Descripcion Turbinas Francis

7/22/2019 Descripcion Turbinas Francis

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PrologoI. Turbinas

I.1.Turbinas hidrulicas

I.2.Turbinas Francis

I.3.Caractersticas

I.4.Componentes

I.4.1.Caja espiral

I.4.2.Distribuidor

I.4.3.Rodete

I.4.4.Difusor

II. Principio de funcionamiento de las turbinas Francis.

III. Partes complementarias de la turbinaIV. Plano

V. Conclusin

VI. Bibliografa


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Prologo

En la actualidad, los motores hidrulicos que se utilizan exclusivamente en centraleselctricas, son las denominadas turbinas hidrulicas, cuyo principio de funcionamiento es elmismo que el de las ruedas hidrulicas, la energa de movimiento del agua se transforma en

el movimiento de giro de un eje.

En el diseo de turbomquinas es necesaria la utilizacin conjunta de teora yexperimentacin. El anlisis dimensional permite reducir el nmero de experimentosnecesarios para conseguir un buen diseo de una mquina de determinado tamao yvelocidad; mediante la semejanza fsica es posible adaptar estos resultados a otras velocidadesde giro, o a mquinas geomtricamente semejantes pero de tamaos diferentes.

En todos los procesos es necesario controlar y mantener constantes algunas magnitudes,como la presin, caudal, nivel, temperatura, velocidad, vibracin. Los instrumentos demedicin y control permiten el mantenimiento y la regulacin de estas constantes en mejores

condiciones que las que un operador podra realizar.

TurbinasTurbinas hidrulicas

Una turbina es una mquina motriz que consiste de una parte giratoria llamada rodete, quese impulsa por un fluido en movimiento. Dependiendo de la naturaleza de este fluido, lasturbinas se pueden dividir en: hidrulicas, a vapor y a gas. La funcin de una planta

hidroelctrica es utilizar la energa potencial del agua almacenada en un lago, a una elevacinms alta y convertirla, primero en energa mecnica y luego en elctrica. Este proceso tomaen consideracin varios factores entre los cuales uno de los ms importantes es la cada deagua (head). Este factor es decisivo al momento de escoger el tipo de turbina hidrulica quese instala en la planta.


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Turbinas Francis

La turbina Francis, como todas las turbinas de reaccin, es de admisin total, el agua entra

por toda la periferia del rodete. En consecuencia, un mismo caudal as repartido requiere un

rodete que puede resultar mucho menor que el de una rueda Pelton equivalente.Este tipo de turbina fue diseada por el ingeniero ingles James B. Francis (1815-1892). Era

una turbina totalmente centrpeta totalmente radial. Podemos observar dos partes, el

distribuidor que es una parte fija a travs de la que se admite el agua en el rodete que es

mvil y solidario al eje.

Caractersticas

Son conocidas como turbinas de sobrepresin por ser variable la presin en las zonas delrodete, o de admisin total ya que ste se encuentra sometido a la influencia directa del agua

en toda su periferia. Tambin se conocen como turbinas radiales-axiales y turbinas dereaccin. Si la cada es intermedia (entre 200 y 800 m), entonces se escoge una turbina dereaccin tipo Francis.

La turbina Francis es un motor hidrulico de reaccin, que se emplea para caudales y alturasmedias. Pueden emplearse en saltos de distintas alturas dentro de una amplia gama decaudales (entre 2 y 200 m3/s aproximadamente). Consideraremos la siguiente clasificacin,en funcin de la velocidad especfica del rodete, cuyo nmero de revoluciones por minutodepende de las caractersticas del salto.

Turbina Francis lenta. Para saltos de gran altura (alrededor de 200 m o ms).

Turbina Francis normal. Indicada en saltos de altura media (entre 200 y 20 m) Turbinas Francis rpidas y extra-rpidas. Apropiadas a saltos de pequea altura

(inferiores a 20 m).


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Componentes

1.Rodete2.Anillo en laberinto (giratorio)3.Junta anular de carbono

4.Contra-anillo en laberinto (fijo)5.Tubo de Pitot6.Cuba de aceite7.Soporte de palier8.Palier de gua9.Orificio compensador10. Eje de turbina11. Pernos de acoplamiento12. Tubo de proteccin13. Eje intermedio

14. Podio de servicio15. Palancas de alabes gua16. Bielas

17. Aro de compuerta del distribuidor18. Anillo gua del aro de compuerta19. Tapa de distribuidor20. Palier superior de alabes gua21. Caja espiral22. Blindaje del distribuidor23. Alabes gua24. Palier inferior del distribuidor25. Fondo inferior del distribuidor26. Tubo de aspiracin


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Cmara Espiral

Est constituida por la unin sucesiva de una serie de virolas tronco-cnicas, cuyos ejes

respectivos forman una espiral. Desde el acoplamiento con la tubera forzada, donde el

dimetro interior de la virola correspondiente alcanza su valor mximo, la seccin interior,

circular en la mayora de los casos, va decreciendo

paulatinamente hasta la virola que realiza el cierre

de la cmara sobre s misma, cuyo dimetro interior

se reduce considerablemente. Esta disposicin se

conoce como el caracol de la turbina, en el que,

debido a su diseo, se consigue que el agua circule

con velocidad aparentemente constante y sin formar

torbellinos, evitndose prdidas de carga.

Distribuidor

El distribuidor propiamente dicho, est formado por un determinado nmero de palas

mviles, cuyo conjunto constituye un anillo que est situado concntricamente y entre las

mismas cotas en altura que el antidistribuidor, descrito al exponer la cmara espiral, siendo,

en definitiva, camino continuado del agua en su recorrido hacia el centro de la turbina.Su funcin es la de distribuir, y regular o

cortar totalmente, el caudal de agua que

fluye hacia el rodete.

Los elementos componentes del distribuidor son:

Palas directrices Equipo de accionamiento Servomotores Anillo de distribucin Bielas
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Palas Directrices

Son las palas mviles a las que anteriormente se haca

referencia. Tambin se las suele llamar labes directrices o

directores. Cada una de ellas, al unsono con las dems,

puede orientarse, dentro de ciertos lmites, al girar su eje

respectivo, pasando de la posicin de cerrado total, cuando

estn solapadas unas palas sobre otras, a la de mxima

apertura que corresponde al desplazamiento extremo,

tendiendo a quedar en direccin radial y manteniendo,

entre s, una convergencia hacia el eje.

Los ejes de las patas, a modo de generatrices del anillo

que compone el distribuidor, estn asentados por su parteinferior en cojinetes situados en una corona circular

denominada escudo inferior, y guiados en su parte

superior por cojinetes dispuestos en la llamada tapa de

turbina, o en otra corona circular, escudo superior.

Dado que cada pala ha de quedar perfectamente centrada

axialmente, entre los escudos, se disponen mecanismos,

de distinta ndole, que permiten regular durante el

montaje la suspensin de la misma; de modo que no

existan rozamientos, ni holguras excesivas que puedan

provocar prdidas de carga.
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Equipo de Accionamiento de Palas Directrices.

Se trata de un conjunto de dispositivos mecnicos, a base

de servomecanismos, palancas y bielas, que constituyen el

equipo de regulacin de la turbina, gobernado por el

regulador de velocidad. Aunque todo lo concerniente con

la regulacin se tratar oportunamente, nos detendremos

a considerar en este apartado ciertos detalles sobre

determinados componentes de dicho equipo, de los cuales

destacan:

Servomotores.

Normalmente son dos, cada uno de los cuales, accionado por

aceite a presin segn rdenes recibidas del regulador,

desplaza una gran biela, en sentido inverso una respecto de la

otra, a modo de brazos de un par de fuerzas, proporcionando

un movimiento de giro alternativo a un aro mvil, llamado

anillo o volante de distribucin, concntrico con el eje de la

turbina.

Anillo de Distribucin.

Con sus movimientos, en sentido de apertura o cierre total o parcial, hace girar a todas y cada

una de las palas directrices, por medio de palancas de unin entre ste y la parte superior de

cada uno de los ejes respectivos de aquellas. El giro conjunto y uniforme de las palas

directrices, permite variar la seccin de paso de agua a travs del distribuidor.

Las palancas mencionadas reciben el nombre de bieletas y bielas, segn el sentido desde el

anillo de distribucin hacia las palas directrices.
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Bielas y Bieletas.

La conexin entre la bieleta

correspondiente, ligada al anillo, y

el eje de la pala directriz

respectiva, se realiza mediante una

biela formada, en ocasiones, por

dos piezas superpuestas

adecuadamente, o disposicin

similar, en cuyo caso, el punto

comn de enlace entre las mismas

puede ser un buln que, adems,

hace la funcin de fusiblemecnico. La unin rgida de cada

bieleta con el eje de la pala

dependiente, se consigue

mediante varias chavetas.

Fusibles Mecnicos.

Se trata del buln colocado en cada juego de bielas, en el que est convenientementemecanizada una entalladura, al objeto de que pueda romper fcilmente y, con ello, dejar sin

control a la pala afectada, en caso de que la misma presione sobre algn cuerpo extrao, que

pudiera ser arrastrado por el agua, con lo que se evitan posibles daos mayores. Dichos

fusibles deben de estar engrasados para facilitar su extraccin en caso de rotura.

Se tiende a sustituir, el conjunto descrito de servomotores, brazos, anillo de distribucin,

bielas, etc., por servomecanismos instalados individualmente para cada una de las palas

directrices, todos ellos gobernados por el regulador de velocidad.
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Tubo de AspiracinConsiste en una conduccin, normalmente acodada, que une la turbina propiamente dichacon el canal de desage. Tiene como misin recuperar al mximo la energa cintica del aguaa la salida del rodete o, dicho de otra forma, aprovechar el salto existente entre la superficielibre del agua y la salida del rodete.

En su inicio, partiendo de la unin circular con la turbina, se trata de un conducto metlicoque, en la mayora de los casos, va aumentando gradualmente de dimetro, tomando formatronco-cnica, tramo conocido como cono de aspiracin. Sobre el mismo se dispone,lateralmente, de una o dos entradas de hombre, opuestas en el segundo caso, a fin de poderrealizar revisiones, trabajos, etc.

Dependiendo de instalaciones, y en el lugar adecuado del desage de cada turbina, seencuentra instalado el dispositivo de obturacin, generalmente a base de vlvulas y/o ataguas,a fin de poder llevar a efecto revisiones en el grupo. El cierre del conducto de desage pormedio de vlvulas, normalmente del tipo de compuerta o mariposa, es caracterstico degrupos que estn expuestos a una posible inundacin, por encontrarse a un nivel inferiorrespecto al del agua en el cauce de salida.
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Eje

El eje de un grupo tiene ciertas peculiaridades cuando se encuentra instalado en posicinvertical. Por medio del eje de turbina, al estar rgidamente unido mediante acoplamiento aleje del alternador, se transmite al rotor de ste el movimiento de rotacin necesario. Ahora

bien, en este tipo de turbinas, es en la zona de eje correspondiente al alternador donde sesuele disponer el medio para soportar todo el peso del conjunto, formado por ejes, rotor,rodete y empuje del agua sobre los labes de este ltimo. Adems del cojinete de empuje, eleje completo del grupo, dispone de hasta tres cojinetes guas. Dos de ellos estn situados enla zona del alternador, y un tercero en la zona de turbina, al cual nos referiremos en breve.

Equipo de Sellado del Eje

Como su nombre indica, est destinado a sellar, en definitiva, a cerrar e impedir el paso deagua que pudiera fluir desde el rodete hacia el exterior de la turbina, por el espacio existenteentre la tapa de la misma y el eje.

En esencia consta de una serie de aros formadospor juntas, bien de carbn, de material sinttico ografitadas, etc., presionadas, sobre un casquillo ocollarn solidario con el eje, por medio de muellesde acero inoxidable o servomecanismosconvenientemente distribuidos alrededor de laperiferia del mismo. Se conoce como junta del eje ojunta de carbones. Segn sean las caractersticasconstructivas de cada turbina, la junta puede estardiseada para trabajar radial o axialmente.

Una serie de aros concntricos, radial o axialmente,alternos entre la parte giratoria y fija, contribuyeneficazmente al cierre hidrulico. Constituyen losdenominados laberintos, que tambin se suelendisponer en zonas de llanta y ncleo del rodete.

Cojinete Gua

Est situado lo ms cerca posible del rodete, sobre la tapa

superior de turbina, inmediatamente por encima del cierreestanco o sellado del eje. Consta de un anillo divididoradialmente en dos mitades o bien de una serie de segmentos,que asientan con perfecto ajuste sobre el eje.
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Las superficies en contacto con ste, estnrecubiertas de metal blanco, antifriccin (aleacin abase de estao, antimonio, cobre, plomo, cadmio,etc., en distintos porcentajes), y suelen tener tallados,vertical o diagonalmente, unos canales sobre lasuperficie de contacto con el eje, para favorecer lacirculacin de aceite y as lograr su autolubricacin.

Al objeto de que no se produzcan temperaturasanormales en la zona de friccin con el eje, el aceite,alojado en una cuba que rodea al cojinete, esrefrigerado convenientemente mediante agua,tomada normalmente de los colectorespertenecientes al sistema general de refrigeracin de los distintos equipos de la central. Elenfriamiento del aceite tambin se logra por medio de aire.

Cojinete de Empuje.Los cojinetes de empuje, especialmente los de grupos grandes, disponen de un sistemalubricacin de aceite a presin, a fin de proporcionar lubricacin desde el instante que elgrupo comienza a girar, con lo que se logra la formacin de una pelcula de aceite quesoporta la carga total, dicha pelcula, de milsimas de milmetro, ha de mantenerse desde elmomento de arranque del grupo hasta la parada total del mismo. Cuando el grupo adquiereuna velocidad predeterminada, aproximadamente el 30% de la normal de funcionamiento, elsistema de aceite a presin queda desconectado, mantenindose la capa de lubricacin comoconsecuencia del bao de aceite que cubre las zonas en contacto. Tipos de cojinetes deempuje:

Cojinete de empuje de zapatas rgidas. Cojinete de empuje de zapatas pivotantes. Cojinete de empuje de resortes. Cojinete de empuje esfrico.

Su situacin, respecto al eje del grupo, vara segn los tipos de turbinas. As, en el caso degrupos accionados por turbinas Pelton o Francis, dicho cojinete suele encontrarse por encimadel rotor del alternador, mientras que, en el caso de turbinas Kaplan, puede estar localizadopor debajo del mismo. En todos ellos, destinados a soportar esfuerzos axiales, destacan dospartes cuyas funciones son comunes. As tenemos, para cada cojinete, la parte giratoria,

totalmente solidaria con el eje del grupo, la cual descansa sobre la parte fija, enclavada enzonas inmviles de la estructura rgida, prximas al eje, como son puentes, etc.
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Aireacin de RodetesPara evitar un posible paso de agua a la zona de ubicacin del alternador, a travs del eje, se

instala, en el extremo superior de ste o en el propio difusor, una vlvula, denominada

vlvula de aireacin. Dicha vlvula, en funcin de la carga solicitada a la mquina, controla

automticamente el paso de aire hasta la parte inferior del rodete, cuando se produce un

fuerte efecto de succin, debido a la velocidad adquirida por el agua en el tubo de aspiracin,

en su camino hacia el canal de desage. En el caso de turbinas de eje horizontal, que

necesitan aireacin, la vlvula para tal fin se sita, generalmente, sobre la parte superior del

codo del tubo de aspiracin.

Principio de FuncionamientoConsiderando los aspectos constructivos de los componentes de las turbinas Francis, se

comprende con facilidad el funcionamiento de las mismas. En la mayora de los casos, la

instalacin de este tipo de turbinas, se realiza en centrales para cuya alimentacin de agua se

requiere la existencia de un embalse. Otra particularidad en la ubicacin de estas turbinas,

radica en que el conjunto esencial de las mismas, es decir, cmara espiraldistribuidor

rodete tubo de aspiracin, se encuentra, generalmente, a un nivel inferior respecto al nivel

alcanzado por el agua en su salida hacia el cauce del ro en direccin aguas abajo.
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Podemos considerar, por lo tanto, la presencia de una columna de agua continua, entre losdistintos niveles de los extremos mencionados, embalse y salida de agua, deduciendo que laturbina est totalmente llena de agua. Segn otras disposiciones de instalacin, especialmenteen saltos de muy poca altura, podramos interpretar que se halla sumergida, tal es el caso de

no disponer de cmara espiral, encontrndose instalado el rodete en el interior de unacmara abierta, normalmente de hormign, enlazada directamente con la zona de toma deagua o embalse.

La energa potencial gravitatoria del agua embalsada, se convierte en energa cintica en surecorrido hacia el distribuidor, donde, a la salida de ste, se dispone de energa en formacintica y de presin, siendo, la velocidad de entrada del agua en el rodete, inferior a la quecorrespondera por altura de salto, debido a los cambios bruscos de direccin en surecorrido.

Centrndonos en la zona del distribuidor, podemos aadir que el agua, a su paso por las

palas fijas de la cmara espiral y las palas directrices del distribuidor, disminuye su presin,adquiriendo velocidad y, en tales condiciones, provoca el giro del rodete, al discurrir a travsde los labes de ste, sobre los cuales acta el resto de la presin existente en las masas deagua dotadas, a su vez, de energa cintica. El tubo de aspiracin produce una depresin enla salida del rodete o, dicho en otros trminos, una succin.

Partes Complementarias de la Turbina

Despiece de Turbina Francis

1 Eje

2 Dispositivo Sobre velocidad

3 Monorriel de Pozo4 Soporte Cojinete de Empuje

5 Servomotor

6 Anillo de Regulacin

7 Cojinete Gua

8 Tapa Superior

9 Distribuidor

10 Pre distribuidor

11 Cmara Espiral12 Anillo Espiral

13 Rodete Francis

14 Cono Rodete Francis

15 Cono Tubo de aspiracin
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Corona Exteriorse encuentra anclada a la carcasa de la turbina, tiene una finalidad doble: conducir el lquido

desde la carcasa hasta la corona de labes mviles, y servir de arriostramiento y elemento de

rigidizacin de dicha carcasa.

Corona de labes MvilesSu misin es guiar el lquido hacia el rodete con la direccin ms adecuada as como regularel caudal de acuerdo con la potencia demandada. Formado por labes fijos, el flujo deentrada es prcticamente radial por lo que se aprovecha el mximo la accin centrifuga, perola descarga por el centro del rodete limita el caudal. Tubo divergente (para recuperar laenerga cintica del rodete) que conduce el lquido hacia un canal o tubera de descarga.Caractersticas Alto rendimiento con ptimo diseo hidrulico

Transductores de Caudal

Son los medidores de caudal para las turbinas, consisten en un rotor que gira al paso delfluido con una velocidad directamente proporcional al caudal. La velocidad del fluido ejerceuna fuerza de arrastre en el rotor, y la diferencia de presiones debida al cambio de rea entreel rotor y el cono posterior ejerce una fuerza igual y opuesta. De esta manera el rotor estequilibrado hidrodinmicamente y gira entre los conos anterior y posterior sin necesidad deutilizar rodamientos axiales evitando as un rozamiento que necesariamente se producira.

Reguladores de Velocidad

Por lo general las turbinas estn provistas de reguladores automticos, los cuales secomponen esencialmente de un rgano sensible a las variaciones de velocidad de la turbina,

el cual pone en movimiento a un servomotor que obliga a girar las paletas directrices deldistribuidor.Actualmente se utilizan los reguladores de presin de aceite, los cuales consisten en unpndulo centrifugo, que mueve en un sentido o en otro una vlvula de distribucin que dirigeel aceite a presin hacia una cara u otra del embolo del servomotor, abriendo o cerrando eldistribuidor de la turbina.El dispositivo de regulacin consiste, en primer lugar de un indicador de velocidad otacmetro (taqumetro) que recibe generalmente el nombre de regulador, y en segundo lugarde un dispositivo que, por la accin del regulador, acta sobre la distribucin del motor y suentrada de combustible. El eje del regulador es movido por medio de engranajes o porcorreas, y gira a una velocidad angular que arrastra en su movimiento las dos masas, engeneral de forma esfrica; cuya distancia al eje es variable, y por efecto de la fuerza centrfugase separan.

Sensor de rgimen de giro: Determina la velocidad de giro de la mquinamediante los impulsos originados por la reflexin de rayos infrarrojos en unabanda incorporada al eje.

Sensor de esfuerzo: Es una galga extensiomtrica que mide la deformacin de unbrazo, causado por un tensor conectado a la cinta.


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Sensores Captadores de Vibracin

Tienen la funcin de tomar las vibraciones totales de la maquina hidrulica, se aplican parael registro peridico de los niveles de vibracin y pueden utilizarse para el balanceo dinmicode los rotores; Estos sensores estn compuestos por filtros, los cuales son dispositivos quedesechan o descartan algunas partes de una seal, para que esta sea ms significativa. Las

seales recogidas por estos instrumentos son elctricas y requieren ser convertidas enseales analgicas y / o digitalizadas para lograr una buena interpretacin.

Sensores de Presin

La presin es una variable fundamental de los procesos y su medicin puede utilizarsedirectamente para controlarlos o para inferir otras mediciones, por ejemplo: nivel, flujo ytemperatura. Los sensores o transductores utilizados se conectan a un transmisor neumticoo electrnico con el fin de emitir una seal de 0.02 a 0.1 MPa. Algunos tipos son:

Sensor de presin diferencial: Posee tomas en ambos lados de la placa orificio,con el fin de medir el caudal de paso. El sensor se conecta a las tomas de la placaorificio mediante conexiones elsticas. Es el mtodo de medicin ms comn,tanto para control como para indicacin.

Sensor de presin: es el encargado de determinar la diferencia de presin aambos lados de la turbina.

Indicadores de Temperatura

El aumento de temperatura est relacionado al aumento de friccin, por lo tanto esimportante en una turbina hidrulica controlar los cambios de temperatura, ya que pueden

indicar el mal funcionamiento de algunas piezas.Para medir la temperatura se utilizan sensores llamados termopares, los cuales son dosalambres de diferentes materiales, unidos para producir una fuerza trmica electromotriz.

Vlvulas

Son un dispositivo mecnico que permite abrir y cerrar, conectar y desconectar, regular,modular o aislar el agua u otros lquidos dentro de la turbina.

Vlvula de Mariposa: es una vlvula de cuarto de vuelta que controla el flujo pormedio de un disco circular, cuyo eje de lumbrera se encuentra en ngulo rectocon respecto a la direccin del flujo. Es utilizada para la regulacin tosca del saltode la turbina.

Vlvula de Flotador: es una vlvula de vueltas mltiples, en la cual el cierre selogra por medio de un disco o macho que sella o evita el paso del fluido sobre unasiento que suele ser paralelo al flujo en la tubera. Es utilizada para regular elnivel dentro de la cpula del tanque de agua inferior, en donde se vara lapresin.


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Conclusin

El estudio de las turbinas Francis ocupa otras reas como la parte elctrica y como laparte mecnica.

Con este estudio se logr consolidar que las turbinas Francis tienen una instalacincompleja pero que es proporcional a su rendimiento.

Para lograr elegir una turbina Francis se debe tener en cuenta la disposicin del aguaes decir su composicin dado que produce desgasto y falla en la operacin.

Cada una de las partes de la turbina juega un papel importante ya sea para mejorar sueficiencia como para asegurar su funcionamiento correcto.

Sin embargo para cuestin de instalacin es ms conveniente una turbina Francis deeje horizontal.

Bibliografa

"Mecnica de Fluidos Incompresibles y Turbomquinas Hidrulicas"www.BYNSA.comhttp://www.colturbinas.com/experiencia1.php http://www.linkedin.com/pub/jos%C3%A9-ismael-pereira-contreras/47/948/830
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Descripcion Turbinas Francis

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