Die Francis-Turbine ist eine Wasserturbine, die in Wasserkraftanlagen verwendet wird, die mit einer beträchtlichen Fallhöhe arbeiten.
Diese Turbine wurde von James Bicheno Francis entwickelt. Die Funktion der Francisturbine besteht hauptsächlich darin, mit Hilfe eines Generators Strom zu erzeugen.
Die Francisturbine ist der gebräuchlichste Turbinentyp, der in Kraftwerken installiert wird, die auf Basis des Wassermassenstroms durch eine Produktionsanlage arbeiten.
Im Gegensatz zur Pelton-Turbine läuft die Francis-Turbine am besten immer komplett mit Wasser gefüllt.
Vor- und Nachteile der Francisturbine
Die wichtigsten Vorteile, die es bietet, sind:
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Es ist auch bei variablen Höhen sehr einfach zu steuern.
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Die Schwankung seines Wirkungsgrades ist im Laufe der Zeit sehr gering.
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Die Korridorgröße ist im Vergleich zu anderen Turbinentypen klein.
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Sie hat im Vergleich zu anderen Turbinentypen geringere Wartungskosten.
Die Hauptnachteile sind:
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Francisturbinen sind für eine bestimmte Strömung ausgelegt. Es ist nicht die beste Option für große Strömungsschwankungen, da die Leistung sinkt.
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Probleme bereitet es bei Arbeiten mit Höhen über 800 m.
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Es hat ein Kavitationsproblem.
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Der Eintrag von Schmutzwasser mit Partikeln kann der Turbine erhebliche Probleme bereiten.
Welche Leistung hat eine Francis-Turbine?
Francis-Turbinen haben einen hohen Wirkungsgrad von über 90%. Darüber hinaus kann diese Art von hydraulischen Turbinen mit unterschiedlichen Fallhöhen und Durchflussmengen ausgelegt werden.
Sie haben im Vergleich zur Höhe des durch die Turbine strömenden Fluids ein breites Spektrum an Aktivitäten.
Mit Wasser arbeitend, erreicht diese Turbine optimale Leistung in einem Fall von 20 Metern auf 700 Metern. Die Leistung variiert von einigen Kilowatt bis 750 MW. Der Durchmesser des Rotors kann 1 bis 10 m betragen und die Rotationsgeschwindigkeit beträgt 83 bis 1000 U/min.
Francis-Turbinenanwendungen
Große Francis-Turbinen werden individuell für jeden Standort so konstruiert, dass sie mit der Wasserversorgung und der Wassersäule mit der höchstmöglichen Effizienz arbeiten.
Neben der Erzeugung von elektrischer Energie kann diese Turbine auch in Pumpspeicherkraftwerken installiert werden . Bei diesem Wasserkraftwerkstyp befinden sich zwei Stauseen in unterschiedlicher Höhe. Bei Energieüberschuss wird das Oberbecken mit Wasser gefüllt, das von der Turbine gepumpt wird, die die Pumpfunktion übernimmt.
Der elektrische Generator funktioniert wie ein großer Elektromotor, um in Zeiten mit geringem Energiebedarf Wasser zu pumpen. Bei hohem Energiebedarf wird der Generator umgekehrt und zur Stromerzeugung genutzt.
Aus welchen Teilen besteht eine Francisturbine?
Die von James B. Francis entworfene Turbine besteht aus:
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Spiralkammer: Sie hat die Aufgabe, die Flüssigkeit am Eingang des Laufrades zu verteilen. Durch die Spiral- oder Schneckenform bleibt die durchschnittliche Geschwindigkeit der Flüssigkeit konstant.
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Vorverteiler: Bestehend aus feststehenden Schaufeln, die eine strukturelle Funktion haben. Hydrodynamisches Design ermöglicht die Minimierung von hydraulischen Verlusten.
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Verteiler: bestehend aus beweglichen Schaufeln, um das Wasser auf die Laufradschaufeln (feststehend) zu leiten und den eingelassenen Durchfluss zu regulieren. Der Verteiler ermöglicht es, die Flüssigkeit zu leiten, um die Leistung zu verbessern und die Leistung an die Lastschwankungen des Stromnetzes anzupassen. Dies nennt man den Fink-Händler.
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Rotor oder Laufrad: Es ist verantwortlich für den Austausch von kinetischer Energie, potentieller Energie und Druckenergie in mechanische Rotationsenergie bei der Rotation des Laufrades. Das Laufrad überträgt diese Energie wiederum auf einen elektrischen Generator.
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Saugrohr: Es ist der Auslass der Turbine.
Wie funktioniert die Francis-Hydraulikturbine?
Die Francisturbine ist eine Art Reaktionswasserturbine. Das heißt, es nutzt die kinetische Energie von fließendem Wasser als Druckenergie, um ein Wasserrad zu drehen.
Die Turbine befindet sich zwischen dem Einlasskanal, an dem der Hochdruck angelegt wird, und dem Teil des Niederdruckauslasskanals.
Der Einlaufteil der Turbine ist ein spiralförmiges Gehäuse (Spiralgehäuse), und mehrere Leitschaufeln lassen das Wasser tangential in den Gang einströmen. Der Öffnungsgrad der Leitflosse kann für einen effizienten Betrieb entsprechend der verwendeten Wassermenge eingestellt werden.
Auch das durch den Korridor strömende Wasser wirkt auf ihn ein, wenn es auf die axiale Mitte gerichtet ist.
Schließlich tritt das Wasser mit der kinetischen Energie und mit der minimierten potentiellen Energie aus und der Wirbel verschwindet ebenfalls.