Francis-Turbine
Die Francis-Turbine ist eine im Jahre 1849 in den USA vom Ingenieur James B. Francis verbesserte Wasserturbine.
Wirkungsprinzip
Bei der Francis-Spiralturbine wird das Wasser durch ein schneckenförmiges Rohr, die Spirale, in zusätzlichen Drall versetzt und anschließend durch ein feststehendes „Leitrad“ mit verstellbaren Schaufeln auf die gegenläufig gekrümmten Schaufeln des Laufrads gelenkt. Ist der Einlaufbereich zum Leitrad nicht spiralförmig ausgebildet, spricht man von einer Francis-Schachtturbine.
Durch ein als Diffusor wirkendes Saugrohr an der Verlängerung der Turbinenachse wird das Wasser nach Durchströmen des Laufrades abgeleitet. Mit Hilfe der Leitschaufeln 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.
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 %.
Einsatzbereich
Die Francis-Turbine ist der am meisten 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.
Sonderbauformen
Als Sonderform der Francis-Turbine kann man die Klappenlaufradturbine ansehen. Die Klappenlaufradturbine hat ein verstellbares Laufrad, während das feststehende Leitrad nicht verstellbar 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 geschlossenem Laufrad nicht so stark ab. Die Anwendung einer solchen Turbine ist nur für Kleinanlagen bis 500 kW sinnvoll, wenn die Wassermengen stark schwanken und nur eine Turbine zum Einsatz kommen soll. Wassermengen ab ca. 15 % Öffnung können wirtschaftlich genutzt werden.
Bildergalerie
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Geöffnete Francis-Turbine. Das Laufrad (braun) ist an der Welle (schwarz) montiert -
Francis-Spiralturbine -
Leitwerk für maximale Leistung eingestellt -
Leitwerk für minimale Leistung eingestellt -
Geschlossener Leitapparat einer Francis-Schachtturbine -
Laufrad einer Klappenlaufradturbine aus der Saugrohrsicht -
Einlauf einer Francis-Turbine der Grand-Coulee-Talsperre -
Laufrad einer Francis-Turbine im gleichen Kraftwerk -
Laufrad für das Kraftwerk am Drei-Schluchten-Damm -
Laufrad von 1930 für das Kraftwerk Chippawa am Niagarafall
Weblinks
