Турбина Фрэнсиса - Francis turbine

Вид сбоку вертикальной турбины Фрэнсиса. Здесь вода поступает горизонтально в трубку спиральной формы (спиральный кожух), обернутую вокруг внешней стороны вращающейся турбины. бегун и выходит вертикально вниз через центр турбины.

В Турбина Фрэнсиса это тип водяная турбина это было разработано Джеймс Б. Фрэнсис в Лоуэлл, Массачусетс.^[1] Это приток реакционная турбина который сочетает в себе концепции радиального и осевого потока.

Турбины Фрэнсиса - самые распространенные гидротурбины, используемые сегодня. Они работают в напор воды от 40 до 600 м (от 130 до 2000 футов) и используются в основном для производства электроэнергии. В электрические генераторы которые чаще всего используют этот тип турбины, имеют выходную мощность, которая обычно колеблется от нескольких киловатт до 800 МВт, хотя мини-гидро установки могут быть ниже. Penstock (входные трубы) диаметры от 3 до 33 футов (от 0,91 до 10 м). Диапазон частоты вращения турбины от 75 до 1000 об / мин. Калитка вокруг турбина Вращающийся бегунок контролирует скорость потока воды через турбину для различных показателей выработки электроэнергии. Турбины Фрэнсиса почти всегда устанавливаются с вертикальным валом, чтобы изолировать воду от генератора. Это также облегчает установку и обслуживание.^{[нужна цитата ]}

Разработка

Детали турбины Фрэнсиса

Pawtucket Gatehouse в Лоуэлле, Массачусетс; место первой турбины Фрэнсиса

Фрэнсис Бегун, Плотина Гранд-Кули

Водяные колеса различных типов использовались более 1000 лет на мельницах всех типов, но были относительно неэффективными. Повышение эффективности девятнадцатого века водяные турбины позволили им заменить почти все приложения водяного колеса и составить конкуренцию Паровые двигатели везде, где есть вода. После электрические генераторы были разработаны в конце 1800-х годов, турбины были естественным источником энергии генератора там, где существовали потенциальные источники гидроэнергии.

В 1826 г. Бенуа Фурнейрон разработала вытяжную водяную турбину с высоким КПД (80%). Вода направлялась по касательной через бегунок турбины, заставляя ее вращаться. Жан-Виктор Понселе примерно в 1820 году разработал турбину с внутренним потоком, в которой использовались те же принципы. С. Б. Хоуд получил патент США в 1838 г. на похожую конструкцию.

В 1848 г. Джеймс Б. Фрэнсис, работая главным инженером Компания "Замки и каналы" на водяном колесе текстиль завод города Лоуэлл, Массачусетс, улучшили эти конструкции для создания более эффективных турбин. Он применил научные принципы и методы испытаний для создания очень эффективной конструкции турбины. Что еще более важно, его математические и графические методы расчета улучшили конструкцию и конструкцию турбины. Его аналитические методы позволили разработать высокоэффективные турбины, точно соответствующие расходу воды и давлению на площадке (напор воды ).

Составные части

Турбина Фрэнсиса состоит из следующих основных частей:

Спиральный кожух: Спиральный кожух вокруг рабочего колеса турбины известен как спиральный корпус или чехол для прокрутки. По всей длине он имеет множество отверстий, расположенных через равные промежутки времени, чтобы рабочая жидкость могла попадать на лопасти рабочего колеса. Эти отверстия преобразуют энергию давления жидкости в кинетическую энергию непосредственно перед тем, как жидкость столкнется с лопастями. Это поддерживает постоянную скорость, несмотря на то, что для жидкости было предусмотрено множество отверстий для входа в лопасти, так как площадь поперечного сечения этого кожуха равномерно уменьшается по окружности.

Направляющая и стопорная лопатка: Основная функция направляющих и упорных лопаток - преобразовывать энергию давления жидкости в кинетическую энергию. Он также служит для направления потока под расчетным углом к ​​лопастям рабочего колеса.

Лезвия бегунов: Рабочие лопасти - это сердце любой турбины. Это центры ударов жидкости и касательная сила удара заставляет вал турбины вращаться, создавая крутящий момент. Необходимо пристальное внимание к конструкции углов лопастей на входе и выходе, поскольку это основные параметры, влияющие на выработку энергии.

Вытяжной трубы: Всасывающая труба представляет собой канал, соединяющий выход рабочего колеса с хвостовой частью, через которую вода выходит из турбины. Его основная функция - уменьшить скорость сбрасываемой воды, чтобы минимизировать потерю кинетической энергии на выходе. Это позволяет устанавливать турбину над хвостовой водой без заметного падения доступного напора.

Теория Операции

Плотина Три ущелья Бегун турбины Фрэнсиса

Турбина Фрэнсиса - это тип реактивной турбины, категория турбин, в которой рабочее тело поступает в турбину под огромным давлением, а энергия отбирается лопатками турбины из рабочего тела. Часть энергии отдается жидкостью из-за изменений давления, происходящих в лопатках турбины, что количественно выражается выражением степень реакции, а остальная часть энергии отбирается спиральным корпусом турбины. На выходе вода воздействует на вращающиеся чашеобразные бегунки, покидая их с низкой скоростью и небольшим завихрением с очень небольшим кинетический или же потенциальная энергия оставили. Форма выходной трубы турбины помогает замедлить поток воды и восстановить давление.

• 

  Турбина Фрэнсиса (внешний вид), прикрепленная к генератору

• 

  Вид в разрезе, с калиткой (желтой) при минимальной настройке расхода

• 

  Вид в разрезе, с калиткой (желтая) при настройке полного потока

Эффективность лезвия

Диаграмма идеальной скорости, показывающая, что в идеальных случаях вихревой компонент скорости на выходе равен нулю, а поток является полностью осевым.

Обычно скорость потока (скорость, перпендикулярная тангенциальному направлению) остается постоянной на всем протяжении, т.е. V_f1=V_f2 и такой же, как на входе в вытяжную трубу. Используя уравнение турбины Эйлера,E/м=е=V_w1U₁, куда е - передача энергии ротору на единицу массы жидкости. Из треугольника скоростей на входе,

${\displaystyle V_{w1}=V_{f1}\cot \alpha _{1}}$

и

${\displaystyle U_{1}=V_{f1}(\cot \alpha _{1}+\cot \beta _{1}),}$

Следовательно

${\displaystyle e=V_{f1}^{2}\cot \alpha _{1}(\cot \alpha _{1}+\cot \beta _{1}).}$

Потеря кинетической энергии на единицу массы становится V_f2²/2.

Следовательно, если пренебречь трением, эффективность лопасти становится

${\displaystyle \eta _{b}={e \over (e+V_{f2}^{2}/2)},}$

т.е.

${\displaystyle \eta _{b}={\frac {2V_{f1}^{2}(\cot \alpha _{1}(\cot \alpha _{1}+\cot \beta _{1}))}{V_{f2}^{2}+2V_{f1}^{2}(\cot \alpha _{1}(\cot \alpha _{1}+\cot \beta _{1}))}}\,.}$

Степень реакции

Диаграмма фактических скоростей, показывающая, что вихревой компонент скорости на выходе отличен от нуля

Степень реакции может быть определена как отношение изменения энергии давления в лопастях к общему изменению энергии жидкости.^[2] Это означает, что это отношение, показывающее долю общего изменения энергии давления жидкости, происходящего в лопатках турбины. Остальные изменения происходят в лопатках статора турбин и спиральном корпусе, поскольку он имеет разную площадь поперечного сечения. Например, если степень реакции равна 50%, это означает, что половина общего изменения энергии жидкости происходит в лопастях ротора, а другая половина - в лопатках статора. Если степень реакции равна нулю, это означает, что изменения энергии из-за лопаток ротора равны нулю, что приводит к другой конструкции турбины, называемой Pelton Turbine.

${\displaystyle R=1-{\frac {V_{1}^{2}-V_{2}^{2}}{2e}}=1-{\frac {V_{1}^{2}-V_{f2}^{2}}{2e}}}$

Второе равенство выше справедливо, поскольку в турбине Фрэнсиса разряд является радиальным. Теперь, введя значение 'e' сверху и используя ${\displaystyle V_{1}^{2}-V_{f2}^{2}=V_{f1}^{2}\cot \alpha _{2}}$ (в качестве ${\displaystyle V_{f2}=V_{f1}}$)

${\displaystyle R=1-{\frac {\cot \alpha _{1}}{2(\cot \alpha _{1}+\cot \beta _{1})}}}$

Заявление

Свиток Фрэнсиса, Плотина Гранд-Кули

Маленькая турбина Фрэнсиса швейцарского производства

Турбины Фрэнсиса могут быть рассчитаны на широкий диапазон напоров и расходов. Эта универсальность, наряду с их высоким КПД, сделала их самыми широко используемыми турбинами в мире. Блоки типа Francis покрывают диапазон напора от 40 до 600 м (от 130 до 2000 футов), а выходная мощность подключенного генератора варьируется от нескольких киловатт до 800 МВт. Большие турбины Фрэнсиса проектируются индивидуально для каждого объекта для работы с заданным водоснабжением и напор воды при максимально возможном КПД, обычно более 90%.

В отличие от турбины Пелтона, турбина Фрэнсиса в лучшем случае всегда полностью заполнена водой. Турбина и выпускной канал могут быть размещены ниже уровня озера или моря снаружи, что снижает тенденцию к кавитация.

В добавление к электрическое производство, их также можно использовать для гидроаккумулятор, где резервуар заполняется турбиной (действующей как насос), приводимой в действие генератором, действующим как большой электродвигатель в периоды низкого потребления энергии, а затем реверсивным и используемым для выработки энергии во время пиковой нагрузки. Эти водохранилища с насосами действуют как большие источники хранения энергии для хранения «избыточной» электроэнергии в виде воды в приподнятых резервуарах. Это один из немногих методов, позволяющих сохранять временную избыточную электрическую мощность для дальнейшего использования.

Смотрите также

• Вытяжной трубы
• Эволюция от турбины Фрэнсиса к турбине Каплана
• Гидроэнергетика
• Турбина Jonval
• Турбина каплана
• Колесо Пелтона
• Сенсорная рыба, устройство, используемое для изучения воздействия рыбы, проходящей через турбины Фрэнсиса и Каплана.

Рекомендации

1. История Лоуэлла
2. Бансал, РК (2010). Учебник гидромеханики и гидравлических машин. (Пересмотренное девятое изд.). Индия: публикации Лакшми. С. 880–883.

Библиография

• Лейтон, Эдвин Т. «От практических правил до научной инженерии: Джеймс Б. Фрэнсис и изобретение турбины Фрэнсиса», Серия монографий NLA. Стоуни Брук, штат Нью-Йорк: Исследовательский фонд Государственного университета Нью-Йорка, 1992.
• С.М. Яхья, страница номер 13, рис 1.14