Турбина Френсиса – это комбинация импульсной и реактивной турбин, в которой лопасти вращаются, используя как реактивную, так и импульсную силу протекающей через них воды, производя электроэнергию более эффективно. Турбина Френсиса используется для производства электроэнергии на гидроэлектростанциях.
В основном существует 2 схемы потока, по которым работают турбины, а именно радиальная и осевая концепции потока. Американский инженер-строитель по имени Джеймс Б. Фрэнсис из Лоуэлла, штат Массачусетс, придумал идею сочетания импульсной и реактивной турбин, где вода входит в турбину радиально, а выходит осевым потоком.
Принцип работы, основные компоненты и применение рассматриваются в этой статье.
Компоненты турбины Френсиса
Основная причина более высокой эффективности турбины Франциска заключается в конструкции лопастей, которые вращаются, используя как реактивную, так и импульсную силу протекающей через них воды. Благодаря использованию этого типа турбин устраняется основная проблема, связанная с наличием напора воды, так как турбина использует как кинетическую, так и потенциальную энергию для производства электроэнергии.
За это она также известна как турбина Mтурбиной смешанного потока.
Основные компоненты турбины Френсиса
Основными компонентами турбины Френсиса являются
1. Спиральный корпус
Спиральный корпус является входной средой для воды в турбину. Вода, вытекающая из водохранилища или плотины, проходит через эту трубу под высоким давлением. Лопасти турбины расположены по кругу, что означает, что вода, попадающая на лопасти турбины, должна течь по круговой оси для эффективного удара. Поэтому используется спиральный корпус, но из-за кругового движения воды он теряет свое давление.
Для поддержания одинакового давления диаметр корпуса постепенно уменьшается, чтобы давление оставалось равномерным, а значит, равномерным был и импульс или скорость, поражающая лопасти бегуна.
2. Опорные лопатки
Подпорные лопатки и направляющие лопатки направляют воду к лопастям бегуна. Лопатки остаются неподвижными в своем положении и уменьшают завихрение воды из-за радиального потока, когда она попадает на лопатки. Таким образом, турбина становится более эффективной.
Подпорные и направляющие лопатки турбины Френсиса.
3. Направляющие лопатки
Направляющие лопатки не являются стационарными, они изменяют свой угол наклона в соответствии с требованиями, чтобы контролировать угол падения воды на лопатки турбины для повышения эффективности. Они также регулируют скорость потока воды на лопатки, тем самым регулируя выходную мощность турбины в зависимости от нагрузки на турбину.
4. Лопатки бегунка
Производительность и эффективность турбины зависят от конструкции рабочих лопаток. В турбине Франциска лопатки разделены на 2 части. Нижняя половина выполнена в форме небольшого ковша, поэтому она использует импульсное воздействие воды для вращения турбины.
Верхняя часть лопастей использует силу реакции воды, протекающей через них. Эти две силы вместе заставляют бегунок вращаться.
5. Черновая труба
Давление на выходе из бегунка реактивной турбины обычно меньше атмосферного. Вода на выходе не может быть напрямую направлена в хвостовую часть. Для отвода воды с выхода турбины в хвостовую часть используется труба или трубка с постепенно увеличивающейся площадью.
Эта труба с увеличивающейся площадью называется черновой трубой. Один конец трубы соединен с выходом турбины, а другой конец погружен ниже уровня воды в хвостовой части.
Как работает турбина Френсиса?
Вода попадает в спиральный корпус турбины, который проводит воду через лопатки и направляющие лопатки. Диаметр спирального корпуса уменьшается, чтобы поддерживать давление потока.
Опорные лопатки, оставаясь неподвижными на своем месте, удаляют завихрения воды, которые образуются при прохождении потока через спиральный корпус, и стараются сделать поток воды более линейным, чтобы он отклонялся регулируемыми направляющими лопатками.
Угол наклона направляющих лопаток определяет угол атаки воды на бегущие лопатки, тем самым обеспечивая выход турбины. Бегущие лопатки неподвижны и не могут наклоняться или изменять свой угол, поэтому все дело в направляющих лопатках, которые контролируют выходную мощность турбины.
Верхняя часть лопастей использует силу реакции воды, протекающей через них. Таким образом, лопатки используют как энергию давления, так и кинетическую энергию воды и вращают турбину наиболее эффективным образом.
Воде, выходящей из лопастей бегуна, не хватает ни кинетической энергии, ни энергии давления, поэтому мы используем вытяжную трубу для восстановления давления по мере продвижения к хвостовой части, но все же мы не можем восстановить давление до такой степени, чтобы остановить попадание воздуха в корпус бегуна, вызывая тем самым кавитацию.
Внешняя турбина Френсиса, присоединенная к динамо-машине.
Применение турбины Френсиса
- Турбина Френсиса является наиболее широко используемой турбиной на гидроэлектростанциях для выработки электроэнергии.
- Турбина смешанного потока также используется в насосных установках для перекачки воды из грунта для орошения.
- Она эффективна в широком диапазоне напора воды и скорости потока.
- Это самая эффективная гидротурбина из всех существующих на сегодняшний день.
- Турбина Каплана – ее компоненты, работа и применение.
- Разница между турбинами Пельтона, Френсиса и Каплана.
- Факторы, влияющие на выбор гидравлической турбины.
- Турбина Пельтона – детали, работа и аспекты конструкции.
- Компоненты гидроэлектростанции и их функции.
- Прочность грунта на сдвиг с помощью испытания на сдвиг лопастью.
- Типы подпорных стен, материалы, экономика и применение.