توربينات فرانسيس ومكوناتها

توربينات فرانسيس هي نوع من التوربينات المائية ، وهي عبارة عن توربينات تفاعل تدفق داخلي تجمع بين مفاهيم التدفق الشعاعي والتدفق المحوري.توربينات فرانسيس هي التوربينات الأكثر استخدامًا اليوم ، بكفاءة تزيد عن 95٪. عملية تحقيق التصميم الحديث لعجلة فرانسيس من عام 1848 إلى حوالي عام 1920 ، وقد عُرفت حوالي عام 1920 باسم توربين فرانسيس ، وسميت على اسم المهندس البريطاني الأمريكي جيمس ب. فرانسيس الذي ابتكر تصميمًا جديدًا للتوربينات في عام 1848 ، تُستخدم توربينات فرانسيس بشكل أساسي لتوليد الكهرباء ، وتتراوح مخرجات المولدات عادةً من بضعة كيلوواط إلى 1000 ميجاوات ، على الرغم من أن المنشآت الكهرومائية الأصغر يمكن أن يكون لها نواتج أقل.يكون الأداء أفضل عندما يكون ارتفاع الرأس بين 100-300 متر (330-980 قدمًا) ، وتتراوح أقطار الأنابيب الفولاذية بين 1 و 10 أمتار (3.3 و 32.8 قدمًا).تتراوح سرعات وحدات التوربينات المختلفة من 70 إلى 1000 دورة في الدقيقة ، وتتحكم دوارات التوجيه الموجودة على السطح الخارجي للتوربينات الدوارة في سرعة تدفق المياه عبر التوربين بمعدلات توليد طاقة مختلفة ، وعادة ما يتم تثبيت توربينات فرنسيس بعمود رأسي لعزله. الماء من المولد ، كما يسهل التركيب والصيانة.

تطوير

تم استخدام أنواع مختلفة من عجلات المياه لأكثر من 1000 عام لتشغيل أنواع مختلفة من المطاحن ، لكنها غير فعالة نسبيًا.مكنتها تحسينات الكفاءة في التوربينات المائية في القرن التاسع عشر من استبدال جميع تطبيقات عجلة المياه تقريبًا والتنافس مع المحركات البخارية أينما توفرت الطاقة المائية ، وبعد تطوير المولدات الكهربائية في أواخر القرن التاسع عشر ، أصبحت التوربينات مصدرًا طبيعيًا للطاقة للمولدات الكهربائية حيث توجد موارد هيدروليكية محتملة.في عام 1826 ، طور المهندس الفرنسي بينوا فورنيون توربينًا عالي الكفاءة (80٪) للتدفق الخارجي ، حيث يتم توجيه المياه بشكل عرضي عبر عجلة التوربين ، مما يتسبب في دورانها ، وقد صمم مهندس فرنسي آخر ، جان فيكتور بونسيليه ، توربينًا داخليًا للتدفق حوالي عام 1820 باستخدام نفس المبدأ حصل BHowd على براءة اختراع أمريكية لتصميم مماثل في عام 1838.في عام 1848 ، قام جيمس بي فرانسيس بتحسين هذه التصميمات لإنشاء توربينات أكثر كفاءة أثناء عمله كمهندس رئيسي في شركة Locks and Canals في مدينة لويل ، ماساتشوستس ، حيث استخدم المبادئ العلمية وطرق الاختبار لتصميم توربينات فعالة للغاية والأهم من ذلك أن طريقته في الحوسبة الرياضية والرسوماتية حسَّنت تصميم وهندسة التوربينات ، وتمكن أساليبه التحليلية من تصميم توربينات عالية الكفاءة لتتناسب بدقة مع تدفق المياه والضغط (الرأس) في الموقع.

عناصر

يتكون توربين فرانسيس من الأجزاء الرئيسية التالية:

الغلاف الحلزوني: يسمى الغلاف الحلزوني حول عجلة التوربين الحلزوني أو الحلزوني ، ويوجد على مدار طوله عدد من الفتحات المتباعدة بانتظام للسماح لسائل العمل بالتصادم على شفرات العداء ، وتحول هذه الفتحات طاقة الضغط للتيار الكهربائي. يتحول السائل إلى طاقة حركية قبل أن يصطدم السائل بالريش مباشرة ، وهذا يحافظ على سرعة ثابتة حيث تتناقص مساحة المقطع العرضي للمبيت بشكل موحد حول المحيط على الرغم من توفير العديد من الفتحات للسائل لدخول الريش.

دوارات التوجيه والبقاء: تتمثل الوظيفة الرئيسية للموجه ودوارات التثبيت في تحويل طاقة ضغط السائل إلى طاقة حركية.يتم استخدامه أيضًا لتوجيه التدفق إلى شفرات العداء بزاوية تصميم.

أنبوب السحب: أنبوب السحب هو القناة التي تربط مخرج العداء بقناة السحب حيث يخرج الماء من التوربين ، وتتمثل وظيفته الرئيسية في تقليل سرعة المياه المفرغة من أجل تقليل فقد الطاقة الحركية عند يسمح هذا بوضع التوربين فوق مياه الذيل دون حدوث انخفاض كبير في الرأس المتاح.