Geschichte
Die Francis-Turbine wurde in den 1850er Jahren von James B. Francis entwickelt. Wasserräder wurden über 1.000 Jahre lang für praktische Anwendungen genutzt, waren jedoch ineffizient. James Francis setzte mathematische Prinzipien bei der Konstruktion der Francis-Turbine ein und schuf eine Turbine mit einem Wirkungsgrad von über 90%.
Obwohl es heute verschiedene Varianten der Francis-Turbine gibt, bleiben die grundlegenden Funktionsprinzipien dieselben wie vor über 100 Jahren. Mit dem Wachstum der Elektroindustrie in den letzten 150 Jahren konnte die Francis-Turbine in Bezug auf die Kosten mit anderen Antriebsmaschinen konkurrieren, was zu ihrer weit verbreiteten Nutzung in vielen Anwendungen führte.
Verschiedene Francis-Turbinen-Varianten
Einführung
Dank ihres vielseitigen Designs sind Francis-Turbinen für eine breite Palette von Druckverhältnissen und Durchflussraten geeignet. Aufgrund dieses breiten Betriebsbereichs ist die Francis-Turbine heute die am häufigsten eingesetzte Art von Wasserkraftturbine.
Der Francis-Läufer kann sowohl als hydraulische Pumpe als auch als hydraulische Turbine betrieben werden, was ein einzigartiges Merkmal im Vergleich zu anderen gängigen Wasserkraftläufern wie den Kaplan - und Pelton -Läufern ist. Pumpspeicherkraftwerke verwenden ausschließlich Francis-Läufer aufgrund dieses einzigartigen Merkmals.
Der Wirkungsgrad von Francis-Turbinen übersteigt oft 90%, wenn die richtigen Betriebsbedingungen erfüllt sind. Dieser Wirkungsgrad sinkt nicht, bis die Last unter 40% fällt.
Betriebstheorie
Francis-Turbinen wandeln potentielle Energie in mechanische Energie um. Diese Art von Turbine wird als Reaktionsturbine klassifiziert, da sie innerhalb eines Drucksystems arbeitet und auf einen kontinuierlichen Wasserstrom von der Saug- zur Druckseite der Turbine angewiesen ist.
Konstruktion
Die Francis-Turbine besteht aus einer Reihe von Schaufeln, die zwischen einem Läuferkranz und einem Läuferband montiert sind. Zwischenräume zwischen den Schaufeln ermöglichen es dem Wasser, vom äußeren Rand des Läufers zum inneren Abschnitt des Läufers zu fließen; dieser Flusstyp wird als Radialfluss bezeichnet.
Francis-Turbinenläufer
Ein Spiralgehäuse - auch bekannt als Schneckenhaus - wird verwendet, um einen gleichmäßigen Wasserfluss zum gesamten Läufer zu liefern. Ein gleichmäßiger Fluss wird durch den allmählich abnehmenden Querschnittsbereich des Gehäuses erreicht. Da der Querschnittsbereich abnimmt, bleibt die Geschwindigkeit des Wassers im Gehäuse konstant und ein gleichmäßiger Wasserfluss wird zum Läufer geliefert.
Francis-Turbinen-Spiralgehäuse
Leitschaufeln lenken das Wasser zum Läufer. Der Zweck der Leitschaufeln besteht darin, die potentielle Energie des Wassers in kinetische Energie umzuwandeln und das Wasser in einem optimalen Winkel in den Läufer zu lenken.
Ein Saugrohr wird verwendet, um einen Teil der kinetischen Energie des abgeführten Wassers wieder in Druckenergie umzuwandeln. Diese Umwandlung erhöht die Gesamtbetriebseffizienz der Turbine.
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Wie Francis-Turbinen funktionieren
Das folgende Video ist ein Auszug aus unserem Einführungskurs in Wasserkraftwerke.
Wasser wird durch einen unter Druck stehenden Wasserleiter, bekannt als Druckrohr, zugeführt. Das Wasser fließt entlang des Spiralgehäuses und passiert die Leitschaufeln. Die Leitschaufeln wandeln die potentielle Energie des Wassers in kinetische Energie um und können auch verwendet werden, um den Fluss zum Läufer zu starten, zu stoppen und zu regulieren.
Das Wasser tritt radial in den Francis-Läufer ein, fließt von außen nach innen in den Läufer. Das Wasser wird dann nach unten aus dem Läuferboden abgeführt; dieser Flusstyp wird als Axialfluss bezeichnet, da der Fluss in einer parallelen Richtung zur Läuferwelle verläuft.
Francis-Turbine Querschnitt
Da der Fluss sowohl beim Eintritt radial als auch beim Austritt axial ist, werden Francis-Turbinen als Mischfluss-Turbinen klassifiziert.
Das Saugrohr wandelt einen Teil der verbleibenden kinetischen Energie des Wassers in potentielle Energie um; das Wasser wird dann in den Unterwasserkanal abgeführt.
Stromerzeugung
Sobald Wasser durch den Läufer fließt, wandeln die Schaufeln die potentielle Energie des Wassers in mechanische Energie um. Die mechanische Energie wird als Drehmoment auf die Hauptläuferwelle angewendet und die Welle beginnt sich zu drehen.
Eine gemeinsame Welle verbindet den Läufer mit einem Generator, sodass sich der Generatorrotor dreht, wenn sich der Läufer dreht. Der Generatorrotor dreht sich innerhalb eines elektromagnetischen Feldes, und wenn sich der Rotor durch das magnetische Feld bewegt, wird Strom in den Generatorstatorwicklungen induziert. An diesem Punkt wurde die mechanische Energie, die vom Francis-Läufer geliefert wurde, in elektrische Energie umgewandelt. Die elektrische Energie kann nun über ein nationales Netz an Endverbraucher übertragen werden.
Der gesamte Stromerzeugungsprozess ist kontinuierlich, was zu einer konstanten, erneuerbaren und zuverlässigen Form der Stromerzeugung führt.
Wie Pumpspeicherkraftwerke funktionieren
Das folgende Video ist ein Auszug aus unserem Einführungskurs in Wasserkraftwerke.
Sehen Sie sich unseren Artikel über Pumpspeicher für detailliertere Informationen an.
Zusätzliche Ressourcen
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