混流式水輪機:特性、零件和水力發電廠的運行

  • 混流式水輪機是水力發電中使用最廣泛的水輪機之一。
  • 運行海拔高度及流量範圍廣,800公尺高度以下效率高。
  • 由於氣蝕可能導致磨損,因此成為維修的主要挑戰之一。
  • 其堅固耐用的設計可透過數十年的高效運作補償初始投資。

弗朗西斯渦輪

在全球範圍內,水力發電最常用的元素之一是 弗朗西斯渦輪。它是詹姆斯·B·弗朗西斯 (James B. Francis) 發明的渦輪機,透過反應和混合流工作,利用水的運動產生能量。混流式水輪機能夠在各種海拔高度和流量下運行,這使其成為各種水力發電廠的多功能且高效的選擇,因為它可以在兩米到數百米的斜坡上運行。

在本文中,我們將詳細研究混流式水輪機的特性、零件和操作,以及它在水力發電中的重要性。

混流式水輪機的主要特點

弗朗西斯渦輪機零件

弗朗西斯渦輪機 它們因其在不同高度差(從幾米到超過 800 米)下運行的強大能力而脫穎而出,儘管它們的最佳效率是在高度低於 800 米時發現的。這是因為,在較高海拔處,重力的變化可能對其表現產生負面影響。

這些渦輪機設計用於各種流量範圍,這使得它們能夠適應不同的操作條件。它們主要用於 水力發電站 利用水的位能來發電。儘管它們的初始設計、安裝和維護成本高昂,但其使用壽命長、效率高且維護成本低,使其成為有利可圖的長期投資。

混流式水輪機的設計包括一個水動力系統,可確保 最小的水損失,保證了高性能。此外,其堅固耐用的結構減少了維護需求,這與其他類型的渦輪機相比是一個顯著的優勢。隨著技術的進步,新材料的開發進一步減少了維護需求,使混流式水輪機能夠在幾十年內保持成本效益。

混流式水輪機的限制之一是其 對流量大變化的敏感性 水,因此不建議將其安裝在流量變化劇烈的區域。

弗朗西斯渦輪機中的氣蝕

水力發電

混流式水輪機設計和維護時要考慮的另一個面向是 空化,當流體內形成空腔或氣泡時發生的流體力學現象。當水高速流過渦輪機的鋒利邊緣時,就會發生這種情況,根據伯努利公式導致壓力不平衡。

形成的氣泡稱為 蒸氣腔,從最低壓力區域到最高壓力區域。當蒸汽突然恢復液態時,氣泡破裂並釋放能量,這可能會對固體表面產生微衝擊,從而損壞渦輪機結構。這種現像不僅降低了渦輪機的效率,還會加速其零件的磨損。

氣蝕是一個缺點,因為它會產生微裂紋和可見損壞,從而縮短渦輪機的使用壽命,特別是在靠近轉子的區域。為了緩解這個問題,除了對操作條件進行詳盡的控制之外,還使用先進的材料和預防性維護技術,以盡量減少導致這種現象的變化。

混流式水輪機主要部件

弗朗西斯水輪機的特點

混流式水輪機具有多個部件,每個部件都履行特定的功能,以最大限度地提高水力發電的效率:

  • 螺旋室: 該室將流體均勻地分配到葉輪。它的螺旋或蝸牛形狀至關重要,因為它可以確保流體的速度在所有點上保持恆定。它的截面通常是圓形的,但在某些情況下也可以是矩形的。
  • 預發行人: 由固定葉片組成,在系統內具有結構功能。這些元件加固了螺旋室並最大限度地減少了液壓損失。
  • 發行人: 此部分由移動導葉組成,控制流向葉輪的水流。其功能是允許流量根據電網中的負載變化進行調整,從而始終優化效能。
  • 葉輪或轉子: 這是渦輪機的心臟,能量交換發生的地方。葉輪將水的動能、位能和壓力能轉換為機械能。透過軸,這種機械能被轉移到發電機,最終轉化為電能。
  • 吸管: 這是渦輪機的流體出口。其擴散器形狀產生真空,有助於回收葉輪中未完全使用的部分能量,有助於提高系統的整體效率。

混流式水輪機的分類

混流式水輪機的特性與運行

混流式水輪機可依其運轉速度和水頭特性進行分類:

  1. 慢混流式水輪機: 主要用於高跳躍高度,大於200公尺。
  2. 普通混流式水輪機: 適用於 20 至 200 公尺之間的中等高度。
  3. 快速和超快速混流式水輪機: 適合20公尺以下的小高度跳躍。這些渦輪機非常適合大水流和低水頭。

這些渦輪機的設計根據每個裝置中的頭部特徵和可用流量而有所不同。選擇最合適的渦輪機類型以優化能源性能並降低營運成本至關重要。

透過上述訊息,您將能夠更好地了解混流式水輪機的工作原理、其主要特點、零件和局限性。這種類型的渦輪機是全球水力發電的多功能、高效且耐用的選擇。


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