Turbina Francis é a primeira turbina hidráulica com entrada radial. Foi projetado pelo cientista americano James Francis. Este tipo de turbina é uma turbina de reação. Turbinas de reação têm algumas características primárias que os diferenciam de turbina de impulso. A maior parte da queda de pressão ocorre na própria turbina, ao contrário da turbina de impulso onde a queda de pressão completa ocorre até o ponto de entrada e a passagem da turbina é completamente preenchida pelo fluxo de água durante a operação.
Design da turbina Francis
Esta turbina tem uma placa circular fixada ao eixo rotativo perpendicular à sua superfície e passando por seu centro. Esta placa circular tem canais curvos sobre ela; a placa com canais é coletivamente chamada de corredor. O corredor é cercado por um anel de canais estacionários chamados de palhetas de guia. As palhetas estão alojadas em uma caixa espiral chamada de voluta. A saída da turbina Francis está no centro da placa do corredor. Existe um tubo de aspiração ligado à saída central do corredor. Os parâmetros de projeto, como o raio do corredor, a curvatura do canal, o ângulo das palhetas e o tamanho da turbina, dependem da cabeça e do tipo de aplicação disponíveis.
Trabalho das turbinas Francis
As turbinas Francis são geralmente instaladas com o eixo vertical. A água com cabeça alta (pressão) entra na turbina através da carcaça em espiral que envolve as palhetas de guia. A água perde uma parte da sua pressão na voluta (invólucro em espiral) para manter sua velocidade. Em seguida, a água passa pelas palhetas de guia onde é direcionada para atingir as lâminas no corredor em ângulos ótimos. À medida que a água flui através do corredor, sua pressão e momento angular diminuem. Esta redução transmite reação no corredor e a energia é transferida para o eixo da turbina.
Se a turbina estiver operando nas condições de projeto, a água sai do corredor na direção axial. A água sai da turbina através do tubo de descarga, que atua como um difusor e reduz a velocidade de saída do fluxo para recuperar a energia máxima da água corrente.
Geração de energia usando turbina Francis
Para a geração de energia usando a turbina Francis, a turbina é fornecida com água de alta pressão que entra na turbina com entrada radial e deixa a turbina axialmente através do tubo de descarga. A energia do fluxo de água é transferida para o eixo da turbina em forma de torque e rotação. O eixo da turbina é acoplado com dínamos ou alternadores para geração de energia. Para a qualidade, a velocidade de geração da turbina deve ser mantida constante, apesar da mudança de cargas. Para manter a constante velocidade no corredor mesmo em condição de carga reduzida, o caudal da água é reduzido alterando o ângulo das palhetas de guia.