Francis türbini -Francis turbine

Grand Coulee Barajı'nda Francis giriş kaydırma

Dikey bir Francis türbininin yan görünüm kesiti. Burada su, türbinin dönen çarkının dışına sarılmış spiral şekilli bir boru (spiral kasa) içinde yatay olarak girer ve türbinin merkezinden dikey olarak aşağı doğru çıkar.

Francis türbini bir tür su türbinidir . Radyal ve eksenel akış kavramlarını birleştiren içe akışlı bir reaksiyon türbinidir . Francis türbinleri, günümüzde kullanılan en yaygın su türbinidir ve %95'in üzerinde verimlilik sağlayabilir.

Modern Francis koşucu tasarımına ulaşma süreci 1848'den yaklaşık 1920'ye kadar sürdü. 1920'lerde Francis türbini olarak tanındı ve adını 1848'de yeni bir türbin tasarımı yaratan İngiliz-Amerikalı mühendis James B. Francis'ten aldı.

Francis türbinleri öncelikle elektrik üretmek için kullanılır. Elektrik jeneratörlerinin güç çıkışı genellikle birkaç kilovattan 1000 MW'a kadar değişir, ancak mini hidro kurulumlar daha düşük olabilir. En iyi performans, kafa yüksekliği 100–300 metre (330–980 ft) arasında olduğunda görülür . Cebri boru çapları 1 ile 10 m (3,3 ile 32,8 ft) arasındadır. Farklı türbin ünitelerinin hızları 70 ile 1000  rpm arasında değişmektedir . Türbin döner çarkının dış tarafındaki küçük kapı , farklı güç üretim oranları için türbinden geçen su akış hızını kontrol eder. Francis türbinleri, suyu jeneratörden izole etmek için genellikle dikey bir şaftla monte edilir. Bu aynı zamanda kurulum ve bakımı da kolaylaştırır.

Gelişim

Francis türbin parçaları

Lowell, Massachusetts'teki Pawtucket Gatehouse ; ilk Francis türbininin sitesi

Francis Runner, Grand Coulee Barajı

Raccoon Dağı Pompalı Depolama Tesisinde bir Francis türbini

Farklı tipteki su çarkları , 1000 yıldan fazla bir süredir her türden değirmenlere güç sağlamak için kullanılmaktadır, ancak bunlar nispeten verimsizdir. Su türbinlerinin on dokuzuncu yüzyıldaki verimlilik iyileştirmeleri, neredeyse tüm su çarkı uygulamalarını değiştirmelerine ve su gücünün olduğu her yerde buhar motorlarıyla rekabet etmelerine izin verdi . 1800'lerin sonlarında elektrik jeneratörleri geliştirildikten sonra , türbinler, potansiyel hidroelektrik kaynaklarının bulunduğu doğal bir jeneratör gücü kaynağıydı.

1826'da Fransız mühendis Benoit Fourneyron , yüksek verimli (%80) dışa akışlı bir su türbini geliştirdi. Su, türbin çarkından teğetsel olarak yönlendirilerek dönmesine neden oldu. Başka bir Fransız mühendis Jean-Victor Poncelet , yaklaşık 1820'de aynı prensipleri kullanan içe doğru akışlı bir türbin tasarladı. SB Howd, benzer bir tasarım için 1838'de bir ABD patenti aldı.

1848'de James B. Francis , Massachusetts, Lowell'deki su çarkı ile çalışan tekstil fabrikasında Locks and Canals şirketinin baş mühendisi olarak çalışırken, daha verimli türbinler yaratmak için bu tasarımları geliştirdi. Çok verimli bir türbin tasarımı üretmek için bilimsel ilkeleri ve test yöntemlerini uyguladı. Daha da önemlisi, matematiksel ve grafiksel hesaplama yöntemleri türbin tasarımını ve mühendisliğini geliştirdi. Onun analitik yöntemleri, bir sahanın su akışı ve basıncına ( su yüksekliği) tam olarak uyması için yüksek verimli türbinlerin tasarımına izin verdi .

Bileşenler

Bir Francis türbini aşağıdaki ana parçalardan oluşur:

Spiral mahfaza : Türbin çarkının etrafındaki spiral mahfaza, sarmal mahfaza veya kaydırma mahfazası olarak bilinir. Uzunluğu boyunca, çalışma sıvısının koşucunun bıçaklarına çarpmasını sağlamak için düzenli aralıklarla çok sayıda açıklığa sahiptir. Bu açıklıklar, sıvının kanatlara çarpmasından hemen önce sıvının basınç enerjisini kinetik enerjiye dönüştürür. Bu, sıvının kanatlara girmesi için çok sayıda açıklığın sağlanmış olmasına rağmen, bu muhafazanın enine kesit alanı çevre boyunca üniform olarak azaldığından, sabit bir hızı korur.

Kılavuz ve sabit kanatlar : Kılavuz ve sabit kanatların birincil işlevi, sıvının basınç enerjisini kinetik enerjiye dönüştürmektir. Aynı zamanda tasarım açılarında akışı, yolluk kanatlarına yönlendirmeye de hizmet eder.

Yolluk kanatları : Yolluk kanatları, herhangi bir türbinin kalbidir. Bunlar sıvının çarptığı ve çarpmanın teğetsel kuvvetinin türbin şaftının dönmesine neden olan tork ürettiği merkezlerdir. Güç üretimini etkileyen ana parametreler olduğundan, giriş ve çıkıştaki kanat açılarının tasarımına çok dikkat edilmesi gerekir.

Çekme tüpü : Çekme tüpü, koşucu çıkışını suyun türbinden boşaltıldığı kuyruk yuvasına bağlayan bir kanaldır. Birincil işlevi, çıkıştaki kinetik enerji kaybını en aza indirmek için boşaltılan suyun hızını azaltmaktır. Bu, türbinin mevcut yükte kayda değer bir düşüş olmadan kuyruk suyunun üzerine ayarlanmasına izin verir.

Operasyon teorisi

Üç Boğaz Barajı Francis türbin koşucusu, Yangtze Nehri , Çin

Francis türbini, çalışma sıvısının türbine muazzam basınç altında geldiği ve enerjinin türbin kanatları tarafından çalışma sıvısından çekildiği bir türbin kategorisi olan bir tür reaksiyon türbinidir. Enerjinin bir kısmı, türbin kanatlarında meydana gelen ve reaksiyon derecesinin ifadesi ile ölçülen basınç değişiklikleri nedeniyle sıvı tarafından verilirken, enerjinin geri kalan kısmı türbinin kıvrımlı gövdesi tarafından çıkarılır. Çıkışta, su dönen çanak şeklindeki koşucu özellikleri üzerinde etki eder ve çok az kinetik veya potansiyel enerji bırakarak düşük hızda ve düşük girdapta bırakır . Türbin çıkış borusu, su akışını yavaşlatmaya ve basıncı geri kazanmaya yardımcı olacak şekilde şekillendirilmiştir.

• 

  Bir jeneratöre bağlı Francis türbini (dış görünüm)

• 

  Minimum akış ayarında personel kapıları (sarı) ile kesit görünümü

• 

  Tam akış ayarında personel kapıları (sarı) ile kesit görünümü

Bıçak verimliliği

İdeal durumlarda çıkış hızının girdap bileşeninin sıfır olduğunu ve akışın tamamen eksenel olduğunu gösteren ideal hız diyagramı

Genellikle akış hızı (teğet yöne dik hız) boyunca sabit kalır, yani V _f1 = V _f2 ve çekme borusunun girişindeki hıza eşittir. Euler türbin denklemini kullanarak, E / m = e = V _w1 U ₁ , burada e , akışkanın birim kütlesi başına rotora enerji aktarımıdır. Giriş hız üçgeninden,

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

ve

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

Öyleyse

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

Çıkışta birim kütle başına kinetik enerji kaybı V _f2 ² /2'dir . Bu nedenle, sürtünme ihmal edildiğinde kanat verimliliği

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

yani

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

reaksiyon derecesi

Çıkış hızının girdap bileşeninin sıfır olmadığını gösteren gerçek hız diyagramı

Reaksiyon derecesi, kanatlardaki basınç enerjisi değişiminin sıvının toplam enerji değişimine oranı olarak tanımlanabilir. Bu, türbin kanatlarında meydana gelen sıvı basıncı enerjisindeki toplam değişimin fraksiyonunu gösteren bir oran olduğu anlamına gelir. Değişikliklerin geri kalanı, değişen bir kesit alanına sahip olduğu için türbinlerin stator kanatlarında ve salyangoz muhafazasında meydana gelir. Örneğin reaksiyon derecesi %50 olarak verilirse, akışkanın toplam enerji değişiminin yarısının rotor kanatlarında, diğer yarısının stator kanatlarında meydana geldiği anlamına gelir. Reaksiyon derecesinin sıfır olması, rotor kanatlarından kaynaklanan enerji değişimlerinin sıfır olduğu anlamına gelir ve bu da Pelton Türbin adı verilen farklı bir türbin tasarımına yol açar .

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

Yukarıdaki ikinci eşitlik, bir Francis türbininde deşarj radyal olduğu için geçerlidir. Şimdi, yukarıdan 'e' değerini koyarak ve (as ) kullanarak${\displaystyle V_{1}^{2}-V_{f2}^{2}=V_{f1}^{2}\cot \alpha _{2}}$${\displaystyle V_{f2}=V_{f1}}$

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

Başvuru

Küçük İsviçre yapımı Francis türbini

Francis türbinleri, çok çeşitli kafalar ve akışlar için tasarlanabilir. Bu çok yönlülük, yüksek verimlilikleri ile birlikte onları dünyanın en yaygın kullanılan türbini haline getirmiştir. Francis tipi üniteler 40 ila 600 m (130 ila 2.000 ft) arasında bir kafa aralığını kapsar ve bağlı jeneratör çıkış güçleri sadece birkaç kilovattan 1000 MW'a kadar değişir. Büyük Francis türbinleri, verilen su akışı ve su yüksekliği ile tipik olarak %90'ın üzerinde (%99'a kadar) mümkün olan en yüksek verimlilikte çalışacak şekilde her site için ayrı ayrı tasarlanmıştır.

Pelton türbininin aksine , Francis türbini her zaman tamamen suyla dolu olarak en iyi şekilde çalışır. Türbin ve çıkış kanalı, dışarıdaki göl veya deniz seviyesinden daha alçakta yerleştirilebilir, bu da kavitasyon eğilimini azaltır .

Elektrik üretimine ek olarak , düşük güç talebi dönemlerinde büyük bir elektrik motoru olarak hareket eden jeneratör tarafından tahrik edilen türbin (pompa görevi gören) tarafından bir rezervuarın doldurulduğu ve daha sonra tersine çevrildiği pompalı depolama için de kullanılabilirler. pik talep sırasında güç üretmek için kullanılır. Bu pompa depolama rezervuarları, yükseltilmiş rezervuarlarda su şeklinde "fazla" elektrik enerjisini depolamak için büyük enerji depolama kaynakları görevi görür. Bu, geçici olarak fazla elektrik kapasitesinin daha sonra kullanılmak üzere depolanmasına izin veren birkaç yöntemden biridir.

Ayrıca bakınız

alıntılar

Genel kaynakça