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Hay tres tipos principales de turbinas de agua. La turbina Pelton requiere una gran carga de agua y un caudal bajo, y las turbinas Kaplan requieren una carga de agua baja pero un caudal grande. Las turbinas de Pelton suelen construir en regiones montañosas, mientras que las turbinas de Kaplan se encuentran en tierras bajas. Estas restricciones hacen que estas turbinas de dos tipos sean menos comunes que la turbina Francis.
La turbina Francis llena una gran brecha entre el Pelton y Kaplan y es ampliamente utilizado. Operan en la cabeza de agua de 10 a 600 metros, y se utilizan principalmente para la generación de energía eléctrica. Su potencia de salida puede calcularse a partir del cabezal de agua y el caudal y típicamente van desde 10 a más de 700 megavatios. Una de las ventajas distintivas de la turbina Francis con respecto a otras turbinas de agua es que también pueden ser utilizadas como bomba de agua. Esto los hace ideales para sistemas de almacenamiento por bombeo.
Esta animación muestra el funcionamiento de una turbina Francis en una presa. Las flechas muestran el camino del agua y la dirección dentro de la presa. El agua del depósito detrás de la presa es transferida a la turbina por un depósito. El diámetro de la tubería de una turbina Francis podría ser de hasta 10 metros. El agua que viene del pendencil se transfiere al rollo de entrada, que distribuye el agua por igual alrededor de las puertas de los wicket. El agua pasa a través de las puertas de los wicket, que controlan la cantidad de agua que pasa a través de la turbina, antes de llegar al corredor. Esto controla la salida de energía de la presa. Las compuertas de la zarpada también ajustan el ángulo del agua que llega al corredor.
Después de pasar por las puertas de los wicket, el agua llega al corredor. La presión del agua fuerza al corredor a girar. La velocidad de rotación del corredor puede estar en el rango de 80 a 1000 revoluciones por minuto. El agua continúa su movimiento hacia abajo bajo el corredor hasta la tubería de salida. La tubería de salida descarga el agua al medio ambiente como agua a baja presión.
El eje de la turbina de las turbinas Francis está casi siempre montado verticalmente. Esto hace que la descarga del agua sea mucho más fácil debido al efecto de remolino del agua en el rollo de la entrada, y el efecto de la gravedad.
El movimiento de rotación del corredor se transfiere a un generador eléctrico mostrado. La electricidad generada se convierte en una corriente de alta tensión y se transfiere a la red para ser consumida.
Una gran ventaja de las turbinas de agua es que la potencia de salida puede regularse muy fácilmente. Si la demanda se reduce, la cantidad de agua que fluye a la turbina puede reducirse en un período de tiempo relativamente corto.
Las turbinas Francis pueden ser diseñadas para una amplia gama de cabezas y flujos. Esto, junto con su alta eficiencia, los ha convertido en la turbina más utilizada del mundo. Las unidades tipo Francis cubren un rango de cabeza de 40 a 600 m (130 a 2.000 pies), y su potencia de salida del generador conectado varía de solo unos pocos kilovatios hasta 800 MW. Las grandes turbinas Francis están diseñadas individualmente para que cada sitio opere con el suministro de agua y la cabeza de agua dados a la mayor eficiencia posible, típicamente sobre el 90%.
A diferencia de la turbina Pelton, la turbina Francis funciona en todo momento completamente llena de agua. La turbina y el canal de salida pueden colocarse más bajo que el nivel del lago o del mar fuera, reduciendo la tendencia a cavitación.
Además de la producción eléctrica, también pueden utilizarse para el almacenamiento bombeado, donde un depósito es llenado por la turbina (actuando como una bomba) accionada por el generador actuando como un gran motor eléctrico durante períodos de baja demanda de energía, y luego se invirtió y se utilizó para generar energía durante la demanda pico. Estos depósitos de almacenamiento de bombas actúan como grandes fuentes de almacenamiento de energía para almacenar "exceso" de energía eléctrica en forma de agua en depósitos elevados. Este es uno de los pocos métodos que permiten que el exceso temporal de capacidad eléctrica se almacene para su posterior utilización.
Una turbina Francis consta de las siguientes partes principales:
Tubo de tiro: El tubo de tiro es un conducto que conecta la salida del corredor con la pista de cola donde el agua se descarga de la turbina. Su función principal es reducir la velocidad del agua descargada para minimizar la pérdida de energía cinética en la salida. Esto permite que la turbina se coloque sobre el agua de cola sin una caída apreciable de la cabeza disponible.
Álabes guía y de retención: La función principal de los álabes guía y de retención es convertir la energía de presión del fluido en la energía de impulso. También sirve para dirigir el flujo en ángulos de diseño a las palas del corredor.
Palas de colada: Las palas de colada son el corazón de cualquier turbina. Estos son los centros donde el fluido golpea y la fuerza tangencial del impacto hace que el eje de la turbina gire, produciendo par. Es necesario prestar especial atención al diseño de los ángulos de las palas en la entrada y salida, ya que estos son los principales parámetros que afectan a la producción de energía.
Cubierta espiral: La cubierta espiral alrededor del corredor de la turbina se conoce como la cubierta de voluta o caja de scroll. A lo largo de su longitud, tiene numerosas aberturas a intervalos regulares para permitir que el fluido de trabajo impeje sobre las hojas del corredor. Estas aberturas convierten la energía de presión del fluido en energía de impulso justo antes de que el fluido impingan en las palas. Esto mantiene una velocidad constante a pesar del hecho de que se han proporcionado numerosas aberturas para que el fluido entre en las hojas, ya que el área transversal de esta cubierta disminuye uniformemente a lo largo de la circunferencia.
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