Az egyik olyan elem, amelyet globálisan a vízenergia előállítására használnak, az Francis turbina. Ez egy turbómotor, amelyet James B. Francis fejlesztett ki, és amely reakció és vegyes áramlás révén működik. Ezek olyan hidraulikus turbinák, amelyek képesek az ugrások és áramlások széles skáláját adni, és két métertől több száz méteres lejtőkön működnek.
Ebben a cikkben a Francis turbina összes jellemzőjéről és fontosságáról fogunk beszélni.
Főbb jellemzők
Ez a típusú turbina egyenetlen magasságban képes működni, több métertől több száz méterig. Ilyen módon úgy tervezték, hogy a fejek és áramlások széles skáláján tudjon dolgozni. Az épített nagy hatásfokú ragasztónak és az ahhoz felhasznált anyagoknak köszönhetően ez a modell az egyik leggyakrabban használt lesz a világon. Fő felhasználása a vízerőművek villamosenergia-termelésének területén történik.
A hidroelektromos energia, mint tudjuk, egyfajta megújuló energia, amely a tartályokban lévő vizet elektromos áram előállítására használja fel. Ezeket a turbinákat meglehetősen nehéz és drága megtervezni, de évtizedekig működhetnek. Ezáltal az ilyen típusú turbinák kezdeti költségeibe történő befektetés magasabb lesz, mint a többi. Azonban megéri, mivel a kezdeti beruházás képes megtérülni az első években. Akárcsak a fotovoltaikus energiához, amelyben átlagosan 25 éves élettartamú napelemeket használunk, a 10-15 éves használat során is megtérülhet a beruházás.
A Francis turbina hidrodinamikus kialakítású Magas teljesítményt garantál számunkra, mivel alig vannak vízveszteségek. Meglehetősen robosztusak és alacsony karbantartási költségekkel rendelkeznek. Ez az ilyen típusú turbinák egyik legelőnyösebb pontja, mivel a karbantartás alacsonyabb, és ez csökkenti az általános költségeket. A 800 méternél nagyobb magasságú Francis turbina telepítése egyáltalán nem ajánlott, mivel túl sok a gravitációs variáció. Az ilyen típusú turbinákat szintén nem tanácsos olyan helyekre telepíteni, ahol az áramlás nagy eltéréseket mutat.
Kavitáció a Francis turbinában
A kavitáció fontos szempont, amelyet mindenkor ellenőriznünk kell. Ez egy hidrodinamikai hatás, amely bekövetkezik amikor a turbinákon áthaladó vízben gőzüregek keletkeznek. A vízhez hasonlóan előfordulhat bármely más folyadékban, amely folyékony állapotban van, és amelyen keresztül olyan erőkre hatott, amelyek reagálnak a depresszió különbségeire. Ebben az esetben akkor fordul elő, amikor a folyadék nagy sebességgel halad át egy éles élen, és dekompenzációk vannak a folyadékok és a Bernoulli-konstans megőrzése között.
Előfordulhat, hogy a folyadék gőznyomása olyan, hogy a molekulák azonnal megváltozhatnak, ha gőz lett, és nagyszámú buborék képződik. Ezeket a buborékokat üregekként ismerjük. Innen ered a kavitáció fogalma.
Mindezek a buborékok olyan területekre utazzon, ahonnan nagyobb a nyomás, oda, ahol kisebb a nyomás. Ezen út során a gőz hirtelen visszatér a folyékony állapotba. Ez azt eredményezi, hogy a buborékok összezúzódnak és frusztrálódnak, és olyan gáznyomokat hoznak létre, amelyek nagy mennyiségű energiát termelnek a szilárd felületen, és amelyek az ütközés során megrepedhetnek.
Mindez arra késztet bennünket, hogy figyelembe vegyük a kavitációt a Francis turbinában.
Francis turbina alkatrészek
Ez a típusú turbina különböző részekkel rendelkezik, és mindegyik felelős a vízenergia előállításának garantálásáért. Megvizsgáljuk az alábbi részeket:
- Spirálkamra: A Francis turbina része felelős a folyadék egyenletes elosztásáért a járókerék bemeneténél. Ez a spirálkamra csiga alakú, és azért van, mert a folyadék átlagos sebességének állandónak kell maradnia annak minden pontján. Ez az oka annak, hogy spirál és csiga alakú legyen. Ennek a kamrának a keresztmetszete többféle lehet. Egyrészt téglalap alakú, másrészt kör alakú, a kör alakú a leggyakoribb.
- Predistributor: Ennek a turbinának az a része, amely rögzített pengékből áll. Ezeknek a pengéknek pusztán szerkezeti funkciójuk van. A spirálkamra szerkezetének fenntartására szolgálnak, amelyet fentebb említettünk, és elegendő merevséget biztosítanak ahhoz, hogy a teljes hidrodinamikai szerkezetet támogatni tudja és minimalizálni tudja a vízveszteségeket.
- Elosztó: ezt a részt mozgó vezető lapátok építik. Ezeknek az elemeknek kényelmesen irányítaniuk kell a vizet a rögzített járókerék-arabok felé. Ezenkívül ez az elosztó felelős a Francis turbinán való áthaladáskor megengedett áramlás szabályozásáért. Így lehet módosítani a turbina teljesítményét úgy, hogy azt az elektromos hálózat terhelésváltozásához a lehető legnagyobb mértékben igazítani kell. Ugyanakkor képes irányítani a folyadék áramlását a gép teljesítményének javítása érdekében.
- Járókerék vagy rotor: ez a Francis turbina szíve. Ez azért van, mert itt zajlik az energiacsere az egész gép között. A járókeréken való áthaladás pillanatában a folyadék energiája a mozgási energia, a nyomás energiájának és a magassághoz viszonyított potenciális energia összege. A turbina felelős azért, hogy ezt az energiát elektromos energiává alakítsa át. A járókerék felelős azért, hogy ezt az energiát egy tengelyen keresztül továbbítsák egy elektromos generátorhoz, ahol ezt a végső átalakítást végrehajtják. Különböző formái lehetnek, attól függően, hogy a gép mekkora fordulatszámot tervez.
- Szívócső: Ez az a rész, ahol a folyadék kijön a turbinából. Ennek a résznek az a feladata, hogy folytonosságot biztosítson a folyadék számára, és helyreállítsa a kimeneti vízszint felett lévő létesítményekben elvesztett ugrást. Általánosságban elmondható, hogy ez a rész egy diffúzor formájában van felépítve, így olyan szívóhatást vált ki, amely segít visszanyerni a rotorhoz nem szállított energia egy részét.
Remélem, hogy ezekkel az információkkal többet megtudhat a Francis turbináról.