Histoire
La turbine Francis a été inventée par James B. Francis dans les années 1850. Les roues hydrauliques avaient été utilisées pour accomplir des travaux utiles pendant plus de 1 000 ans, mais elles étaient inefficaces. James Francis a appliqué des principes mathématiques lors de la conception de la turbine Francis et a créé une turbine avec une efficacité dépassant 90%.
Section Transversale de Turbine Francis
Bien qu'il existe maintenant différentes variations de la turbine Francis, les principes de fonctionnement fondamentaux restent les mêmes que ceux utilisés il y a plus de 100 ans. À mesure que l'industrie de l'énergie électrique s'est développée au cours des 150 dernières années, la turbine Francis a pu rivaliser avec d'autres moteurs principaux en termes de coût, ce qui a conduit à son utilisation généralisée pour de nombreuses applications.
Différentes Variations de Turbine Francis
Introduction
Grâce à leur conception polyvalente, les turbines Francis conviennent à une large gamme de pressions et de débits. En raison de cette large plage de fonctionnement, la turbine Francis est le type de turbine hydroélectrique le plus courant utilisé aujourd'hui.
Le rotor Francis peut être utilisé à la fois comme pompe hydraulique et turbine hydraulique, ce qui est une caractéristique unique par rapport à d'autres rotors hydroélectriques courants tels que les rotors Kaplan et Pelton . Les centrales de pompage-turbinage utilisent exclusivement des rotors Francis, en raison de cette caractéristique unique.
L'efficacité des turbines Francis dépasse souvent 90% lorsque les bonnes conditions de fonctionnement sont réunies. Cette efficacité ne diminue pas tant que la charge n'est pas inférieure à 40%.
Théorie de Fonctionnement
Les turbines Francis convertissent l'énergie potentielle en énergie mécanique. Ce type de turbine est classé comme une turbine à réaction, car elle fonctionne dans un système de pression et repose sur un corps d'eau continu du côté aspiration au côté pression de la turbine.
Construction
La turbine Francis se compose d'une série de pales montées entre une couronne de rotor et une bande de rotor. Les espaces entre les pales permettent à l'eau de s'écouler de la périphérie extérieure du rotor vers la section intérieure du rotor ; ce type d'écoulement est connu sous le nom d'écoulement radial.
Rotor de Turbine Francis
Un boîtier en spirale - également connu sous le nom de boîtier en volute - est utilisé pour fournir un débit d'eau uniforme à l'ensemble du rotor. Un débit uniforme est obtenu grâce à la diminution progressive de la section transversale du boîtier. À mesure que la section transversale diminue, la vitesse de l'eau dans le boîtier est maintenue et un débit d'eau uniforme est fourni au rotor.
Boîtier en Volute de Turbine Francis
Les aubes directrices dirigent l'eau vers le rotor. Le but des aubes directrices est de convertir l'énergie potentielle de l'eau en énergie cinétique, et de diriger l'eau dans le rotor à un angle optimal.
Un tube de fuite est utilisé pour convertir une partie de l'énergie cinétique de l'eau évacuée en énergie de pression. Cette conversion augmente l'efficacité globale de fonctionnement de la turbine.
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Comment Fonctionnent les Turbines Francis
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L'eau est acheminée à travers un conducteur d'eau sous pression connu sous le nom de conduite forcée. L'eau circule le long du boîtier en spirale et passe à travers les aubes directrices. Les aubes directrices convertissent l'énergie potentielle de l'eau en énergie cinétique et peuvent également être utilisées pour démarrer, arrêter et réguler le débit vers le rotor.
L'eau entre dans le rotor Francis de manière radiale, s'écoulant de l'extérieur vers l'intérieur du rotor. L'eau est ensuite évacuée vers le bas, hors de la base du rotor ; ce type d'écoulement est connu sous le nom d'écoulement axial en raison de l'écoulement dans une direction parallèle à l'arbre du rotor.
Section Transversale de Turbine Francis
Parce que l'écoulement est à la fois radial à l'entrée et axial à la sortie, les turbines Francis sont classées comme des turbines à écoulement mixte.
Le tube de fuite convertit une partie de l'énergie cinétique restante de l'eau en énergie potentielle ; l'eau est ensuite évacuée vers le canal de fuite.
Production d'Énergie
Une fois que l'eau circule à travers le rotor, les pales convertissent l'énergie potentielle de l'eau en énergie mécanique. L'énergie mécanique est appliquée sous forme de couple sur l'arbre principal du rotor et l'arbre commence à tourner.
Un arbre commun relie le rotor à un générateur, donc lorsque le rotor tourne, le rotor du générateur tourne également. Le rotor du générateur tourne dans un champ électromagnétique, lorsque le rotor se déplace à travers le champ magnétique, un courant est induit dans les enroulements du stator du générateur, à ce stade l'énergie mécanique fournie par le rotor Francis a été convertie en énergie électrique. L'énergie électrique peut maintenant être transférée à travers un réseau national aux consommateurs finaux.
Le processus de production d'énergie est continu, ce qui conduit à une forme de production d'énergie constante, renouvelable et fiable.
Comment Fonctionnent les Centrales de Pompage-Turbinage
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Ressources Supplémentaires
https://en.wikipedia.org/wiki/Francis_turbine
https://theconstructor.org/practical-guide/francis-turbines-components-application/2900/
https://lesics.com/how-does-francis-turbine-work.html
https://blog.gridpro.com/understanding-the-flow-through-francis-turbine