Jedan od elemenata koji se globalno najviše koristi za proizvodnju hidroelektrične energije je Francisova turbina. To je turbomašina koju je kreirao James B. Francis i koja radi kroz reakciju i mješoviti tok, koristeći kretanje vode za stvaranje energije. Francisova turbina može raditi u širokom rasponu visina i protoka, što je čini raznovrsnom i efikasnom opcijom za različite hidroelektrane, jer može raditi na nagibima od dva metra do nekoliko stotina metara.
U ovom članku ćemo detaljno ispitati karakteristike, dijelove i rad Francisove turbine, kao i njen značaj u proizvodnji hidroelektrične energije.
Glavne karakteristike Francisove turbine
u Francis turbine Ističu se po velikom kapacitetu rada na različitim visinskim razlikama, od samo nekoliko metara do više od 800 metara, iako se njihova optimalna efikasnost nalazi na visinama manjim od 800 metara. To je zato što, na većim visinama, varijacije u gravitaciji mogu negativno utjecati na njegove performanse.
Ove turbine su dizajnirane za rad s različitim opsezima protoka, što im omogućava da se prilagode različitim radnim uvjetima. Uglavnom se koriste u hidroelektrane za proizvodnju električne energije, koristeći potencijalnu energiju vode. Iako su njihov početni dizajn, instalacija i održavanje skupi, njihova dugovječnost, efikasnost i niski troškovi održavanja čine ih isplativom dugoročnom investicijom.
Dizajn Francisove turbine uključuje hidrodinamički sistem koji osigurava minimalni gubici vode, što garantuje visoke performanse. Nadalje, njegova robusna i otporna struktura smanjuje potrebu za održavanjem, što je značajna prednost u odnosu na druge tipove turbina. Kako tehnologija napreduje, razvijeni su novi materijali koji dodatno minimiziraju zahtjeve za održavanjem, omogućavajući Francisovim turbinama da ostanu isplative nekoliko desetljeća.
Jedno od ograničenja Francisove turbine je njeno osjetljivost na velike varijacije u protoku vode, pa se ne preporučuje postavljanje u područjima gdje protok može drastično varirati.
Kavitacija u Francisovoj turbini
Još jedan aspekt koji treba uzeti u obzir pri dizajnu i održavanju Francisovih turbina je kavitacija, hidrodinamički fenomen koji se javlja kada se unutar fluida formiraju šupljine ili mjehurići pare. To se događa kada voda velikom brzinom prolazi preko oštrih rubova turbine, uzrokujući neravnotežu tlaka prema Bernoullijevoj formuli.
Nastali su mjehurići, poznati kao parne šupljine, putuju od područja najnižeg do najvišeg pritiska. Kada se para naglo vrati u tečno stanje, mjehurići se kolabiraju i oslobađaju energiju, što može oštetiti strukturu turbine stvarajući mikroudare na čvrstim površinama. Ovaj fenomen ne samo da smanjuje efikasnost turbine, već može i ubrzati habanje njenih komponenti.
Kavitacija je nedostatak jer može skratiti vijek trajanja turbine stvarajući mikropukotine i vidljiva oštećenja, posebno u područjima blizu rotora. Da bi se ovaj problem ublažio, koriste se napredni materijali i koriste se tehnike preventivnog održavanja, pored iscrpne kontrole radnih uslova, kako bi se minimizirale varijacije koje uzrokuju ovaj fenomen.
Glavni dijelovi Francisove turbine
Francisova turbina ima različite dijelove, od kojih svaki ispunjava određenu funkciju za maksimalnu efikasnost u proizvodnji hidroelektrične energije:
- Spiralna komora: Ova komora ravnomjerno raspoređuje tekućinu prema radnom kolu. Njegov spiralni ili pužasti oblik je od suštinskog značaja, jer osigurava da brzina tečnosti ostane konstantna u svim tačkama. Obično je kružnog presjeka, iako u nekim slučajevima može biti i pravokutnog.
- Predistributor: Formiran od fiksnih lopatica koje imaju strukturnu funkciju unutar sistema. Ovi elementi ojačavaju spiralnu komoru i minimiziraju hidraulične gubitke.
- Distributer: Ovaj dio se sastoji od pokretnih vodilica, koje kontroliraju protok vode prema rotoru. Njegova funkcija je omogućiti protok da se prilagodi varijacijama opterećenja u električnoj mreži, optimizirajući performanse u svakom trenutku.
- Radno kolo ili rotor: Ovo je srce turbine, gdje se odvija razmjena energije. Radno kolo pretvara kinetičku, potencijalnu i energiju pritiska vode u mehaničku energiju. Kroz osovinu se ova mehanička energija prenosi do električnog generatora, gdje se konačno pretvara u električnu energiju.
- Usisna cijev: Ovo je izlaz tečnosti iz turbine. Njegov oblik difuzora stvara vakuum koji pomaže povratku dijela energije koja nije u potpunosti iskorištena u impeleru, čime se doprinosi poboljšanju ukupne efikasnosti sistema.
Klasifikacija Francisovih turbina
Francisove turbine se mogu klasificirati prema njihovoj radnoj brzini i karakteristikama glave:
- Spora Francisova turbina: Uglavnom se koristi za visoke visine skakanja, veće od 200 metara.
- Normalna Francisova turbina: Predviđeno za srednje visine, između 20 i 200 metara.
- Brza i ekstra brza Francisova turbina: Pogodan za male skokove, ispod 20 metara. Ove turbine su idealne za velike protoke vode i mali pad.
Dizajn ovih turbina varira u zavisnosti od karakteristika glave i protoka koji je dostupan u svakoj instalaciji. Bitno je odabrati najprikladniji tip turbine za optimizaciju energetskih performansi i smanjenje operativnih troškova.
Uz gore navedene informacije moći ćete bolje razumjeti kako Francis turbine rade, njihove glavne karakteristike, dijelove i ograničenja. Ova vrsta turbine je svestrana, efikasna i izdržljiva opcija za proizvodnju hidroelektrične energije širom svijeta.