Введение
Тип водяной турбины
Турбина Франсиса – это тип водяной турбины. Это реактивная турбина с внутренним потоком, сочетающая принципы радиального и осевого потока. Турбины Франсиса являются наиболее распространенным типом водяных турбин, используемых в настоящее время, и могут достигать эффективности свыше 95%. Она получила название турбина Франсиса примерно в 1920 году в честь британско-американского инженера Джеймса Б. Франсиса, который в 1848 году разработал новую конструкцию турбины. Диаметры напорных труб варьируются. Скорость различных турбинных агрегатов составляет от 70 до 1000 об/мин. Регулирующие лопатки, расположенные по окружности рабочего колеса турбины, управляют расходом воды через турбину для обеспечения различных уровней выработки электроэнергии. Турбины Франсиса обычно монтируются с вертикальным валом для изоляции воды от генератора, что также облегчает монтаж и обслуживание.
Разработка
Водяные колеса различных типов использовались более 1000 лет для привода мельниц всех видов, но они были относительно неэффективны. Усовершенствования эффективности водяных турбин в XIX веке позволили им заменить почти все применения водяных колёс и конкурировать с паровыми двигателями везде, где была доступна энергия воды. После разработки электрических генераторов в конце 1800-х годов турбины стали естественным источником энергии для генераторов там, где существовали потенциальные источники гидроэнергии. В 1826 году французский инженер Бенуа Фурнейрон разработал высокоэффективную (80%) турбину с оттоком воды. Вода направлялась по касательной через рабочее колесо турбины, заставляя его вращаться. Примерно в 1820 году другой французский инженер, Жан Виктор Понселе, спроектировал турбину с притоком воды, использующую те же принципы. С. Б. Хауд получил патент США в 1838 году на аналогичную конструкцию. В 1848 году Джеймс Б. Фрэнсис, работая главным инженером компании Locks and Canals на текстильной фабрике, приводимой в движение водяным колесом, в городе Лоуэлл, штат Массачусетс, усовершенствовал эти конструкции для создания более эффективных турбин. Он применил научные принципы и методы испытаний для создания высокоэффективной конструкции турбины. Более того, его математические и графические методы расчёта усовершенствовали проектирование и конструирование турбин. Его аналитические методы позволили проектировать высокоэффективные турбины, точно соответствующие расходу и напору воды (гидростатическому напору) на конкретном участке.
Теория действия
Турбина Франсиса — это тип реактивной турбины, категория турбин, в которой рабочая жидкость поступает в турбину под большим давлением, а энергия извлекается из рабочей жидкости лопастями турбины. Часть энергии теряется жидкостью вследствие изменения давления на лопастях турбины, что определяется степенью реакции, а оставшаяся часть энергии извлекается волютной камерой турбины. На выходе вода воздействует на вращающиеся лопасти рабочего колеса, покидая его на низкой скорости и с малым завихрением, практически не имея кинетической или потенциальной энергии. Выходной трубопровод турбины имеет форму, способствующую замедлению потока воды и восстановлению давления.
Степень реакции
Степень реакции может быть определена как отношение изменения энергии давления в рабочих лопатках к общему изменению энергии жидкости. Это означает, что это отношение показывает, какая часть от общего изменения энергии жидкости происходит в рабочих лопатках турбины. Остальные изменения происходят в направляющих лопатках турбины и в улиточном корпусе, имеющем переменное площадь поперечного сечения. Например, если степень реакции составляет 50%, это означает, что половина общего изменения энергии жидкости происходит в рабочих лопатках ротора, а другая половина – в направляющих лопатках статора. Если степень реакции равна нулю, это означает, что изменение энергии, вызванное рабочими лопатками ротора, равно нулю, что приводит к другой конструкции турбины, называемой турбиной Пелтона. Второе равенство выше справедливо, поскольку отток в турбине Франсиса радиальный. Теперь, подставляя значение 'e' из вышеприведенного и используя (как)
Применение
Турбины Франсиса могут быть спроектированы для широкого диапазона напоров и расходов воды. Эта универсальность, в сочетании с высокой эффективностью, сделала их наиболее широко используемыми турбинами в мире. Установки типа Франсиса охватывают диапазон напоров от , а выходная мощность подключенного генератора варьируется от нескольких киловатт до 1000 МВт. Крупные турбины Франсиса разрабатываются индивидуально для каждого объекта, чтобы работать с заданным расходом воды и напором с максимально возможной эффективностью, обычно более 90% (до 99%). В отличие от турбины Пелтона, турбина Франсиса работает оптимально, будучи полностью заполненной водой в любое время. Расположение турбины и выпускного канала ниже уровня озера или моря снижает склонность к кавитации. Помимо выработки электроэнергии, турбины Франсиса могут использоваться в системах накопления энергии методом гидроаккумуляции, где резервуар заполняется турбиной, работающей как насос, приводимой в действие генератором, функционирующим как мощный электродвигатель в периоды низкого спроса на электроэнергию, а затем процесс обращается для выработки электроэнергии в периоды пикового спроса. Эти гидроаккумулирующие резервуары служат крупными накопителями энергии, позволяющими хранить "избыточную" электроэнергию в виде воды в возвышенных резервуарах. Это один из немногих способов временного хранения избыточной электрической мощности для последующего использования.
Общая библиография
Лейтон, Эдвин Т. От эмпирических методов к научной инженерии: Джеймс Б. Фрэнсис и изобретение турбины Фрэнсиса. Серия монографий NLA. Стони-Брук, Нью-Йорк: Исследовательский фонд Государственного университета Нью-Йорка, 1992. С. М. Яхья, с. 13, рис. 1.14.