Application of variable speed operation on Francis turbines

Aplicación de la tecnología de velocidad variable a turbinas Francis

Las turbinas Francis están acopladas directamente con sus generadores síncronos. Debido a esto la geometría de sus turbinas está diseñada para operar con velocidad sincrónica en un punto característico que corresponde al salto y el caudal de diseño con una respectiva apertura de los álabes. Para otros saltos mayores o menores al de diseño y sus correspondientes caudales la eficiencia será menor que la máxima esperada en el punto de diseño.

En este trabajo se investiga la posibilidad de mantener la turbina operando en el punto de mejor eficiencia mediante la variación de la velocidad. La investigación demuestra la posibilidad de obtener beneficios aprovechando la velocidad variable en cuanto a la eficiencia y la potencia útil. Se obtienen de las pruebas de modelo las curvas características de velocidad unitaria y caudal unitario, tanto del modelo como del prototipo para diferentes aperturas de los álabes. Gracias a la velocidad variable es posible mantener los valores correspondientes a la mayor eficiencia. Se analizan para aperturas fijas de los álabes los aumentos de eficiencia para el rango de saltos y se introduce un factor de correlación entre caudal y potencia. Para saltos inferiores al de diseño, se pueden obtener aumentos de eficiencia y ahorros de caudal significativos generando la misma potencia.

Introducción

Las turbinas Francis son las turbinas hidráulicas más comunes en la actualidad. Las turbinas suelen estar conectadas por su eje directamente a un generador, que a su vez está conectado a la red eléctrica. La energía mecánica de rotación de la turbina es convertida por el generador en energía eléctrica. En casi todos los casos los generadores utilizados son máquinas síncronas debido a sus grandes ventajas produciendo tensión y frecuencia de la red y proporcionando energía reactiva para los consumidores y la red. Debido a su conexión directa a la red, el rotor del generador gira a una velocidad constante, la frecuencia de la red. Igualmente, debido a su acoplamiento directo, el rodete de la turbina gira con esta misma velocidad de rotación. Esta configuración se denomina posteriormente "convencional".

Normalmente, las turbinas Francis están diseñadas para funcionar a una velocidad constante en torno a un punto de funcionamiento óptimo caracterizado por la altura de elevación, la descarga y la apertura del álabe guía. Si uno de estos parámetros cambia y la turbina funciona en un punto de operación fuera de diseño, puede sufrir una pérdida significativa de eficiencia en cualquier apertura de la paleta guía. Debido al funcionamiento a alturas de agua fuera de diseño, pueden producirse cambios en los triángulos de velocidad del flujo de entrada y salida. En la entrada de las palas del rotor pueden producirse pérdidas por choque y las inestabilidades del flujo en la salida provocan nuevas caídas de eficiencia.