Storia
La turbina Francis fu sviluppata da James B. Francis negli anni 1850. Le ruote idrauliche erano state utilizzate per svolgere lavori utili per oltre 1.000 anni, ma erano inefficienti. James Francis applicò principi matematici nella progettazione della turbina Francis, creando una turbina con un'efficienza superiore al 90%.
Sezione Trasversale della Turbina Francis
Nonostante siano disponibili diverse varianti della turbina Francis, i principi operativi fondamentali rimangono invariati da oltre un secolo. Con l'espansione dell'industria dell'energia elettrica negli ultimi 150 anni, la turbina Francis è riuscita a competere con altri motori primari in termini di costo, portando al suo ampio utilizzo in molte applicazioni.
Diverse Varianti di Turbina Francis
Introduzione
Grazie al loro design versatile, le turbine Francis sono adatte per un'ampia gamma di pressioni e portate. Questo ampio intervallo operativo rende la turbina Francis il tipo più comune di turbina idroelettrica utilizzata oggi.
Il rotore Francis può essere utilizzato sia come pompa idraulica che come turbina idraulica, una caratteristica unica rispetto ad altri rotori idroelettrici comuni come i rotori Kaplan e Pelton . Le centrali di accumulo a pompaggio impiegano esclusivamente rotori Francis, grazie a questa caratteristica unica.
L'efficienza delle turbine Francis spesso supera il 90% quando vengono soddisfatte le condizioni operative ottimali. Questa efficienza non diminuisce fino a quando il carico non scende al di sotto del 40%.
Teoria del Funzionamento
Le turbine Francis convertono l'energia potenziale in energia meccanica. Questo tipo di turbina è classificato come turbina a reazione, poiché opera all'interno di un sistema di pressione e si basa su un flusso continuo d'acqua dal lato di aspirazione al lato di pressione della turbina.
Costruzione
La turbina Francis è composta da una serie di palette montate tra una corona del rotore e una fascia del rotore. Gli spazi tra le palette permettono all'acqua di fluire dalla periferia esterna del rotore alla sezione interna del rotore; questo tipo di flusso è noto come flusso radiale.
Rotore della Turbina Francis
Un cassa a spirale - conosciuta anche come cassa a chiocciola - viene utilizzata per fornire un flusso uniforme d'acqua all'intero rotore. Il flusso uniforme è ottenuto grazie alla graduale diminuzione dell'area della sezione trasversale della cassa. Man mano che l'area della sezione trasversale diminuisce, la velocità dell'acqua nella cassa viene mantenuta e un flusso uniforme d'acqua viene fornito al rotore.
Cassa a Chiocciola della Turbina Francis
Le pale guida dirigono l'acqua verso il rotore. Lo scopo delle pale guida è convertire l'energia potenziale dell'acqua in energia cinetica e dirigere l'acqua nel rotore ad un angolo ottimale.
Un tubo di scarico viene utilizzato per convertire parte dell'energia cinetica dell'acqua scaricata in energia di pressione. Questa conversione aumenta l'efficienza operativa complessiva della turbina.
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Come Funzionano le Turbine Francis
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L'acqua viene fornita attraverso un condotto d'acqua pressurizzato noto come condotta forzata. L'acqua scorre lungo la cassa a spirale e passa attraverso le pale guida. Le pale guida convertono l'energia potenziale dell'acqua in energia cinetica e possono anche essere utilizzate per avviare, fermare e regolare il flusso verso il rotore.
L'acqua entra nel rotore Francis radialmente, scorrendo dall'esterno verso l'interno del rotore. L'acqua viene quindi scaricata verso il basso, fuori dalla base del rotore; questo tipo di flusso è noto come flusso assiale a causa del flusso in direzione parallela all'asse del rotore.
Sezione Trasversale della Turbina Francis
Poiché il flusso è sia radiale all'ingresso che assiale allo scarico, le turbine Francis sono classificate come turbine a flusso misto.
Il tubo di scarico converte parte dell'energia cinetica residua dell'acqua in energia potenziale; l'acqua viene quindi scaricata nel canale di scarico.
Generazione di Energia
Una volta che l'acqua scorre attraverso il rotore, le palette convertono l'energia potenziale dell'acqua in energia meccanica. L'energia meccanica viene applicata come coppia sull'albero principale del rotore e l'albero inizia a ruotare.
Un albero comune collega il rotore a un generatore, quindi mentre il rotore ruota, ruota anche il rotore del generatore. Il rotore del generatore ruota all'interno di un campo elettromagnetico, mentre il rotore si muove attraverso il campo magnetico, la corrente viene indotta negli avvolgimenti dello statore del generatore, a questo punto l'energia meccanica fornita dal rotore Francis è stata convertita in energia elettrica. L'energia elettrica può ora essere trasferita attraverso una rete nazionale ai consumatori finali.
L'intero processo di generazione di energia è continuo, il che porta a una forma di generazione di energia costante, rinnovabile e affidabile.
Come Funzionano le Centrali di Accumulo a Pompaggio
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Risorse Aggiuntive
https://en.wikipedia.org/wiki/Francis_turbine
https://theconstructor.org/practical-guide/francis-turbines-components-application/2900/
https://lesics.com/how-does-francis-turbine-work.html
https://blog.gridpro.com/understanding-the-flow-through-francis-turbine