Turbina Francisa

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
Turbina Francisa (źródło: Voith-Siemens)

Turbina Francisaturbina wodna opracowana przez Jamesa Francisa. W turbinie Francisa woda ze zbiornika górnego wpływa całym obwodem na łopatki kierownicze i wówczas przyspiesza, a następnie zasila wirnik roboczy. Po przepłynięciu kanałami między łopatkami w kształcie dysz woda z dużą prędkością opuszcza wirnik i wchodzi do rury ssawnej. Temu procesowi towarzyszy reakcja hydrodynamiczna, która wprowadza wirnik w ruch w kierunku przeciwnym do wylotu wody.

Historia[edytuj | edytuj kod]

Części turbiny Francisa
Wirnik turbiny Francisa, Tama Grand Coulee

Koło wodne od setek lat było wykorzystywane w Europie do napędzania prostych maszyn takich jak żarna młyńskie. W wieku XIX rewolucja przemysłowa znacznie zwiększyła zapotrzebowania na pracę urządzeń mechanicznych. Rozwój turbin wodnych pozwolił im na konkurowanie z silnikami parowymi, tam gdzie dostępna była energia płynącej wody.

W roku 1826 Benoît Fourneyron skonstruował turbinę wodną wysokiej wydajności (80%) z zewnętrznym przepływem. Wodę kierowano stycznie na wirnik, co powodowało jego rotację. Około roku 1820 Jean-Victor Poncelet skonstruował turbinę z przepływem wewnętrznym działającą na podobnej zasadzie. Kolejna podobna wersja turbiny została opatentowana w Ameryce w roku 1838 przez S. B. Howda

W roku 1848 James B. Francis udoskonalił projekty poprzedników, dzięki czemu jego turbina osiągnęła 90% sprawności. Ten amerykański inżynier zastosował podejście naukowe. Przeprowadził szereg eksperymentów, dzięki czemu jego turbina okazała się wyraźnie lepsza. Opracował szereg technik obliczeniowych, które pozwoliły pokoleniom pracujących po nim inżynierów lepiej zrozumieć zjawiska zachodzące podczas przepływu wody na łopatkach. W oparciu o jego prace możliwe stało się zaprojektowanie turbiny uwzględniającej warunki hydrologiczne panujące w miejscu jej pracy.

Podstawy teoretyczne[edytuj | edytuj kod]

Turbina Francisa, jest turbiną reakcyjną, co oznacza, że płyn roboczy podczas przepływu przez to urządzenie się rozpręża. Potencjalna energia płynu zostaje przekształcona w kinetyczną energię obracającego się wirnika. Turbina znajduje się między zbiornikiem płynu o wyższym ciśnieniu (wyższy poziom cieczy) i zbiornikiem zawierającym płyn o niższym ciśnieniu (niższy poziom cieczy). Źródłem różnicy ciśnień jest w przypadku hydroelektrowni siła ciążenia.

Przewód dostarczający ciecz roboczą ma kształt spirali. Poruszający się płyn przemieszcza się po coraz mniejszym promieniu, co zgodne z zasadą zachowania momentu pędu prowadzi do wzrostu prędkości obrotowej. Podobnie dzieje się gdy kręcący się łyżwiarz składa szeroko rozłożone ręce, co znacznie zwiększa jego obroty. Łopatki kierujące prowadzą płyn stycznie do kierunku rotacji wprost na łopatki wirnika. Kąt ustawienia łopatek może być regulowany, co pozwala na zapewnienie optymalnej pracy w szerokim zakresie różnicy ciśnień. Łopatki wirnika nie są ruchome.

Podczas opuszczania wirnika woda trafia na specjalnie ukształtowany kołpak wirnika. Jego kształt pozwala na zmniejszenie prędkości wody i zwiększenie ciśnienia.

Zastosowania[edytuj | edytuj kod]

Spiralny przewód turbiny Francisa, Tama Grand Coulee

Większe turbiny Francisa są projektowane specjalnie dla każdego miejsca, w którym zostaną zastosowane, co pozwala osiągać sprawność powyżej 90%. Są niezwykle kosztowne w produkcji i instalacji, ale zachowują sprawność przez dekady.

Turbiny Francisa mogą być stosowane w elektrowniach szczytowo-pompowych, gdzie nadmiarowy prąd elektryczny wykorzystywany jest do pompowania wody. W okresie szczytu poboru mocy, turbina Francisa ponownie zaczyna produkować prąd, aby zaspokoić rosnące zapotrzebowanie. W ten sposób możliwe jest zbilansowanie sieci energetycznej.

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]