Turbinę Francisa wynalazł Amerykanin James Bicsenco Francis w 1849 r.
Turbiny Francisa były stosowane w zakresie spadów do 500 m, lecz te wartości doszły już do spadów 670 m. Nowe rozwiązania techniczne turbin wodnych spowodowały, iż na spadach do 5 m zaprzestano stosować tego rodzaju turbin. Rozwiązania turbin Francisa są analogiczne do turbin Kaplana z różnicą w budowie wirnika i kierownicy.
Częściami przepływowymi turbiny Francisa są: kierownica, wirnik, rura ssąca a także często występująca specjalnie ukształtowana obudowa w postaci kotła, leja lub też spirali, której zadaniem jest doprowadzenie strumienia wody do kierownicy (rys.1). Wirnik turbiny Francisa zbudowany jest z dwóch wieńców połączonych za pomocą łopatek. W zależności od spadu i jednostki mocy łopatki wirnika turbiny wykonuje się w różny sposób. Przy spadach do 50 m i jednostkach małej i średniej mocy są one wykonywane z miękkiej blachy stalowej pod prasą, a następnie łączone z wieńcami żeliwnymi podczas ich odlewania lub też spawane z wieńcami ze staliwa. Łopatki wirników przeznaczonych do pracy na większych spadach i przy jednostkach większej mocy wytwarza się ze staliwa w jednym odlewie z wieńcami lub oddzielnie (rys. 3), przy czym do łączenia tych elementów stosuje się spawanie. Łopatki wirnika obracają się wokół sworzni dystansowych, które to łączą pokrywę kierownicy z jej podstawą. Kolejnym rozwiązaniem jest łopatka połączona z czopami, która to obraca się na łożyskach. Jedno z łożysk umocowane jest w pokrywie, a drugie w podstawie kierownicy. Do przestawienia łopatek kierownicy służy pierścień regulacyjny oraz łączniki, a także dźwignia dwuramienna oraz cięgna.
Rys. 1 Turbina Francisa o wale poziomym z krzywakiem w komorze otwartej z regulacją wewnętrzną
1 — wirnik, 2 — pokrywa kierownicy, 3 — podstawa kierownicy, 4 — pierścień regulacyjny, 5 — łopatka kierownicza, 6 — łącznik, 7 — zderzak, 8 — wał turbiny, 9 — łożysko poprzeczno-osiowe, 10 — dławnica, 11 — wał regulacyjny, 12 — dźwignia regulacyjna, 13 — łożysko podwieszone, 14 — dławnica, 15 — łożysko wału regulacyjnego, 16 — dźwignia dwuramienna, 17 — cięgło regulacyjne, 18 — krzywak, 19 — rura ssawna, 20 — przewód odprowadzający przecieki, 21 — pierścień murowy.
Elementy budowy kierownicy mają za zadanie uruchamianie łopatek turbiny oraz regulowanie dopływu wody na wirnik. Regulację tę możemy nazwać regulacją zewnętrzną, gdyż układ regulacyjny znajduje się poza przestrzenią wypełnioną wodą, natomiast w przypadku umieszczenia tego układu w przestrzeni wypełnionej wodą mówimy o regulacji wewnętrznej (turbiny pracujące pod spadami niskimi). Wodę wypływającą z wirnika możemy odprowadzić do kanału odpływowego za pomocą rury ssącej prostoosiowej lub zakrzywionej. Rura ssawna wytwarza podciśnienie u wylotu wirnika i ma za zadanie odzyskanie części energii kinetycznej wody opuszczającej wirnik. Turbiny Francisa o wałach pionowych (rys. 2) stosowane są głównie przy mniejszych spadach, zaś w przypadku dużych spadów stosowane są turbiny o wałach poziomych. Przy spadach nieprzekraczających 15 m turbiny Francisa o małych i średnich mocach wbudowane są zazwyczaj komory betonowe otwarte lub zamknięte, przy spadach 25 m w spiralę betonową, przy spadach około 100 m w komorę blaszaną lub żeliwną, natomiast przy jeszcze większych spadach spiralę wykonuje się ze staliwa. Aby uzyskać większy współczynnik szybkobieżności stosuje się turbiny wielowirnikowe.
Rys.2 Turbina Francisa o wale pionowym
Zaletami turbin Francisa jest możliwość zmian w jej budowie, co pozwala na najkorzystniejsze dobrania jej do budowy elektrownie, wyposażenia elektrowni oraz warunków lokalnych.
Wadami turbin Francisa jest częste występowanie niewielkich przecieków na obwodzie wirnika. Aby wyeliminować ten problem stosuje się pierścienie uszczelniające dla turbin przeznaczonych na niskie spady, większy problem pojawia się w przypadku turbin stosowanych na wysokie spady gdzie straty wywołane nieszczelnością osiągają do kilku procent przełyku turbiny.
Fot. Wirnik turbiny Francisa
Źródło:
– instsani.pl