Az egyik olyan elem, amelyet globálisan a vízenergia előállítására használnak, az Francis turbina. Ez egy James B. Francis által megalkotott turbógép, amely reakción és vegyes áramláson keresztül működik, a víz mozgását felhasználva energia előállítására. A Francis turbina széles tengerszint feletti magasságban és áramlási sebességben képes működni, így sokoldalú és hatékony lehetőség a különböző vízerőművek számára, hiszen két métertől több száz méterig terjedő lejtőn is tud működni.
Ebben a cikkben részletesen megvizsgáljuk a Francis turbina jellemzőit, alkatrészeit és működését, valamint jelentőségét a vízenergia-termelésben.
A Francis turbina főbb jellemzői
az Francis turbinák Különböző magasságkülönbségekben, néhány métertől több mint 800 méterig nagy teljesítményükkel tűnnek ki, bár optimális hatékonyságuk 800 méter alatti magasságban érhető el. Ennek az az oka, hogy nagyobb magasságban a gravitáció változásai negatívan befolyásolhatják a teljesítményt.
Ezeket a turbinákat úgy tervezték, hogy különböző áramlási tartományokkal működjenek, ami lehetővé teszi számukra, hogy alkalmazkodjanak a különböző működési feltételekhez. Főleg ben használják vízierőművek villamos energia előállítására, kihasználva a víz potenciális energiáját. Bár kezdeti tervezésük, telepítésük és karbantartásuk költséges, hosszú élettartamuk, hatékonyságuk és alacsony karbantartási költségük jövedelmező hosszú távú befektetést jelent.
A Francis turbina kialakítása olyan hidrodinamikai rendszert tartalmaz, amely biztosítja minimális vízveszteség, amely garantálja a magas teljesítményt. Ezenkívül robusztus és ellenálló szerkezete csökkenti a karbantartási igényt, ami jelentős előnyt jelent más típusú turbinákkal szemben. A technológia fejlődésével új anyagokat fejlesztettek ki, amelyek tovább csökkentik a karbantartási igényeket, így a Francis turbinák több évtizeden át költséghatékonyak maradhatnak.
A Francis turbina egyik korlátja az érzékenység az áramlás nagy változásaira víz, ezért nem ajánlott olyan helyekre telepíteni, ahol az áramlás drasztikusan változhat.
Kavitáció a Francis turbinában
A Francis turbinák tervezésénél és karbantartásánál egy másik szempont, amelyet figyelembe kell venni, a kavitáció, hidrodinamikai jelenség, amely akkor következik be, amikor üregek vagy gőzbuborékok képződnek a folyadékban. Ez akkor történik, amikor a víz nagy sebességgel halad át a turbina éles szélein, és Bernoulli képlete szerint nyomáskiegyensúlyozatlanságot okoz.
A buborékok keletkeztek, az úgynevezett gőzüregek, haladjon a legalacsonyabb nyomású területtől a legmagasabbig. Amikor a gőz hirtelen folyékony halmazállapotba kerül, a buborékok összeomlanak és energiát szabadítanak fel, ami károsíthatja a turbina szerkezetét azáltal, hogy szilárd felületeken mikroütődéseket okoz. Ez a jelenség nemcsak a turbina hatásfokát csökkenti, hanem az alkatrészeinek kopását is felgyorsíthatja.
A kavitáció hátránya, mert lerövidítheti a turbina hasznos élettartamát, mivel mikrorepedéseket és látható sérüléseket okoz, különösen a rotor közelében. A probléma enyhítésére korszerű anyagokat és megelőző karbantartási technikákat alkalmaznak, az üzemi feltételek teljes körű ellenőrzése mellett, hogy minimalizálják a jelenséget okozó eltéréseket.
A Francis turbina fő részei
A Francis turbinának különböző részei vannak, amelyek mindegyike sajátos funkciót tölt be a vízenergia-termelés hatékonyságának maximalizálása érdekében:
- Spirálkamra: Ez a kamra egyenletesen osztja el a folyadékot a járókerék felé. Spirális vagy csiga alakja elengedhetetlen, hiszen ez biztosítja, hogy a folyadék sebessége minden ponton állandó maradjon. Általában körmetszetű, bár esetenként téglalap alakú is lehet.
- Predistributor: Rögzített pengék alkotják, amelyek szerkezeti funkciót töltenek be a rendszeren belül. Ezek az elemek megerősítik a spirális kamrát és minimalizálják a hidraulikus veszteségeket.
- Elosztó: Ez a rész mozgó vezetőlapátokból áll, amelyek szabályozzák a víz áramlását a járókerék felé. Feladata, hogy lehetővé tegye az áramlásnak az elektromos hálózat terhelési változásaihoz való alkalmazkodását, így mindig optimalizálja a teljesítményt.
- Járókerék vagy rotor: Ez a turbina szíve, ahol az energiacsere zajlik. A járókerék a víz kinetikai, potenciális és nyomási energiáját mechanikai energiává alakítja. Ez a mechanikai energia egy tengelyen keresztül egy elektromos generátorba kerül, ahol végül elektromos árammá alakul.
- Szívócső: Ez a turbina folyadék kimenete. Diffúzor alakja vákuumot hoz létre, amely segít visszanyerni a járókerékben nem teljesen felhasznált energia egy részét, így hozzájárul a rendszer általános hatékonyságának javításához.
A Francis turbinák osztályozása
A Francis turbinákat működési sebességük és fejjellemzőik szerint osztályozhatjuk:
- Lassú Francis turbina: Főleg magas, 200 méternél nagyobb magasságú ugráshoz használják.
- Normál Francis turbina: Közepes magasságra, 20 és 200 méter között ajánlott.
- Gyors és extra gyors Francis turbina: Kis magasságú, 20 méter alatti ugráshoz megfelelő. Ezek a turbinák ideálisak nagy vízhozamokhoz és alacsony emelőmagassághoz.
Ezeknek a turbináknak a kialakítása a fej jellemzőitől és az egyes létesítményekben elérhető áramlástól függően változik. Az energiateljesítmény optimalizálása és az üzemeltetési költségek csökkentése érdekében elengedhetetlen a legmegfelelőbb turbinatípus kiválasztása.
A fenti információk segítségével jobban megértheti a Francis turbinák működését, főbb jellemzőit, alkatrészeit és korlátait. Ez a típusú turbina sokoldalú, hatékony és tartós lehetőség a vízenergia-termeléshez világszerte.