Francis turbin -Francis turbine

Francis inloppsrulle vid Grand Coulee Dam

Utskärning från sidan av en vertikal Francis-turbin. Här kommer vatten in horisontellt i ett spiralformat rör (spiralhus) lindat runt utsidan av turbinens roterande löpare och kommer ut vertikalt ner genom turbinens centrum.

Francisturbinen är en typ av vattenturbin . Det är en inåtströmmande reaktionsturbin som kombinerar radiellt och axiellt flödeskoncept . Francisturbiner är den vanligaste vattenturbinen som används idag och kan uppnå över 95 % verkningsgrad.

Processen att komma fram till den moderna Francis-löpardesignen tog från 1848 till ungefär 1920. Den blev känd som Francisturbinen runt 1920, uppkallad efter den brittisk-amerikanske ingenjören James B. Francis som 1848 skapade en ny turbindesign.

Francisturbiner används främst för att producera el. Effekten från de elektriska generatorerna varierar i allmänhet från bara några kilowatt upp till 1000 MW, även om mini-hydroinstallationer kan vara lägre. Bäst prestanda ses när huvudhöjden är mellan 100–300 meter (330–980 fot). Pennstockens diametrar är mellan 1 och 10 m (3,3 och 32,8 fot). Hastigheterna för olika turbinenheter sträcker sig från 70 till 1000  rpm . En grind runt utsidan av turbinens roterande löpare styr hastigheten på vattenflödet genom turbinen för olika kraftproduktionshastigheter. Francisturbiner är vanligtvis monterade med en vertikal axel, för att isolera vatten från generatorn. Detta underlättar även installation och underhåll.

Utveckling

Francis turbin delar

Pawtucket Gatehouse i Lowell, Massachusetts; platsen för den första Francis-turbinen

Francis Runner, Grand Coulee Dam

En Francis-turbin vid Raccoon Mountain Pumped-Storage Plant

Vattenhjul av olika slag har använts i mer än 1 000 år för att driva kvarnar av alla slag, men de var relativt ineffektiva. 1800-talets effektivitetsförbättringar av vattenturbiner gjorde det möjligt för dem att ersätta nästan alla vattenhjulstillämpningar och konkurrera med ångmaskiner varhelst vattenkraft var tillgänglig. Efter att elektriska generatorer utvecklades i slutet av 1800-talet var turbiner en naturlig källa till generatorkraft där potentiella vattenkraftskällor fanns.

År 1826 utvecklade den franske ingenjören Benoit Fourneyron en högeffektiv (80 %) utgående vattenturbin. Vatten riktades tangentiellt genom turbinens löpare, vilket fick den att snurra. En annan fransk ingenjör Jean-Victor Poncelet designade en inåtströmningsturbin omkring 1820 som använde samma principer. SB Howd fick ett amerikanskt patent 1838 för en liknande design.

År 1848 förbättrade James B. Francis , medan han arbetade som chefsingenjör för företaget Locks and Canals i den vattenhjulsdrivna textilfabriksstaden Lowell , Massachusetts , på dessa konstruktioner för att skapa effektivare turbiner. Han tillämpade vetenskapliga principer och testmetoder för att producera en mycket effektiv turbindesign. Ännu viktigare, hans matematiska och grafiska beräkningsmetoder förbättrade turbindesign och ingenjörskonst. Hans analytiska metoder gjorde det möjligt att designa högeffektiva turbiner för att exakt matcha en plats vattenflöde och tryck ( vattenhöjd ).

Komponenter

En Francis-turbin består av följande huvuddelar:

Spiralhölje : Spiralhöljet runt turbinens löpare är känt som spiralhöljet eller scrollhöljet. Över hela sin längd har den många öppningar med jämna mellanrum för att tillåta arbetsvätskan att träffa löparens blad. Dessa öppningar omvandlar vätskans tryckenergi till kinetisk energi precis innan vätskan träffar bladen. Detta bibehåller en konstant hastighet trots det faktum att ett flertal öppningar har tillhandahållits för vätskan att komma in i bladen, eftersom tvärsnittsarean av detta hölje minskar likformigt längs omkretsen.

Styr- och stagskovlar : Styr- och stagskovlarnas primära funktion är att omvandla vätskans tryckenergi till kinetisk energi. Det tjänar också till att rikta flödet i designvinklar till löparbladen.

Löparblad : Löparblad är hjärtat i alla turbiner. Dessa är centra där vätskan träffar och den tangentiella kraften från stöten producerar vridmoment som får turbinens axel att rotera. Noggrann uppmärksamhet på utformningen av bladvinklarna vid inlopp och utlopp är nödvändig, eftersom dessa är viktiga parametrar som påverkar kraftproduktionen.

Draft tube : Draft tube är en ledning som förbinder löparutgången med tail race där vattnet släpps ut från turbinen. Dess primära funktion är att minska hastigheten på utsläppt vatten för att minimera förlusten av kinetisk energi vid utloppet. Detta gör att turbinen kan ställas över bakvattnet utan nämnvärd minskning av tillgängligt tryck.

Operationsteori

Three Gorges Dam Francis turbinlöpare, på Yangtzefloden , Kina

Francisturbinen är en typ av reaktionsturbin, en kategori av turbiner där arbetsvätskan kommer till turbinen under enormt tryck och energin utvinns av turbinbladen från arbetsvätskan. En del av energin avges av vätskan på grund av tryckförändringar som sker på turbinens blad, kvantifierade genom uttrycket av reaktionsgraden , medan den återstående delen av energin utvinns av turbinens spiralhölje. Vid utgången verkar vatten på de snurrande koppformade löparfunktionerna, och lämnar med låg hastighet och låg virvling med mycket lite kinetisk eller potentiell energi kvar. Turbinens utloppsrör är format för att bromsa vattenflödet och återställa trycket.

• 

  Francis turbin (exteriör vy) kopplad till en generator

• 

  Utskuren vy, med gånggrindar (gul) vid lägsta flödesinställning

• 

  Utskuren vy, med gånggrindar (gul) vid fullflödesinställning

Bladeffektivitet

Idealhastighetsdiagram, som illustrerar att i ideala fall virvelkomponenten av utloppshastigheten är noll och flödet är helt axiellt

_{Vanligtvis förblir} flödeshastigheten (hastigheten vinkelrätt mot tangentiell riktning) konstant genomgående, dvs Vf1 = _Vf2 och är lika med den vid inloppet till dragröret . Med Euler-turbinekvationen, E / m = e = V _w1 U ₁ , där e är energiöverföringen till rotorn per massenhet av vätskan. Från inloppshastighetstriangeln,

${\displaystyle V_{w1}=V_{f1}\cot \alpha _{1}}$

och

${\displaystyle U_{1}=V_{f1}(\cot \alpha _{1}+\cot \beta _{1}),}$

Därför

${\displaystyle e=V_{f1}^{2}\cot \alpha _{1}(\cot \alpha _{1}+\cot \beta _{1}).}$

Förlusten av kinetisk energi per massenhet vid utloppet är Vf22 _/ ² . Därför, försumma friktion, blir bladets effektivitet

${\displaystyle \eta _{b}={e \over (e+V_{f2}^{2}/2)},}$

dvs

${\displaystyle \eta _{b}={\frac {2V_{f1}^{2}(\cot \alpha _{1}(\cot \alpha _{1}+\cot \beta _{1}) )}{V_{f2}^{2}+2V_{f1}^{2}(\cot \alpha _{1}(\cot \alpha _{1}+\cot \beta _{1}))} }\,.}$

Reaktionsgrad

Faktisk hastighetsdiagram som illustrerar att virvelkomponenten för utloppshastigheten inte är noll

Reaktionsgrad kan definieras som förhållandet mellan tryckenergiförändringen i bladen och vätskans totala energiförändring. Detta betyder att det är ett förhållande som indikerar den del av den totala förändringen i vätsketrycksenergin som sker i turbinens blad. Resten av förändringarna sker i turbinernas statorblad och spiralhöljet eftersom det har en varierande tvärsnittsarea. Till exempel, om reaktionsgraden anges som 50 %, betyder det att hälften av den totala energiförändringen av vätskan sker i rotorbladen och den andra hälften sker i statorbladen. Om reaktionsgraden är noll betyder det att energiförändringarna på grund av rotorbladen är noll, vilket leder till en annan turbindesign som kallas Pelton-turbinen .

${\displaystyle R=1-{\frac {V_{1}^{2}-V_{2}^{2}}{2e}}=1-{\frac {V_{1}^{2}-V_ {f2}^{2}}{2e}}}$

Den andra likheten ovan gäller, eftersom urladdningen är radiell i en Francis-turbin. Nu sätter du in värdet på "e" ovanifrån och använder (som ) ${\displaystyle V_{1}^{2}-V_{f2}^{2}=V_{f1}^{2}\cot \alpha _{2}}$${\displaystyle V_{f2}=V_{f1}}$

${\displaystyle R=1-{\frac {\cot \alpha _{1}}{2(\cot \alpha _{1}+\cot \beta _{1})}}}$

Ansökan

Liten schweizisktillverkad Francis-turbin

Francisturbiner kan utformas för ett brett spektrum av tryckhöjder och flöden. Denna mångsidighet, tillsammans med deras höga effektivitet, har gjort dem till den mest använda turbinen i världen. Enheter av Francis-typ täcker ett huvudområde från 40 till 600 m (130 till 2 000 fot), och deras anslutna generatoreffekt varierar från bara några kilowatt upp till 1000 MW. Stora Francis-turbiner är individuellt utformade för varje plats för att arbeta med det givna vattenflödet och vattenhöjden med högsta möjliga verkningsgrad, vanligtvis över 90 % (till 99 %).

Till skillnad från Pelton-turbinen fungerar Francis-turbinen som bäst helt fylld med vatten hela tiden. Turbinen och utloppskanalen kan placeras lägre än sjön eller havsytan utanför, vilket minskar tendensen till kavitation .

Förutom elektrisk produktion kan de också användas för pumpad lagring , där en reservoar fylls av turbinen (som fungerar som en pump) som drivs av generatorn som fungerar som en stor elektrisk motor under perioder med låg effektbehov, och sedan vänds och används för att generera ström under toppbehov. Dessa pumplagringsreservoarer fungerar som stora energilagringskällor för att lagra "överskott" av elektrisk energi i form av vatten i förhöjda reservoarer. Detta är en av få metoder som gör att tillfällig överskottskapacitet kan lagras för senare användning.

Se även

Citat

Allmän bibliografi