Wir freuen uns über jede Rückmeldung. Ihre Botschaft geht vollkommen anonym nur an das Administrator Team. Danke fürs Mitmachen, das zur Verbesserung des Systems oder der Inhalte beitragen kann. ACHTUNG: Wir können an Sie nur eine Antwort senden, wenn Sie ihre Mail Adresse mitschicken, die wir sonst nicht kennen!

unbekannter Gast
vom 02.12.2021, aktuelle Version,

Francis-Turbine

Laufräder einer Francis-Turbine des Kraftwerks Sösetalsperre
Spiralgehäuse einer vertikalen Francisturbine beim Bau der Grand Coulee-Talsperre in den USA

Die Francis-Turbine ist eine nach dem Ingenieur James B. Francis aus den USA benannte sehr universell einsetzbare Wasserturbine, bei welcher das Laufrad radial von außen angeströmt wird.

Geschichte

Die Francis-Turbine ist eine Weiterentwicklung der Fourneyron-Turbine. Diese Turbine hatte den Nachteil, dass das Wasser beim Übergang von dem im Inneren des Laufrads liegenden Leitwerk auf den Läufer verwirbelt wurde und somit kein optimaler Wirkungsgrad erreicht werden konnte.[1] Ein erster Vorschlag zum Bau einer in umgekehrter Richtung, also von außen nach innen, durchströmten Turbine kam von Jean-Victor Poncelet im Jahre 1826. Er hatte zuvor das unterschlächtige Wasserrad verbessert, indem er es mit gekrümmten Schaufeln versah. Poncelet schlug vor, sein Wasserrad auf eine Seite zu legen, damit das Wasser gleichmäßig durch die Mitte des Rades austreten könne, anstatt zum Verlassen der Schaufel die Fließrichtung ändern zu müssen.[2] 1838 erhielt der Amerikaner Samuel B. Howd ein Patent für ein „verbessertes Wasserrad“, das liegend in einem Schacht angeordnet war und von außen nach innen durchströmt wurde.[3] Um 1849 verbesserte James B. Francis das Design von Howd und entwickelte die Technologie weiter, indem er genaue Tests mit der Turbine durchführte, deren Ergebnisse veröffentlichte und Regeln für die Konstruktion des Laufrades formulierte.[2]

Wirkungsprinzip

Leitwerk für maximalen Durchfluss eingestellt
Leitwerk geschlossen

Francisturbinen werden heute meist als Spiralturbinen ausgeführt. Das zufließende Wasser wird über ein schneckenförmiges Gehäuse, die Spirale, in zusätzlichen Drall und gleichmäßig am Umfang der Turbine verteilt, bevor es in den Leitschaufelkranz eintritt. Turbinen ohne dieses Spiralgehäuse werden als Schachtturbinen bezeichnet. Sie haben gegenüber den Spiralturbinen einen kleineren Wirkungsgrad und werden heute nur noch bei Kleinwasserkraftwerken mit geringer Fallhöhe angewandt.

Bei Francis-Turbinen tritt das Wasser tangential in das Laufrad ein und verlässt dieses axial. Ein Leitschaufelkranz mit verstellbaren Leitschaufeln regelt den Zufluss des Wassers auf die gegenläufig gekrümmten Schaufeln des Laufrads, das dieses in Richtung der Läuferachse ablenkt. Durch ein als Diffusor wirkendes Saugrohr in Verlängerung der Turbinenachse wird das Wasser nach Durchströmen des Laufrades abgeleitet.[4]

Die Leitschaufeln am Eintritt wirken als Stellglied, durch die gemeinsame Einstellung ihres Winkels wird die Drehzahl und damit die Leistung der Turbine bei Lastwechseln des angeschlossenen Generators und bei wechselnden Wasserständen konstant gehalten. Die Francis-Turbine ist eine Überdruckturbine, am Laufradeintritt ist der Druck höher als am Laufradaustritt.[4]

Der zur Turbine gehörende Regler erfasst die Drehzahl der Turbine auf der Welle als Regelgröße und wandelt das Ergebnis auf servohydraulischem Wege in eine Stellgröße, die die Leitschaufeln entsprechend der Drehzahlabweichung öffnet oder schließt. Der konstruktive Aufwand für die Regelung der Turbine ist erheblich und macht einen spürbaren Anteil der Investitionen einer Francis-Turbine aus.

Der Wirkungsgrad der Francis-Turbine variiert je nach Bauart und Betriebspunkt. Moderne Francis-Turbinen erreichen Wirkungsgrade von über 90 %. Francisturbinen lassen sich auch als Pumpturbinen auslegen, wie zum Beispiel bei der Isogyre-Pumpturbine.[5][1]

Einsatzbereich

Kennfeld der Francis-Turbine im Vergleich zur Pelton- und Kaplan-Turbine

Die Francis-Turbine ist der am weitesten verbreitete Turbinentyp bei Wasserkraftwerken. Sie kommt bei mittleren Fallhöhen des Wassers und mittleren Durchflussmengen zum Einsatz. Sie wird daher in Laufwasserkraftwerken und Speicherkraftwerken eingesetzt. Ihr Leistungsspektrum erstreckt sich von 10 kW bis über 700 MW.

Der Rekord für die Fallhöhe von Francis-Turbinen liegt bei 695 m, und zwar beim Pumpspeicherkraftwerk Häusling im Zillertal, es handelt sich um zwei Einheiten von je 180 MW.

Der Einsatzbereich der Francis-Turbine überschneidet sich mit demjenigen der Pelton-Turbine und der Kaplan-Turbine. Im Vergleich zu Pelton-Turbinen kann eine Francis-Turbine bei kleineren Abmessungen höhere Durchflüsse verarbeiten. Weil die Regelung der Francis-Turbine nur über den Leitschaufelkranz erfolgen kann und die Schaufeln des Läufers im Gegensatz zu denjenigen einer Kaplan-Turbine fest sind, muss die Fallhöhe relativ konstant gehalten werden, sodass in Niederdruckkraftwerken an Flüssen mit nach Abfluss schwankenden Fallhöhen eher Kaplan-Turbinen zum Einsatz kommen.[6]

Bildergalerie

Sonderbauformen

Klappenlaufradturbine

Laufrad einer Klappenlaufradturbine aus der Saugrohrsicht

Als Sonderform der Francis-Turbine kann die Klappenlaufradturbine angesehen werden. Bei dieser Turbine hat das Laufrad verstellbare Schaufeln, während das Leitrad nicht verstellbar ausgeführt ist. Das Laufrad hat eine ähnliche Form wie das Leitrad der Francis-Turbine. Der Wirkungsgrad ist ähnlich dem der Francis-Turbine bei Volllast, nimmt aber bei zunehmend geschlossenen Klappen nicht so stark ab wie bei einer Francis-Turbine mit geschlossenem Leitschaufelkranz. Wassermengen ab ca. 15 % Öffnung der Klappen können wirtschaftlich genutzt werden. Die Klappenlaufradturbine wird nur in Kleinwasserkraftanlagen bis 500 kW angewandt, wenn stark schwankende Wassermengen verarbeitet werden müssen und nur eine Turbine zum Einsatz kommen soll.

Commons: Francis-Turbine  – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

Literatur

  • Robert Honold, Karl Albrecht: Francis-Turbinen. Ein Lehrbuch für Schule und Praxis; Theorie der Wasserturbinen Unter Besonderer Berücksichtigung der Francis-Turbine. R. Schulze Verlag, Mittweida 1908, ISBN 0-484-95815-1 (Nachdruck 2018 FB&C, Classic Reprint).

Einzelnachweise

  1. 1 2 Funktionsweise der Wasserturbinen. (PDF) (Nicht mehr online verfügbar.) In: alt.fh-aachen.de. S. 1, archiviert vom Original am 10. Oktober 2016; abgerufen am 10. Oktober 2016.
  2. 1 2 Information on Turbines. In: Seneca Creek Greenway Trail. 3. Februar 2009; (englisch).
  3. Patent US861: Improved water-wheel. Veröffentlicht am 28. Juli 1838, Anmelder: Samuel B. Howd.
  4. 1 2 Turbinenformen: Francis-, Kaplan- und Peltonturbinen. In: diebrennstoffzelle.de. Abgerufen am 10. Oktober 2016.
  5. Praktikum Francis-Turbinen Versuchsstand. (PDF) In: htw-dresden.de. S. 2, abgerufen am 10. Oktober 2016.
  6. Jürgen Giesecke, Emill Mosonyi: Wasserkraftanlagen Planung, Bau und Betrieb. Zweite, überarbeitete Auflage. Springer, Berlin, Heidelberg 1998, ISBN 3-662-10859-3, 15.2 Francis-Turbinen, S. 435.

License Information of Images on page#

Image DescriptionCreditArtistLicense NameFile
Es folgt die historische Originalbeschreibung , die das Bundesarchiv aus dokumentarischen Gründen übernommen hat. Diese kann allerdings fehlerhaft, tendenziös, überholt oder politisch extrem sein. Riesen deutscher Technik! Ein Voith'sches Riesen-Wasserrad von 6.000 P.S. für das Kraftwerk Chippawa am Niagarrafall. Dieses Bild wurde im Rahmen einer Kooperation zwischen dem deutschen Bundesarchiv und Wikimedia Deutschland aus dem deutschen Bundesarchiv für Wikimedia Commons zur Verfügung gestellt. Das deutsche Bundesarchiv gewährleistet eine authentische Bildüberlieferung nur durch die Originale (Negative und/oder Positive), bzw. die Digitalisate der Originale im Rahmen des Digitalen Bildarchivs . Unbekannt Unknown
CC BY-SA 3.0 de
Datei:Bundesarchiv Bild 102-10617, Riesen-Wasserrad der Voith AG.jpg
The Wikimedia Commons logo, SVG version. Original created by Reidab ( PNG version ) SVG version was created by Grunt and cleaned up by 3247 . Re-creation with SVG geometry features by Pumbaa , using a proper partial circle and SVG geometry features. (Former versions used to be slightly warped.) Reidab , Grunt , 3247 , Pumbaa
CC BY-SA 3.0
Datei:Commons-logo.svg
Industriedenkmal am Moselkraftwerk Fankel, bestehend aus einem Francis-Turbinen-Generatorensatz, der aus dem Wasserkraftwerk Heimbach in der Eifel stammt. Eigenes Werk Kuebi = Armin Kübelbeck
CC BY-SA 3.0
Datei:Fankel Francisturbine 01.jpg
Leitschaufeln mit maximaler Einstellung Originally from de.wikipedia Der ursprünglich hochladende Benutzer war Stahlkocher in der Wikipedia auf Deutsch
CC BY-SA 3.0
Datei:Francis Turbine High flow.jpg
Bild eines Leitwerkes einer Francis Turbine mit minimalem Durchsatz, eigenes Bild, GFDL Übertragen aus de.wikipedia nach Commons. Der ursprünglich hochladende Benutzer war Stahlkocher in der Wikipedia auf Deutsch
CC BY-SA 3.0
Datei:Francis Turbine Low flow.jpg
Francis turbine inlet scroll, Grand Coulee Dam http://users.owt.com/chubbard/gcdam/html/photos/construction.html U.S. Bureau of Reclamation
Public domain
Datei:Francis Turbine inlet scroll Grand Coulee Dam.jpg
Francis turbine parts. Index in German Diese Datei wurde von diesem Werk abgeleitet: Francis turbine parts retouched.png Francis turbine parts retouched.png : Autor/-in unbekannt Unknown author Index: Pechristener
Public domain
Datei:Francis turbine parts de.png
Kennlinienfeld der Francis-Turbine im Vergleich zu Pelton- und Kaplan-Turbine Kennfeld Wasserturbinen.svg original diagram: Jahobr adaption: Pechristener
CC0
Datei:Kennfeld Wasserturbinen Francis.svg
Bild von einer Klappenlaufradturbine own work by Nbruemm1 http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Klappenlaufradturbine.jpg (german Wikipedia) Nbruemm1
Public domain
Datei:Klappenlaufradturbine.jpg
Laufräder einer Francis-Turbine vom Kraftwerk de:Sösetalsperre (Niedersachsen, Deutschland). Baujahr 1932, Werkstoff Stahlguss rechts: für den Betrieb bei gut gefüllter Talsperre, Fallhöhe: 37–54 mWS, Wasserdurchfluss: 250–205 m³/min, Umdrehungen: 500 1/min, Leistung: 1750–2000 PS, 13 Schaufeln links: für den Betrieb bei wenig gefüllter Talsperre, Fallhöhe: 24–37 mWS, Wasserdurchfluss: 300–246 m³/min, Umdrehungen: 500 1/min, Leistung: 1180–1720 PS, 15 Schaufeln own photo, Gelände der Harzwasserwerke/Kaiser Wilhelm Schacht in Clausthal-Zellerfeld User:Netnet
CC BY-SA 2.5
Datei:Laufrad-Soesetalsperre.jpg