A turbina Francis se consolidou como uma das tecnologias mais aplicadas em hidrelétricas, justamente por oferecer alto desempenho em uma ampla faixa de operação.

Neste artigo, entenda como essa turbina funciona e por que, em muitos projetos de PCHs e CGHs, ela é uma ótima escolha. Boa leitura!

O que é a turbina Francis?

Este é um tipo de turbina hidráulica de reação que opera com escoamento misto: radial na entrada e axial na saída.

Essa configuração permite eficácia na conversão da energia hidráulica em energia mecânica. Assim, combinando pressão e velocidade do fluido.

No conjunto de soluções aplicadas em UHEs, ela se posiciona como uma alternativa altamente versátil, especialmente em condições intermediárias de operação.

Do ponto de vista técnico, suas principais características incluem:

• Faixa de queda típica entre aproximadamente 45 e 400 metros;
• Operação com vazões intermediárias (10 a 700 m³/s);
• Escoamento misto (radial + axial);
• Alto rendimento hidráulico;
• Rotor totalmente imerso, operando sob pressão;
• Controle de vazão por meio de distribuidor com pás móveis;
• Eficiência aproximada de 90%.

Essa combinação permite que a Francis atue em uma zona onde outras turbinas tendem a perder eficiência ou exigem soluções complexas.

Leia também: O que é uma UHE (Usina Hidrelétrica)? 

Turbina Francis na prática: do fluxo à geração de energia

Esse é um tipo de turbina que garante alto rendimento independente da época do ano (períodos secos ou de grande volume de chuva).

Isso acontece porque o desempenho da Francis depende diretamente da forma como o escoamento é conduzido ao longo do sistema hidráulico.

A imagem abaixo apresenta os principais componentes da turbina Francis. Entender o papel de cada um deles é essencial para compreender seu desempenho na operação.

O fluxo de água é conduzido inicialmente pela caixa espiral (ou caracol), responsável por distribuir o escoamento de forma uniforme ao redor do conjunto interno da turbina.

Em seguida, a água passa pelo distribuidor, que conta com um conjunto de pás móveis integradas.

Elas são responsáveis por controlar a vazão e direcionar o fluxo de forma adequada para o rotor, ajustando a operação conforme as condições do sistema.

A geometria e o posicionamento dessas pás maximizam a transferência de energia, reduzindo perdas hidráulicas e garantindo estabilidade operacional.

Ao atingir o rotor, ocorre a conversão da energia hidráulica em energia mecânica, gerando o movimento rotacional que será transmitido pelo eixo ao gerador.

Esse conjunto de componentes, trabalhando de forma integrada, permite à turbina Francis manter alto desempenho e eficiência ao longo da operação.

Alto desempenho da turbina Francis em diferentes cenários

A principal vantagem da turbina Francis está na capacidade de manter eficiência elevada mesmo fora das condições ideais de operação.

Em projetos reais, variações de carga e de regime hidráulico são inevitáveis. Nesse contexto, o comportamento da Francis se mantém estável, com menor sensibilidade a oscilações quando comparada a outras soluções.

Além disso, sua construção robusta contribui para:

• Maior durabilidade;
• Menor incidência de falhas;
• Alta disponibilidade.

Outro ponto relevante é a flexibilidade de projeto. A possibilidade de ajustes na geometria e nos parâmetros hidráulicos permite:

• Adaptar a turbina às características específicas;
• Otimizar o aproveitamento energético.

Consequentemente, apresenta melhor desempenho em cenários com quedas hidráulicas intermediárias e vazões moderadas. Essa combinação é bastante comum em PCHs e CGHs.

A turbina oferece equilíbrio entre eficiência, complexidade operacional e custo de implantação.

Isso aumenta a previsibilidade ao longo do tempo, reduzindo riscos associados a variações hidrológicas e operacionais.

Logo, o valor da turbina Francis está relacionado ao seu desempenho consistente e ao impacto positivo no resultado global do empreendimento:

• Alta eficiência ao longo da vida útil, contribuindo para a maximização da geração de energia;
• Robustez construtiva, reduzindo a necessidade de intervenções e aumentando a disponibilidade operacional;
• Equilíbrio entre desempenho e complexidade, permitindo boas soluções sem exigir sistemas excessivamente sofisticados;
• Otimização do custo, com impacto positivo tanto no CAPEX quanto no OPEX.

Veja também: Modernização de usinas hidrelétricas: eficiência e valorização de ativos

Aplicações da Turbina Francis: transformando engenharia em resultado

A aplicação prática é o que valida qualquer solução tecnológica.

A Hidroenergia possui experiência consolidada em projetos com turbinas Francis. Afinal, atua em diferentes faixas de queda e vazão, com opções adaptadas às características de cada empreendimento.

São mais de 200 projetos entregues e presença em diversos empreendimentos. Logo, temos uma abordagem técnica integrada, considerando desde os estudos hidráulicos até a entrega de sistemas completos para geração de energia.

Entre os casos aplicados, destacam-se:

• CGH Pindaíba, com duas unidades de 1,50 MW, vazão de 3,84 m³/s e queda líquida de 45,20 metros;
• CGH Despraiado, com duas unidades de 2,00 MW, vazão de 6,44 m³/s e queda de 35,10 metros;
• CGH Camanducaia, com duas unidades de 1,35 MW, vazão de 2,76 m³/s e queda de 54,56 metros.

Além disso, empreendimentos como as CGHs Marrequinha e Sete Voltas evidenciam a atuação da Hidroenergia no fornecimento de projetos completos, integrando turbinas, geração e sistemas auxiliares.

Tenha a Hidroenergia no seu próximo projeto

Se você está avaliando a aplicação de uma turbina Francis, o próximo passo é transformar parâmetros técnicos em uma solução otimizada para o seu projeto.

Fale com os especialistas da Hidroenergia e aumente a eficiência com a modernização da sua usina.

FAQ: dúvidas comuns sobre turbina Francis

Quando a turbina Francis é indicada?

Ela é indicada principalmente em usinas com quedas intermediárias (45 a 400 m) e vazões moderadas (10 a 700 m³/s), cenário comum em PCHs e CGHs.

Por que a turbina Francis recebe esse nome?

A turbina recebe este nome em homenagem ao seu criador: James Bicheno Francis.

Este engenheiro hidráulico britânico-americano criou este dispositivo em 1847, inspirado na turbina patenteada por Samuel Dowd nove anos antes.

Francis aprimorou o modelo e assim nascia a Turbina Francis ou sistema de fluxo misto.

Qual é a eficiência da turbina Francis?

Quando corretamente dimensionada, pode atingir níveis superiores a 90% em condições ideais.

Mais importante do que o valor máximo é sua capacidade de manter desempenho consistente mesmo com variações operacionais.