A turbina Francis é uma turbina hidráulica utilizada em instalações hidráulicas que operam com altura de queda considerável.
Esta turbina foi desenvolvida por James Bicheno Francis. A função da turbina Francis é principalmente gerar eletricidade com a ajuda de um gerador.
A turbina Francis é o tipo mais comum de turbina instalada em usinas de geração de energia que operam com base no fluxo de massa de água através de uma instalação de produção.
Ao contrário da turbina Pelton, a turbina Francis opera melhor quando completamente cheia de água o tempo todo.
Desempenho de uma turbina Francis
O desempenho de uma turbina Francis é comumente medido por sua eficiência hidráulica, que depende de quão bem ela converte energia hídrica em energia mecânica.
Um estudo de várias usinas hidrelétricas mostrou que, em condições ideais, as turbinas Francis podem atingir eficiências de até 93% a 95% . Isso ocorre quando o fluxo de água e a altura de queda estão dentro de uma faixa otimizada, onde a turbina opera perto de seu ponto de projeto. Nessas condições, a conversão de energia hidráulica em energia mecânica é extremamente eficiente, e as perdas de energia devido ao atrito e à turbulência são mínimas.
Entretanto, quando a turbina é operada fora de sua faixa de projeto, por exemplo, em casos de taxas de fluxo flutuantes ou mudanças na altura da cabeça, a eficiência pode diminuir consideravelmente.
Em condições de carga parcial, a eficiência pode cair para valores de 85% a 90%. Em alguns casos extremos, quando a turbina opera com vazões muito baixas ou alturas manométricas muito altas (fora dos parâmetros ideais de projeto), a eficiência pode cair até abaixo de 80%.
Um estudo de uma usina hidrelétrica nos Alpes Suíços mostrou que, com vazões altamente variáveis, o desempenho de uma turbina Francis pode ser afetado, mas ainda permanece dentro de uma faixa de eficiência entre 85% e 90%, destacando sua adaptabilidade.
Em comparação, outras turbinas, como as turbinas Kaplan, podem ter um desempenho um pouco melhor em situações de fluxo variável, mas com limitações na altura da queda.
Tipo de turbina
A turbina Francis é classificada como uma turbina de reação . Isso significa que a energia hidráulica convertida em energia mecânica vem não apenas da velocidade da água, mas também da diferença de pressão.
Ao contrário das turbinas de impulso, onde a água atinge as pás em alta velocidade, as turbinas de reação, como a turbina Francis, aproveitam tanto a mudança de pressão quanto o fluxo da água para gerar trabalho. Em uma turbina de reação, o fluido segue um caminho dentro da máquina e, à medida que passa pelas pás, sua pressão diminui e sua velocidade aumenta, resultando na conversão da energia da água em energia rotacional.
Esse tipo de turbina é muito eficiente em quedas médias a altas, que são características típicas de muitas usinas hidrelétricas, e pode operar sob uma variedade de condições hidráulicas, adaptando-se a diferentes vazões e alturas de queda.
Projeto de uma turbina Francis
O projeto desta turbina é altamente especializado para maximizar sua eficiência em uma ampla gama de condições operacionais.
A turbina tem um rotor, que é um conjunto de pás curvas dispostas de tal forma que a água flui através delas em um ângulo que otimiza a conversão de energia. A água entra radialmente (perpendicularmente ao eixo da turbina) e depois se torna um fluxo axial (ao longo do eixo). Este projeto é ideal para situações de altura manométrica média a alta, onde a água entra sob pressão e é eficientemente convertida em energia mecânica.
Além disso, a turbina Francis possui um invólucro em espiral que direciona o fluxo de água uniformemente em direção ao rotor, ajudando a reduzir as perdas de energia devido à turbulência e melhorando a eficiência geral do sistema. Este projeto de carcaça e lâmina permite que a turbina opere de forma estável mesmo quando as condições de fluxo e a altura da cabeça variam.
Aplicações da turbina Francis
Grandes turbinas Francis são projetadas sob medida para maximizar a eficiência com base em características específicas do local, como abastecimento de água e altura de queda disponível. Sua capacidade de se adaptar a diferentes condições de fluxo e altura de queda os torna uma escolha ideal para usinas hidrelétricas de grande porte.
Além de seu uso principal na geração de energia elétrica, as turbinas Francis são amplamente utilizadas em usinas hidrelétricas reversíveis .
Neste tipo de instalação são utilizados dois reservatórios localizados em alturas diferentes. Durante períodos de baixa demanda de energia, o excesso de energia disponível é usado para bombear água do reservatório inferior para o superior. Nesse processo, a turbina Francis atua como uma bomba, utilizando um gerador elétrico que funciona como um motor para bombear água.
Quando a demanda por eletricidade aumenta, o gerador de energia reverte e começa a gerar eletricidade usando a água armazenada no reservatório superior. Esse sistema de armazenamento permite equilibrar as flutuações na demanda de energia, tornando as turbinas Francis uma opção eficiente e flexível para usinas hidrelétricas que precisam operar sob diferentes condições de carga.
Vantagens e desvantagens da turbina Francis
Principais vantagens
- Facilidade de controle sob condições variáveis : A turbina Francis é muito fácil de controlar, mesmo quando a altura manométrica e a vazão de água flutuam, permitindo sua operação eficiente sob uma variedade de condições operacionais.
- Estabilidade de alta eficiência : A variação em sua eficiência ao longo do tempo é mínima, garantindo um desempenho confiável e duradouro durante toda a sua vida útil.
- Tamanho compacto : o tamanho do rotor da turbina Francis é relativamente pequeno em comparação a outros tipos de turbina, permitindo uma instalação mais compacta e menos dispendiosa.
- Baixos custos de manutenção : Em comparação com outras turbinas hidráulicas, as turbinas Francis exigem manutenção relativamente baixa, o que contribui para o aumento da lucratividade e a redução dos custos operacionais.
Principais desvantagens
- Projeto específico para uma vazão específica : as turbinas Francis são projetadas para operar de forma otimizada em uma vazão específica. Eles não são a melhor escolha para instalações que sofrem grandes variações de vazão, pois o desempenho pode diminuir consideravelmente nessas condições.
- Limitações com alturas de queda maiores que 800 m : Embora seja eficiente em quedas médias a altas, a turbina Francis apresenta problemas de desempenho quando utilizada em alturas maiores que 800 metros, devido às altas pressões que podem ser geradas.
- Risco de cavitação : Assim como outras turbinas de reação, as turbinas Francis podem sofrer de cavitação, um fenômeno que ocorre quando a pressão da água na entrada da turbina cai muito, causando a formação de bolhas de vapor que danificam as pás e reduzem a eficiência.
- Sensibilidade à água suja : A entrada de água com partículas ou impurezas pode causar problemas significativos para a turbina, pois essas partículas podem danificar componentes internos, como as pás e o impulsor, reduzindo a vida útil da turbina e afetando seu desempenho.
Partes de uma turbina Francis
A turbina Francis, projetada por James B. Francis, consiste em vários componentes principais que trabalham juntos para otimizar sua eficiência e conversão de energia. Suas principais partes são descritas abaixo:
- Câmara espiral : Esta parte tem a função de distribuir o fluido ao longo da entrada do impulsor. Seu formato espiral ou de caracol garante que a velocidade média do fluido permaneça constante em direção ao rotor. Isso permite que a água flua uniformemente, reduzindo perdas e garantindo um desempenho eficiente na entrada do sistema.
- Pré-distribuidor : Composto por lâminas fixas, o pré-distribuidor tem uma função estrutural fundamental, pois prepara o fluxo de água antes que ela entre no distribuidor. Seu design hidrodinâmico é otimizado para minimizar perdas hidráulicas e garantir que o fluido chegue eficientemente ao próximo componente, com um fluxo laminar que reduz a turbulência.
- Distribuidor : O distribuidor é composto por pás móveis que direcionam a água para as pás fixas do impulsor e regulam a vazão admitida. Ele também ajusta a direção do fluxo para melhorar o desempenho geral e permitir que a turbina responda às variações de carga na rede elétrica. Este componente, conhecido como distribuidor Fink , é crucial para regular a potência da turbina com base nas condições operacionais.
- Rotor ou impulsor : É o componente fundamental no qual ocorre a troca de energia. O rotor converte energia hidráulica, que inclui a pressão e a energia cinética da água, em energia mecânica rotacional. Essa energia rotacional é transferida para um gerador elétrico, convertendo-a em energia elétrica. O design da pá do impulsor permite a conversão eficiente e estável da energia do fluido.
- Tubo de sucção : É a saída da turbina, por onde a água, antes utilizada para gerar energia, é evacuada do sistema. O projeto do tubo de sucção é otimizado para reduzir perdas de energia na saída do fluxo, garantindo que a turbina opere de forma eficiente durante todo o processo.