Historia
Turbina Francisa została wynaleziona przez Jamesa B. Francisa w latach 50. XIX wieku. Koła wodne były używane do wykonywania użytecznej pracy przez ponad 1000 lat, ale były nieefektywne. James Francis zastosował zasady matematyczne przy projektowaniu turbiny Francisa i stworzył turbinę o sprawności przekraczającej 90%.
Chociaż obecnie dostępne są różne warianty turbiny Francisa, podstawowe zasady działania pozostają takie same jak te stosowane ponad 100 lat temu. W miarę rozwoju przemysłu energetycznego w ciągu ostatnich 150 lat, turbina Francisa była w stanie konkurować z innymi silnikami pierwotnymi pod względem kosztów, co doprowadziło do jej powszechnego zastosowania w wielu aplikacjach.
Różne warianty turbiny Francisa
Wprowadzenie
Dzięki wszechstronnej konstrukcji, turbiny Francisa nadają się do szerokiego zakresu ciśnień i przepływów. Dzięki temu szerokiemu zakresowi pracy, turbina Francisa jest najczęściej stosowanym typem turbiny hydroelektrycznej obecnie.
Bieg turbinowy Francisa może być używany zarówno jako pompa hydrauliczna, jak i turbina hydrauliczna, co jest unikalną cechą w porównaniu do innych powszechnych biegów hydroelektrycznych, takich jak Kaplan i Pelton . Elektrownie szczytowo-pompowe wykorzystują wyłącznie biegi Francisa, dzięki tej unikalnej cesze.
Sprawność turbin Francisa często przekracza 90% przy odpowiednich warunkach pracy. Ta sprawność nie spada, dopóki obciążenie nie jest poniżej 40%.
Teoria działania
Turbiny Francisa przekształcają energię potencjalną w energię mechaniczną. Ten typ turbiny jest klasyfikowany jako turbina reakcyjna, ponieważ działa w systemie ciśnieniowym i opiera się na ciągłym przepływie wody od strony ssącej do strony ciśnieniowej turbiny.
Konstrukcja
Turbina Francisa składa się z serii łopat zamontowanych pomiędzy wieńcem biegowym a pasem biegowym. Przerwy między łopatami pozwalają wodzie przepływać od zewnętrznej krawędzi bieguna do wewnętrznej części bieguna; ten typ przepływu jest znany jako przepływ promieniowy.
Bieg turbinowy Francisa
Spirala - znana również jako obudowa ślimakowa - jest używana do równomiernego dostarczania wody do całego bieguna. Równomierny przepływ jest osiągany dzięki stopniowo zmniejszającemu się przekrojowi poprzecznemu obudowy. W miarę zmniejszania się przekroju poprzecznego, prędkość wody w obudowie jest utrzymywana, a równomierny przepływ wody jest dostarczany do bieguna.
Obudowa ślimakowa turbiny Francisa
Łopatki kierujące kierują wodę w stronę bieguna. Celem łopatek kierujących jest przekształcenie energii potencjalnej wody w energię kinetyczną oraz skierowanie wody do bieguna pod optymalnym kątem.
Rura ssąca jest używana do przekształcenia części energii kinetycznej wody wypływającej z powrotem w energię ciśnieniową. Ta konwersja zwiększa ogólną sprawność operacyjną turbiny.
Podoba Ci się ten artykuł? W takim razie koniecznie sprawdź nasz Kurs wideo o elektrowniach wodnych! Kurs zawiera quiz, podręcznik, a po jego ukończeniu otrzymasz certyfikat. Miłej nauki!
Jak działają turbiny Francisa
Poniższy film jest fragmentem naszego Wprowadzenia do elektrowni wodnych - kurs online.
Woda jest dostarczana przez przewód ciśnieniowy znany jako rura ciśnieniowa. Woda przepływa przez spiralę i przechodzi przez łopatki kierujące. Łopatki kierujące przekształcają energię potencjalną wody w energię kinetyczną i mogą być również używane do uruchamiania, zatrzymywania i regulacji przepływu do bieguna.
Woda wchodzi do bieguna Francisa promieniowo, przepływając od zewnętrznej do wewnętrznej części bieguna. Następnie woda jest wypuszczana w dół, z podstawy bieguna; ten typ przepływu jest znany jako przepływ osiowy ze względu na przepływ równoległy do osi bieguna.
Przekrój turbiny Francisa
Ponieważ przepływ jest zarówno promieniowy przy wejściu, jak i osiowy przy wypływie, turbiny Francisa są klasyfikowane jako turbiny mieszane.
Rura ssąca przekształca część pozostałej energii kinetycznej wody w energię potencjalną; woda jest następnie wypuszczana do kanału odpływowego.
Generacja energii
Gdy woda przepływa przez bieg, łopatki przekształcają energię potencjalną wody w energię mechaniczną. Energia mechaniczna jest stosowana jako moment obrotowy na głównym wale bieguna, a wał zaczyna się obracać.
Wspólny wał łączy bieg z generatorem, więc gdy bieg się obraca, obraca się również wirnik generatora. Wirnik generatora obraca się w polu elektromagnetycznym, gdy wirnik porusza się przez pole magnetyczne, prąd jest indukowany w uzwojeniach stojana generatora, w tym momencie energia mechaniczna dostarczona przez bieg Francisa została przekształcona w energię elektryczną. Energia elektryczna może teraz być przesyłana przez sieć krajową do końcowych odbiorców.
Cały proces generacji energii jest ciągły, co prowadzi do stałej, odnawialnej i niezawodnej formy generacji energii.
Jak działają elektrownie szczytowo-pompowe
Poniższy film jest fragmentem naszego Wprowadzenia do elektrowni wodnych - kurs online.
Zobacz nasz artykuł o elektrowniach szczytowo-pompowych dla bardziej szczegółowych informacji.
Dodatkowe zasoby
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