турбина Фрэнсиса

Тип водяной турбины

Проток Фрэнсиса на плотине Гранд-Кули

Боковой разрез вертикальной турбины Фрэнсиса. Здесь вода поступает горизонтально в спиральную трубу (спиральный корпус), обернутую вокруг внешней стороны вращающегося колеса турбины , и выходит вертикально вниз через центр турбины.

Турбина Фрэнсиса — это тип водяной турбины . Это реактивная турбина с внутренним потоком , которая сочетает в себе концепции радиального и осевого потока . Турбины Фрэнсиса являются наиболее распространенными водяными турбинами, используемыми сегодня, и могут достигать эффективности более 95%. ^[1]

Процесс создания современной конструкции рабочего колеса Фрэнсиса продолжался с 1848 по 1920 год. ^[1] Около 1920 года она стала известна как турбина Фрэнсиса, получив название в честь британо-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 колеблется от нескольких киловатт до 1000 МВт, хотя мини-гидроустановки могут быть ниже. Наилучшая производительность наблюдается, когда высота напора составляет от 100 до 300 метров (330–980 футов). ^{[2] Диаметры} напорных трубопроводов составляют от 1 до 10 м (3,3 и 32,8 фута). Скорости различных турбинных агрегатов варьируются от 70 до 1000  об/мин . Калитка вокруг внешней стороны вращающегося рабочего колеса турбины контролирует скорость потока воды через турбину для различных скоростей выработки электроэнергии. Турбины Фрэнсиса обычно монтируются с вертикальным валом, чтобы изолировать воду от генератора. Это также облегчает установку и обслуживание. ^[3]

Разработка

детали турбины Фрэнсиса

Потакет Гейтхаус в Лоуэлле, Массачусетс; место, где находилась первая турбина Фрэнсиса

Фрэнсис Раннер, плотина Гранд-Кули

Турбина Фрэнсиса на гидроаккумулирующей электростанции Раккун-Маунтин

Водяные колеса разных типов использовались более 1000 лет для питания мельниц всех типов, но они были относительно неэффективны. Повышение эффективности водяных турбин в девятнадцатом веке позволило им заменить почти все применения водяных колес 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 мощности генератора там, где существовали потенциальные источники гидроэнергии.

В 1826 году французский инженер Бенуа Фурнейрон разработал высокоэффективную (80%) наружную водяную турбину. Вода направлялась по касательной через рабочее колесо турбины, заставляя его вращаться. Другой французский инженер, Жан-Виктор Понселе , спроектировал внутрепоточную турбину примерно в 1820 году, которая использовала те же принципы. С. Б. Хауд получил патент США в 1838 году на похожую конструкцию.

В 1848 году Джеймс Б. Фрэнсис , работая главным инженером компании Locks and Canals в текстильной фабрике города Лоуэлл, штат Массачусетс , работающей на водяном колесе , ^[4] усовершенствовал эти конструкции, чтобы создать более эффективные турбины. Он применил научные принципы и методы испытаний, чтобы создать очень эффективную конструкцию турбины. Что еще более важно, его математические и графические методы расчета улучшили конструкцию и проектирование турбин. Его аналитические методы позволили проектировать высокоэффективные турбины, которые точно соответствовали расходу воды и давлению ( напору воды ) на участке.

Компоненты

Турбина Фрэнсиса состоит из следующих основных частей:

Спиральный корпус : спиральный корпус вокруг рабочего колеса турбины известен как спиральный корпус или корпус спирали. По всей его длине он имеет многочисленные отверстия с регулярными интервалами, чтобы рабочая жидкость могла ударяться о лопатки рабочего колеса. Эти отверстия преобразуют энергию давления жидкости в кинетическую энергию непосредственно перед тем, как жидкость ударяется о лопатки. Это поддерживает постоянную скорость, несмотря на то, что для попадания жидкости на лопатки предусмотрено множество отверстий, поскольку площадь поперечного сечения этого корпуса равномерно уменьшается по окружности.

Направляющие и поддерживающие лопатки : Основная функция направляющих и поддерживающих лопаток заключается в преобразовании энергии давления жидкости в кинетическую энергию. Они также служат для направления потока под проектными углами к лопастям рабочего колеса.

Лопасти рабочего колеса : Лопасти рабочего колеса являются сердцем любой турбины. Это центры, в которые попадает жидкость, а тангенциальная сила удара создает крутящий момент, заставляющий вал турбины вращаться. Необходимо уделять пристальное внимание конструкции углов лопаток на входе и выходе, поскольку это основные параметры, влияющие на выработку энергии.

Отводящая труба : Отводящая труба представляет собой трубопровод, соединяющий выход рабочего колеса с нижним желобом, где вода выбрасывается из турбины. Ее основная функция — снизить скорость выбрасываемой воды, чтобы минимизировать потерю кинетической энергии на выходе. Это позволяет устанавливать турбину выше нижнего бьефа без существенного падения напора.

Теория работы

Рабочее колесо турбины Фрэнсиса на плотине Три ущелья , река Янцзы , Китай

Турбина Фрэнсиса — это тип реактивной турбины, категория турбин, в которой 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 , в то время как оставшаяся часть энергии извлекается спиральным корпусом турбины. На выходе вода воздействует на вращающиеся чашеобразные элементы рабочего колеса, выходя с низкой скоростью и слабым завихрением с очень небольшим количеством оставшейся кинетической или потенциальной энергии . Выходная труба турбины имеет форму, помогающую замедлить поток воды и восстановить давление.

• 
  Турбина Фрэнсиса (внешний вид), прикрепленная к генератору
• 
  Вид в разрезе с калитками (желтыми) при минимальной настройке расхода
• 
  Вид в разрезе с калитками (желтыми) при настройке на полный поток

Эффективность лезвия

Идеальная диаграмма скорости, иллюстрирующая, что в идеальных случаях вихревая составляющая выходной скорости равна нулю, а поток полностью аксиальный

Обычно скорость потока (скорость, перпендикулярная тангенциальному направлению) остается постоянной на всем протяжении, т.е. 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 — 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 равна V _f2 ² /2 . Поэтому, пренебрегая трением, эффективность лопасти становится

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

то есть

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

Степень реакции

Фактическая диаграмма скорости, иллюстрирующая, что вихревая составляющая выходной скорости не равна нулю

Степень реакции можно определить как отношение изменения энергии давления в лопатках к общему изменению энергии жидкости. ^[5] Это означает, что это отношение указывает на долю общего изменения энергии давления жидкости, происходящего в лопатках турбины. Остальные изменения происходят в лопатках статора турбин и спиральном корпусе, поскольку он имеет переменную площадь поперечного сечения. Например, если степень реакции указана как 50%, это означает, что половина общего изменения энергии жидкости происходит в лопатках ротора, а другая половина происходит в лопатках статора. Если степень реакции равна нулю, это означает, что изменение энергии из-за лопаток 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 выше выполняется, поскольку в турбине Фрэнсиса разряд радиальный. Теперь, подставляя значение 'e' сверху и используя (как ) ${\displaystyle V_{1}^{2}-V_{f2}^{2}=V_{f1}^{2}\cot \alpha _{2}}$ ${\displaystyle V_{f2}=V_{f1}}$

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

Приложение

Малая турбина Фрэнсиса швейцарского производства

Турбины Фрэнсиса могут быть спроектированы для широкого диапазона напоров и потоков. Эта универсальность, наряду с их высокой эффективностью, 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 их 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 возможной эффективностью, обычно более 90% (до 99% ^[6] ).

В отличие от турбины Пелтона , турбина Фрэнсиса работает наилучшим образом, будучи полностью заполненной водой в любое время. Турбина и выходной 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 спроса на электроэнергию, а затем реверсируется и используется для выработки электроэнергии в периоды пикового спроса. Эти насосные резервуары для хранения действуют как большие источники хранения энергии для хранения «избыточной» электроэнергии в виде воды в приподнятых резервуарах. Это один из немногих методов, которые позволяют временно сохранять избыточную электрическую мощность для последующего использования.

Смотрите также

• Вытяжная труба
• Эволюция от турбины Фрэнсиса к турбине Каплана
• Гидроэнергетика
• турбина Jonval
• турбина Каплана
• колесо Пелтона
• Датчик рыбы , устройство, используемое для изучения воздействия рыбы, проходящей через турбины Фрэнсиса и Каплана.

Цитаты

1. Льюис, Б. Дж.; Цимбала, Дж. М.; Вуден, АМ (2014-03-01). "Основные исторические разработки в области проектирования водяных колес и гидротурбин Фрэнсиса". Серия конференций IOP: Науки о Земле и окружающей среде . 22 (1): 012020. Bibcode :2014E&ES...22a2020L. doi : 10.1088/1755-1315/22/1/012020 . ISSN  1755-1315.  В данной статье использован текст из этого источника, доступный по лицензии CC BY 3.0.
2. Пол Бриз, Технологии производства электроэнергии (третье издание), 2019 г.
3. "Обзор конструкции". Harlaw Hydro . 2015-11-13 . Получено 2024-07-02 .
4. "Lowell Notes – James B. Francis" (PDF) . National Park Service . Архивировано из оригинала (PDF) 2016-03-10.
5. Бансал, РК (2010). Учебник по механике жидкостей и гидравлическим машинам (пересмотренное девятое издание). Индия: Laxmi publications. С. 880–883.
6. Л. Суо, ... Х. Се, в книге «Комплексная возобновляемая энергетика», 2012 г.

Общая библиография

• Лейтон, Эдвин Т. От правила большого пальца к научной инженерии: Джеймс Б. Фрэнсис и изобретение турбины Фрэнсиса . Серия монографий NLA. Стоуни-Брук, Нью-Йорк: Исследовательский фонд Государственного университета Нью-Йорка, 1992. OCLC  1073565482.
• SM Yahya, страница номер 13, рис. 1.14. ^{[ необходима полная цитата ]}