Posee las mejores características para grandes alturas, y desde luego es la única máquina capaz de funcionar con alturas superiores a 1.700 m. Son notables su suavidad de giro y su buen funcionamiento a carga parcial. Una historia muy poco creíble dice que Pelton inventó su rueda cuando se fijó en cómo el agua salpicaba fuera de las fosas nasales de una vaca mientras esta bebía de un chorro de agua y directamente empezó a imaginarse la turbina en su cabeza y lo que eso suponía, es decir, ese invento podía cambiar el mundo de la energía.La turbina Francis fue desarrollada por James B. Francis. Se trata de una turbina de reacción de flujo interno que combina conceptos tanto de flujo radial como de flujo axial.Las turbinas Francis son turbinas hidráulicas que se pueden diseñar para un amplio rango de saltos y caudales, siendo capaces de operar en rangos de desnivel que van de los diez metros hasta varios cientos de metros. Esto, junto con su alta eficiencia, ha hecho que este tipo de turbina sea el más ampliamente usado en el mundo, principalmente para la producción de energía eléctrica mediante centrales hidroeléctricas.La turbina Francis es una turbina de reacción, lo cual significa que el fluido cambia de presión a medida que se desplaza a través de la turbina, perdiendo su energía. Se necesita una carcasa para contener el caudal de agua.La admisión tiene forma de espiral. Los álabes directores dirigen el agua tangencialmente hacia el rodete. Este flujo radial actúa sobre los álabes del rodete, causando que éste gire. Los álabes directores pueden ser ajustables para permitir un funcionamiento eficiente en un rango amplio de condiciones del caudal de agua. Una turbina Pelton es uno de los tipos más eficientes de turbina hidráulica. Es una turbo máquina motora, de flujo trasversal, admisión parcial y de acción. Consiste en una rueda (rodete o rotor) dotada de cucharas en su periferia, las cuales están especialmente realizadas para convertir la energía de un chorro de agua que incide sobre las cucharas.Las turbinas Pelton están diseñadas para explotar grandes saltos hidráulicos de bajo caudal. Las centrales hidroeléctricas dotadas de este tipo de turbina cuentan, la mayoría de las veces, con una larga tubería llamada galería de presión para trasportar al fluido desde grandes alturas. Al final de la galería de presión se suministra el agua a la turbina por medio de una o varias válvulas de aguja, también llamadas inyectores, los cuales tienen forma de tobera para aumentar la velocidad del flujo que incide sobre las cucharas.A las cucharas y palas que mencionamos anteriormente se les nombran ALABES. El alabe tiene la forma de doble cuchara, con una arista diametral sobre la que incide el agua produciéndose una desviación simétrica en dirección axial, buscando un equilibrio dinámico de la maquina en esa dirección. Clasificación de las turbinas Pelton Las turbinas PELTON se clasifican generalmente por la posición del eje que mueven, por lo tanto existen dos clasificaciones: EJE HORIZONTAL Y EJE VERTICAL.En la figura se muestra la disposición típica de una turbina Pelton. El distribuidor lanza a la atmósfera un chorro de alta velocidad que incide sobre una serie de cucharas o álabes montados en la periferia de una rueda. El par ejercido por el impacto y la desviación del chorro provoca el giro de la rueda. Una vez transmitida su energía a la rueda, el agua sale de los álabes a velocidad relativamente baja y es dirigida hacia el canal de desagüe. Por tanto, la turbina ha de estar colocada a suficiente altura sobre el nivel máximo de crecida para asegurar el derrame libre.En la turbina Pelton actual, la energía cinética del agua, en forma de chorro libre, se genera en una tobera colocada al final de la tubería a presión. La tobera está provista de una aguja de cierre para regular el gasto, constituyendo en conjunto, el órgano de alimentación y de regulación de la turbina. Encuentra justa aplicación la turbina Pelton, en aquellos aprovechamientos hidráulicos donde la ponderación de la carga es importante respecto al caudal. El rendimiento de estas turbinas es del orden del 90% y se conserva bastante bien a carga parcial. Entre las turbinas Pelton más grandes instaladas hasta el momento se encuentran las de Mont-Cenis (Francia) con 200 MW, bajo 870 m de carga y en Lotru Ciunget (Rumanía) con 188 MWRueda Pelton Por otra parte, la fundición por separado de disco y alabes ha sido la forma mas tradicional, ya que no solo se facilita la construcción (fundición, maquinado y pulido de piezas) sino que también hace posible la reposición de cucharas averiadas por la erosión. Sin embargo, modernamente se advierte una gran tendencia a fundir el disco y alabes en una sola pieza, sobre todo cuando se trata de ruedas de alta velocidad especifica. Se consigue con este procedimiento mayor rigidez y solidez; uniformidad en la resistencia y montaje rápido. Para la misma potencia, las

ruedas resultan mas ligeras. Métodos modernos de fundición y de control de calidad (Magnaflux, Magnaglo, ultrasonidos, etc.) permiten obtener piezas sin grietas ni fisuras en el templado. El material de los alabes debe resistir a la fatiga, a la corrosión y a la erosión. Cuando estas acciones son moderadas puede bastar la fundición de grafito laminar. Si las condiciones de trabajo son mas drásticas debe recurrirse al acero, al carbono aliado con níquel (0.7 a 0.1)-molibdeno (0.3). Aceros con 13% de cromo y los aceros austeno-ferriticos (Cr 20, Ni 8, Mo 3) presentan una resistencia extraordinaria a la cavitacion y la abrasión. El material del disco de la rueda es de acero fundido o forjado. El numero de alabes suele ser de 17 a 26 por rueda, dependiendo de la velocidad especifica de la turbina. Para alta velocidad especifica el numero de alabes es menor. En efecto, para una rueda de un diámetro determinado por una carga y una velocidad de giro si la velocidad especifica es alta es que el gasto es grande, lo exige alabes mayores, y por tanto caben menos en la misma periferia de la rueda. El espacio requerido por alabe suele estar entre 1.4 Do y 1.6 Do, siendo do el diámetro del chorro. El valor del coeficiente depende de la alta velocidad especifica por chorro. Para una alta velocidad especifica del chorro, el coeficiente será menor, siendo Dp el diámetro de la rueda Pelton medida al punto central de incidencia del chorro. El numero de alabes z será puesDistribuidor de una turbina Pelton Está constituido por uno o varios equipos de inyección de agua. Cada uno de dichos equipos, formado por determinados elementos mecánicos, tiene como misión dirigir, convenientemente, un chorro de agua, cilíndrico y de sección uniforme, que se proyecta sobre el rodete, así como también, regular el caudal preciso que ha de fluir hacia dicho rodete, llegando a cortarlo totalmente cuando proceda .El número de equipos de inyección, colocados circunferencialmente alrededor de un rodete, depende de la potencia y características del grupo, según las condiciones del salto de agua. Así mismo, se puede disponer de más de un rodete en el mismo eje, cada uno de ellos dotado del distribuidor apropiado .Hasta seis suelen ser los equipos que proyectan chorros de agua sobre un mismo rodete, derivando todos y cada uno de ellos de la tubería forzada. Dicho número equipos de inyección, se insta la en turbinas Pelton con eje vertical, siendo, normalmente uno o dos inyectores los instalados cuando la disposición del eje es horizontal .Para mejor comprensión, describiremos los Elementos que forman un solo equipo de inyección, mediante el cual se obtiene un chorro de agua. Estos elementos son:Cámara de distribución Consiste en la prolongación de la tubería forzada, acoplada a ésta mediante brida de unión, posteriormente a la situación de la válvula de entrada a turbina, según la trayectoria normal del agua También se nombra cámara de inyectores. Tiene como misión fundamental, conducir el caudal de agua. Igualmente, sirve de soporte a los demás mecanismos que integran el distribuidor .Inyector Es el elemento mecánico destinado a dirigir y regular el chorro de agua. Esta compuesto por:Tobera Se entiende como tal, una boquilla, normalmente con orificio de sección circular (puede tratarse de otra sección), de un diámetro aproximado entre 5 y 30 cm, instalada en la terminación de la cámara de distribución .Proyecta y dirige, tangencialmente hacia la periferia del rodete, el chorro agua, de tal modo que la prolongación de éste forma un ángulo prácticamente 90 grados con los imaginarios radios de aquel, en los sucesivos puntos de choque incidencia del agua. Aguja Está formada por un vástago situado concéntricamente en el interior del cuerpo de la tobera, guiado mediante cojinetes sobre los cuales tiene un 1 movimiento de desplazamiento longitudinal en dos sentidos .Uno de los extremos del vástago, el orientado hacia el orificio de salida la tobera, termina en forma esférico-cónica a modo de punzón, fácilmente recambiable, el cual regula el caudal de agua que fluye por la misma, de acuerdo con mayor o menor grado de acercamiento hacia el orificio, llegando a cortar totalmente el paso de agua cuando se produce el asentamiento de dicho punzón sobre el mencionado orificio, según las circunstancias de funcionamiento grupo .En el otro extremo , están dispuestos mecanismos tales como muelle de cierre de seguridad, que tiende a cerrar el orificio de tobera, presionando al punzón sobre el mismo, cuando la turbina está parada, o se pone fuera de servicio de manera brusca debido a un determinado defecto que afecte al grupo. También, sobre dicho extremo, actúan una

serie de palancas o de servo-mecanismos, que regulan la posición del punzón, al que de ahora en adelante llamaremos aguja o válvula de aguja, según las órdenes recibidas del regula de velocidad. Deflector Es un dispositivo mecánico que, a modo de pala o pantalla, puede ser intercalado con mayor o menor incidencia en la trayectoria del chorro de agua, entre la tobera y el rodete, presentando la parte cóncava hacia el orificio de tobera .Tiene como misión desviar, total o parcialmente según proceda, el caudal de agua, impidiendo el embalamiento del rodete al producirse un descen repentino de la carga. Su intervención, evita variaciones bruscas de presión en tubería forzada, al permitir una respuesta más lenta de la válvula de aguja, an fuertes oscilaciones de carga.La situación del deflector se controla con el regulador de velocidad; al igual que las distintas secciones de paso de agua por las toberas, al controlar las posiciones de la válvula de aguja. Equipo de regulación de velocidad Está constituido por un conjunto de dispositivos electro-mecánicos, a base de servomecanismos, palancas y bielas. Su función, es la de mantener constante la velocidad del grupo, a fin de que la frecuencia de la corriente generada tenga, en todas las circunstancias de carga, 60 períodos por segundo.Rodete de una turbina Pelton Es la pieza clave donde se transforma la energía hidráulica del agua, en su forma cinética, en energía mecánica o, dicho de otra manera, en trabajo según la forma de movimiento de rotación. Esencialmente consta de los siguientes elementos Rueda motriz Está unida rígidamente al eje, montada en el mismo por medio de chavetas y anclajes adecuados. Su periferia está mecanizada apropiadamente para ser soporte de los denominados cangilones.Alabes También llamados Cangilones, cucharas o palas. Son piezas de bronce o de acero especial para evitar, dentro de lo posible, las corrosiones y cavitaciones.Están diseñados para recibir el empuje directo del chorro de agua. Su forma es similar a la de una doble cuchara, con una arista interior lo más afilada posible y situada centralmente en dirección perpendicular hacia el eje, de modo que divide al alabe en dos partes simétricas de gran concavidad cada una, siendo sobre dicha arista donde incide el chorro de agua. En sección, el conjunto toma forma de W (omega abierta).Su situación sobre la rueda motriz, se consigue por dos procedimientos. Uno de ellos consiste en montarlos de uno en uno o de dos en dos, sobre la periferia de la misma, haciendo la fijación mediante tornillos y cuñas, de tal manera que no existan juegos ni holguras. Modernamente, y para rodetes de cualquier tamaño, los cangilones están forjados con la misma rueda, formando pieza única, lo cual permite una economía en la construcción; y mayor seguridad de funcionamiento, dado el impacto inicial del agua que han de soportar en el momento del arranque, la fuerza centrífuga alcanzada en caso de embalamiento, etcétera.Cada alabe lleva, en su extremo periférico, una escotadura en forma de W (uve doble), perfectamente centrada. Tiene como objeto conseguir que, la parte cóncava del alabe precedente, según el sentido de giro, reciba el chorro de agua cuando su arista se encuentra en posición lo más perpendicular posible, respecto al eje del chorro, aprovechando al máximo el caudal y el impulso que éste le proporciona al acompañarle durante un corto trayecto, razón por la cual las turbinas Pelton se denominan turbinas de impulsión. Dichas escotaduras favorecen un mayor acercamiento de las toberas hacia el rodete.El diámetro de la rueda suele ser grande, quedando determinado por la necesidad de instalar el número requerido de álabes de dimensiones apropiadas y evitar al mismo tiempo las salpicaduras. Por tanto, dependerá del diámetro del chorro; la relación entre el diámetro de la rueda y el diámetro del chorro, suele oscilar entre 10 y 14. Generalmente el montaje es horizontal resultando a veces económico el montaje gemelo de dos ruedas Pelton, una a cada lado del alternador. Carcasa de una turbina Pelton Es la envoltura metálica que cubre los inyectores, rodete y otros elementos mecánicos de la turbina .1.-Tobera2.-chorro de agua3.- Rodete4.- cangilones5.-Equipo de regulación6.-Válvula

7.-carcasa8.-cámara de descargaSu misión consiste en evitar que el agua salpique al exterior cuando, después de incidir sobre los alabes, abandona a éstos.Dispone de un equipo de sellado, en las zonas de salida del eje, a fin de eliminar fugas de agua. Puede estar formado por un laberinto metálico dotado de drenajes, o bien por juntas de estanqueidad, etc.Cuando se trata de turbinas Pelton instaladas con el eje en posición vertical, la carcasa, situada horizontalmente, tiene convenientemente distribuidos en su periferia unos conductos de paso de aire para aireación del rodete, lográndose, alrededor del mismo, el adecuado equilibrio de presiones. En el caso de turbinas con el eje horizontal, la aireación se efectúa desde la cámara de descarga.Cámara de descarga de una turbina Pelton Se entiende como tal la zona por donde cae el agua libremente hacia el desagüe, después de haber movido al rodete. También se conoce como tubería de descarga.Para evitar deterioros debidos a la acción de los chorros de agua, especialmente de los originados por la intervención del deflector, se suele disponer, en el fondo de la cámara de descarga, de un colchón de agua de 2 a 3 m de espesor. Con el mismo fin, se instalan blindajes o placas, situadas adecuadamente, que protegen la obra de hormigón.Sistema hidráulico de frenado de una turbina Pelton Consiste en un circuito de agua derivado de la cámara de distribución.El agua, proyectada a gran velocidad sobre la zona convexa de los alabes, favorece el rápido frenado del rodete, cuando las circunstancias lo exigen Eje de una turbina Pelton Rígidamente unido al rodete, y situado adecuadamente sobre cojinetes debidamente lubricados, transmite el movimiento de rotación al eje del alternador .El número de cojinetes instalados así como su función, radial o radial-axial, depende de las características de cada grupo.Principio de funcionamiento de las turbinas Pelton Una vez identificados los elementos componentes de las turbinas Pelton, y conocidas las funciones respectivas, se comprende fácilmente el funcionamiento de las mismas. La sucesiva transformación de la energía se efectúa del modo siguiente. La energía potencial gravitatoria del agua embalsada, o energía de presión hasta los orificios de las toberas, se convierte, prácticamente sin pérdidas, en energía cinética, al salir el agua a través de dichos orificios en forma de chorros libres, a una velocidad que corresponde a toda la altura del salto útil, estando referida ésta, para el caso concreto de las turbinas Pelton, al centro de los chorros considerados.Se dispone de la máxima energía cinética en el momento en que el agua incide tangencialmente sobre el rodete, empujando a los cangilones que lo forman, obteniéndose el trabajo mecánico deseado.Las formas cóncavas de los cangilones hacen cambiar la dirección del chorro de agua,saliendo éste, ya sin energía apreciable, por los bordes laterales, sin ninguna incidencia posterior sobre los cangilones sucesivos. De este modo, el chorro de agua transmite su energía cinética al rodete, donde queda transformada instantáneamente en energía mecánica.La válvula de aguja, gobernada por el regulador de velocidad, cierra más o menos el orificio de salida de la tobera, consiguiendo modificar el caudal de agua que fluye por ésta, al objeto de mantener constante la velocidad del rodete, evitándose embalamiento o reducción del número de revoluciones del mismo, por disminución o aumento respectivamente de la carga solicitada al generador.La arista que divide a cada cangilón en dos partes simétricas, corta al chorro de agua, seccionándolo en dos láminas de fluido, teóricamente del mismo caudal, precipitándose cada una hacia la concavidad correspondiente. Tal disposición permite contrarrestar mutuamente los empujes axiales que se originan en el rodete, equilibrando presiones sobre el mismo, al conseguir cambiar, simétrica y opuestamente, los sentidos de ambas láminas de agua .La tobera o inyector lanza directamente el chorro de agua contra la serie de paletas en forma de cuchara montadasalrededor del borde de una rueda, el doble de la distancia entre el eje de la rueda y el centro del chorro de agua sedenomina diámetro Pelton. El agua acciona sobre las cucharas intercambiando energía con la rueda en virtud de sucambio de cantidad de movimiento, que es casi de 180°. Obsérvese en la figura anexa un corte de una pala en eldiámetro Pelton; el chorro de agua impacta sobre la pala en el medio, es dividido en dos, los cuales salen de la pala ensentido casi opuesto al que entraron, pero jamás puede salir el chorro de agua en dirección de 180° ya que si fuese

así elchorro golpearía a la pala sucesiva y habría un efecto frenante. La sección de entrada del fluido a la cuchara sedenomina 1, así como 2 a la sección de salida.El estudio analítico de la interacción agua-pala puede ser sumamente complicado debido al desplazamiento relativoentre la pala y el chorro de agua. Por otro lado se simplifica el estudio de las turbinas Pelton a la sección cilíndrica deldiámetro Faubert.

Así la energía convertida por unidad de masa de agua está dada por la Ley de Euler de las turbomáquinas:L = u1cu1 − u2cu2

Donde:L es la energía específica convertida.u1 y u2 es la velocidad tangencial de la cuchara en los puntos donde el agua llega y sale de la misma respectivamente.cu1 y cu2 son, respectivamente, las proyecciones de la velocidad absoluta del fluido sobre la velocidad tangencial de la cuchara en los puntos de llegada y salida de lamisma. Como la velocidad tangencial de rotación de la rueda Pelton es la misma en todos los puntos del diámetro pelton (recuérdese la fórmula de la velocidad angular u = ωr) las velocidades u1 y u2 son iguales. Entonces la fórmula de Euler se puede simplificar:L = u(cu1 − cu2)La turbina Pelton es un tipo de turbina de impulso, y es la más eficiente en aplicaciones donde se cuenta con un gran desnivel de agua.Dado que el agua no es un fluido compresible, casi toda la energía disponible se extrae en la primera etapa de la turbina. Por lo tanto, la turbina Pelton tiene una sola rueda, al contrario que las turbinas que operan con fluidos compresibles. Aplicaciones Existen turbinas Pelton de todos los tamaños. Hay turbinas de varias toneladas montadas en vertical sobre cojinetes hidráulicos en las centrales hidroeléctricas.Las turbinas Pelton más pequeñas, solo de unos pocos centímetros, se usan en equipamientos domésticos.En general, a medida que la altura de la caída de agua aumenta, se necesita menor caudal de agua para generar la misma potencia. La energía es la fuerza por la distancia, y, por lo tanto, una presión más alta puede generar la misma fuerza con menor caudal.Cada instalación tiene, por lo tanto, su propia combinación de presión, velocidad y volumen de funcionamiento más eficiente. Usualmente, las pequeñas instalaciones usan paletas estandarizadas y adaptan la turbina a una de las familias de generadores y ruedas, adecuando para ello las canalizaciones. Las pequeñas turbinas se pueden ajustar algo variando el número de toberas y paletas por rueda, y escogiendo diferentes diámetros por rueda. Las grandes instalaciones de encargo diseñan el par torsor y volumen de la turbina para hacer girar un generador estándar.Turbina francis HISTORIA DE LAS TURBINAS FRANCIS Las primeras turbinas conocidas fueron turbinas del tipo chorro, no empezando a emplearse las de reacción hasta principios del siglo XIX.  En el año 1833 inventó el francés Fourneyron la turbina que lleva su nombre, construyéndola de manera que el rodete de movía siempre sumergido en el agua, gracias al principio de reacción que por primera vez, se utilizaba. Algo más tarde, se conoció también la aplicación del tubo de aspiración, empleado simultáneamente por los ingenieros Jonval y Henschel en sus turbinas. Un desarrollo más completo recibieron las turbinas de reacción con la invención del americano Francis, en el año 1849. Si bien, de momento su turbina no mereció mucha atención en Europa, fue en cambio pronto apreciada en su país y ventajosamente perfeccionada, alcanzando el gran renombre de que goza actualmente en todas partes.La turbina Francis fue desarrollada por James B. Francis en 1849, en dichas máquinas, la rueda de alabes o rodete, presentaba un flujo predominantemente radial, con los mismos radios de entrada y salida para todas las líneas de

corriente, este diseño presentaba el problema de requerir mayores diámetros del rodete ante mayores caudales. La solución a este problema fue hacer que el agua siguiera una dirección radial-axial, esto es, a medida que el agua se mueve a través del rodete, su radio de giro disminuye aumentando la velocidad del agua; el resultado de ello fue el tipo de turbina de flujo mixto que actualmente es el modelo más habitual, esta, aunque guardan poca semejanza con la máquina Francis original, cuenta con un principio de funcionamiento similar y conserva el mismo nombre.Turbina Francis COMPONENTES PRINCIPALES DE TURBINAS FRANCIS La turbina Francis es una turbina de reacción de flujo interno, transforma energía hidráulica en energía mecánica, combina conceptos tanto de flujo radial como de flujo axial. Los componentes principales tanto del tipo vertical como horizontal, son ilustrados en las Figuras a continuación, y posteriormente, se describe la función de algunos de estos componentes. 1 – Rodete turbina, 2 - Eje turbina generado, 3 –Generador, 4 – Paleta fija, 5 – Tapa de turbina, 6 – Soporte, 7 –Estator. 8 – Paleta del distribuido(móvil), 9 –Anillo de operación de álabes del distribuidor, 10 – Mando del servomotor, 11 –Válvula de aireación, 12 – Cojinete guíainferior, 13 – Cojinete de guía y empuje, 14 – Cojinete de guía superior, 15 –Cámara espiral o caracol, 16 – Tubo de aspiración Corte transversal turbina Francis verticalCorte transversal turbina Francis horizontal DESCRIPCIÓN DE FUNCIONAMIENTO El agua ingresa a la cámara espiral a través de el tubo de entrada de la turbina hidráulica Francis (en adelante “HT”). El tubo de entrada conecta la cámara espiral de la HT con la puerta de entrada. La cámara espiral proporciona el agua de forma constante al distribuidor. La cámara espiral es también el marco de la unidad hidráulica. Esta contiene la carcasa de la HT, la cual toma la carga de las piezas de la HT aseguradas en su estructura. El distribuidor configura el flujo contracorriente desde el rodete, gobierna la descarga de agua a través de la HT con las fluctuaciones de la unidad hidráulica y es también un mecanismo que bloquea la HT. El rodete es el principal elemento de trabajo de la HT. Este convierte la energía hidráulica del flujo de agua en energía mecánica suministrada al generador hidráulico en el modo de operación de la turbina. Un tubo de descarga curvo metálico proporciona la salida de agua de la turbina. El tubo de descarga se usa para la salida eficiente del rodete de la HT y es diseñado, entre otras, para recuperar la energía cinética (Manual de Operación). Funcionamiento De Los Principales Componentes Tubería forzada: conducto de entrada del agua a la máquina a alta presión. Voluta o cámara espiral: conducto al que le llega el agua de la tubería forzada y que la distribuye uniformemente por todo el perímetro de entrada del rodete en dirección radial. Distribuidor: conjunto de paletas directrices dispuestas de forma circular. Se utilizan para regular el caudal y el ángulo de entrada de agua que llega de la cámara espiral, y que ha de entrar en el rodete; este evita el embalamiento

de la turbina. Las directrices llegan a tocarse en la posición de cerrado (en cuyo caso no entra agua en el rodete), y se van abriendo a medida que giran un cierto ángulo sobre sus ejes, hasta llegar a la posición de máxima apertura, en cuyo caso el caudal de agua recibido por el rodete es máximo. El conjunto de directrices del distribuidor se acciona por medio de un anillo móvil, al que están unidas todas las paletas directrices. Para las turbinas axiales existen tres tipos de distribuidores: el cilíndrico, el cónico y el axial. De estos, el último es el que presenta más facilidades para su diseño y para su construcción en vista de sus dimensiones y de su peso más pequeño que en otros casos. La disposición de los alabes es radial y su perfil laminar aporta sus ventajas: facilidad de diseño y construcción y factibilidad de cierre hermético. El agua es acelerada al pasar por esta sección. Rodete: constituido por un cierto número de paletas o alabes. El agua pasa a través de este y lo hace girar. Es el encargado de realizar la conversión de energía hidráulica, contenida por el agua, a energía mecánica rotacional.Tubo de aspiración: tubería de salida del agua a baja presión. Este tiene dos funciones, una es facilitar que la turbina sea instalada debajo del nivel de descarga de modo que no se pierda altura produciéndose un vacío en la parte superior del tubo de aspiración, el cual es compensado por la altura a la cual el rodete de la turbina es instalado, la segunda es reducir la velocidad de descarga en la salida del rodete a la de la salida del tubo, reduciéndose así las pérdidas finales de energía cinética en la descarga.El funcionamiento de la turbina Francis consiste en que el flujo de agua procedente de la tubería forzada, entra radialmente al rodete a través de la cámara espiral o voluta y sale del mismo axialmente, por el tubo de aspiración.

La cámara espiral cuenta con unas aletas fijas que ayudan a direccional el flujo de agua antes de pasar por el distribuidor, el cual direcciona el flujo antes del ingreso al rodete.La voluta tiene una forma espiral y convierte la energía potencial en energía cinética. Asimismo tiene la finalidad de establecer una distribución uniforme del agua alrededor del rodete. El agua que sale de la voluta pasa primero por el predistribuidor, con alabes fijos dispuestos circunferencialmente. Después del predistribuidor el agua pasa por el distribuidor, que tienen los alabes (directrices) móviles y regula el caudal que entra en el rodete. Estas directrices son orientables, de modo que pueden abrir o cerrar completamente el paso del agua hacia el rodete. Su misión, como ya se menciono anteriormente, es doble: dirigir el flujo hacia el rodete con la orientación adecuada para que esté lo mejor conducido a través del alabe y regular el caudal (y, por tanto, la potencia suministrada).

En su recorrido a través del rodete, el agua experimenta otra caída de presión, hasta que finalmente sale por el centro a baja presión. La variación de la cantidad de momento cinético que se obtiene procede de la desviación de la trayectoria del flujo y de la variación de las energías de presión y cinética que proporciona la transferencia de energía que tiene lugar en el rodete. Los problemas (por ejemplo, estanqueidad de las juntas) que plantean las altas presiones y velocidades, hacen que exista un límite superior para la altura con la que se puede utilizar este tipo de máquina. Estos problemas y muchos otros, hacen necesario que de acuerdo a las condiciones físicas de la instalaron como por ejemplo de salto, caudal, entre otras, se seleccione un determinado tipo de turbina Francis.Formas Constructivas de la Turbina Francis Las turbinas Francis, dependiendo de la forma del rodete, puede construirse de tipo lento, normal, rápido y extrarrápido. El diámetro de entrada del rodete, en el tipo normal, es ligeramente superior al del tubo de aspiración. En el caso de las turbinas rápidas se obtiene mayores velocidades para la misma altura de salto. 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. En las turbinas extra rápidas, 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. Número Específico De Revoluciones El número de revoluciones llamado específico, es un parámetro imprescindible a la hora de diseñar instalaciones hidráulicas pues da indicaciones precisas que permiten determinar las turbinas más adecuadas para un salto de altura y caudal conocidos. A demás 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. La relación de número específico de revoluciones se expresa a través de la siguiente formula: Donde: n=velocidad de la turbina en r.p.m. P=potencia de la turbina en CV h=altura del salto en metros Margen de Funcionamiento El tipo de turbina más conveniente para ser utilizado en una central hidroeléctrica, ubicada en una zona con determinadas condiciones, viene dado por dos parámetros básicos de la instalación: H (la altura de salto) y ns (la velocidad específica). La turbina tipo Francis se usa en plantas de altura media. Los ejes pueden tener su orientación horizontal ó vertical. Rango de operación de turbinas (rpm Vs h del salto)Utilización La utilización de turbinas Francis es recomendable cuando los valores de las instalaciones fluctúan entre : Un salto que puede oscilar entre los 18 - 520 metros. Caudales medios (de 1 a 700 m3 / s). Potencia: 0,1 - 700 MW. REGULACIÓN DE LA TURBINA FRANCIS

El objeto que persigue la regulación es doble: debe estar dispuesta de tal forma que se acomode a funcionar a las condiciones variables que presenta todo salto ya que si disminuye el caudal y la Turbina conserva la misma sección de salida, pronto empezará a bajar el nivel de la cámara de agua disminuyendo así la potencia y por lo tanto se hace indispensable establecer una disposición que permita en tales casos disminuir la sección de paso de agua con lo que al menos se conservará constante la altura del salto. En segundo lugar la regulación es necesaria para acomodar la turbina a las distintas cargas en forma que se conserve lo más constante posible el número de revoluciones. Este segundo objeto es alcanzado casi siempre de la misma forma que el primero, es decir por la variación de la sección de salida del agua. Ventajas importantes de las Turbinas Francis Atendiendo, finalmente, a la posición del eje, que en las turbinas Francis puede colocarse como convenga, y considerando que este tipo de máquinas se puede emplear para los mayores caudales y para saltos desde 0,50m hasta 120m, funcionando siempre del modo más ventajoso. COMPARACION DE LAS TURBINAS FRANCIS CON LAS TURBINAS PELTONEn la práctica con frecuencia hay que elegir entre las turbinas Francis y las Pelton. A continuación se compara, para el rango de funcionamiento común en que pueden operar, las prestaciones que una y otra ofrecen:En principio el ns de una turbina Francis no debe descender del 90, aunque en ciertas ocasiones puede llegar hasta el 60, a costa de disminuir el rendimiento. Para ns menores es necesario recurrir a turbinas Pelton simples o múltiples.Las turbinas Francis de menor potencia sólo pueden instalarse en saltos pequeños. Por otro lado, las turbinas Pelton pueden instalarse en saltos muy pequeños, con tal de que la turbina sea suficientemente pequeña. De aquí se deduce la decisión entre instalar una turbina Francis o una Pelton se presenta en las grandes potencias entre los saltos comprendidos entre los 300 y los 500 m. En potencias medias o pequeñas sólo pueden emplearse en esta gama de alturas las turbinas Pelton. Por lo tanto, para saber que turbina escoger, nos guiaremos de las siguientes consideraciones: 1. En las turbinas Francis, el agua entra a presión en el rodete, lo que obliga a utilizar cierres laberínticos para evitar fugas entre el rodete y el estator. Estas pérdidas son importantes en todas las turbinas Francis, pero sobre todo en las de alta presión, cuyo campo coincide con el de las turbinas Pelton, en las cuales, las pérdidas de este tipo son nulas. 2. Las turbinas Francis (90) tienen, en igualdad de potencia, un rendimiento algo mayor que las turbinas Pelton (85). 3. Las turbinas Francis tienen, con relación a las turbinas Pelton, mayor resistencia a la erosión debido a que las velocidades relativas son menores.4. En ambos tipos de turbinas la erosión produce una pérdida de rendimiento, perdida que es menor en las turbinas Francis ya que el flujo en los alabes esta mejor guiadoque en las Pelton. 5. La turbina Francis es menos voluminosa a igualdad de salto y potencia.6. La turbina Francis tiene su rendimiento óptimo a plena carga, es decir, en las proximidades del pinto en que funciona el mayor número de horas, mientras que la turbina Pelton tiene su rendimiento óptimo aproximadamente a mitad de carga. Por lo tanto, sería preciso conocer la curva de carga prevista de cara a comparar ambas turbinas.7. Las curvas de rendimiento total en función de la carga son muy distintas según el tipo de turbina. Dependiendo si la oscilación de la carga es pequeña o grande, presentara mejor rendimiento la turbina Francis o la Pelton respectivamente. 8. Costo inicial: La turbina Pelton es más ligera y compacta, por girar a un mayor número de revoluciones con el mismo Q y H, y por lo tanto más barata. Además, el alternador, la obra civil de la planta, el colector de admisión y el puente grúa son menos costosos en una instalación de turbina Francis que de turbina Pelton. Por el contrario, en una instalación de turbina Francis, es necesario realizar una excavación para la instalación del tubo de aspiración, el cual no es necesario en turbinas Pelton en las cuales, la altura de suspensión se pierde. 9. Reparaciones y revisiones: En las turbinas Pelton, los órganos que necesitan recambio más a menudo son la pieza frontal de la tobera, la punta de válvula de aguja y las cucharas; y en las turbinas Francis son los álabes del distribuidor, los anillos laberínticos del rodete y los álabes del mismo Las revisiones son más fáciles de realizar en las turbinas Pelton que en las Francis.Aunque cada caso particular ha de ser estudiado con detención, la tendencia es, ante la posibilidad de elegir entre la Turbina Francis y la Turbina Pelton, optar por la Turbina Francis que en general presenta mayores ventajas.