los 10-15 años de uso.
La turbina Francis presenta un diseño hidrodinámico que nos garantiza un alto rendimiento debido a que apenas existen perdidas de agua. Son bastante robustas en cuanto al aspecto y tienen un bajo coste de mantenimiento. Este es uno de los puntos más ventajosos de este tipo de turbinas ya que el mantenimiento es más bajo y lo que hace reducir los costes generales. No se recomienda para nada la instalación de una turbina Francis con alturas mayores de 800 metros ya que existen demasiadas variaciones de la gravedad. Tampoco es recomendable instalar este tipo de turbinas en lugares donde existen grandes variaciones en el caudal.
La cavitación en la turbina Francis
La cavitación es un aspecto importante que debemos controlar en todo momento. Es un efecto hidrodinámico que se produce cuando se generan cavidades de vapor dentro del agua que está pasando por las turbinas. Al igual que ocurre con el agua puede ocurrir con cualquier otro fluido que esté en estado líquido y por el que actuó en fuerzas que responden a diferencias depresión. En este caso, sucede cuando el fluido pasa a gran velocidad por una arista afilada y se producen descompensaciones entre los fluidos y la conservación de la constante de Bernoulli.
Puede ocurrir que la presión de vapor del líquido este de tal forma que las moléculas puedan cambiar inmediatamente ha estado de vapor y se formen gran cantidad de burbujas. A estas burbuja se le conocen como cavidades. De ahí procede el concepto de cavitación.
Todas estas burbujas viajan a zonas desde donde hay mayor presión hasta donde hay menor presión. Durante este trayecto el vapor regresa al estado líquido de forma súbita. Esto hace que las burbujas acaben aplastando se frustra mente y se produzca una estela de gas que produce gran cantidad de energía sobre la superficie sólida y que se puede resquebrajar durante el choque.
Todo esto o hace que tengamos que tener en cuenta la cavitación en la turbina Francis.
Partes de la turbina Francis
Este tipo de turbinas cuenta con diferentes partes y cada una se encarga de garantizar la generación de energía hidroeléctrica. Vamos analizar cada una de estas partes:
- Cámara espiral: es la parte de la turbina Francis que se encarga de distribuir de manera uniforme el fluido en la entrada del rodete. Esta cámara espiral posee una forma de caracol y es debido a que la velocidad media del fluido debe permanecer constante en cada punto de la misma. Esta es la razón por la que debe tener forma de espiral y caracol. La sección transversal de esta cámara puede ser de varios tipos. Por un lado, rectangular y por otra circular, siendo la circular la más frecuente.
- Predistribuidor: se trata de la parte de esta turbina que está formada por álabes fijos. Dichos álabes tienen una función netamente estructural. Sirven para mantener la estructura de la cámara espiral que hemos mencionado anteriormente y le confiere la rigidez suficiente para poder aguantar toda la estructura hidrodinámica y minimizar las pérdidas de agua.
- Distribuidor: esta parte está construida por álabes móviles directores. Dichos elementos deben dirigir de manera conveniente el agua hacia los árabes del rodete que se encuentran fijos. Además, este distribuidor se encarga de regular el caudal que se admite a la hora de pasar por la turbina Francis. Es así como se puede modificar la potencia de la turbina de manera que se tenga que ajustar lo máximo posible a las variaciones de carga de la red eléctrica. A la vez, es capaz de direccionar el flujo del fluido para poder mejorar el rendimiento de la máquina.
- Rodete o rotor: es el corazón de la turbina Francis. Esto es debido a que es el lugar donde se produce el intercambio de energía entre la máquina influido que entera. La energía del fluido normalmente al momento por el que pasaba en el rodete es la suma de la energía cinética, la energía que tiene la presión y la energía potencial con respecto a la altura. La turbina es la encargada de convertir dicha energía en energía eléctrica. El rodete es el encargado de transmitir esta energía por medio de un eje a un generador eléctrico donde se realiza esta conversión final. Puede tener varias formas dependiendo del número específico de la revolución es a la cual esté diseñada la máquina.
- Tubo de aspiración: es la parte por la que se sale el fluido de la turbina. La función de esta parte es la de dar continuidad al fluido y recuperar el salto que se ha perdido en las instalaciones que están por encima del nivel del agua de salida. En general, esta parte se construye en forma de difusor para que genere un efecto de aspiración que ayuda a recuperar parte de energía que no ha sido entregadas rotor.
Espero que con esta información puedan conocer más acerca de la turbina Francis.