Francis Hydro Türbini: Tasarım, Operasyon ve Uygulamalar için Kapsamlı Kılavuz

Francis hidro türbinlerine giriş

1 Hidro Türbinlere Kısa Genel Bakış

Hidro türbinler, akan veya düşen suyun enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren makinelerdir, bu da genellikle hidroelektrik enerji santrallerinde elektrik enerjisine dönüştürülür. Her biri belirli çalışma koşulları için uygun farklı hidro türbin türleri vardır.

 

Francis türbini orta ve yüksek kafa (genel kafa aralığı 20-300 metre) ve orta ve yüksek akışlı hidroelektrik enerji üretim senaryoları için uygundur. Verimli ve istikrarlı performansı nedeniyle, ister Çin'in üç Gorges hidroelektrik istasyonu gibi büyük bir hidroelektrik istasyonu olsun, bazı birimler dev bir Francis türbini veya birçok küçük ve orta boy hidroelektrik istasyonu kullanıyor, ızgara için güvenilir güç sağlamak için avantajlarını oynayabilir.

2 Francis türbini nedir?

Francis türbini bir reaksiyon türbinidir, yani çalışma sıvısının (su) koşucu bıçaklarına hem basınç hem de momentumdaki değişim yoluyla hareket ettiği anlamına gelir. Dünyada en yaygın kullanılan hidro türbin türlerinden biridir.

3 Tarihsel Arka Plan ve Gelişim

Francis türbini 1840'larda James B. Francis tarafından geliştirildi. O zamandan beri, tasarım ve performansında sürekli iyileştirmeler yapıldı ve hidroelektrik enerji üretiminde çok çeşitli kafa ve akış koşullarına uyarlandı.

Temel ilkeler ve bileşenler

1 Francis türbininin çalışma prensibi

Su, türbine koşucunun etrafına eşit olarak dağıtan spiral gövdeden girer. Kılavuz kanatlar/küçük kapı kapıları, suyun akış hızını ve yönünü kontrol eder, bu da koşucu bıçaklarına çarpar. Su koşucu bıçaklarından akarken, bir tork verir ve koşucunun dönmesine neden olur. Daha sonra su, suyun kinetik enerjisinin bir kısmını geri kazanmaya yardımcı olan taslak tüpten çıkar.

 

Açıklanan 2 Anahtar Bileşen

Spiral muhafaza

Spiral muhafaza, suyun koşucunun etrafına tek tip ve verimli bir şekilde dağıtılması için tasarlanmıştır. Çapraz kesit alanı, koşucuya yaklaşırken suyun sabit bir hızını korumak için çevre boyunca azalır.

Kılavuz kanatlar/küçük kapı kapıları

Küçük kapı kapıları olarak da bilinen kılavuz kanatlar, koşucuya akan su miktarını kontrol etmek için ayarlanabilir. Ayrıca suyu maksimum verimlilik için en uygun açıda koşucu bıçaklarına yönlendirirler.

Koşucu

Koşucu türbinin dönen kısmıdır. Akan sudan enerji çıkarmak için tasarlanmış bir dizi kavisli bıçaktan oluşur. Koşucu bıçakların şekli ve sayısı, türbinin spesifik çalışma koşullarına göre dikkatle tasarlanmıştır.

Tüp

Taslak tüp, koşucunun çıkışına monte edilen farklı bir tüptür. Ana işlevi, koşucuyu terk eden suyun hızını azaltmak, böylece kinetik enerjinin bir kısmını geri kazanmak ve türbinin genel verimliliğini arttırmaktır.

 

Tasarım ve İnşaat

1 hidrolik tasarım hususları

Francis türbininin hidrolik tasarımı, türbin bileşenleri yoluyla su akışını optimize etmeye odaklanır. Bu, kayıpları en aza indirmek ve enerji ekstraksiyonunu en üst düzeye çıkarmak için spiral gövdenin şeklinin, kılavuz kanatların, koşucu bıçakların ve taslak tüpün belirlenmesini içerir. Kafa, akış hızı ve gerekli güç çıkışı gibi faktörler hidrolik tasarımda çok önemlidir.

2 mekanik tasarım yönü

Mekanik tasarım yönleri, türbin bileşenlerinin gücü ve dayanıklılığı gibi hususları içerir. Örneğin koşucu, yüksek dönme hızlarına ve akan su tarafından uygulanan kuvvetlere dayanabilmelidir. Rulmanlar ve şaftlar, dönen parçaları desteklemek ve mekanik enerjiyi verimli bir şekilde iletmek için tasarlanmıştır.

İnşaatta kullanılan 3 malzeme

Francis türbinlerinin yapımında kullanılan malzemelerin, su ile sürekli temas halinde oldukları için korozyona dayanıklı olması gerekir. Paslanmaz çelik, koşucu ve diğer kritik bileşenler için yaygın olarak kullanılır. Spiral gövde çelik plakalardan yapılabilirken, taslak tüp türbinin boyutuna ve konumuna bağlı olarak beton veya çelikten yapılabilir.

 

Ana Yapı Malzeme Listesi:

Türbin
Spiral kasa	Q235B ASTM A570GR'ye benzer. A
Ray yüzüğü	Q235B ASTM A570GR'ye benzer. A
Koşucu	0CR13ni4mo ASTM CA6NM'ye benzer
Şaft	45 ASTM 1450'ye benzer
Şaft kılıfı	1cr18ni9ti ASTM 321'e benzer
Kılavuz Vane	20Simn DIN GS-20mn5'e benzer
Yatak tabanı	Q235B ASTM A570GR'ye benzer. A
Tüp	Q235B ASTM A570GR'ye benzer. A
Başlık	Q235B ASTM A570GR'ye benzer. A
Alt yüzük	Q235B ASTM A570GR'ye benzer. A

Operasyon ve Performans

Değişen yükler altında 1 türbin operasyonu

Francis türbinleri, bir dizi yük koşulunda verimli bir şekilde çalışacak şekilde tasarlanmıştır. Kılavuz kanatlar, su akışını ve dolayısıyla türbinin güç çıkışını düzenlemek için ayarlanabilir. Düşük yük koşullarında, kılavuz kanatlar kısmen kapalıdır ve türbinden akan su miktarını azaltır.

2 Verimlilik ve Performans Özellikleri

Bir Francis türbininin verimliliği, suyun enerjisini mekanik enerjiye ne kadar etkili bir şekilde dönüştürdüğünün bir ölçüsüdür. Yüksek verimlilik türbinleri%96'nın üzerinde değerlere ulaşabilir. Performans özellikleri, performans eğrileri ile temsil edilebilen güç çıkışı, akış hızı ve kafa arasındaki ilişkiyi içerir.

Türbin performansını etkileyen 3 faktör

Su kalitesi, bileşenlerin aşınması ve yıpranması ve kontrol sisteminin doğruluğu gibi faktörler türbin performansını etkileyebilir. Sudaki tortu, koşucu bıçakların erozyonuna neden olabilir ve zaman içinde verimliliği azaltır. Farklı koşullar altında optimal işlemin sağlanması için iyi korunmuş bir kontrol sistemi esastır.

Başvuru

1 hidroelektrik enerji santrallerinde kullanım

Francis türbinleri, dünyadaki hidroelektrik santrallerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Hem büyük ölçekli hem de orta ölçekli güç üretimi için uygundur. Büyük enerji santrallerinde, yüksek elektrik taleplerini karşılamak için birden fazla Francis türbini kurulabilir.

2 uygun kafa ve akış koşulları

Francis türbinleri, tipik olarak 20 ila 300 metre arasında değişen orta baş uygulamalarında en etkilidir. Ayrıca çok çeşitli akış hızlarını işleyebilirler, bu da onları farklı hidroelektrik projeler için çok yönlü hale getirir.

Avantajlar ve dezavantajlar

1 Francis türbinlerini kullanmanın faydaları

Francis türbinlerinin avantajları arasında çok çeşitli çalışma koşullarında yüksek verimlilik, farklı akış hızlarını ele alma yeteneği ve orta baş uygulamalarına uygunlukları bulunmaktadır. Ayrıca nispeten güvenilirdirler ve diğer bazı türbin tiplerine kıyasla daha az bakım gerektirirler.

2 sınırlama ve zorluk

Sınırlamalar, bazı basit türbin tasarımlarına kıyasla daha yüksek başlangıç ​​maliyetlerini içerebilir. Ayrıca su kalitesine duyarlıdırlar ve tortu - yüklü su erozyon sorunlarına neden olabilir. Ayrıca, Francis türbinlerinin kurulumu ve bakımı, özel beceri ve ekipman gerektirebilir.

Diğer türbin tipleriyle karşılaştırma

1 Francis ve Pelton Türbini

Pelton türbini, reaksiyondan farklı Francis türbininden farklı olan bir dürtü türbinidir. Pelton türbinleri yüksek başlı, düşük akışlı uygulamalar için daha uygundur, Francis türbinleri orta - baş, orta ila - yüksek akış koşulları için daha iyidir. Bir karşılaştırma, verimlilik, maliyet ve tasarım karmaşıklığı gibi yönleri içerebilir.

2 Francis ve Kaplan Türbini

Kaplan türbini de bir reaksiyon türbinidir, ancak düşük başlı, yüksek akışlı uygulamalar için tasarlanmıştır. Francis türbinleri, bazı durumlarda Kaplan türbinlerine kıyasla daha kompakt bir tasarıma sahiptir. İkisi arasındaki seçim, hidroelektrik bölgenin spesifik kafasına ve akış özelliklerine bağlıdır.

3 Belirli koşullar için doğru türbini seçmek

Bir hidroelektrik proje için bir türbin seçerken, kafa, akış hızı, maliyet, verimlilik ve çevresel etki gibi faktörlerin dikkate alınması gerekir. Bu faktörlerin ayrıntılı bir analizi, ister Francis, Pelton, Kaplan veya diğer türbin türleri olsun, en uygun türbin tipinin seçilmesine yardımcı olabilir.

Bakım ve sorun giderme

1 Yaygın Bakım Prosedürleri

Francis türbinleri için yaygın bakım prosedürleri arasında aşınma ve yıpranma için bileşenlerin düzenli olarak incelenmesi, rulmanların yağlanması ve türbin içlerinin temizlenmesi bulunmaktadır. Kontrol sisteminin izlenmesi ve sensörlerin kalibrasyonu da önemli bakım görevleridir.

2 Ortak Sorunları Giderme

Yaygın sorunlar arasında titreşimler, anormal gürültü ve azaltılmış verimliliği içerebilir. Sorun giderme, bileşenlerin yanlış hizalanması, hasarlı koşucu bıçakları veya kontrol sistemiyle ilgili sorunlardan kaynaklanabilecek sorunun temel nedenini tanımlamayı içerir. Sorunları çözmek için hatalı bileşenlerin onarımı veya değiştirilmesi gerekebilir.

Son gelişmeler ve gelecekteki eğilimler

Francis türbin teknolojisinde 1 yenilik

Son yenilikler arasında, koşucu bıçaklar için yeni alaşımların geliştirilmesi gibi dayanıklılığı ve verimliliği artırmak için gelişmiş malzemelerin kullanılması yer alıyor. Hesaplamalı akışkan dinamikleri (CFD), türbinin hidrolik performansını optimize etmek için tasarım sürecinde daha kapsamlı bir şekilde kullanılmaktadır.

Hidro türbin teknolojisi için gelecekteki 2 görünüm

Hidro türbin teknolojisinin geleceği, verimlilikte daha fazla iyileşme, daha değişken koşullar altında çalışma yeteneği ve akıllı ızgara sistemleri ile artan entegrasyon içerebilir. Ayrıca, balık popülasyonları üzerindeki etkiyi en aza indirmek gibi hidroelektrik enerji üretiminin çevresel etkisini azaltmaya da odaklanabilir.

Çözüm

1 Kilit Noktaların Özeti

Bu makale, Francis hidro türbinlerinin temel ilkelerini, bileşenlerini, tasarımını, işletilmesini, uygulamalarını, avantajlarını ve dezavantajlarını kapsamaktadır. Ayrıca bunları diğer türbin tipleriyle karşılaştırdı, tartışılan bakım ve sorun giderme ve son gelişmelere ve gelecekteki eğilimlere baktı.

Yenilenebilir enerjide Francis türbinlerinin 2 önemi

Francis türbinleri, suyun enerjisini kullanmanın güvenilir ve verimli bir yolu oldukları için yenilenebilir enerji üretiminde önemli bir rol oynarlar. Artan temiz enerji talebiyle, Francis türbin teknolojisinde sürekli araştırma ve geliştirme daha sürdürülebilir bir enerji geleceğine katkıda bulunacaktır.