Jednym z elementów najczęściej używanych na świecie do wytwarzania energii hydroelektrycznej jest Francis turbina. Jest to maszyna turbo opracowana przez Jamesa B. Francisa, która działa na zasadzie reakcji i przepływu mieszanego. Są to turbiny hydrauliczne zdolne do wykonywania szerokiego zakresu skoków i przepływów, które pracują na zboczach od dwóch do kilkuset metrów.
W tym artykule przedstawimy wszystkie cechy i znaczenie turbiny Francisa.
Główne cechy
Ten typ turbiny może pracować na nierównych poziomach wysokości od kilku do kilkuset metrów. W ten sposób został zaprojektowany tak, aby mógł pracować w szerokim zakresie wysokości i przepływów. Dzięki zbudowanemu wysokowydajnemu klejowi i zastosowanym materiałom model ten będzie jednym z najczęściej używanych na świecie. Jego głównym zastosowaniem jest produkcja energii elektrycznej w elektrowniach wodnych.
Jak wiemy, energia wodna jest rodzajem energii odnawialnej, która wykorzystuje wodę w zbiornikach do generowania prądu elektrycznego. Te turbiny są dość trudne i drogie w projektowaniu do zainstalowania, ale mogą działać przez dziesięciolecia. To sprawia, że inwestycja w początkowy koszt tego typu turbin jest wyższa niż reszta. Warto jednak, bo początkowa inwestycja może zostać zwrócona w ciągu pierwszych kilku lat. Podobnie jak w przypadku energii fotowoltaicznej, w której wykorzystujemy panele słoneczne o średnim okresie użytkowania 25 lat, inwestycję możemy odzyskać w ciągu 10-15 lat użytkowania.
Turbina Francisa charakteryzuje się hydrodynamiczną konstrukcją Gwarantuje nam wysoką wydajność dzięki temu, że nie ma prawie żadnych strat wody. Są dość solidne z wyglądu i mają niskie koszty utrzymania. Jest to jeden z najkorzystniejszych punktów tego typu turbin, ponieważ konserwacja jest niższa, a co za tym idzie obniża koszty ogólne. Instalacja turbiny Francisa o wysokości większej niż 800 metrów nie jest w ogóle zalecana, ponieważ występuje zbyt wiele wahań grawitacji. Nie zaleca się również instalowania tego typu turbiny w miejscach, w których występują duże wahania przepływu.
Kawitacja w turbinie Francisa
Kawitacja to ważny aspekt, który musimy zawsze kontrolować. Występuje efekt hydrodynamiczny kiedy w wodzie przepływającej przez turbiny powstają jamy parowe. Podobnie jak w przypadku wody, może wystąpić z każdym innym płynem, który jest w stanie ciekłym i przez który działa na siły reagujące na różnice w depresji. W tym przypadku dzieje się tak, gdy płyn przechodzi z dużą prędkością przez ostrą krawędź i występują dekompensacje między płynami i zachowanie stałej Bernoulliego.
Może się zdarzyć, że prężność pary cieczy jest w taki sposób, że cząsteczki mogą się zmienić natychmiast po jej odparowaniu i powstaje duża liczba pęcherzyków. Te bąbelki są znane jako ubytki. Stąd koncepcja kawitacji.
Wszystkie te bąbelki podróżować do obszarów, z których występuje wyższe ciśnienie, do miejsc, w których ciśnienie jest mniejsze. Podczas tej podróży para nagle powraca do stanu ciekłego. Powoduje to, że bąbelki w końcu się miażdżą i frustrują, tworząc ślad gazu, który wytwarza dużą ilość energii na stałej powierzchni i może pęknąć podczas uderzenia.
Wszystko to sprawia, że musimy liczyć się z kawitacją w turbinie Francisa.
Francis części turbin
Turbiny tego typu składają się z różnych części, a każda z nich odpowiada za zapewnienie wytwarzania energii hydroelektrycznej. Przeanalizujemy każdą z tych części:
- Komora spiralna: Jest to część turbiny Francisa odpowiedzialna za równomierne rozprowadzanie płynu na wlocie wirnika. Ta spiralna komora ma kształt ślimaka, a to dlatego, że średnia prędkość płynu musi być stała w każdym jej punkcie. Dlatego musi mieć kształt spirali i ślimaka. Przekrój tej komory może być różnych typów. Z jednej strony prostokątny, z drugiej okrągły, najczęściej okrągły.
- Dystrybutor: Jest to część tej turbiny, która składa się z nieruchomych łopatek. Te ostrza pełnią funkcję czysto strukturalną. Służą one do zachowania struktury komory spiralnej, o której wspominaliśmy powyżej, i nadają jej wystarczającą sztywność, aby móc podeprzeć całą strukturę hydrodynamiczną i zminimalizować straty wody.
- Dystrybutor: ta część jest zbudowana przez ruchome kierownice. Elementy te muszą dogodnie kierować wodę w kierunku wirnika Arabów, który jest zamocowany. Ponadto ten dystrybutor jest odpowiedzialny za regulację przepływu, który jest dozwolony podczas przechodzenia przez turbinę Francisa. W ten sposób można modyfikować moc turbiny, tak aby była dostosowana do zmian obciążenia sieci elektrycznej w jak największym stopniu. Jednocześnie może kierować przepływem płynu w celu poprawy wydajności maszyny.
- Wirnik lub wirnik: jest sercem turbiny Francisa. Dzieje się tak, ponieważ jest to miejsce, w którym następuje wymiana energii między całą maszyną. Energia płynu, która normalnie przechodzi przez wirnik, jest sumą energii kinetycznej, energii ciśnienia i energii potencjalnej w odniesieniu do wysokości. Turbina jest odpowiedzialna za zamianę tej energii na energię elektryczną. Wirnik jest odpowiedzialny za przekazywanie tej energii przez wał do generatora elektrycznego, gdzie odbywa się ta końcowa konwersja. Może mieć kilka form w zależności od określonej liczby obrotów, do jakiej maszyna jest zaprojektowana.
- Rura ssąca: Jest to część, w której płyn wypływa z turbiny. Zadaniem tej części jest zapewnienie ciągłości płynu i odzyskanie skoku, który został utracony w obiektach znajdujących się powyżej poziomu wody wylotowej. Ogólnie rzecz biorąc, ta część jest zbudowana w postaci dyfuzora, dzięki czemu generuje efekt ssania, który pomaga odzyskać część energii, która nie została dostarczona do wirnika.
Mam nadzieję, że dzięki tym informacjom dowiesz się więcej o turbinie Francisa.