Francis Turbine Doorsnede Uitgelegd

Artikel

Geschiedenis

De Francis-turbine werd in de jaren 1850 ontwikkeld door James B. Francis. Waterraderen werden al meer dan 1000 jaar gebruikt om nuttig werk te verrichten, maar ze waren inefficiënt. James Francis paste wiskundige principes toe bij het ontwerpen van de Francis-turbine en creëerde een turbine met een efficiëntie van meer dan 90%.

Francis Turbine Doorsnede

Hoewel er nu verschillende varianten van de Francis-turbine beschikbaar zijn, blijven de fundamentele werkingsprincipes hetzelfde als die meer dan 100 jaar geleden werden gebruikt. Naarmate de elektrische energie-industrie de afgelopen 150 jaar groeide, kon de Francis-turbine concurreren met andere aandrijvingen op het gebied van kosten, wat leidde tot het wijdverbreide gebruik voor vele toepassingen.

Verschillende Francis Turbine Variaties

Verschillende Francis Turbine Variaties

Inleiding

Dankzij hun veelzijdige ontwerp zijn Francis-turbines geschikt voor een breed scala aan drukken en debieten. Vanwege dit brede werkingsbereik is de Francis-turbine tegenwoordig het meest voorkomende type waterkracht-turbine.

De Francis-loper kan zowel als hydraulische pomp als hydraulische turbine worden gebruikt, wat een uniek kenmerk is vergeleken met andere veelvoorkomende waterkrachtlopers zoals de Kaplan en Pelton lopers. Pompaccumulatiecentrales maken uitsluitend gebruik van Francis-lopers vanwege dit unieke kenmerk.

De efficiëntie van Francis-turbines overschrijdt vaak 90% wanneer de juiste bedrijfsomstandigheden worden bereikt. Deze efficiëntie neemt niet af totdat de belasting onder de 40% komt.

Theorie van Werking

Francis-turbines zetten potentiële energie om in mechanische energie. Dit type turbine wordt geclassificeerd als een reactieturbine, omdat het werkt binnen een druksysteem en afhankelijk is van een continue waterstroom van de zuig- naar de drukzijde van de turbine.

Constructie

De Francis-turbine bestaat uit een reeks bladen gemonteerd tussen een loperskroon en een loperband. Openingen tussen de bladen laten water stromen van de buitenste omtrek van de loper naar het binnenste gedeelte van de loper; dit type stroming staat bekend als radiale stroming.

Francis Turbine Loper

Francis Turbine Loper

Een spiraalhuis -ook wel een scrollhuis genoemd- wordt gebruikt om een gelijkmatige waterstroom naar de gehele loper te leveren. Een gelijkmatige stroming wordt bereikt door de geleidelijk afnemende dwarsdoorsnede van de behuizing. Naarmate de dwarsdoorsnede afneemt, blijft de snelheid van het water in de behuizing behouden en wordt een gelijkmatige waterstroom naar de loper geleverd.

Francis Turbine Scrollhuis

Francis Turbine Scrollhuis

Leidbladen leiden water naar de loper. Het doel van de leidbladen is om de potentiële energie van het water om te zetten in kinetische energie en om het water onder een optimale hoek in de loper te leiden.

Een trechter wordt gebruikt om een deel van de kinetische energie van het afgevoerde water terug om te zetten in drukenergie. Deze omzetting verhoogt de algehele bedrijfsefficiëntie van de turbine.

Geniet u van dit artikel? Zorg er dan voor dat u onze Waterkrachtcentrales Videocursus bekijkt! De cursus bevat een quiz, een handboek, en u ontvangt een certificaat wanneer u de cursus voltooit. Geniet ervan!

Hoe Francis Turbines Werken

De onderstaande video is een fragment uit onze Introductie tot Waterkrachtcentrales Online Videocursus.

Water wordt geleverd via een onder druk staande watergeleider die bekend staat als een aanvoerleiding. Het water stroomt langs het spiraalhuis en passeert de leidbladen. De leidbladen zetten de potentiële energie van het water om in kinetische energie en kunnen ook worden gebruikt om de stroming naar de loper te starten, stoppen en reguleren.

Het water komt radiaal de Francis-loper binnen, stroomt van buiten naar binnen in de loper. Het water wordt vervolgens naar beneden afgevoerd, uit de basis van de loper; dit type stroming staat bekend als axiale stroming vanwege de stroming in een parallelle richting met de lopersas.

Francis Turbine Doorsnede

Francis Turbine Doorsnede

Omdat de stroming zowel radiaal bij binnenkomst als axiaal bij afvoer is, worden Francis-turbines geclassificeerd als gemengde stroming turbines.

De trechter zet een deel van de resterende kinetische energie van het water om in potentiële energie; het water wordt vervolgens afgevoerd naar de uitlaat.

Stroomopwekking

Zodra water door de loper stroomt, zetten de bladen de potentiële energie van het water om in mechanische energie. De mechanische energie wordt toegepast als koppel op de hoofdass van de loper en de as begint te draaien.

Een gemeenschappelijke as verbindt de loper met een generator, dus wanneer de loper draait, draait ook de rotor van de generator. De rotor van de generator draait binnen een elektromagnetisch veld, en wanneer de rotor door het magnetisch veld beweegt, wordt er stroom geïnduceerd in de statorwikkelingen van de generator. Op dit punt is de mechanische energie geleverd door de Francis-loper omgezet in elektrische energie. De elektrische energie kan nu via een nationaal netwerk naar eindgebruikers worden overgebracht.

Het gehele stroomopwekkingsproces is continu, wat leidt tot een constante, hernieuwbare en betrouwbare vorm van stroomopwekking.