Турбина Фрэнсиса: преимущества и области применения

103

Турбина Фрэнсиса — это реактивная турбина, которая работает по принципу преобразования кинетической энергии воды в механическую энергию за счет сочетания радиального и осевого потоков. Американский инженер Джеймс Б. Фрэнсис изобрел ее в середине 19 века. Турбина Фрэнсиса специально разработана для эффективной работы в различных условиях напора воды и расхода, что делает ее подходящей для применения при среднем напоре. Ее отличительная особенность заключается в использовании как неподвижных, так и подвижных направляющих лопаток, которые направляют поток воды к рабочим лопаткам, способствуя оптимальному преобразованию энергии.

Что такое турбина Фрэнсиса?

Рис. 1: Турбина Фрэнсиса

Турбина Фрэнсиса представляет собой замечательное сочетание принципов импульсной и реактивной турбин. Работая как реактивная турбина, она использует энергию воды под высоким давлением, используя как реактивные, так и импульсные силы, возникающие при прохождении воды через ее лопасти. Эта турбина широко используется на гидроэлектростанциях для выработки энергии. Концепция объединения импульсной и реактивной турбин была задумана Джеймсом Б. Фрэнсисом, американским инженером-строителем из Лоуэлла, штат Массачусетс, который спроектировал турбину с водой, поступающей в турбину и выходящей из нее в осевом направлении. Работая в диапазоне напора воды от 40 до 600 метров, эти турбины в основном используются для выработки электроэнергии. Соответствующие электрогенераторы обычно вырабатывают мощность от нескольких киловатт до 800 мегаватт.

Основные детали или конструкция турбины Фрэнсиса

Рис. 2: Детали реактивной турбины

Основные компоненты турбины Фрэнсиса включают:

Спиральный корпус

Спиральный кожух служит впускным отверстием для воды в турбину, позволяя воде под высоким давлением из водохранилища или плотины проходить через него. Для обеспечения эффективного удара о лопатки турбины круговое движение воды контролируется путем постепенного уменьшения диаметра корпуса, поддержания равномерного давления и импульса для эффективного удара о лопатки рабочего колеса.

Опорные лопатки

Стационарные и направляющие лопатки работают в тандеме, направляя поток воды к рабочим лопаткам. Стопорные лопатки предотвращают радиальное завихрение потока, повышая эффективность турбины.

Направляющие лопатки

Регулируемые направляющие лопатки играют жизненно важную роль в регулировании угла падения воды на лопатки турбины, оптимизируя эффективность. Они также регулируют расход воды в рабочих лопатках, позволяя регулировать выходную мощность турбины в зависимости от нагрузки.

Рабочие лопасти

Конструкция рабочих лопаток напрямую влияет на производительность и КПД турбины. В турбине Фрэнсиса рабочие лопасти разделены на две части: нижняя половина имеет форму небольших ковшей, использующих импульсное воздействие для вращения, а верхняя часть использует силу реакции потока воды. Сочетание этих сил облегчает вращение рабочего колеса.

Вытяжная труба

Вытяжная труба используется для устранения разницы давлений на выходе из рабочего колеса. Поскольку давление обычно ниже атмосферного, труба постепенно увеличивается в площади для отвода воды из выходного отверстия турбины в хвостовое кольцо. Это обеспечивает плавный поток воды и предотвращает прямой сброс в хвостовое кольцо.

Принцип работы турбины Фрэнсиса

Принцип работы турбины Фрэнсиса обсуждается в следующих строках:

Вода сначала поступает в рабочее колесо турбины Фрэнсиса через направляющие лопатки или вентили, регулируемые для регулирования расхода.
Начальный ввод включает низкую скорость и высокое давление. При прохождении через лопасти давление преобразуется в скорость, преобразуя гидравлическую энергию в кинетическую.
Эта результирующая кинетическая энергия приводит во вращение колесо турбины.
Выходящая вода движется по вытяжной трубе, постепенно расширяясь и погружаясь в воду, создавая всасывающий напор на выходе из рабочего колеса. Всасывающий напор способствует плавному переходу воды в выпускной канал.

Треугольник скорости турбины Фрэнсиса

Рис. 3: Треугольник скоростей

На приведенной выше диаграмме треугольника скоростей,

$V_{w 1}$ = Скорость вращения на входе

$V_{w 2}$ = Скорость вращения на выходе

$u_{1}$ = Тангенциальная скорость вихря на входе

$u_{2}$ = Тангенциальная скорость вихря на выходе

$V_{f 1}$ = Скорость потока на входе

$V_{f 2}$ = Скорость потока на выходе

$V_{1}$ = Абсолютная скорость воды на входе в рабочий канал

$V_{2}$ = Абсолютная скорость воды на выходе из рабочего колеса

$V_{r 1}$ = Относительная скорость на входе в рабочее колесо

$V_{r 2}$ = Относительная скорость на выходе из рабочего колеса

Φ = Угол наклона лопасти на выходе.

θ = Угол наклона лопасти на входе

α = Угол наклона направляющей лопасти

Треугольник скоростей для входа и выхода турбины Фрэнсиса соответствует тем же принципам, что и для турбины, создающей внутренний поток. Учитывая радиальный расход на выходе, скорость вращения ( $V_{w 2}$ ) становится нулевым, в результате чего получается следующая диаграмма скоростей для турбины Фрэнсиса:

При абсолютной скорости на выходе под углом 90 ° (β = 90 °) диаграмма треугольника скоростей выглядит следующим образом:

Коэффициент расхода ( $K_{f}$ ) = $V_{f 1} / \sqrt{2 g H}$ , с ( $K_{f}$ ) в диапазоне от 0,15 до 0,30.

Соотношение оборотов ( $K_{u}$ ) = $u_{1} / \sqrt{2 g H}$ , с ( $K_{u}$ ) варьируется от 0,6 до 0,9.

Отношение ширины (B1) к диаметру колеса (D1) обозначается буквой «n» и находится в диапазоне от 0,1 до 0,45.

Удельная частота вращения (Нс) турбины, которая представляет собой частоту вращения геометрически аналогичной турбины, производящей единичную мощность при напоре агрегата, определяется уравнением:

\(\начать {уравнение}

N_s=\frac{N \ sqrt{P}}{H ^{5/4}}

\конец{уравнение}\)

Где P представляет мощность на валу, а H — чистый напор турбины.

Конкретная частота вращения является решающим фактором при выборе турбины, определяемым напором воды, частотой вращения и выходной мощностью, которые в совокупности определяют конкретный параметр частоты вращения, влияющий на пригодность турбины для данного применения.

Эффективность турбины Фрэнсиса

Эффективность турбины Фрэнсиса можно оценить по трем основным аспектам:

Механический КПД: Он представляет собой отношение фактической работы, доступной турбине, к энергии, передаваемой колесу.

Механический КПД = (Фактическая производительность турбины) / (Энергия, передаваемая на колесо)

Гидравлический КПД: Этот КПД относится к отношению работы, выполняемой колесом, к напору энергии воды, подаваемой в турбину.

Гидравлический КПД = (Работа, выполняемая на колесе) / (Расход энергии воды, подаваемой на турбину)

Общий КПД: Он обозначает отношение мощности, вырабатываемой турбиной, к энергии, подаваемой на турбину.

Общий КПД = (Мощность, вырабатываемая турбиной) / (Энергия, подаваемая на турбину)

Способ избежать кавитации в турбине Фрэнсиса

Для предотвращения кавитации в турбинах можно использовать несколько методов:

Погружной рабочий орган: Удержание рабочего органа / турбины под водой — эффективный способ избежать зоны кавитации. Обеспечение того, чтобы рабочий орган оставался погруженным в воду, сводит к минимуму риск возникновения кавитации.
Рабочий орган с низкой удельной частотой вращения: Использование рабочего органа с низкой удельной частотой вращения также может помочь избежать кавитации. Турбина может работать без проблем с кавитацией, если выбрать конструкцию рабочего колеса, соответствующую конкретным требованиям к частоте вращения.
Оптимизация конструкции: Проектирование рабочего колеса без кавитации требует обширных исследований и оптимизации. Кавитации можно эффективно избежать, тщательно спроектировав рабочее колесо с учетом конкретных условий.
Полировка поверхности: Уменьшения эффекта кавитации можно добиться путем полировки поверхности рабочего колеса. Покрытие литых стальных направляющих и лопастей нержавеющей сталью повышает их устойчивость к кавитации.
Выбор материала: Выбор материалов с лучшей устойчивостью к кавитации может уменьшить ее воздействие. Литая сталь предпочтительнее чугуна, а нержавеющая сталь или легированная сталь обеспечивают еще большую устойчивость к кавитации.
Правильная удельная частота вращения: Выбор рабочего колеса с соответствующей удельной частотой вращения для данного напора помогает предотвратить кавитацию. Правильное согласование удельной частоты вращения обеспечивает бесперебойную работу турбины без проблем, связанных с кавитацией.

Преимущества турбины Фрэнсиса

Различные преимущества турбины Фрэнсиса заключаются в следующем:

Высокая эффективность в условиях низкого напора воды и высокого расхода.
Универсальность для различных сценариев напора воды и расхода.
Компактные размеры и простота установки.
Возможность регулировки рабочих лопаток для оптимизации производительности.
Использует возобновляемые источники энергии (гидроэнергетику) для производства экологически чистой электроэнергии.
Хорошо подходит для речных установок.
Возможность адаптации к существующим гидротехническим сооружениям и дамбам.
Снижение воздействия на окружающую среду по сравнению с производством электроэнергии на основе ископаемого топлива.
Длительный срок службы при надлежащем техническом обслуживании.

Недостатки турбины Фрэнсиса

К различным недостаткам относятся:

Ограниченное применение в сценариях с высоким напором по сравнению с турбинами Пелтона.
Более высокая сложность и требования к техническому обслуживанию по сравнению с некоторыми другими типами турбин.
Возможные проблемы с кавитацией, особенно в определенных условиях эксплуатации.
Чувствительна к качеству воды, требует надлежащей фильтрации и удаления мусора.
Воздействие на окружающую среду для водной флоры и фауны и схемы миграции рыб в гидроэлектростанциях.
Первоначальные капитальные затраты могут быть относительно выше для проектов меньшего масштаба.
Сезонная изменчивость эффективности из-за изменения расхода воды.

Применение турбины Фрэнсиса

Ниже перечислены области применения турбины Фрэнсиса:

Выработка гидроэлектроэнергии в диапазоне средних напоров.
Плотины и водохранилища для орошения и борьбы с наводнениями.
Системы водоснабжения муниципального и промышленного назначения.
Проекты в области возобновляемых источников энергии по сокращению выбросов углекислого газа.
Централизованное и децентрализованное производство энергии.
Промышленные процессы, требующие механической энергии.
Гидроаккумулирующие сооружения для стабилизации сети.
Комбинированное производство энергии с другими возобновляемыми источниками.
Управление водными ресурсами в сельскохозяйственных системах

Разница между турбинами Фрэнсиса и Каплана

В следующей таблице перечислены различия между турбиной Фрэнсиса и турбиной Каплана

Аспект	Турбина Фрэнсиса	Турбина Каплана
Тип	Реактивная турбина	Импульсная турбина
Применение	Средний напор и высокий расход	Низкий напор и высокий расход
Конструкция рабочего колеса	Радиальный поток	Осевой поток
Управление потоком	Фиксированные направляющие лопасти или регулируемые калитки	Регулируемые лопасти
Эффективность	Высокие напоры при средних	Высокий напор при низких напорах
Регулирование частоты вращения	Ограниченная гибкость	Превосходная гибкость
Конструкция рабочей лопасти	Изогнутые лопасти	Лопасти с регулируемым шагом
Форма рабочего колеса	Коническая или цилиндрическая	Цилиндрическая
Диапазон напора воды	40-600 метров	Менее 40 метров
Диапазон выходной мощности	От нескольких киловатт до 800+ мегаватт	От нескольких сотен киловатт до мегаватт
Конфигурация генератора	Синхронная или асинхронная	Синхронная
Использование вытяжной трубы	ДА	Часто не требуется
Область применения	Универсальная, широко используемая	Ограничена конкретными участками с низким напором