Die Francis-Turbine ist eine Wasserturbine, die in Wasserkraftanlagen mit großer Fallhöhe eingesetzt wird.
Diese Turbine wurde von James Bicheno Francis entwickelt. Die Funktion der Francis-Turbine besteht hauptsächlich darin, mit Hilfe eines Generators Strom zu erzeugen.
Die Francis-Turbine ist der am häufigsten in Kraftwerken verbaute Turbinentyp, deren Betrieb auf der Grundlage des Wassermassendurchflusses durch eine Produktionsanlage erfolgt.
Im Gegensatz zur Peltonturbine arbeitet die Francisturbine optimal, wenn sie stets vollständig mit Wasser gefüllt ist.
Leistung einer Francisturbine
Die Leistung einer Francis-Turbine wird üblicherweise anhand ihres hydraulischen Wirkungsgrads gemessen, der davon abhängt, wie gut sie Wasserenergie in mechanische Energie umwandelt.
Eine Untersuchung verschiedener Wasserkraftwerke hat gezeigt, dass Francis-Turbinen unter idealen Bedingungen Wirkungsgrade von bis zu 93 bis 95 Prozent erreichen können . Dies tritt ein, wenn der Wasserdurchfluss und die Fallhöhe in einem optimierten Bereich liegen und die Turbine nahe an ihrem Auslegungspunkt arbeitet. Unter diesen Bedingungen ist die Umwandlung hydraulischer Energie in mechanische Energie äußerst effizient und die Energieverluste durch Reibung und Turbulenzen sind minimal.
Wird die Turbine allerdings außerhalb ihres Auslegungsbereichs betrieben, beispielsweise bei schwankenden Durchflussmengen oder Fallhöhenänderungen, kann der Wirkungsgrad erheblich sinken.
Im Teillastbereich kann der Wirkungsgrad auf Werte von 85 bis 90 Prozent sinken. In einigen Extremfällen, wenn die Turbine mit sehr niedrigen Durchflussraten oder sehr hohen Fallhöhen (außerhalb der optimalen Konstruktionsparameter) betrieben wird, kann der Wirkungsgrad sogar unter 80 % sinken.
Eine Studie eines Wasserkraftwerks in den Schweizer Alpen zeigte, dass die Leistung einer Francis-Turbine bei stark schwankenden Durchflussraten zwar beeinträchtigt werden kann, aber dennoch in einem Wirkungsgradbereich zwischen 85 und 90 % bleibt, was ihre Anpassungsfähigkeit unterstreicht.
Im Vergleich dazu weisen andere Turbinen, beispielsweise Kaplan-Turbinen, bei schwankendem Durchfluss möglicherweise eine etwas bessere Leistung auf, allerdings sind die Fallhöhenbeschränkungen eingeschränkt.
Turbinentyp
Die Francis-Turbine wird zur Kategorie der Reaktionsturbinen gezählt . Dies bedeutet, dass die hydraulische in mechanische Energie umgewandelte Energie nicht nur von der Geschwindigkeit des Wassers, sondern auch von der Druckdifferenz abhängt.
Im Gegensatz zu Impulsturbinen, bei denen das Wasser mit hoher Geschwindigkeit auf die Rotorblätter trifft, nutzen Reaktionsturbinen wie die Francis-Turbine sowohl die Druckänderung als auch die Strömung des Wassers, um Arbeit zu erzeugen. In einer Reaktionsturbine folgt die Flüssigkeit einem Weg innerhalb der Maschine. Beim Durchgang durch die Schaufeln verringert sich ihr Druck und ihre Geschwindigkeit erhöht sich, was zur Umwandlung von Wasserenergie in Rotationsenergie führt.
Dieser Turbinentyp ist bei mittleren bis hohen Fallhöhen, die für viele Wasserkraftwerke typisch sind, sehr effizient und kann unter verschiedenen hydraulischen Bedingungen betrieben werden, wobei er sich an unterschiedliche Durchflussraten und Fallhöhen anpasst.
Aufbau einer Francisturbine
Das Design dieser Turbine ist hochspezialisiert, um ihre Effizienz unter verschiedensten Betriebsbedingungen zu maximieren.
Der Rotor der Turbine besteht aus einer Reihe gekrümmter Schaufelblätter, die so angeordnet sind, dass das Wasser in einem Winkel durch sie hindurchfließt, der die Energieumwandlung optimiert. Das Wasser tritt radial ein (senkrecht zur Turbinenachse) und strömt dann axial (entlang der Achse). Dieses Design ist ideal für Situationen mit mittlerer bis hoher Druckhöhe, in denen Wasser unter Druck eintritt und effizient in mechanische Energie umgewandelt wird.
Darüber hinaus verfügt die Francis-Turbine über ein Spiralgehäuse, das den Wasserstrom gleichmäßig zum Rotor leitet. Dies trägt dazu bei, Energieverluste durch Turbulenzen zu verringern und die Gesamteffizienz des Systems zu verbessern. Durch diese Gehäuse- und Schaufelkonstruktion kann die Turbine auch bei schwankenden Strömungsverhältnissen und Fallhöhen stabil arbeiten.
Anwendungen für Francis-Turbinen
Große Francis-Turbinen werden individuell entworfen, um die Effizienz basierend auf standortspezifischen Eigenschaften wie Wasserversorgung und verfügbarer Fallhöhe zu maximieren. Aufgrund ihrer Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Strömungsverhältnisse und Fallhöhen sind sie die ideale Wahl für Großwasserkraftwerke.
Neben ihrer hauptsächlichen Verwendung in der Stromerzeugung werden Francis-Turbinen häufig in Pumpspeicher-Wasserkraftwerken eingesetzt .
Bei dieser Anlagenart kommen zwei auf unterschiedlicher Höhe liegende Reservoirs zum Einsatz. In Zeiten geringen Energiebedarfs wird die überschüssige Energie genutzt, um Wasser vom unteren in das obere Reservoir zu pumpen. Bei diesem Verfahren fungiert die Francis-Turbine als Pumpe und nutzt einen elektrischen Generator, der als Motor fungiert, um Wasser zu pumpen.
Wenn der Strombedarf steigt, kehrt der Stromgenerator seine Funktion um und beginnt mit der Stromerzeugung unter Verwendung des im oberen Reservoir gespeicherten Wassers. Durch dieses Speichersystem lassen sich Schwankungen im Energiebedarf ausgleichen, was Francis-Turbinen zu einer effizienten und flexiblen Option für Wasserkraftwerke macht, die unter unterschiedlichen Lastbedingungen arbeiten müssen.
Vor- und Nachteile der Francisturbine
Hauptvorteile
- Einfache Steuerung unter unterschiedlichen Bedingungen : Die Francis-Turbine lässt sich auch bei schwankender Fallhöhe und Wasserdurchflussmenge sehr einfach steuern, was einen effizienten Betrieb unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen ermöglicht.
- Hohe Effizienzstabilität : Die Schwankung der Effizienz im Laufe der Zeit ist minimal, was eine zuverlässige und lang anhaltende Leistung während der gesamten Nutzungsdauer gewährleistet.
- Kompakte Größe : Die Laufradgröße einer Francis-Turbine ist im Vergleich zu anderen Turbinentypen relativ klein, was eine kompaktere und kostengünstigere Installation ermöglicht.
- Geringe Wartungskosten : Im Vergleich zu anderen hydraulischen Turbinen erfordern Francis-Turbinen einen relativ geringen Wartungsaufwand, was zu einer höheren Rentabilität und geringeren Betriebskosten beiträgt.
Hauptnachteile
- Spezifisches Design für eine bestimmte Durchflussrate : Francis-Turbinen sind für einen optimalen Betrieb bei einer bestimmten Durchflussrate ausgelegt. Sie sind nicht die beste Wahl für Installationen mit großen Durchflussschwankungen, da die Leistung unter solchen Bedingungen erheblich abnehmen kann.
- Einschränkungen bei Fallhöhen über 800 m : Obwohl die Francis-Turbine bei mittleren bis hohen Fallhöhen effizient ist, treten bei Höhen über 800 Metern aufgrund der hohen Drücke, die entstehen können, Leistungsprobleme auf.
- Kavitationsgefahr : Wie andere Reaktionsturbinen können auch Francis-Turbinen unter Kavitation leiden. Dieses Phänomen tritt auf, wenn der Wasserdruck am Turbineneinlass zu stark abfällt. Dadurch bilden sich Dampfblasen, die die Schaufeln beschädigen und die Effizienz verringern.
- Empfindlichkeit gegenüber Schmutzwasser : Das Eindringen von Wasser mit Partikeln oder Verunreinigungen kann erhebliche Probleme für die Turbine verursachen, da diese Partikel interne Komponenten wie die Schaufeln und das Laufrad beschädigen können, was die Lebensdauer der Turbine verkürzt und ihre Leistung beeinträchtigt.
Teile einer Francis-Turbine
Die von James B. Francis entworfene Francis-Turbine besteht aus mehreren Schlüsselkomponenten, die zusammenarbeiten, um ihre Effizienz und Energieumwandlung zu optimieren. Seine Hauptteile werden nachfolgend beschrieben:
- Spiralkammer : Dieser Teil hat die Funktion, die Flüssigkeit entlang des Laufradeinlasses zu verteilen. Seine Spiral- oder Schneckenform stellt sicher, dass die Durchschnittsgeschwindigkeit der Flüssigkeit auf dem Weg zum Rotor konstant bleibt. Dadurch kann das Wasser gleichmäßig fließen, was zu geringeren Verlusten führt und eine effiziente Leistung am Systemeinlass gewährleistet.
- Vorverteiler : Der aus festen Lamellen bestehende Vorverteiler hat eine wichtige strukturelle Funktion, da er den Wasserfluss vorbereitet, bevor dieser in den Verteiler gelangt. Sein hydrodynamisches Design ist optimiert, um hydraulische Verluste zu minimieren und sicherzustellen, dass die Flüssigkeit die nächste Komponente effizient erreicht, mit einer laminaren Strömung, die Turbulenzen reduziert.
- Verteiler : Der Verteiler besteht aus beweglichen Schaufeln, die das Wasser zu den festen Schaufeln des Laufrads leiten und die zulässige Durchflussmenge regulieren. Darüber hinaus wird die Strömungsrichtung angepasst, um die Gesamtleistung zu verbessern und es der Turbine zu ermöglichen, auf Lastschwankungen im Stromnetz zu reagieren. Dieses als Fink-Verteiler bezeichnete Bauteil ist für die betriebsbedingte Regelung der Turbinenleistung von entscheidender Bedeutung.
- Rotor oder Laufrad : Dies ist die grundlegende Komponente, in der der Energieaustausch stattfindet. Der Rotor wandelt hydraulische Energie, die den Druck und die kinetische Energie des Wassers umfasst, in rotierende mechanische Energie um. Diese Rotationsenergie wird auf einen elektrischen Generator übertragen und dort in elektrische Energie umgewandelt. Das Design der Laufradschaufeln ermöglicht eine effiziente und stabile Umwandlung der Flüssigkeitsenergie.
- Saugleitung : Dies ist der Turbinenauslass, durch den das Wasser, das einst zur Energieerzeugung verwendet wurde, aus dem System abgeleitet wird. Das Saugrohrdesign ist optimiert, um Energieverluste am Strömungsauslass zu verringern und so einen effizienten Turbinenbetrieb während des gesamten Prozesses sicherzustellen.