Эволюция от турбины Фрэнсиса к турбине Каплана

Турбина Фрэнсиса преобразует энергию при высоких напорах, которые нелегко получить, и поэтому турбина требовалась для преобразования энергии при низких напорах, учитывая, что количество воды было достаточно большим. Было легко преобразовать высокие напоры в электроэнергию, но трудно сделать это при низких напорах . Поэтому произошла эволюция, которая преобразовала турбину Фрэнсиса в турбину Каплана , которая эффективно вырабатывала электроэнергию даже при низких напорах .

Турбины иногда различаются по типу входного потока, будь то скорость на входе в осевом направлении, радиальном направлении или в комбинации обоих направлений. Турбина Фрэнсиса является смешанной гидравлической турбиной (скорость на входе имеет радиальную и тангенциальную составляющие), в то время как турбина Каплана является осевой гидравлической турбиной (скорость на входе имеет только осевую составляющую скорости ). Эволюция в основном заключалась в изменении входного потока.

Номенклатура треугольника скоростей:

Общий треугольник скоростей состоит из следующих векторов: ^{[1] [2]}

• V  : Абсолютная скорость жидкости.
• U  : Тангенциальная скорость жидкости.
• V _r : Относительная скорость жидкости после контакта с ротором .
• V _w : Тангенциальная составляющая V (абсолютной скорости), называемая скоростью вихря .
• V _f : Скорость потока (осевая составляющая в случае осевых машин, радиальная в случае радиальных).
• α : Угол, образуемый V с плоскостью машины (обычно угол сопла или угол направляющей лопатки).
• β : Угол наклона лопасти ротора или угол, образованный относительной скоростью с тангенциальным направлением.

Как правило, турбина Каплана работает при низком напоре (H) и высоком расходе (Q). Это означает, что удельная скорость (N _s ), при которой работает турбина Каплана, высока, поскольку удельная скорость (N _sp ) прямо пропорциональна расходу (Q) и обратно пропорциональна напору (H). С другой стороны, турбина Фрэнсиса работает при низких удельных скоростях, т. е. при высоком напоре.

На рисунке видно, что увеличение удельной скорости (или уменьшение напора) имеет следующие последствия:

• Уменьшение скорости на входе V ₁ .
• Скорость потока V f1 _на входе увеличивается, что позволяет большему количеству жидкости поступать в турбину.
• Компонент V _w уменьшается по мере движения к турбине Каплана, и здесь на рисунке V _f представляет собой осевой (V _a ) компонент.
• Поток на входе (на рисунке) во все рабочие колеса , за исключением рабочего колеса Каплана , имеет радиальное (V _f ) и тангенциальное (V w ) направления.
• β ₁ уменьшается по мере эволюции.
• Однако в роторе Каплана выходная скорость является осевой , тогда как во всех других роторах она является радиальной.

Следовательно, это те изменения параметров, которые необходимо учесть при преобразовании турбины Фрэнсиса в турбину Каплана .

• Эффективность турбины Каплана выше, чем у турбины Фрэнсиса.
• Турбина Каплана имеет меньшее поперечное сечение и меньшую скорость вращения, чем турбина Фрэнсиса.
• В турбине Каплана вода поступает в осевом направлении и выходит в осевом направлении, тогда как в турбине Фрэнсиса она поступает радиально и выходит в осевом направлении.
• Турбина Каплана имеет меньше рабочих лопаток, чем турбина Фрэнсиса, поскольку лопатки турбины Каплана закручены и охватывают большую окружность.
• Потери на трение в турбине Каплана меньше.
• Вал турбины Фрэнсиса обычно вертикальный (во многих ранних машинах он был горизонтальным), тогда как в турбине Каплана он всегда вертикальный.
• Удельная скорость турбины Фрэнсиса средняя (60–300 об/мин); удельная скорость турбины Каплана высокая (300–1000 об/мин).

• турбина Фрэнсиса
• турбина Каплана
• Треугольник скоростей
• Турбина
• Трехмерные потери и корреляция в турбомашиностроении

• Венканна, БК (2011). Основы турбомашиностроения . Прентис Холл Индия. ISBN 978-81-203-3775-6.
• Говинде Гоуда, М.С. (2011). Учебник по турбомашинам . Давангере : MM Publishers.
• SK Agrawal (1 февраля 2001 г.). Механика жидкостей и машин. Tata McGraw-Hill Education. ISBN 978-0-07-460005-4. Получено 23 мая 2013 г.