Турбина Фрэнсис представляет собой тип гидротурбины , который был разработан James B. Francis в Лоуэлл, штат Массачусетс . [1] Это реакционная турбина с внутренним потоком , сочетающая в себе концепции радиального и осевого потока.
Турбины Фрэнсиса - самые распространенные гидротурбины, используемые сегодня. «Конструкция Фрэнсиса использовалась с высотой напора от 3 до 600 м, но обеспечивает максимальную производительность от 100 до 300 м» [2] и используется в основном для производства электроэнергии. Эти электрические генераторы , которые чаще всего используют этот тип турбины имеют выходную мощность , которая обычно находится в диапазоне от нескольких киловатт до 1000 МВт, хотя мини-гидра установка может быть ниже. Диаметр затвора (входных труб) составляет от 1 до 10 м. Диапазоны частоты вращения различных турбоагрегатов от 70 до 1000 об / мин. Калитка снаружи турбиныВращающийся бегунок контролирует скорость потока воды через турбину для различных показателей выработки электроэнергии. Турбины Фрэнсиса обычно устанавливаются с вертикальным валом, чтобы изолировать воду от генератора. Это также облегчает установку и обслуживание. [ необходима цитата ]
Развитие [ править ]
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 водяных колес и конкурировать с паровыми двигателями везде, где была доступна гидроэнергия. После того, как в конце 1800-х годов были разработаны электрические генераторы , турбины были естественным источником энергии генератора там, где существовали потенциальные источники гидроэнергии.
В 1826 году Бенуа Фурнейрон разработал высокоэффективную (80%) водяную турбину с выходным потоком. 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. Хауд получил патент США в 1838 г. на подобную 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 , 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 ).
Компоненты [ править ]
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, так как площадь поперечного сечения этого кожуха равномерно уменьшается по окружности.
Направляющие и упорные лопатки : 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.
Рабочие лопасти : рабочие лопатки - 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.
Вытяжная труба : Вытяжная труба - это канал, который соединяет выход рабочего колеса с хвостовой частью, где 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 работы [ править ]
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 отбирается спиральным корпусом турбины. На выходе вода воздействует на вращающиеся чашеобразные бегунки, покидая их с низкой скоростью и слабым завихрением, при этом остается очень мало кинетической или потенциальной энергии . 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 клинка [ править ]
Обычно скорость потока (скорость, перпендикулярная тангенциальному направлению) остается постоянной на всем протяжении, то есть V f1 = V f2 и равна скорости на входе в отсасывающую 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,
и
Следовательно
Потери кинетической энергии на единицу массы становится V f2 2 /2 .
Следовательно, если пренебречь трением, эффективность лопасти становится
т.е.
Степень реакции [ править ]
В этом разделе не процитировать любые источники . Март 2018 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) ( |
Степень реакции может быть определена как отношение изменения энергии давления в лопастях к общему изменению энергии жидкости. [3] 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 задана равной 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 справедливо, поскольку в турбине Фрэнсиса разряд является радиальным. Теперь, введя значение 'e' сверху и используя (as )
Заявление [ править ]
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% [4] ).
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 .
В дополнение к производству 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 реверсивным и используется для выработки электроэнергии 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.
См. Также [ править ]
Викискладе есть медиафайлы по теме турбины Фрэнсиса . |
- 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 [ править ]
- ^ История Лоуэлла
- ^ Пол Бриз, Технологии производства электроэнергии (третье издание), 2019
- ^ Bansal, RK (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 [ править ]
- 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 ]