MARCO TEÓRICO

GENERALIDADES. Con el desarrollo de está experiencia, se busca que el estudiante de la asignatura del laboratorio de máquinas de fluidos, pueda complementar el grupo de gráficas más importantes que permitan estudiar el comportamineto de la Turbina Francis.

En esta oportunidad se incorporan dos experiencias para establecer las variaciones que tienen lugar en el rendimiento a medida que cambian la potencia útil y la velocidad de rotación de la turbina.De la misma manera se analizarán las funciones de la potencia útil debido a la velocidad específica de la turbina.

Las curvas que se obtengan en esta práctica al contrastarse con las teóricas, indicaran las condiciones de funcionamiento de esta máquina con las cuales se elaboraran las conclusiones pertinentes.

RENDIMIENTO DE LAS TURBINAS HIDRÁULICAS. Como sucede en todas las máquinas, durante el funcionamiento de las turbinas se producen pérdidas de energía que determinan el rendimiento de aquéllas. Las principales causas que producen estas pérdidas de energía son:

• Rozamiento del agua en el distribuidor.
• Pérdidas en el rodete producidas por el choque de entrada y por el cambio brusco de velocidad de los filetes de agua que salen del distribuidor y chocan con los bordes de los álabes del rodete.
• Rozamiento del agua en el tubo de aspiración.
• Distancia que hay entre el distribuidor y el rodete por donde se escapa una parte del agua.
• Resistencias pasivas en los cojinetes, gorrones, etc.
• Velocidad de salida del agua que, aunque pequeñas, es necesaria para que el agua salga al exterior de la turbina.

FIG. 1 ESQUEMA DE PÉRDIDAS.

    El conjunto de todas estas pérdidas determina el rendimiento de la turbina. En las turbinas modernas, el rendimiento es elevado y oscila entre 0,85 y 0,95. En una misma turbina, los rendimientos son muy variables y dependen naturalmente del caudal ya que la altura del salto es constante. A falta de otros datos, las turbinas se proyectan para que sus rodetes den el máximo rendimiento a los 3/4 de carga, es decir, para un caudal igual a tres cuartos del máximo admisible. De esta forma, se consigue que las turbinas no tengan un rendimiento excesivamente bajo a carga parcial, teniendo en cuenta que, por lo general durante el año, trabajan más horas a carga parcial que a plena carga.

    Las variaciones de rendimiento son distintas para los diferentes tipos de turbinas. En la figura se muestran las curvas de rendimiento en función del porcentaje de carga de distintos tipos de turbinas.  

FIG. 2 CURVAS DE RENIDMIENTO EN FUNCIÓN DEL PORCENTAJE DE CARGA.

En la figura anterior, se puede apreciar que las turbinas Pelton tienen un excelente rendimiento entre 0,3 y 1,00 del caudal máximo; por lo tanto, en centrales equipadas con este tipo de turbinas resultará conveniente instalar pocas unidades. Por el contrario, el rendimiento de las turbinas Francis es bueno solamente en un intervalo reducido, entre 0,6 y 1,00 del caudal máximo; lo que quiere decir, indudablemente, que la explotación económica de las centrales equipadas con turbinas Francis será óptima solamente cuando cada turbina trabaje con cargas no menores del 0,6 de la carga total. El rendimiento de la turbina hélice decrece muy rápidamente al disminuir la carga. Por lo tanto, solamente se empleará este tipo de turbina en centrales que funcionen con caudal casi constante. Si varían las condiciones de caudal, es preferible utilizar la turbina Kaplan. La orientación variable de sus palas giratorias permite un buen rendimiento entre 0,3 y 1,00 del caudal máximo.

CAMPO DE APLICACIÓN DE LAS TURBINAS HIDRÁULICAS . Según la altura del salto, la potencia a desarrollar y la velocidad de la turbina, obtendremos una velocidad específica determinada, y el tipo de turbina más adecuado. Teniendo en cuenta este criterio, se expresa en la siguiente tabla, el tipo de turbina más adecuado en función de la velocidad específica.

  FIG. 3 TIPOS DE TURBINAS EN FUNCIÓN DE LA VELOCIDAD ESPECÍFICA

VELOCIDAD ESPECÍFICA. Un elemento imprescindible para proyectar instalaciones hidráulicas, es el número de revoluciones específico o velocidad específica, pues da indicaciones precisas que permiten determinar las turbinas más adecuadas para un salto de altura y caudal conocidos. Además, todos los tipos de turbinas se dividen según su número específico de revoluciones y ello constituye la base para establecer series de rodetes y catálogos con todas las características que interesan en la construcción de las turbinas.

    En el caso particular de las turbinas Francis, se utilizan en las condiciones más diversas, para desniveles pequeños y medianos hasta h=150m y más, y para toda clase de caudales aún los mayores. Se construyen turbinas Francis con rodetes de marcha lenta, normales, rápidos y extra rápidos, diferenciándose uno de otros por la forma de la rueda y de las paletas.

FIG. 4 TIPO DE TURBINA SEGÚN SU VELOCIDAD ESPECÍFICA.

FORMAS CONSTRUCTIVAS DE LA TURBINA FRANCIS. La turbina Francis, dependiendo del tipo de rodete, puede construirse de tipo lento, normal, rápido y extra rápido.
    El tipo normal tiene un rodete en el cual el diámetro de entrada es ligeramente superior al del tubo de aspiración. El agua atraviesa las dos coronas del rodete y es desviada en la dirección radial con que sale de los álabes directores a la dirección axial, con la cual entra en el tubo de aspiración. Entre las dos coronas del rodete se fijan las paletas o alabes que en general son de plancha de acero y se hallan aprisionados al fundir dicho rodete. Según se haya adoptado el diámetro de entrada con respecto al de aspiración, y dependiendo también del valor del ángulo de entrada al rodete,se alcanza un número específico de revoluciones igual a 100-200.

    En el caso de las turbinas rápidas se obtienen mayores velocidades para la misma altura de salto, llegando a valores de 200-300. El diámetro del rodete resulta menor que el del tubo de aspiración y el cambio de dirección del agua se efectúa más bruscamente que en las turbinas normales.

    Para el caso de turbinas extra rápidas se llega a números específicos de revoluciones iguales a 300-500. El agua entra como antes en dirección radial y recorre cierto espacio sin paletas antes de alcanzar la entrada del rodete. Como en todo ese espacio se anula el rozamiento con las paletas, se consigue una elevación del rendimiento.

    Finalmente en los saltos grandes se emplean rodetes lentos. Con ellos se tiende a disminuir el crecido número de revoluciones que alcanzaría un rodete normal y para ello se aumenta el diámetro en relación con el del tubo de aspiración y se aumenta también el ángulo de entrada. De esta forma se llega a los valores más pequeños posibles para el número específico de revoluciones 50-100.