Эволюция от турбины Фрэнсиса до турбины Каплана

Турбины Фрэнсиса преобразовать энергию под напором воды под высоким давлением, что нелегко получить, поэтому, учитывая, что объем воды достаточно велик, требуются турбины для преобразования энергии под напором воды под низким давлением. Преобразовать высокий напор в мощность легко, но это трудно с низким напором. Отсюда эволюция, которая произошла, чтобы преобразовать турбины Фрэнсиса в турбины Каплана, которые эффективно вырабатывают электроэнергию даже при низком напоре.

Изменения

• Турбины иногда различаются по типу потока на входе, независимо от того, является ли скорость на входе аксиально ориентированной, радиально ориентированной или комбинацией того и другого. Турбины Фрэнсиса представляют собой гибридные турбины (скорость на входе имеет радиальную и тангенциальную составляющие), а осевые турбины - это осевые турбины ( входная скорость имеет только осевые компоненты скорости). Эволюция в основном включает изменения входящего трафика.

• Номенклатура треугольника скоростей:

• Общий треугольник скоростей состоит из следующих векторов:

• V: Абсолютная скорость жидкости.

• U: Тангенциальная скорость жидкости.

• Vr: относительная скорость жидкости после контакта с ротором.

• Vw: Тангенциальная составляющая V (абсолютная скорость), называемая вихревой скоростью.

• Vf: скорость потока (осевая составляющая в случае аксиальных машин, радиальная составляющая в случае радиальных машин).

• α: угол V образует с плоскостью машины (обычно угол сопла или угол лопасти).

• β: угол или относительная скорость лопастей ротора относительно тангенциального направления..

Как правило, турбины Каплана работают с низким напором (H) и большим расходом (Q). Это означает, что турбины Каплана работают с высокой удельной скоростью (Ns), поскольку удельная скорость (Nsp) прямо пропорциональна расходу (Q) и обратно пропорциональна напору. (H). С другой стороны, турбины Фрэнсиса работают с низкой удельной скоростью, т.е. с высоким напором.Как видно из рисунка, увеличение Удельной скорости (или уменьшение Напора) имеет следующие последствия:

• Входная скорость V1 снижается.

• Скорость потока Vf1 на входе увеличивается, что позволяет большому объему жидкости поступать в турбину.

• Компонент Vw уменьшается при переходе к турбине Каплана, и на рисунке Vf представляет осевую (Va) составляющую.

• На рисунке поток на входе имеет радиальное (Vf) и тангенциальное (Vw) направления для всех рабочих колес, кроме рабочего колеса Каплана.

• β1 уменьшается по мере эволюции.

• Однако выходная скорость рабочего колеса Каплана является осевой, в то время как выходная скорость всех других рабочих колес является радиальной.Таким образом, это изменения параметров, которые должны быть включены при преобразовании турбины Фрэнсиса в турбину Каплана.

Общие различия между турбинами Фрэнсиса и Каплана

КПД турбины Каплана выше, чем турбины Фрэнсиса.Турбина Каплана более компактна в поперечном сечении и имеет меньшую скорость вращения, чем турбина Фрэнсиса.В турбине Каплана вода течет аксиально внутрь и аксиально наружу, в то время как в турбине Фрэнсиса она течет радиально внутрь и аксиально наружу.Лопастей рабочего колеса в турбине Каплана меньше, поскольку лопасти скручены и охватывают большую окружность.Потери на трение в турбине Каплана меньше.Вал турбины Фрэнсиса обычно вертикальный, но во многих ранних машинах он был горизонтальным, тогда как в турбинах Каплана он всегда был вертикальным.Удельная скорость турбин Фрэнсиса средняя (60-300 об/мин), а удельная скорость турбин Каплана высокая (300-1000 об/мин).