Турбина Фрэнсиса

Тип водяной турбины

Свиток залива Фрэнсиса на плотине Гранд-Кули

Вертикальная турбина Фрэнсиса, вид сбоку в разрезе. Здесь вода поступает горизонтально в спиральную трубу (спиральный корпус), обернутую вокруг вращающегося рабочего колеса турбины, и выходит вертикально вниз через центр турбины.

Турбина Фрэнсиса — это разновидность водяной турбины . Это реактивная турбина с входящим потоком , сочетающая в себе концепции радиального и осевого потока . Турбины Фрэнсиса являются наиболее распространенными водяными турбинами, используемыми сегодня, и их КПД может достигать более 95%. ^[1]

Процесс создания современной конструкции рабочего колеса Фрэнсиса занял период с 1848 по примерно 1920 год. ^[1] Примерно в 1920 году она стала известна как турбина Фрэнсиса и была названа 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 варьируется от нескольких киловатт до 1000 МВт, хотя у мини-гидроустановок она может быть ниже. Наилучшая производительность достигается при высоте головы 100–300 метров (330–980 футов). ^{[2] Диаметр} затвора составляет от 1 до 10 м (от 3,3 до 32,8 футов). Частота вращения различных турбоагрегатов колеблется от 70 до 1000  об/мин . Калитка вокруг вращающегося рабочего колеса турбины снаружи регулирует скорость потока воды через турбину для различных показателей выработки электроэнергии. Турбины Фрэнсиса обычно имеют вертикальный вал, чтобы изолировать воду от генератора. Это также облегчает установку и обслуживание. ^{[ нужна цитата ]}

Разработка

Детали турбины Фрэнсиса

Потакет Гейтхаус в Лоуэлле, Массачусетс; место первой турбины Фрэнсиса

Фрэнсис Раннер, плотина Гранд-Кули

Турбина Фрэнсиса на гидроаккумулирующей электростанции Раккун-Маунтин

Водяные колеса разных типов использовались более 1000 лет для привода в действие мельниц всех типов, но они были относительно неэффективны. Повышение эффективности водяных турбин в девятнадцатом веке позволило им заменить почти все водяные колеса и конкурировать с паровыми двигателями везде, где была доступна энергия воды. После того, как в конце 1800-х годов были разработаны электрические генераторы , турбины стали естественным источником энергии для генераторов там, где существовали потенциальные источники гидроэнергетики.

В 1826 году французский инженер Бенуа Фурнейрон разработал высокоэффективную (80%) водяную турбину с выходящим потоком воздуха. Вода направлялась по касательной через рабочее колесо турбины, заставляя его вращаться. Другой французский инженер Жан-Виктор Понселе примерно в 1820 году сконструировал турбину с приточным потоком, в которой использовались те же принципы. С.Б. Хауд получил в 1838 году патент США на аналогичную 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 проектирование и проектирование турбин. Его аналитические методы позволили спроектировать высокоэффективные турбины, точно соответствующие расходу и давлению воды ( напору воды ) на объекте.

Компоненты

Турбина Фрэнсиса состоит из следующих основных частей:

Спиральный корпус : Спиральный корпус вокруг рабочего колеса турбины известен как спиральный корпус или спиральный корпус. По всей длине он имеет многочисленные отверстия через равные промежутки времени, позволяющие рабочей жидкости попадать на лопасти рабочего колеса. Эти отверстия преобразуют энергию давления жидкости в кинетическую энергию непосредственно перед тем, как жидкость сталкивается с лопастями. При этом поддерживается постоянная скорость, несмотря на то, что для входа жидкости в лопасти предусмотрены многочисленные отверстия, поскольку площадь поперечного сечения этого корпуса равномерно уменьшается по окружности.

Направляющие и опорные лопатки . Основная функция направляющих и опорных лопаток — преобразование энергии давления жидкости в кинетическую энергию. Он также служит для направления потока под расчетными углами к лопастям рабочего колеса.

Рабочие лопатки : Рабочие лопатки — это сердце любой турбины. Это центры, куда попадает жидкость, и касательная сила удара создает крутящий момент, заставляющий вал турбины вращаться. Необходимо уделять пристальное внимание проектированию углов лопаток на входе и выходе, поскольку это основные параметры, влияющие на выработку энергии.

Вытяжная труба : Вытяжная труба представляет собой трубопровод, соединяющий выход рабочего колеса с хвостовой частью, куда вода сбрасывается из турбины. Его основная функция – снизить скорость сбрасываемой воды, чтобы минимизировать потери кинетической энергии на выходе. Это позволяет устанавливать турбину над отводящей водой без заметного падения располагаемого напора.

Теория Операции

Рабочее колесо турбины Фрэнсиса плотины «Три ущелья » на реке Янцзы , Китай.

Турбина Фрэнсиса — это тип реактивной турбины, категория турбин, в которых рабочая жидкость поступает в турбину под огромным давлением, а энергия извлекается лопатками турбины из рабочей жидкости. Часть энергии отдается жидкостью из-за изменений давления, происходящих на лопатках турбины, количественно определяемых выражением степени реакции , тогда как оставшаяся часть энергии извлекается спиральным корпусом турбины. На выходе вода воздействует на вращающиеся чашеобразные направляющие, уходя с низкой скоростью и низким завихрением, оставляя очень мало кинетической или потенциальной энергии . Выходная труба турбины имеет такую ​​форму, которая помогает замедлить поток воды и восстановить давление.

• 
  Турбина Фрэнсиса (вид снаружи), прикрепленная к генератору
• 
  Вид в разрезе: калитка (желтая) при минимальном расходе
• 
  Вид в разрезе: калитка (желтая) в режиме полного потока

Эффективность лезвия

Диаграмма идеальной скорости, показывающая, что в идеальных случаях вихревая составляющая скорости на выходе равна нулю, а поток полностью осевой.

Обычно скорость потока (скорость, перпендикулярная тангенциальному направлению) остается постоянной на всем протяжении, т.е. V _f1 = V _f2 и равна скорости на входе в тяговую трубу. Используя уравнение турбины Эйлера, E / m = e = V _w1 U ₁ , где e — передача энергии ротору на единицу массы жидкости. Из треугольника скоростей на входе

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

и

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

Поэтому

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

Потеря кинетической энергии на единицу массы на выходе составляет V _f2 ² /2 . Поэтому, пренебрегая трением, КПД 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 фактической скорости, показывающая, что вихревая составляющая скорости на выходе не равна нулю.

Степень реакции можно определить как отношение изменения энергии давления в лопастях к полному изменению энергии жидкости. ^[4] Это означает, что это соотношение, указывающее долю общего изменения энергии давления жидкости, происходящего в лопатках турбины. Остальные изменения происходят в статорных лопатках турбин и спиральном корпусе, так как он имеет переменную площадь поперечного сечения. Например, если степень реакции равна 50%, это означает, что половина общего изменения энергии жидкости происходит в лопатках 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 .

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

Второе равенство, приведенное выше, имеет место, поскольку в турбине Фрэнсиса разряд радиальный. Теперь, введя значение «e» сверху и используя (as ) ${\displaystyle V_{1}^{2}-V_{f2}^{2}=V_{f1}^{2}\cot \alpha _{2}}$ ${\displaystyle V_{f2}=V_{f1}}$

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

Приложение

Маленькая турбина Фрэнсиса швейцарского производства

Турбины Фрэнсиса могут быть рассчитаны на широкий диапазон напоров и расходов. Эта универсальность, наряду с высоким КПД, сделала их наиболее широко используемыми турбинами в мире. Установки типа Фрэнсиса охватывают диапазон напоров от 40 до 600 м (от 130 до 2000 футов), а выходная мощность их 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 работает в лучшем случае полностью заполненной водой. Турбина и выпускной канал могут быть расположены ниже уровня озера или моря снаружи, что снижает склонность к кавитации .

Помимо производства электроэнергии , они также могут использоваться для гидроаккумулирования , когда резервуар наполняется 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 насосные резервуары-аккумуляторы действуют как крупные источники хранения энергии для хранения «лишней» электрической энергии в виде воды в надземных резервуарах. Это один из немногих методов, которые позволяют временно сохранять избыточную электрическую мощность для последующего использования.

Смотрите также

• Вытяжной трубы
• Эволюция от турбины Фрэнсиса к турбине Каплана
• Гидроэнергетика
• Жонвальская турбина
• турбина Каплана
• Колесо Пелтона
• Рыба-сенсор — устройство, используемое для изучения воздействия рыбы, проходящей через турбины Фрэнсиса и Каплана.

Цитаты

1. Льюис, Би Джей; Цимбала, Дж. М.; Вуден, AM (01 марта 2014 г.). «Основные исторические события в конструкции водяных колес и гидротурбин Фрэнсиса». Серия конференций IOP: Науки о Земле и окружающей среде . 22 (1): 012020. Бибкод : 2014E&ES...22a2020L. дои : 10.1088/1755-1315/22/1/012020 . ISSN  1755-1315.  В эту статью включен текст из этого источника, доступного по лицензии CC BY 3.0.
2. Пол Бриз, Технологии производства энергии (третье издание), 2019 г.
3. «Заметки Лоуэлла - Джеймс Б. Фрэнсис» (PDF) . Служба национальных парков . Архивировано из оригинала (PDF) 10 марта 2016 г.
4. Бансал, РК (2010). Учебник по механике жидкости и гидравлическим машинам (переработанное девятое изд.). Индия: публикации Лакшми. стр. 880–883.
5. Л. Суо, ... Х. Се, в книге «Комплексная возобновляемая энергия», 2012 г.

Общая библиография

• Лейтон, Эдвин Т. От практического правила к научной инженерии: Джеймс Б. Фрэнсис и изобретение турбины Фрэнсиса . Серия монографий НЛА. Стоуни-Брук, Нью-Йорк: Исследовательский фонд Государственного университета Нью-Йорка, 1992. OCLC  1073565482.
• С. М. Яхья, стр. № 13, рис. 1.14. ^{[ нужна полная цитата ]}