Turbina Francis

Francis rotor: din exterior puteți vedea sulul, distribuitorul și rotorul în interior. Fluxul de lichid este reprezentat în albastru.

Turbina Francis este o turbină de reacție hidraulică dezvoltată în 1848 de James B. Francis , un inginer englez care s-a mutat în Statele Unite . Astăzi reprezintă cel mai utilizat tip de turbină hidraulică.

Descriere

Este o turbină cu flux centripet: apa ajunge la rotor printr-o conductă spirală care o trece în întregime, apoi un distribuitor sau o paletă pe partea fixă a statorului direcționează fluxul spre lovirea palelor rotorului.

Mai mult, se numește reacție, deoarece nu doar exploatează viteza, ci și presiunea jetului de apă care, când ajunge la rotor, este încă mai mare decât cea atmosferică. De fapt, prin conducta convergentă constând din canalul dintre palele distribuitorului și cel dintre palele rotorului în sine, presiunea încă prezentă este convertită în viteză ( energie cinetică ). Secțiunea volutei este în scădere, astfel încât, pe măsură ce porțiunile de fluid trec prin distribuitor, viteza jetului rămâne constantă. Pentru a optimiza funcționarea turbinei, expansiunea apei este prelungită sub presiunea atmosferică, astfel încât să se creeze un fel de efect de vid, care crește și mai mult diferența de presiune. În aval de rotor, în descărcare, este necesar să reveniți la condițiile externe, apoi fluidul este comprimat grație unui difuzor, care convertește energia cinetică rămasă în presiune. Acest pas nu numai că permite presiunea fluxului de apă să fie readusă la cea atmosferică, dar permite și utilizarea acelei cantități finale de energie cinetică, care nu poate fi utilizată în turbină, care altfel s-ar pierde la descărcare. Dacă exagerați în căutarea vidului, riscați însă să întâlniți fenomenul nedorit de cavitație prin care apa, scăzută sub presiunea lichidului saturat, s-ar transforma în abur, corodând și distrugând palele rotorului.

Rotor al unei turbine Francis, în timpul instalării
Turbină Francis și generator electric
Lame reglabile (galbene) poziționate pentru debit minim (turbina este văzută cu capac secționat)
Lame reglabile setate pentru o rază maximă de acțiune

Caracteristici

Acest rotor este utilizat în cursuri de apă cu pante de la 10 m până la 300-400 m și debite de la 2-3 m³ / s până la 100 ^[1] m³ / s.
Figura caracteristică k , asociată cu turbina poate varia într-un interval foarte larg (0,30 - 2,4). Pentru valorile k scăzute, fluxul își asumă o direcție radială centripetă, în timp ce pe măsură ce figura caracteristică crește, fluxul se transformă mai întâi într-un flux conic și în cele din urmă devine aproape axial. Prin urmare, și forma lamei variază, ceea ce pentru k înalt este din ce în ce mai aproape de forma tipică a turbinei cu elice.
Turbina este o reacție, aceasta înseamnă că o parte din energia de presiune este transformată în energie cinetică în rotor. Aceasta are ca rezultat o viteză relativă w (2) la ieșirea rotorului mai mare decât viteza relativă w (1) la intrarea rotorului. În plus, presiunea în rotor este variabilă și acest lucru implică necesitatea unui distribuitor cu admisie totală de fluid pe rotor. ^[2]

Din aceste motive, turbina Francis are un interval de reglare modest, dacă nu doriți să ieșiți din condițiile optime de eficiență. Când debitele cresc, este necesar să se facă rotoare mai mari, cu o secțiune mai mare; această geometrie face ca ajustarea să fie și mai rea.

Eficiența acestui rotor ajunge, de asemenea, la 94%, dar are un câmp de utilizare optim foarte restrâns comparativ cu altele. ^[3] .

Notă

^ Dossena, Ferrari, Gaetani, Muntenegru, Onorati, Persico, Fluid machines , Città Studi, 2015, p. 191.
^ Alessandro Giadrossi, Turbine hidraulice - turbomachine de operare , Goliardiche Editions, EGBooks și Goliardine (2007).
^ FRANCIS TURBINES