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Existem três tipos principais de turbinas de água. A turbina de Pelton requer uma grande cabeça de água e uma baixa taxa de fluxo, e as turbinas de Kaplan requerem uma baixa cabeça de água, mas uma grande taxa de fluxo. As turbinas de Pelton geralmente constroem em regiões montanhosas, enquanto as turbinas de Kaplan estão localizadas em terras baixas. Estas restrições tornam estas duas turbinas menos comuns do que a turbina Francis.
A turbina de Francisco preenche um grande fosso entre Pelton e Kaplan e é amplamente utilizada. Funcionam em cabeças de água de 10 a 600 metros e são principalmente utilizados para a geração de energia elétrica. Sua potência de saída pode ser calculada a partir da cabeça de água e taxa de fluxo e normalmente variam de 10 a mais de 700 megawatts. Uma das vantagens distintas da turbina Francis em relação a outras turbinas de água é que elas também podem ser usadas como bomba de água. Isto torna-os ideais para sistemas de armazenamento bombeados.
Esta animação mostra a operação de uma turbina Francis em uma barragem. As setas mostram o caminho e direção da água dentro da barragem. A água do reservatório atrás da barragem é transferida para a turbina por um penstock. O diâmetro de penstock de uma turbina Francis poderia ser tão grande como 10 metros. A água proveniente do penstock é transferida para o rolo de entrada, que distribui a água igualmente em torno dos portões do mercado. A água passa através das portas do mercado, que controla a quantidade de água que passa pela turbina, antes de chegar ao corredor. Isto controla, de facto, a potência de saída da barragem. As portas de wicket também ajustam o ângulo da água que chega à calha.
Depois de passar pelas portas do wicket, a água chega ao corredor. A pressão da água força a rotação da calha. A velocidade de rotação do corredor pode estar entre 80 e 1000 rotações por minuto. A água continua o seu movimento para baixo sob a calha até ao tubo de saída. O tubo de saída descarrega a água para o ambiente como água a baixa pressão.
O eixo da turbina das turbinas Francis é quase sempre montado verticalmente. Isto facilita muito a descarga da água devido ao efeito de agitação da água no rolo de entrada e ao efeito da gravidade.
O movimento rotacional da calha é transferido para um gerador elétrico apresentado. A eletricidade gerada é convertida numa corrente de alta tensão e transferida para a rede a ser consumida.
Uma grande vantagem das turbinas de água é que a potência de saída pode ser regulada muito facilmente. Se a demanda for reduzida, a quantidade de água que flui para a turbina pode ser reduzida em um período relativamente curto de tempo.
Francis turbinas podem ser projetadas para uma ampla gama de cabeças e fluxos. Isto, juntamente com a sua elevada eficiência, tornou-os na turbina mais utilizada do mundo. As unidades do tipo Francis abrangem uma gama de cabeças de 40 a 600 m (130 a 2,000 pés) e a potência de saída do gerador ligado varia entre apenas alguns quilowatts e até 800 MW. As turbinas Francis de grandes dimensões foram concebidas individualmente para que cada local funcione com o fornecimento de água e a cabeça de água com a maior eficiência possível, normalmente acima dos 90%.
Em contraste com a turbina de Pelton, a turbina de Francisco opera no seu melhor completamente cheia de água em todos os momentos. A turbina e o canal de saída podem ser colocados abaixo do nível do lago ou do mar, reduzindo a tendência de cavitação.
Além da produção eléctrica, podem também ser utilizados para a armazenagem bombeada, onde um reservatório é enchido pela turbina (que actua como uma bomba) accionada pelo gerador, que actua como um motor eléctrico de grandes dimensões durante períodos de baixa necessidade de energia, e então reverteu e usou-se gerar a energia durante a demanda do pico. Esses reservatórios de armazenagem de bombas atuam como grandes fontes de armazenagem de energia para armazenar energia elétrica excessiva na forma de água em reservatórios elevados. Esse é um dos poucos métodos que permitem armazenar capacidade elétrica excessiva temporária para utilização posterior.
Uma turbina Francis é composta pelas seguintes partes principais:
Tubo de tração: O tubo de tração é um conduíte que conecta a saída da calha à pista traseira onde a água é descarregada da turbina. A sua principal função é reduzir a velocidade da água descarregada para minimizar a perda de energia cinética na saída. Isto permite que a turbina seja colocada acima da água da cauda sem gota apreciável da cabeça disponível.
Palhetas de guia e de suporte: A principal função das palhetas de guia e de suporte é converter a energia de pressão do fluido na energia de impulso. Também serve para direcionar o fluxo em ângulos de design para as lâminas de calha.
Lâminas de corredor: As lâminas de corredor são o coração de qualquer turbina. Estes são os centros onde o fluido bate e a força tangencial do impacto faz com que o eixo da turbina gire, produzindo torque. É necessária uma atenção especial no design dos ângulos da lâmina na entrada e na saída, uma vez que estes são parâmetros principais que afetam a produção de energia.
Caixa em espiral: A caixa em espiral à volta da calha da turbina é conhecida como caixa de voluta ou caixa de espiral. Ao longo de todo o seu comprimento, tem inúmeras aberturas em intervalos regulares para permitir que o fluido de trabalho se impossibilite nas lâminas da calha. Estas aberturas convertem a energia de pressão do fluido em energia de impulso imediatamente antes que o fluido entre em força nas lâminas. Isto mantém uma velocidade constante apesar de terem sido previstas inúmeras aberturas para o fluido entrar nas lâminas, à medida que a área transversal deste alojamento diminui uniformemente ao longo da circunferência.
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