Турбина Фрэнсиса преобразует энергию при высоких напорах, которые нелегко получить, и поэтому турбина требовалась для преобразования энергии при низких напорах, учитывая, что количество воды было достаточно большим. Было легко преобразовать высокие напоры в электроэнергию, но трудно сделать это при низких напорах . Поэтому произошла эволюция, которая преобразовала турбину Фрэнсиса в турбину Каплана , которая эффективно вырабатывала электроэнергию даже при низких напорах .
Изменения
Турбины иногда различаются по типу входного потока, будь то скорость на входе в осевом направлении, радиальном направлении или в комбинации обоих направлений. Турбина Фрэнсиса является смешанной гидравлической турбиной (скорость на входе имеет радиальную и тангенциальную составляющие), в то время как турбина Каплана является осевой гидравлической турбиной (скорость на входе имеет только осевую составляющую скорости ). Эволюция в основном заключалась в изменении входного потока.
На рисунке показаны изменения в треугольниках скоростей при уменьшении удельной скорости или уменьшении напора и, наконец, показана эволюция от гидравлической турбины Фрэнсиса к гидравлической турбине Каплана.
V r : Относительная скорость жидкости после контакта с ротором .
V w : Тангенциальная составляющая V (абсолютной скорости), называемая скоростью вихря .
V f : Скорость потока (осевая составляющая в случае осевых машин, радиальная в случае радиальных).
α : Угол, образуемый V с плоскостью машины (обычно угол сопла или угол направляющей лопатки).
β : Угол наклона лопасти ротора или угол, образованный относительной скоростью с тангенциальным направлением.
Как правило, турбина Каплана работает при низком напоре (H) и высоком расходе (Q). Это означает, что удельная скорость (N s ), при которой работает турбина Каплана, высока, поскольку удельная скорость (N sp ) прямо пропорциональна расходу (Q) и обратно пропорциональна напору (H). С другой стороны, турбина Фрэнсиса работает при низких удельных скоростях, т. е. при высоком напоре.
На рисунке видно, что увеличение удельной скорости (или уменьшение напора) имеет следующие последствия:
Уменьшение скорости на входе V 1 .
Скорость потока V f1 на входе увеличивается, что позволяет большему количеству жидкости поступать в турбину.
Компонент V w уменьшается по мере движения к турбине Каплана, и здесь на рисунке V f представляет собой осевой (V a ) компонент.
Однако в роторе Каплана выходная скорость является осевой , тогда как во всех других роторах она является радиальной.
Следовательно, это те изменения параметров, которые необходимо учесть при преобразовании турбины Фрэнсиса в турбину Каплана .
Общие различия между турбинами Фрэнсиса и Каплана
Эффективность турбины Каплана выше, чем у турбины Фрэнсиса.
Турбина Каплана имеет меньшее поперечное сечение и меньшую скорость вращения, чем турбина Фрэнсиса.
В турбине Каплана вода поступает в осевом направлении и выходит в осевом направлении, тогда как в турбине Фрэнсиса она поступает радиально и выходит в осевом направлении.
Турбина Каплана имеет меньше рабочих лопаток, чем турбина Фрэнсиса, поскольку лопатки турбины Каплана закручены и охватывают большую окружность.
Потери на трение в турбине Каплана меньше.
Вал турбины Фрэнсиса обычно вертикальный (во многих ранних машинах он был горизонтальным), тогда как в турбине Каплана он всегда вертикальный.
Удельная скорость турбины Фрэнсиса средняя (60–300 об/мин); удельная скорость турбины Каплана высокая (300–1000 об/мин).
