В этой статье я расскажу о турбине Френсиса и ее компонентах. Я также объясню принцип работы турбины Френсиса с помощью диаграммы. Турбина Френсиса — это тип реактивной турбины.
Что такое турбина Френсиса?
Турбина Френсиса — это турбина смешанного потока. В турбине Френсиса вода поступает радиально на лопасти рабочего колеса, а выходит осевым путем. Она представляет собой комбинацию реакционной и импульсной турбин. В основном она используется на крупных и средних гидроэлектростанциях. Эти типы турбин могут использоваться при напоре от максимального 300 метров до минимального 2 метров.
Существенным преимуществом турбин Френсиса является то, что эти турбины работают одинаково, независимо от того, расположены они вертикально или горизонтально. Это наиболее часто используемые турбины на гидроэлектростанциях.
Эти турбины представляют собой комбинацию реактивных и импульсных турбин. Лопасти этих турбин вращаются как за счет импульсного, так и реактивного воздействия воды, протекающей через лопасти. Это повышает эффективность турбины и производит больше электроэнергии на гидроэлектростанции.
В турбине Френсиса вода поступает радиально. Это означает, что она поступает в турбину перпендикулярно оси вращения. Когда вода попадает в турбину, она всегда течет внутрь к центру. В случае с турбинами Фрэнсиса вода выходит в осевом направлении параллельно оси вращения. Джеймс Б. Фрэнсис изобрел первую турбину Фрэнсиса, которая стала первой турбиной для радиального потока.
Принцип работы турбины Френсиса
Принцип работы турбины Фрэнсиса прост.
Прежде всего, вода ударяется о края осевших лопастей. Эти лопасти быстро преобразуют доступный напор воды в напор энергии. Осевшая лопасть высвобождает вихрь воды, что позволяет воде непосредственно стекать. Затем вода попадает на неподвижные лопасти. Стационарная лопасть фиксируется в своем положении, но вращается вокруг своей собственной точки вращения.
Направляющий нож выбирает наилучшее положение для попадания воды в спринтер. Она срезает края и контролирует скорость, с которой вода попадает в спринтер. Режущая кромка контролирует скорость потока воды в спринтер. Турбина Френсиса спринтера имеет изогнутые лопасти.
Структура этих лопастей разработана таким образом, что вода может проникать в спринтер радиально. Если возникает проблема с текущей турбиной Фрэнсиса, то от основного метода отказываются, но в турбине Фрэнсиса вода поступает и выходит в радиальном направлении. Такая регулировка оси вращения от спринтера к аутригеру создает в спринтере круговую силу. Затем спринтер начинает вращаться и получать выходную мощность, когда вал генератора соединяется со спринтером. С помощью вала регулятор заменяется генератором, который используется в течение определенного срока службы.
Как работает турбина Френсиса?
- Во время работы турбины Фрэнсиса вода поступает в волютный корпус турбины, и эта вода проходит через направляющие лопатки и неподвижные лопатки.
- Корпус спирали уменьшается в диаметре для поддержания давления потока.
- Стационарные лопасти остаются неподвижными, что устраняет водяные вихри, возникающие при прохождении потока через улитковый корпус, и старается сделать поток воды, отклоняемый регулируемыми направляющими лопастями, более линейным.
- Угол наклона направляющих лопастей определяет угол атаки воды на лопасти рабочего колеса и обеспечивает производительность турбины. Лопасти рабочего колеса фиксированы и не могут быть изменены или изменять свои углы. Таким образом, речь идет о направляющих лопатках, которые контролируют производительность турбины.
- Эффективность и производительность турбины зависят от конструкции лопастей рабочего колеса. В случае турбины Френсиса лопасти рабочего колеса делятся на две секции. Нижняя часть имеет форму небольшого ковша, поэтому для вращения турбины эта часть использует импульсное воздействие воды. Верхняя часть лопасти использует реактивное действие движущейся воды.
- Благодаря наличию как импульсной, так и реактивной силы на лопастях рабочего колеса, лопасть использует кинетическую энергию и энергию давления воды для наиболее эффективного вращения рабочего колеса.
- Воде, выходящей из рабочего колеса, не хватает кинетической энергии и энергии давления. Поэтому для снятия давления и перемещения ее в хвостовую часть используется вытяжная труба. Однако давление не может быть восстановлено в такой степени, но вы можете избежать попадания воздуха в корпус рабочего колеса и возникновения кавитации.
Для лучшего понимания посмотрите приведенный ниже видеоролик:
Основные компоненты турбины Френсиса
Турбина Френсиса состоит из следующих основных компонентов:
- Спиральный корпус
- Направляющие лопатки
- Опорные лопатки
- Черновая труба
- Рабочие лопатки
- Пеншток
- Рабочий орган или рабочее колесо
1) Спиральный корпус
Площадь поперечного сечения спирального корпуса равномерно уменьшается по окружности. Это уменьшает площадь поперечного сечения. Благодаря этому скорость воды, ударяющейся о лопасти рабочего колеса, становится равномерной, так же как и скорость воды, вытекающей из верхней части корпуса в отверстие лопастей рабочего колеса. Поэтому скорость потока вместе с корпусом уменьшается. Поэтому площадь поперечного сечения уменьшается, чтобы давление было равномерным, и вода попадала на лопасти рабочего колеса.
2) Направляющие лопатки или лопасти
Вода проходит через неподвижные лопатки и попадает на лопасти рабочего колеса. Направляющие лопатки могут менять свой угол наклона, таким образом, угол атаки воды на лопасть может регулироваться, и лопасть бегуна может работать нормально. Кроме того, эта направляющая лопатка регулирует поток воды, поступающий на лопасти рабочего колеса, чтобы управлять производительностью турбины в зависимости от нагрузки турбины Фрэнсиса.
3) Опорные лопатки
Опорные лопатки направляют воду к лопастям ротора. Лопатки статора остаются неподвижными в этом положении, что уменьшает водяной вихрь, вызванный радиальным потоком, и проникает в ковши рабочего колеса, делая турбину более эффективной.
4) Черновая труба
Черпаковая труба или дренажная труба соединяет выход рабочего колеса с хвостовой частью. Когда вода вытекает из лопасти рабочего колеса, она находится под низким давлением. Увеличенная площадь поперечного сечения помогает восстановить давление, когда вода стекает в выхлопную трубу.
5) Лопасти бегуна
Это один из основных компонентов турбины Френсиса. Конструкция лопастей рабочего колеса определяет производительность турбины. Лопасть рабочего колеса турбины Фрэнсиса делится на две части. Верхняя часть лопасти использует силу реакции текущей воды, а нижняя часть лопасти имеет форму ковша и движется под действием импульса воды. Бегунок вращается под действием верхней силы.
6) Пеншток
Функция пенштока заключается в передаче воды из водопровода в турбину. Пеншток изготавливается из литой стали или цемента.
7) Бегун
Бегунок входит в состав наиболее важных компонентов турбины Френсиса. Эти турбины бесполезны без бегунка. Лопасти закреплены на бегунке. Лопасти вращаются при вращении бегунка.
Какова эффективность турбины Френсиса?
Эффективность и мощность турбины зависят от формы лопастей рабочего колеса. В турбинах Френсиса лопасти рабочего колеса делятся на две части. Нижняя часть рабочего колеса сконструирована таким образом, что использует силу импульса воды для вращения турбины. В противоположность этому, верхняя часть лопасти использует реактивное действие движущейся воды. Благодаря сочетанию этих двух сил рабочее колесо турбины начинает вращаться.
Для получения максимальной эффективности турбины Фрэнсиса вода должна равномерно распределяться на все лопасти рабочего колеса. Скорость потока воды регулируется спиральным корпусом, который вращается вокруг турбины. Кожух подает воду на лопасти рабочего колеса турбины через ряд клапанов и неподвижные лопасти. Если турбина Френсиса спроектирована соответствующим образом в соответствии с требованиями, она может достичь 90-95% энергии воды.
Формулы эффективности турбины Френсиса
- Гидравлическая эффективность
- Общая эффективность
- Объемная эффективность
- Механический КПД
1) Гидравлический КПД
Отношение между энергией, вырабатываемой рабочим колесом турбины, и мощностью, отдаваемой жидкостью на всасывающей или входной стороне турбины, известно как гидравлический КПД.
Гидравлический КПД турбины Френсиса можно рассчитать по следующей формуле:
2) Общий КПД
Отношение между выходной мощностью на валу турбины и мощностью воды, поступающей на вход турбины, называется общим КПД.
Для расчета общего КПД используется следующая формула:
3) Объемный КПД
- Отношение объема воды, проходящей через рабочее колесо, к общему объему воды, подаваемой в турбину, называется объемным КПД.
- Некоторое количество воды может вытекать из пространства между корпусом и рабочим колесом, не проходя через рабочее колесо.
4) Механический КПД
Отношение между фактической мощностью на валу турбины и мощностью, вырабатываемой рабочим колесом, называется механическим КПД.
Рабочее колесо всегда вырабатывает больше мощности, чем фактическая мощность вала турбины. Мощность вала низкая из-за потерь на сопротивление ветра, механических потерь в подшипниках и других потерь на трение.
Как возникает кавитация в турбине Френсиса?
- Потому что на выходе очень низкое давление воды, а в некоторых случаях давление на выходе может быть ниже, чем давление пара.
- Когда давление на выходе становится ниже давления пара, воздух начинает поступать внутрь турбины.
- В результате попадания воздуха внутрь турбины начинают образовываться пузырьки.
- Когда эти пузырьки достигают области высокого давления, они взрываются у поверхности лопастей рабочего колеса.
- Этот процесс генерирует непрерывную ударную волну.
- Генерация ударных волн повреждает лопасти рабочего колеса, и этот процесс известен как кавитация. Предотвращение кавитации — очень сложная задача.
- Кавитация также может вызвать вибрацию и повредить направляющие лопатки.
Как предотвратить кавитацию лопасти?
- Выбирайте тяговую трубу соответствующей конструкции
- Всегда приобретайте турбину, имеющую наивысшую степень эффективности.
- Поверхность лопастей рабочего колеса должна быть твердой.
- Используйте очень твердые поверхности, например, используйте высококачественную нержавеющую сталь.
Преимущества и недостатки турбины Фрэнсиса
Турбины Френсиса имеют следующие преимущества и недостатки:
Преимущества турбин Френсиса
- Эти турбины лучше всего подходят для радиального потока воды.
- У этих турбин нет отказов даже при низком расходе воды.
- В этих реактивных турбинах рабочий напор можно регулировать быстрее, чем в других типах реактивных турбин.
- КПД турбины колеса Пелтона падает быстрее, чем КПД турбины Френсиса.
- По сравнению с турбинами с колесом Пельтона, турбины Френсиса легче контролировать разницу в рабочей высоте.
- Размер рабочего колеса невелик.
- Изменение напора легко контролировать.
Недостатки турбин Френсиса
- КПД этих турбин меньше по сравнению с турбиной Каплана.
- Эти турбины имеют большие размеры, чем турбины Каплана.
- В основном, эти турбины требуют высокого напора.
- У них низкая скорость вращения по сравнению с турбиной Каплана.
Применение турбины Френсиса
- Это самые эффективные гидравлические турбины.
- Большие турбины Фрэнсиса предназначены исключительно для полевых условий и работают максимально эффективно (обычно 90% и более).
- Устройства типа Фрэнсис имеют большой выбор напоров от 20 до 700 м, а мощность колеблется между несколькими киловаттами и 200 мегаваттами.
- Мы также можем использовать его в качестве насоса. Поскольку в периоды низкого спроса на электроэнергию водяная турбина (которая работает как насос) наполняет водохранилище, а в периоды пикового спроса обратный ход используется для выработки электроэнергии.
- Турбина Френсиса рассчитана на различные напоры и потоки. В сочетании с высокой эффективностью она является наиболее широко используемой турбиной в мире.
- Поскольку в настоящее время существует самая эффективная турбина, жизненная сила воды под давлением часто может быть использована в различных целях для достижения целей эпохи производства электроэнергии.
В чем разница между турбинами Френсиса и турбинами с колесом Пелтона?
Раздел часто задаваемых вопросов
Почему скорость вихря на выходе из турбины Френсиса равна нулю?
Турбина Френсиса — это реактивная турбина, в которой рабочая жидкость поступает в турбину с огромным давлением, а лопасть турбины отбирает энергию у рабочей жидкости. Вследствие изменения давления жидкости на лопатках турбины часть энергии высвобождается из жидкости, а остальная часть отводится спиральным корпусом турбины. Жидкость воздействует на вращающееся чашеобразное рабочее колесо и выходит из него с низким вихрем и низкой скоростью с низкой кинетической или потенциальной энергией на выходе. Форма выходного патрубка турбины замедляет поток жидкости и способствует повышению давления.
При рассмотрении идеальной диаграммы скоростей, в идеальных условиях вихревая составляющая скорости на выходе равна «нулю», а поток полностью осевой. Поэтому вихревая скорость на выходе турбины Френсиса равна нулю.
Где используется турбина Френсиса?
- Она используется в ирригационных системах для перекачки воды из грунта на орошение.
- Она также используется в насосных хранилищах.
- В основном она используется для производства электроэнергии
Кто изобрел турбину Френсиса?
Джеймс Фрэнсис изобрел первую турбину Фрэнсиса в 1849 году. Это была первая турбина для радиального потока.
Турбины Френсиса наиболее широко используются во всем мире. Эти турбины используются на гидроэлектростанциях для выработки электроэнергии. Напор этих турбин легко контролировать по сравнению с турбинами с колесом Пельтона. Таким образом, эти турбины лучше всего подходят для радиального потока воды.
