Франсис турбинасы: құрылысы, принциптері және тиімділігі
Francis turbine
Франсис турбинасы: су электр станцияларында қолданылатын ең тиімді және кең таралған турбина. Құрылысы, жұмыс принципі, тиімділігі және жылдамдығы туралы ақпарат.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Су турбинасының түрі
Type of water turbine
Фрэнсис турбинасы – су турбинасының бір түрі. Ол радиалды және осьтік ағын принциптерін біріктіретін ішкі ағынды реакциялық турбина. Фрэнсис турбиналары бүгінгі таңда ең көп қолданылатын су турбинасы болып табылады және 95%-дан астам тиімділікке жете алады. 1848 жылы жаңа турбина дизайнын жасаған британдық-американдық инженер Джеймс Б. Фрэнсистің құрметіне 1920 жылы бұл турбина Фрэнсис турбинасы деп аталды. Турбина агрегаттарының жылдамдығы 70-ден 1000 айналымға дейін өзгереді. Турбинаның айналмалы роторының сыртындағы қақпашалар су ағынының жылдамдығын реттеу арқылы түрлі қуат деңгейлерінде электр энергиясын өндіруді қамтамасыз етеді. Фрэнсис турбиналары көбінесе генератордан суды оқшаулау мақсатымен тік білікпен орнатылады. Бұл орнату және техникалық қызмет көрсетуді де жеңілдетеді.
The Francis turbine is a type of water turbine. It is an inward flow reaction turbine that combines radial and axial flow concepts. Francis turbines are the most common water turbine in use today, and can achieve over 95% efficiency. It became known as the Francis turbine around 1920, being named after British American engineer James B. Francis who in 1848 created a new turbine design. Penstock diameters are between The speeds of different turbine units range from 70 to 1000 rpm. A wicket gate around the outside of the turbine's rotating runner controls the rate of water flow through the turbine for different power production rates. Francis turbines are usually mounted with a vertical shaft, to isolate water from the generator. This also facilitates installation and maintenance.
Даму
Әр түрлі су дөңгелектері 1000 жылдан астам уақыт бойы барлық типтегі диірмендерді қуаттандыру үшін қолданылған, бірақ олар салыстырмалы түрде тиімді емес еді. XIX ғасырда су турбиналарының тиімділігін арттыру оларға су дөңгелектерінің орнын басып, су қуаты бар жерде бу машиналарымен бәсекелесуге мүмкіндік берді. 1800-жылдардың соңында электр генераторлары ойдағыдай жұмыс істегеннен кейін, турбиналар потенциалды гидроэнергетикалық көздері бар жерлерде генератор қуатының табиғи көзіне айналды. 1826 жылы француз инженері Бенуа Фурнейрон жоғары тиімділікке (80%) ие сыртқа ағынды су турбинасын жасады. Су турбинаның қанаттарына жанама бағытта жіберіліп, оны айналуға итермеледі. Шамамен 1820 жылы француз инженері Жан Виктор Понселе осы қағидаларды қолданып, ішке ағынды турбинаны жобалады. С. Б. Хауд 1838 жылы осыған ұқсас дизайнға АҚШ патентін алды. 1848 жылы Джеймс Б. Фрэнсис, Массачусетс штатындағы Лоуэлл қаласындағы су дөңгелектерімен жұмыс істейтін тоқыма фабрикасының Locks and Canals компаниясының бас инженері болып жұмыс істеген кезде, бұл жобаларды жақсарта отырып, тиімдірек турбиналар жасады. Ол турбинаның өте тиімді конструкциясын жасау үшін ғылыми принциптер мен сынақ әдістерін қолданды. Оның математикалық және графикалық есептеу әдістері турбиналардың конструкциясын және инженериясын жақсартты. Оның талдау әдістері жоғары тиімділікке ие турбиналарды жобалауға, нақтылы жердің су ағыны мен қысымына (су басы) қатысты сәйкес келуге мүмкіндік берді.
Water wheels of different types have been used for more than 1,000 years to power mills of all types, but they were relatively inefficient. Nineteenth century efficiency improvements of water turbines allowed them to replace nearly all water wheel applications and compete with steam engines wherever water power was available. After electric generators were developed in the late 1800s, turbines were a natural source of generator power where potential hydropower sources existed. In 1826 the French engineer Benoit Fourneyron developed a high efficiency (80%) outward flow water turbine. Water was directed tangentially through the turbine runner, causing it to spin. Another French engineer, Jean Victor Poncelet, designed an inward flow turbine in about 1820 that used the same principles. S. B. Howd obtained a US patent in 1838 for a similar design. In 1848 James B. Francis, while working as head engineer of the Locks and Canals company in the water wheel powered textile factory city of Lowell, Massachusetts, improved on these designs to create more efficient turbines. He applied scientific principles and testing methods to produce a very efficient turbine design. More importantly, his mathematical and graphical calculation methods improved turbine design and engineering. His analytical methods allowed the design of high efficiency turbines to precisely match a site's water flow and pressure (water head).
Жұмыс істеу теориясы
Франсис турбинасы – реакциялық турбинаның бір түрі, онда жұмыс сұйықтығы турбинаға жоғары қысыммен келіп, энергия турбина қанаттары арқылы жұмыс сұйықтығынан алынады. Энергияның бір бөлігі турбина қанаттарындағы қысым өзгерісі нәтижесінде сұйықтықтан беріледі, бұл реакция дәрежесімен өлшенсе, ал энергияның қалған бөлігі турбинаның спираль корпусы арқылы алынады. Түсірілісте су айналмалы кесе тәрізді жүгіргіш элементтерге әсер етеді, өте төмен жылдамдықпен және айналыммен аз мөлшерде кинетикалық немесе потенциалдық энергияны қалдырады. Турбинаның шығу құбыры су ағынын баяулатуға және қысымды қалпына келтіруге көмектесетіндей етіп жасалған.
The Francis turbine is a type of reaction turbine, a category of turbine in which the working fluid comes to the turbine under immense pressure and the energy is extracted by the turbine blades from the working fluid. A part of the energy is given up by the fluid because of pressure changes occurring on the blades of the turbine, quantified by the expression of degree of reaction, while the remaining part of the energy is extracted by the volute casing of the turbine. At the exit, water acts on the spinning cup shaped runner features, leaving at low velocity and low swirl with very little kinetic or potential energy left. The turbine's exit tube is shaped to help decelerate the water flow and recover the pressure.
Реакцияның дәрежесі
Реакция дәрежесі – бұл қанатшалардағы қысым энергиясының өзгеруінің, сұйықтықтың жалпы энергиясының өзгеруіне қатынасы ретінде анықталады. Яғни, бұл турбина қанатшаларында болатын сұйық қысымы энергиясының жалпы өзгеруінің үлесін көрсететін шама. Қалған өзгерістер турбинаның статорлық қанатшаларында және өртүстің қимасы ауданы өзгеріп отыратын корпусында жүзеге асады. Мысалы, реакция дәрежесі 50% болса, сұйықтықтың жалпы энергиясының жартысы ротор қанатшаларында, ал қалған жартысы статор қанатшаларында өтеді деген сөз. Егер реакция дәрежесі нөлге тең болса, ротор қанатшаларынан туындайтын энергия өзгерісі болмайды, бұл Пелтон турбинасы деп аталатын басқа турбина конструкциясына алып келеді. Фрэнсис турбинасында ағын радиалды болғандықтан жоғарыдағы екінші теңдік орындалады. Енді жоғарыдан "e" мәнін алып, ( ретінде пайдаланып)
Degree of reaction can be defined as the ratio of pressure energy change in the blades to total energy change of the fluid. This means that it is a ratio indicating the fraction of total change in fluid pressure energy occurring in the blades of the turbine. The rest of the changes occur in the stator blades of the turbines and the volute casing as it has a varying cross sectional area. For example, if the degree of reaction is given as 50%, that means that half of the total energy change of the fluid is taking place in the rotor blades and the other half is occurring in the stator blades. If the degree of reaction is zero it means that the energy changes due to the rotor blades is zero, leading to a different turbine design called the Pelton Turbine. The second equality above holds, since discharge is radial in a Francis turbine. Now, putting in the value of 'e' from above and using (as )
Қолдану
Франсис турбиналары кең ауқымды бас және ағынға арналған болуы мүмкін. Осы әмбебаптық және жоғары тиімділік оларды әлемдегі ең көп қолданылатын турбинаға айналдырды. Франсис типті агрегаттар бас диапазонын қамтиды, ал олардың жалғастырылған генератордың шығыс қуаты бірнеше киловатттан 1000 МВт-қа дейін өзгереді. Ірі Франсис турбиналары әрбір нысан үшін жеке жобаланады, берілген су ағынымен және су басымен ең жоғары тиімділікпен жұмыс істеу үшін, әдетте 90% (99% дейін). Пелтон турбинасынан айырмашылығы, Франсис турбинасы әрқашан толығымен сумен толтырылғанда ең жақсы жұмыс істейді. Турбина мен шығару арнасы кавитацияға бейімділікті азайту үшін көл немесе теңіз деңгейінен төмен орналастырылуы мүмкін. Электр энергиясын өндіруден басқа, оларды сорғылы жинақтау үшін де қолдануға болады, онда резервуар турбинамен (сорғы ретінде жұмыс істейді) толтырылады, генератор үлкен электрмотор ретінде жұмыс істейді, ал төмен сұраныс кезеңінде кері айналып, жоғары сұраныс кезінде қуатты өндіруге қолданылады. Бұл сорғылы жинақтағыштар жоғары орналасқан резервуарларда су түрінде "артық" электр энергиясын сақтау үшін үлкен энергия сақтау көздері ретінде қызмет етеді. Бұл электр қуатының уақытша артығын кейінірек пайдалану үшін сақтауға мүмкіндік беретін сирек әдістердің бірі.
Francis turbines may be designed for a wide range of heads and flows. This versatility, along with their high efficiency, has made them the most widely used turbine in the world. Francis type units cover a head range from , and their connected generator output power varies from just a few kilowatts up to 1000 MW. Large Francis turbines are individually designed for each site to operate with the given water flow and water head at the highest possible efficiency, typically over 90% (to 99%). In contrast to the Pelton turbine, the Francis turbine operates at its best completely filled with water at all times. The turbine and the outlet channel may be placed lower than the lake or sea level outside, reducing the tendency for cavitation. In addition to electrical production, they may also be used for pumped storage, where a reservoir is filled by the turbine (acting as a pump) driven by the generator acting as a large electrical motor during periods of low power demand, and then reversed and used to generate power during peak demand. These pump storage reservoirs act as large energy storage sources to store "excess" electrical energy in the form of water in elevated reservoirs. This is one of a few methods that allow temporary excess electrical capacity to be stored for later utilization.
Жалпы әдебиеттер
Лейтон, Эдвин Т. Бас бармақ ережесінен ғылыми инженерияға: Джеймс Б. Фрэнсис және Фрэнсис турбинасын ойлап табу. NLA монографиялық сериясы. Стони Брук, Нью-Йорк: Нью-Йорк штаты университетінің ғылыми-зерттеу қоры, 1992. С. М. Яхья, 13-бет, сурет 1.14.
Layton, Edwin T. From Rule of Thumb to Scientific Engineering: James B. Francis and the Invention of the Francis Turbine. NLA Monograph Series. Stony Brook, NY: Research Foundation of the State University of New York, 1992. S. M. Yahya, page number 13, fig. 1.14.