Турбина Фрэнсис представляет собой тип воды турбины . Это реактивная турбина с обратным потоком , сочетающая в себе концепции радиального и осевого потока . Турбины Фрэнсиса являются наиболее распространенными водяными турбинами, которые используются сегодня, и могут достигать КПД более 95%. [1]
Процесс создания современной конструкции бегунка Фрэнсиса длился с 1848 по примерно 1920 год. [1] Она стала известна как турбина Фрэнсиса примерно в 1920 году, названная в честь британско-американского инженера Джеймса Б. Фрэнсиса, который в 1848 году создал новую конструкцию турбины. [1]
Турбины Фрэнсиса в основном используются для производства электроэнергии. Выходная мощность электрогенераторов обычно составляет от нескольких киловатт до 1000 МВт, хотя мини-гидроустановки могут быть ниже. Наилучшая производительность наблюдается при высоте головы от 100 до 300 метров (330–980 футов). [2] Диаметр затвора (входных труб) составляет от 1 до 10 м (от 3,3 до 32,8 футов). Диапазоны частоты вращения различных турбоагрегатов от 70 до 1000 об / мин . Калитка вокруг внешней стороны турбины вращающегося бегуна контролирует скорость потока воды через турбин для различных скоростей производства электроэнергии. Турбины Фрэнсиса обычно устанавливаются с вертикальным валом, чтобы изолировать воду от генератора. Это также облегчает установку и обслуживание. [ необходима цитата ]
Разработка
Водяные колеса разных типов использовались более 1000 лет для питания мельниц всех типов, но были относительно неэффективными. Повышение эффективности водяных турбин в девятнадцатом веке позволило им заменить почти все приложения водяного колеса и конкурировать с паровыми двигателями везде, где была доступна гидроэнергия. После того, как в конце 1800-х годов были разработаны электрические генераторы , турбины стали естественным источником энергии генератора там, где существовали потенциальные источники гидроэнергии.
В 1826 году Бенуа Фурнейрон разработал высокоэффективную (80%) водяную турбину с направленным наружным потоком. Вода проходила 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. Хауд получил патент США в 1838 г. на похожую конструкцию.
В 1848 году Джеймс Б. Фрэнсис , работая главным инженером компании Locks and Canals на текстильной фабрике с водяным колесом в городе Лоуэлл, штат Массачусетс , [3] усовершенствовал эти конструкции, чтобы создать более эффективные турбины. 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 участке ( напор ).
Составные части
Турбина Фрэнсиса состоит из следующих основных частей:
Спиральный кожух : Спиральный кожух вокруг рабочего колеса турбины известен как спиральный кожух или спиральный кожух . 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, поскольку площадь поперечного сечения этого кожуха равномерно уменьшается по окружности.
Направляющие и стопорные лопатки : основная функция направляющих и стопорных лопаток - преобразовывать энергию давления жидкости в кинетическую энергию. Он также служит для направления потока под расчетным углом к лопастям рабочего колеса.
Рабочие лопасти : рабочие лопатки - это сердце любой турбины. Это центры ударов жидкости, и тангенциальная сила удара заставляет вал турбины вращаться, создавая крутящий момент. Необходимо пристальное внимание к конструкции углов лопастей на входе и выходе, так как это основные параметры, влияющие на выработку электроэнергии.
Вытяжная труба : Дыхательная труба - это 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
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 текучей средой из-за изменений давления, происходящих в лопатках турбины, что количественно выражается выражением степени реакции , в то время как оставшаяся часть энергии извлекается спиральным корпусом турбины. На выходе вода воздействует на вращающиеся чашеобразные бегунки, покидая их с низкой скоростью и слабым завихрением, оставляя очень мало кинетической или потенциальной энергии . Форма выходной трубы турбины позволяет замедлить поток воды и восстановить давление.
Эффективность лезвия
Обычно скорость потока (скорость, перпендикулярная тангенциальному направлению) остается постоянной на всем протяжении, т.е. V f1 = V f2 и равна скорости на входе в вытяжную трубу. Используя уравнение турбины Эйлера, E / m = e = V w1 U 1 , где e - энергия, передаваемая ротору на единицу массы жидкости. Из треугольника скоростей на входе,
а также
Следовательно
Потери кинетической энергии на единицу массы становится V f2 2 /2 .
Таким образом, если пренебречь трением, КПД лопасти становится равным
т.е.
Степень реакции
Степень реакции может быть определена как отношение изменения энергии давления в лопастях к общему изменению энергии жидкости. [4] Это означает, что это отношение, указывающее долю общего изменения энергии давления жидкости, происходящего в лопатках турбины. Остальные изменения происходят в лопатках статора турбин и спиральном корпусе, поскольку он имеет различную 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 изменение энергии из-за лопастей ротора равно нулю, что приводит к другой конструкции турбины, называемой турбиной Пелтона .
Второе равенство выше сохраняется, поскольку в турбине Фрэнсиса разряд является радиальным. Теперь, введя значение 'e' сверху и используя (в виде )
Заявление
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 1000 МВт. Большие турбины Фрэнсиса проектируются индивидуально для каждого объекта для работы с заданным расходом воды и напором воды с максимально возможным КПД, обычно более 90% (до 99% [5] ).
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 кавитации .
Помимо производства электроэнергии , они также могут использоваться для гидроаккумулирования , когда резервуар заполняется турбиной (действующей как насос), приводимой в действие генератором, действующим как большой электродвигатель в периоды низкого энергопотребления, а затем реверсируется и используется для выработки электроэнергии во время пиковой нагрузки. Эти резервуары-накопители 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.
Цитаты
- ^ а б в Льюис, Б.Дж.; Cimbala, JM; Вуден, AM (01.03.2014). «Основные исторические разработки в конструкции водяных колес и гидротурбин Фрэнсиса» . Серия конференций IOP: Наука о Земле и окружающей среде . 22 (1): 012020. DOI : 10,1088 / 1755-1315 / 22/1/012020 . ISSN 1755-1315 . Эта статья включает текст из этого источника, доступного по лицензии CC BY 3.0 .
- ↑ Пол Бриз, Технологии производства электроэнергии (третье издание), 2019 г.
- ^ «Заметки Лоуэлла - Джеймс Б. Фрэнсис» (PDF) . Служба национальных парков .
- ^ Бансал, РК (2010). Учебник гидромеханики и гидравлических машин (перераб. Девятое изд.). Индия: публикации Лакшми. С. 880–883.
- ^ Л. Суо, ... Х. Се, в Comprehensive Renewable Energy, 2012
Общая 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. OCLC 1073565482 .
- С.М. Яхья, страница № 13, рис. 1.14. [ требуется полная ссылка ]