Турбина Фрэнсиса

редактировать

Вид сбоку вертикальной турбины Фрэнсиса в разрезе. Здесь вода входит горизонтально по спиральной трубе (спиральный кожух), обернутой вокруг внешней стороны вращающегося рабочего колеса турбины, и выходит вертикально вниз через центр турбины.

Турбина Фрэнсиса является разновидностью водяная турбина, разработанная Джеймсом Б. Фрэнсисом в Лоуэлле, Массачусетс. Это реакционная турбина с входящим потоком, сочетающая в себе концепции радиального и осевого потока.

Турбины Фрэнсиса - самые распространенные гидротурбины, используемые сегодня. Они работают при напоре воды от 40 до 600 м (от 130 до 2000 футов) и используются в основном для производства электроэнергии. электрические генераторы, которые чаще всего используют этот тип турбины, имеют выходную мощность, которая обычно находится в диапазоне от нескольких киловатт до 800 МВт, хотя установки мини-гидро могут быть ниже. Диаметр затвора (входные трубы) составляет от 3 до 33 футов (от 0,91 до 10 м). Диапазон частоты вращения турбины от 75 до 1000 об / мин. Калитка вокруг вращающегося рабочего колеса турбины снаружи регулирует скорость потока воды через турбину для различных показателей выработки электроэнергии. Турбины Фрэнсиса почти всегда устанавливаются с вертикальным валом, чтобы изолировать воду от генератора. Это также упрощает установку и обслуживание.

Содержание

1 Разработка
2 Компоненты
3 Принцип работы
4 Эффективность лезвия
5 Степень реакции
6 Применение
7 См. Также
8 Ссылки
9 Библиография

Разработка

Детали турбины Фрэнсиса

Потакет Гейтхаус в Лоуэлле, Массачусетс; место первой турбины Фрэнсиса

Фрэнсис Бегун, плотина Гранд-Кули

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 были естественным источником энергии генератора там, где существовали потенциальные источники гидроэнергии.

В 1826 г. Бенуа Фурнейрон разработал высокоэффективную (80%) водяную турбину с выходом наружу. Вода проходила по касательной через бегунок турбины, заставляя ее вращаться. Жан-Виктор Понселе примерно в 1820 году сконструировал турбину с внутренним потоком, в которой использовались те же принципы. С. Б. Хоуд получил патент США в 1838 г. на похожую конструкцию.

В 1848 году Джеймс Б. Фрэнсис, работая главным инженером компании Locks and Canals на фабрике с водяным колесом текстильной город Лоуэлл, Массачусетс, усовершенствовал эти конструкции для создания более эффективных турбин. 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 площадке (напор ).

Компоненты

Турбина Фрэнсиса состоит из следующих основных частей:

Спиральный кожух : спиральный кожух вокруг рабочего колеса турбины известен как спиральный кожух. или чехол для прокрутки. По всей длине он имеет множество отверстий, расположенных через равные промежутки времени, чтобы рабочая жидкость могла попадать на лезвия 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 лезвия : Рабочие лезвия - 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, поскольку это основные параметры, влияющие на выработку электроэнергии.

Вытяжная труба : Вытяжная труба - это канал, соединяющий выход рабочего колеса с хвостовой обоймой, через которую вода выходит из турбины. Его основная функция - снизить скорость сбрасываемой воды, чтобы минимизировать потерю кинетической энергии на выходе. Это позволяет устанавливать турбину над хвостовой водой без заметного падения доступного напора.

Теория работы

Плотина Три ущелья Бегунок турбины Фрэнсиса

Турбина Фрэнсиса - это тип реактивной турбины, категория турбин, в которой рабочая жидкость поступает в турбину под огромным давлением а энергия отбирается лопатками турбины из рабочего тела. Часть энергии отдается жидкостью из-за изменений давления, происходящих в лопатках турбины, что количественно выражается выражением степень реакции, в то время как оставшаяся часть энергии извлекается спиральной камерой. кожух турбины. На выходе вода воздействует на вращающиеся элементы бегунка в форме чаши, покидая их с низкой скоростью и слабым завихрением с очень небольшой кинетической или потенциальной энергией. Форма выходной трубы турбины помогает замедлить поток воды и восстановить давление.

Турбина Фрэнсиса (внешний вид), прикрепленная к генератору
Вид в разрезе, с калиткой (желтая) при настройке минимального расхода
Вид в разрезе, с калиткой (желтая) при настройке полного потока

Эффективность лопасти

Диаграмма идеальной скорости, иллюстрирующая, что в идеальных случаях вихревой компонент скорости на выходе равен нулю, а поток полностью осевой

Обычно скорость потока (скорость, перпендикулярная тангенциальному направлению) остается постоянной во всем, т. Е. V f1=Vf2и равен V на входе в вытяжную трубу. Используя уравнение турбины Эйлера, E / m = e = V w1U1, где e - передача энергии ротору на единицу массы жидкости. Из треугольника входных скоростей

V w 1 = V f 1 кроватка ⁡ α 1 {\ displaystyle V_ {w1} = V_ {f1} \ cot \ alpha _ {1}}

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

U 1 Знак равно В е 1 (детская кроватка ⁡ α 1 + детская кроватка ⁡ β 1), {\ Displaystyle U_ {1} = V_ {f1} (\ детская кроватка \ альфа _ {1} + \ детская кроватка \ бета _ {1}),}

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

Следовательно,

e = V f 1 2 детская кроватка ⁡ α 1 (детская кроватка ⁡ α 1 + детская кроватка ⁡ β 1). {\ displaystyle e = V_ {f1} ^ {2} \ cot \ alpha _ {1} (\ cot \ alpha _ {1} + \ cot \ beta _ {1}).}

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

Потеря кинетической энергии на единицу массы становится V f2 / 2.

Следовательно, если пренебречь трением, эффективность лезвия станет

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

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

т.е.

η b = 2 V f 1 2 (детская кроватка α 1 (детская кроватка α 1 + детская кроватка ⁡ β 1)) V f 2 2 + 2 V f 1 2 (детская кроватка ⁡ α 1 (детская кроватка ⁡ α 1 + детская кроватка) ⁡ β 1)). {\ 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}))} } \,.}

{\ 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 фактических скоростей, показывающая, что вихревой компонент скорости на выходе отличен от нуля

Степень реакции может быть определена как отношение изменения энергии давления в лопастях к полному изменению энергии жидкости. 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 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.

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

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

Второе равенство выше выполняется, так как в турбине Фрэнсиса разряд является радиальным. Теперь, введя значение 'e' сверху и используя $V 1 2 - V f 2 2 = V f 1 2 cot ⁡ α 2 {\ displaystyle V_ {1} ^ {2} -V_ {f2} ^ {2} = V_ {f1} ^ {2} \ cot \ alpha _ {2}}$ ${\ displaystyle V_ {1} ^ {2} - V_ {f2} ^ {2} = V_ {f1} ^ {2} \ cot \ alpha _ {2}}$ (как $V f 2 = V f 1 {\ displaystyle V_ {f2} = V_ { f1}}$ ${\ displaystyle V_ {f2} = V_ {f1}}$ )

R = 1 - детская кроватка ⁡ α 1 2 (детская кроватка ⁡ α 1 + детская кроватка ⁡ β 1) {\ displaystyle R = 1 - {\ frac {\ cot \ alpha _ {1}} {2 (\ cot \ alpha _ {1} + \ cot \ beta _ {1})}}}

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

Приложение

Фрэнсис Инлет Свиток, плотина Гранд-Кули

Маленькая турбина Фрэнсиса швейцарского производства

Фрэнсис турбины могут быть спроектированы для широкого диапазона напоров и потоков. Эта универсальность, наряду с их высоким КПД, сделала их наиболее широко используемой турбиной в мире. Агрегаты типа Фрэнсиса охватывают диапазон напора от 40 до 600 м (от 130 до 2000 футов), а выходная мощность подключенного генератора варьируется от нескольких киловатт до 800 МВт. Большие турбины Фрэнсиса проектируются индивидуально для каждой площадки для работы с заданным водоснабжением и напором воды с максимально возможным КПД., обычно более 90%.

In c В отличие от турбины Пелтона, турбина Фрэнсиса в лучшем случае всегда полностью заполнена водой. Турбина и выпускной канал могут быть расположены ниже уровня озера или моря снаружи, что снижает склонность к кавитации.

Помимо выработки электроэнергии, они также могут использоваться для накопитель с насосом, где резервуар заполняется турбиной (действующей как насос), приводимой в действие генератором, действующим как большой электродвигатель в периоды низкой потребности в мощности, а затем реверсивным и используемым для выработки энергии во время пиковой нагрузки. Эти водохранилища с насосами действуют как большие источники энергии для хранения «избыточной» электроэнергии в виде воды в приподнятых резервуарах. Это один из немногих методов, позволяющих сохранить временную избыточную электрическую мощность для дальнейшего использования.

См. Также

Викискладе есть материалы, связанные с турбиной Фрэнсиса.

Тяговая труба
Эволюция от турбины Фрэнсиса до турбины Каплана
Гидроэнергетика
турбина Джонваля
Турбина Каплана
Колесо Пелтона
Сенсорная рыба, устройство, используемое для изучения воздействия рыбы, проходящей через турбины Фрэнсиса и Каплана

Ссылки

Библиография