Come funziona la turbina francis

Tipo di turbina

ad acqua

La turbina Francis è un tipo di turbina ad acqua. Si tratta di una turbina a reazione a flusso interno che combina concetti di flusso radiale e assiale. Le turbine Francis sono le turbine idrauliche più comuni in uso oggi e possono raggiungere un'efficienza superiore al 95%. ^[1]

Il processo per arrivare al moderno design del corridore Francis durò dal 1848 al 1920 circa. ^[1] Divenne nota come turbina Francis intorno al 1920, dal nome dell'ingegnere britannico-americano James B. Francis che nel 1848 creò un nuovo progetto di turbina. ^[1]

Le turbine Francis sono utilizzate principalmente per la produzione di energia elettrica. La potenza dei generatori elettrici varia generalmente da pochi kilowatt fino a 1000 MW, anche se le installazioni mini-idroelettriche possono essere inferiori. Le migliori prestazioni sono visto quando l'altezza della testa è compresa tra 100 e 300 metri (330-980 piedi). ^[2] I diametri della condotta forzata sono compresi tra 1 e 10 m (3,3 e 32,8 piedi). Le velocità delle diverse unità turbina vanno da 70 a 1000 giri/min. Un cancello pedonale intorno all'esterno del canale rotante della turbina controlla la velocità del flusso d'acqua attraverso la turbina per diversi tassi di produzione di energia. Le turbine Francis sono solitamente montate con un albero verticale, per isolare l'acqua dal generatore. Ciò facilita anche l'installazione e la manutenzione. ^[3]

Sviluppo Le

ruote idrauliche di diversi tipi sono state utilizzate per più di 1.000 anni per alimentare mulini di tutti i tipi, ma erano relativamente inefficienti. I miglioramenti dell'efficienza delle turbine idrauliche del XIX secolo hanno permesso loro di sostituire quasi tutte le applicazioni della ruota idraulica e competere con i motori a vapore ovunque fosse disponibile l'energia dell'acqua. Dopo lo sviluppo dei generatori elettrici alla fine del 1800, le turbine erano una fonte naturale di energia elettrica dove esistevano potenziali fonti di energia idroelettrica.

Nel 1826 l'ingegnere francese Benoit Fourneyron sviluppò una turbina ad acqua ad alta efficienza (80%) a flusso esterno. L'acqua veniva diretta tangenzialmente attraverso il canale della turbina, facendolo girare. Un altro ingegnere francese, Jean-Victor Poncelet, progettò una turbina a flusso verso l'interno intorno al 1820 che utilizzava gli stessi principi. S. B. Howd ottenne un brevetto statunitense nel 1838 per un progetto simile.

Nel 1848 James B. Francis, mentre lavorava come ingegnere capo della società Locks and Canals nella fabbrica tessile alimentata da ruote idrauliche di Lowell, nel Massachusetts, ^[4] migliorò questi progetti per creare turbine più efficienti. Ha applicato principi scientifici e metodi di prova per produrre una turbina molto efficiente disegno. Ancora più importante, i suoi metodi di calcolo matematico e grafico hanno migliorato la progettazione e l'ingegneria delle turbine. I suoi metodi analitici hanno permesso di progettare turbine ad alta efficienza per adattarsi con precisione al flusso e alla pressione dell'acqua di un sito (salto d'acqua).

Componenti

Una turbina Francis è composta dalle seguenti parti principali:

Involucro a spirale : L'involucro a spirale attorno al corridore della turbina è noto come involucro a voluta o involucro a spirale. Per tutta la sua lunghezza, è dotato di numerose aperture a intervalli regolari per consentire al fluido di lavoro di urtare le lame del corridore. Queste aperture convertono l'energia di pressione del fluido in energia cinetica appena prima che il fluido colpisca le pale. Questo mantiene una velocità costante nonostante siano state previste numerose aperture per l'ingresso del fluido nelle pale, poiché l'area della sezione trasversale di questo involucro diminuisce uniformemente lungo il circonferenza.

Alette di guida e strallo : La funzione principale delle palette di guida e di strallo è quella di convertire l'energia di pressione del fluido in energia cinetica. Serve anche a dirigere il flusso agli angoli di progetto rispetto alle lame del pattino.

Pale del corridore : Le pale del corridore sono il cuore di qualsiasi turbina. Questi sono i centri in cui il fluido colpisce e la forza tangenziale dell'impatto produce coppia provocando la rotazione dell'albero della turbina. È necessaria una particolare attenzione alla progettazione degli angoli delle pale all'ingresso e all'uscita, poiché questi sono i principali parametri che influenzano la produzione di energia.

Tubo di pescaggio : Il tubo di pescaggio è un condotto che collega l'uscita del corridore alla corsa di coda dove l'acqua viene scaricata dalla turbina. La sua funzione principale è quella di ridurre la velocità dell'acqua scaricata per ridurre al minimo la perdita di energia cinetica all'uscita. In questo modo la turbina può essere regolata sopra l'acqua di coda senza Apprezzabile calo del capo disponibile.

Teoria del funzionamento

La turbina Francis è un tipo di turbina a reazione, una categoria di turbina in cui il fluido di lavoro arriva alla turbina sotto un'immensa pressione e l'energia viene estratta dalle pale della turbina dal fluido di lavoro. Una parte dell'energia viene ceduta dal fluido a causa delle variazioni di pressione che si verificano sulle pale della turbina, quantificate dall'espressione del grado di reazione, mentre la restante parte dell'energia viene estratta dall'involucro a voluta della turbina. All'uscita, l'acqua agisce sulle caratteristiche del corridore rotante a forma di coppa, lasciando a bassa velocità e basso vortice con pochissima energia cinetica o potenziale residua. Il tubo di uscita della turbina è sagomato per aiutare a decelerare il flusso d'acqua e recuperare la pressione.

• Turbina Francis (vista esterna) collegata a un generatore

• Vista in sezione, con cancelli pedonali (giallo) al minimo flusso

• Vista in sezione, con cancelli pedonali (giallo) a flusso pieno

Efficienza della pala Di

solito la velocità del flusso (velocità perpendicolare alla direzione tangenziale) rimane costante per tutto il tempo, cioè V _f1 = V _f2 ed è uguale a quella all'ingresso del tubo di tiraggio. Utilizzando l'equazione della turbina di Eulero, E / m = e = V _w1 U ₁ , dove e è il trasferimento di energia al rotore per unità di massa del fluido. Dal triangolo della velocità di ingresso,

e

quindi

La perdita di energia cinetica per unità di massa all'uscita è V _f2 ² /2. Pertanto, trascurando l'attrito, il

Il grado

di reazione

può essere definito come il rapporto tra la variazione di energia di pressione nelle pale e la variazione di energia totale del fluido. ^[5] Ciò significa che è un rapporto che indica la frazione di variazione totale dell'energia di pressione del fluido che si verifica nelle pale della turbina. Il resto delle modifiche si verifica nelle pale dello statore delle turbine e nell'involucro della voluta in quanto ha un'area della sezione trasversale variabile. Ad esempio, se il grado di reazione è dato come 50%, significa che metà del cambiamento di energia totale del fluido avviene nelle pale del rotore e l'altra metà avviene nelle pale dello statore. Se il grado di reazione è zero significa che le variazioni di energia dovute alle pale del rotore sono zero, portando a un diverso design della turbina chiamato turbina Pelton.

La seconda uguaglianza di cui sopra vale, poiché la portata è radiale in una turbina Francis. Ora, inserendo il valore di 'e' dall'alto e utilizzando (come )

Applicazione

, le turbine Francis possono essere progettate per un'ampia gamma di prevalenze e flussi. Questa versatilità, insieme alla loro elevata efficienza, le ha rese le turbine più utilizzate al mondo. Le unità di tipo Francis coprono una gamma di prevalenza da 40 a 600 m (da 130 a 2.000 piedi) e la potenza di uscita del generatore collegato varia da pochi kilowatt fino a 1000 MW. Le grandi turbine Francis sono progettate individualmente per ogni sito per funzionare con il flusso d'acqua e la prevalenza dell'acqua alla massima efficienza possibile, in genere oltre il 90% (fino al 99% ^[6] ).

A differenza della turbina Pelton, la turbina Francis funziona al meglio completamente piena d'acqua in ogni momento. La turbina e il Il canale di uscita può essere posizionato più in basso rispetto al livello del lago o del mare all'esterno, riducendo la tendenza alla cavitazione.

Oltre alla produzione di energia elettrica, possono essere utilizzati anche per lo stoccaggio di pompaggio, in cui un serbatoio viene riempito dalla turbina (che funge da pompa) azionato dal generatore che funge da grande motore elettrico durante i periodi di bassa domanda di energia, e quindi invertito e utilizzato per generare energia durante i picchi di domanda. Questi serbatoi di stoccaggio a pompa fungono da grandi fonti di accumulo di energia per immagazzinare l'energia elettrica "in eccesso" sotto forma di acqua in serbatoi sopraelevati. Questo è uno dei pochi metodi che consentono di immagazzinare temporaneamente la capacità elettrica in eccesso per un utilizzo successivo.

Vedi anche

Citazioni

Bibliografia generale