프란시스 터빈

그랜드 쿨리 댐의 프란시스 입구 두루마리

수직 프란시스 터빈의 측면도 컷어웨이.여기서 물은 터빈의 회전하는 러너의 바깥쪽을 감싸고 있는 나선형 파이프(나선형 케이스)에 수평으로 들어가 터빈의 중심을 통해 수직으로 아래로 빠져나갑니다.

프란시스 터빈은 수차의 일종이다.방사형 및 축방향 흐름 개념을 결합한 내향 흐름 반응 터빈입니다.프란시스 터빈은 현재 사용되는 가장 일반적인 수력 터빈이며,^[1] 95% 이상의 효율성을 달성할 수 있습니다.

현대의 프란시스 주자 디자인에 도달하는 과정은 1848년부터 대략 ^[1]1920년까지 걸렸다.그것은 1920년경 프랜시스 터빈으로 알려지게 되었고, 영국계 미국인 엔지니어 제임스 B의 이름을 따서 명명되었다. 프란시스는 1848년에 새로운 터빈 ^[1]디자인을 창조했다.

프란시스 터빈은 주로 전기 생산에 사용됩니다.발전기의 전력 출력은 일반적으로 몇 킬로와트에서 최대 1000 MW까지 다양하지만, 미니 하이드로 설비는 더 낮을 수 있다.최고의 성능은 헤드 높이가 100~300m(330~980ft)^[2] 사이일 때 나타난다.펜스톡 직경은 1~10m(3.3~32.8피트)입니다.터빈 유닛마다 속도는 70~1000rpm까지 다양합니다.터빈의 회전 러너 바깥쪽의 위켓 게이트는 터빈을 통과하는 물의 유속을 제어하여 다양한 동력 생산 속도를 제공합니다.프란시스 터빈은 보통 수직 샤프트와 함께 장착되어 물을 발전기에서 격리합니다.또한 설치 및 ^{[citation needed]}유지보수가 용이합니다.

발전

프란시스 터빈 부품

매사추세츠 주 로웰에 있는 Pottucket Gatehouse; 첫 번째 프란시스 터빈이 있던 곳

그랜드 쿨리 댐 프란시스 러너

다양한 종류의 물레방아들이 모든 종류의 동력공장에 1,000년 이상 사용되어 왔지만, 그것들은 상대적으로 비효율적이었다.19세기 수력 터빈의 효율 개선으로 수력 터빈은 거의 모든 수차 응용 프로그램을 대체하고 수력을 이용할 수 있는 곳이라면 어디서든 증기 엔진과 경쟁할 수 있게 되었습니다.1800년대 후반에 발전기가 개발된 후, 터빈은 잠재적 수력 발전원이 존재하는 발전기 전력의 자연적인 원천이었다.

1826년 프랑스 엔지니어 Benoit Fourneyron은 고효율(80%) 외향류 수력 터빈을 개발했습니다.물이 터빈 주자를 통해 접선 방향으로 흘러 회전하게 했다.또 다른 프랑스 엔지니어 장 빅터 폰슬레는 1820년에 같은 원리를 사용한 내향류 터빈을 설계했다.S. B. 하우드는 1838년에 비슷한 디자인으로 미국 특허를 취득했다.

1848년에 제임스 B. 프랜시스는 매사추세츠 주 [3]로웰의 수륜으로 움직이는 섬유 공장 도시에서 록스 앤 캐널 회사의 헤드 엔지니어로 일하면서 보다 효율적인 터빈을 만들기 위해 이러한 디자인을 개선했습니다.그는 매우 효율적인 터빈 설계를 만들기 위해 과학적 원리와 테스트 방법을 적용했습니다.더 중요한 것은, 그의 수학적, 그래픽 계산 방법이 터빈 설계와 공학을 향상시켰다는 것이다.그의 분석 방법은 현장의 물 흐름과 압력(물머리)을 정확하게 일치시키는 고효율 터빈의 설계를 가능하게 했습니다.

구성 요소들

프랜시스 터빈은 다음과 같은 주요 부품으로 구성됩니다.

나선형 케이스:터빈 러너 주변의 나선형 케이스를 볼루트 케이싱 또는 스크롤 케이스라고 합니다.길이 전체에 걸쳐 일정한 간격으로 다수의 개구부가 있어 작동 유체가 러너의 블레이드에 침입할 수 있습니다.이 개구부는 유체가 블레이드에 충돌하기 직전에 유체의 압력 에너지를 운동 에너지로 변환합니다.이 케이스의 단면적이 원주를 따라 균일하게 감소하기 때문에 오일이 블레이드로 유입될 수 있는 수많은 개구부가 제공되었음에도 불구하고 이는 일정한 속도를 유지합니다.

가이드 및 스테이 베인:가이드 및 스테이 베인의 주요 기능은 유체의 압력 에너지를 운동 에너지로 변환하는 것입니다.또한 설계 각도로 러너 블레이드로 흐름을 유도하는 역할도 합니다.

러너 블레이드:러너 블레이드는 모든 터빈의 핵심입니다.오일이 충돌하고 충격의 접선력이 토크를 발생시켜 터빈 샤프트가 회전하는 중심입니다.흡기구와 배기구에서의 블레이드 각도 설계는 전력 생산에 영향을 미치는 주요 파라미터이기 때문에 세심한 주의가 필요합니다.

드래프트 튜브:드래프트 튜브는 러너 출구와 터빈에서 물이 배출되는 테일 레이스를 연결하는 도관입니다.그것의 주요 기능은 배출구의 운동 에너지 손실을 최소화하기 위해 배출수의 속도를 줄이는 것이다.따라서 사용 가능한 헤드의 상당한 저하 없이 터빈을 테일 워터 위로 설정할 수 있습니다.

연산 이론

중국 양쯔강에 있는 세 개의 협곡 댐 프란시스 터빈 주자

프란시스 터빈은 작동 유체가 엄청난 압력으로 터빈에 도달하고 작동 유체로부터 터빈 블레이드에 의해 에너지가 추출되는 터빈의 범주인 반응 터빈의 한 종류입니다.반응도에 의해 정량화된 터빈의 날개에 발생하는 압력변화에 의해 에너지의 일부가 유체에 의해 포기되고, 나머지 부분은 터빈의 볼류트 케이싱에 의해 추출된다.출구에서는 물이 회전하는 컵 모양의 러너 기능에 작용하여 운동 에너지나 위치 에너지가 거의 남아 있지 않은 상태에서 저속 및 낮은 소용돌이로 남습니다.터빈의 출구 튜브는 물의 흐름을 감속하고 압력을 회복하는 데 도움이 되도록 형성되어 있습니다.

발전기에 부착된 프란시스 터빈(외관도)
개찰구(노란색)가 최소 흐름 설정인 컷어웨이 뷰
개찰구(노란색)가 최대 흐름 설정인 컷어웨이 뷰

블레이드 효율

출구 속도의 소용돌이 성분이 0이고 흐름이 완전히 축방향임을 보여주는 이상적인 속도 다이어그램

일반적으로 흐름 속도(접선 방향에 수직인 속도)는 전체적으로 일정하게 유지됩니다. $V f1 = V$ 이며_f2 드래프트 튜브 입구와 동일합니다. $오일러$ 터빈 $방정식$ E $/ m = e w1 1 =$ CJB를 사용하여, 여기서 e는 유체의 단위 질량당 로터로 전달되는 에너지입니다.흡입 속도 삼각형으로부터,

\displaystyle V_{w1}=V_{f1}\cot \alpha _{1}

그리고.

({displaystyle U_{1}=V_{f1}(\cot \alpha _{1}+\cot \cot _{1}),}

그러므로

({displaystyle e=V_{f1}^2}\cot \alpha _{1}(\cot \alpha _{1}+\cot \alpha _{1}).}

출구에서 단위 질량당 운동 에너지의 $손실$ 은_f2² V $/2$ 이다.따라서 마찰 없이 블레이드 효율이 향상됩니다.

\eta _{b}={e \over (e+V_{f2}^{2}/2)

예.

(\displaystyle \eta _{b}=subscfrac {2V_{f1}^{2}(\cot \alpha _{1}+\cot \alpha _{1})}){V_{f2}^{2}+2V_{f1}^{2}(\cot \alpha _{1}+\cot \beta _{1})}},}.

반응도

출구 속도의 회전 성분이 0이 아님을 나타내는 실제 속도 다이어그램

반응도는 유체의 ^[4]총 에너지 변화에 대한 블레이드의 압력 에너지 변화 비율로 정의할 수 있습니다.즉, 터빈의 날개에서 발생하는 유체 압력 에너지의 총 변화 비율을 나타내는 비율입니다.나머지 변화는 터빈의 스테이터 블레이드 및 볼루트 케이스의 단면적이 다양하기 때문에 발생합니다.예를 들어, 반응도가 50%로 주어진다면, 이는 유체의 총 에너지 변화 중 절반은 로터 블레이드에서 일어나고 나머지 절반은 스테이터 블레이드에서 일어나고 있음을 의미합니다.반응도가 0이면 로터 블레이드로 인한 에너지 변화가 0임을 의미하며, 이는 펠튼 터빈이라고 불리는 다른 터빈 설계로 이어집니다.

R=1-{\frac {V_{1}^{2}-V_{2}^2e}=1-{\frac {V_{1}^{2}^{2}}{2e}}

프란시스 터빈에서는 방전이 방사형이기 때문에 위의 두 번째 등식이 유지됩니다.위에서 'e' 값을 입력하고 $V_{1}^{2}-V_{f2}^{2}=V_{f1}^{2}\cot \alpha _{2}$ 1 $V_{1}^{2}-V_{f2}^{2}=V_{f1}^{2}\cot \alpha _{2}$ - V $V_{1}^{2}-V_{f2}^{2}=V_{f1}^{2}\cot \alpha _{2}$ $V_{1}^{2}-V_{f2}^{2}=V_{f1}^{2}\cot \alpha _{2}$ $V_{1}^{2}-V_{f2}^{2}=V_{f1}^{2}\cot \alpha _{2}$ $V_{1}^{2}-V_{f2}^{2}=V_{f1}^{2}\cot \alpha _{2}$ $V_{1}^{2}-V_{f2}^{2}=V_{f1}^{2}\cot \alpha _{2}$ $V_{1}^{2}-V_{f2}^{2}=V_{f1}^{2}\cot \alpha _{2}$ $V_{1}^{2}-V_{f2}^{2}=V_{f1}^{2}\cot \alpha _{2}$ cot $V_{1}^{2}-V_{f2}^{2}=V_{f1}^{2}\cot \alpha _{2}$ $V_{1}^{2}-V_{f2}^{2}=V_{f1}^{2}\cot \alpha _{2}$ 2 $V_{1}^{2}-V_{f2}^{2}=V_{f1}^{2}\cot \alpha _{2}$ { { $displaystyle$ V _ { $1}^{2} = V$ _ { $f1}^2$ } \ $cot \alpha$ _ ${2}$ = $V_{f2}=V_{f1}$ _ ${fstyle$ {2} $V_{1}^{2}-V_{f2}^{2}=V_{f1}^{2}\cot \alpha _{2}$ ( $V$ f $V_{f2}=V_{f1}$ $V_{f2}=V_{f1}$ $V_{f2}=V_{f1}$ fstyle F _ 2 ）

R=1-{\frac {cot \alpha _{1}}{2(\cot \alpha _{1}+\cot \alpha _{1}}}

어플

소형 스위스제 프란시스 터빈

프란시스 터빈은 광범위한 헤드 및 흐름을 위해 설계될 수 있다.이러한 다기능성과 높은 효율성으로 인해 이 터빈은 세계에서 가장 널리 사용되는 터빈이 되었습니다.프란시스형 유닛은 헤드 범위가 40~600m(130~2000ft)이며, 연결된 발전기 출력 전력은 불과 몇 킬로와트에서 최대 1000MW까지 다양합니다. 대형 프란시스형 터빈은 각 현장에서 주어진 물 흐름과 물 헤드를 최대한의 효율로 작동하도록 개별적으로 설계되었으며, 일반적으로 90% 이상(99%)^[5]이 넘습니다.

펠튼 터빈과 달리 프랜시스 터빈은 항상 물이 완전히 차 있는 최상의 상태로 작동합니다.터빈과 출구 채널은 외부의 호수나 해수면보다 낮게 배치되어 캐비테이션의 경향을 줄일 수 있습니다.

전기 생산 외에도 저전력 수요 기간 동안 대형 전기 모터로 작동하는 발전기에 의해 구동되는 터빈(펌프 역할을 하는)에 의해 저장소가 채워지고, 피크 수요 기간 동안 전력을 생성하기 위해 역방향으로 사용되는 펌프 저장 장치에도 사용될 수 있다.이러한 펌프 저장 저장소는 "과도한" 전기 에너지를 높은 저장소의 물의 형태로 저장하기 위한 대규모 에너지 저장원으로 작동합니다.이는 나중에 사용할 수 있도록 일시적으로 여분의 전기 용량을 저장할 수 있는 몇 안 되는 방법 중 하나입니다.

「」를 참조해 주세요.

통풍관
프란시스 터빈에서 카플란 터빈으로의 진화
수력 발전
존발 터빈
카플란 터빈
펠튼 휠
Francis 및 Kaplan 터빈을 통해 이동하는 물고기의 영향을 연구하는 데 사용되는 장치인 센서 피쉬

인용문

^ ^a ^b ^c Lewis, B J; Cimbala, J M; Wouden, A M (2014-03-01). "Major historical developments in the design of water wheels and Francis hydroturbines". IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 22 (1): 012020. Bibcode:2014E&ES...22a2020L. doi:10.1088/1755-1315/22/1/012020. ISSN 1755-1315. 이 문서에는 CC BY 3.0 라이선스로 이용할 수 있는 이 소스로부터의 텍스트가 포함되어 있습니다.
^ Paul Breeze, 발전 테크놀로지스 (제3판), 2019년
^ "Lowell Notes – James B. Francis" (PDF). National Park Service. Archived from the original (PDF) on 2016-03-10.
^ Bansal, RK (2010). A textbook of fluid mechanics and hydraulic machines (Revised ninth ed.). India: Laxmi publications. pp. 880–883.
^ 엘수오...H. Xie, 2012년 종합 재생 에너지 부문

일반 참고 문헌 목록

레이튼, 에드윈 T경험의 법칙에서 과학 공학으로: 제임스 B. 프란시스와 프란시스 터빈의 발명.NLA Monograph 시리즈뉴욕주 스토니브룩: 1992년 뉴욕 주립대학 연구재단.OCLC 1073565482
S. M. Yahya, 13페이지,^{[full citation needed]} 그림 1.14

[:1-1] Lewis, B J; Cimbala, J M; Wouden, A M (2014-03-01). "Major historical developments in the design of water wheels and Francis hydroturbines". IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 22 (1): 012020. Bibcode:2014E&ES...22a2020L. doi:10.1088/1755-1315/22/1/012020. ISSN 1755-1315. 이 문서에는 CC BY 3.0 라이선스로 이용할 수 있는 이 소스로부터의 텍스트가 포함되어 있습니다.

[2] Paul Breeze, 발전 테크놀로지스 (제3판), 2019년

[:0-3] "Lowell Notes – James B. Francis" (PDF). National Park Service. Archived from the original (PDF) on 2016-03-10.

[4] Bansal, RK (2010). A textbook of fluid mechanics and hydraulic machines (Revised ninth ed.). India: Laxmi publications. pp. 880–883.

[5] 엘수오...H. Xie, 2012년 종합 재생 에너지 부문

[1]

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[5]

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