Funcionamiento:​

La turbina Francis es un tipo de turbina de reacción, en la que el fluido de trabajo llega a la turbina bajo una inmensa presión y la energía es extraída por las palas de la turbina del fluido de trabajo. Una parte de la energía es cedida por el fluido debido a los cambios de presión que ocurren en las palas de la turbina, mientras que la parte restante de la energía es extraída por la carcasa de la voluta de la turbina. En la salida, el agua actúa sobre las características del corredor giratorio en forma de copa, saliendo a baja velocidad y con muy poca energía cinética o potencial restante. El tubo de salida de la turbina está configurado para ayudar a desacelerar el flujo de agua y recuperar la presión.

La eficiencia de la turbina Francis se mide mediante el cociente de la potencia de salida de la turbina entre la potencia de entrada por la turbina. A continuación, se muestra una curva de eficiencia para una turbina Francis, donde se muestra cambio del rendimiento de la turbina en función del caudal o flujo que pasa por la misma.

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Se puede observar que, a mayor caudal, mayor será la eficiencia de la turbina, a excepción de caídas de agua con grandes caudales, donde se observa que la eficiencia comienza a descender nuevamente.

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Aplicación:

Las turbinas Francis pueden diseñarse para una amplia gama de cabezales y flujos. Esto, junto con su alta eficiencia, los ha convertido en la turbina más utilizada en el mundo para centrales hidroeléctricas. Las turbinas tipo Francis cubren un rango de caídas de agua desde 40 hasta 600 m de altura, y su potencia de salida del generador conectado varía desde unos pocos kilovatios hasta 800 MW, cuando se conectan a un generador de corriente. Las grandes turbinas Francis están diseñadas individualmente para que cada sitio opere con el suministro de agua y el cabezal de agua con la mayor eficiencia posible, generalmente más del 90%. La turbina y el canal de salida pueden colocarse por debajo de lago o el nivel del mar en el exterior, lo que reduce la tendencia a la cavitación.

Además de la producción eléctrica, también pueden usarse para el almacenamiento por bombeo, donde un depósito es llenado por la turbina (que actúa como una bomba) impulsada por el generador que actúa como un gran motor eléctrico durante períodos de baja demanda de energía, y luego se invierte y utilizado para generar energía durante momentos de demanda máxima. Este es uno de los pocos métodos que permite almacenar la capacidad eléctrica excesiva temporal para su posterior utilización.

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Partes de una turbina Francis:

• Rodete: Este es la pieza principal de la turbina, el cual es el rotor encargado de impulsar el fluido. Consiste en un disco perpendicular al eje de giro, compuesto por álabes curvados en dirección contraria al movimiento.

• Eje: Esta pieza es la que une al rodete con el generador, de manera que transmite el trabajo en forma de un movimiento circular.

• Cámara espiral: Está constituida por la unión de una serie de virolas (anillos cónicos), cuyos ejes respectivos forman una espiral que se va haciendo más pequeño con el paso del agua. De esta manera el agua no pierde velocidad y no genera turbulencias internas.

• Distribuidor: Elemento estático que direcciona el agua hacia el rodete y regula el caudal de agua a la entrada.

• Generador: Generalmente se coloca un generador que convierta el trabajo generado por la turbina en energía eléctrica, a través de un rotor que gira sobre un estator.