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Die Francis-Turbine ist eine im Jahre 1849 in USA von dem Ingenieur James B. Francis verbesserte Wasserturbine.
Wirkungsprinzip der Francis-Turbine
Bei der Francis-Turbine wird das Wasser durch ein schneckenförmiges Rohr, die Spirale und durch ein feststehendes "Leitrad" mit verstellbaren Schaufeln auf die gegenläufig gekrümmten Schaufeln des Laufrads gelenkt. 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. Am Laufradeintritt ist der Druck höher als am Laufradaustritt. Die Francis-Turbine ist daher eine Überdruckturbine. Der zur Turbine gehörende Regler tastet die Drehzahl der Turbine auf der Welle als Regelgröße ab 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 Kosten für die Investition einer Francis-Turbine aus.
Einsatzbereich der Francis-Turbine
Die Francis-Turbine ist der am meisten verbreitete Turbinentyp bei Wasserkraftwerken. Sie kommt zum Einsatz bei mittleren Fallhöhen des Wassers und mittleren Durchflussmengen. Sie wird daher in Laufwasserkraftwerken und Speicherkraftwerken eingesetzt. Ihr Leistungsspektrum erstreckt sich von 10 kW bis hin zu 770 MW.
Sonderbauformen
Als Sonderform der Francisturbine 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 Francisturbine. Der Wirkungsgrad ist ähnlich dem der Francisturbine bei Volllast, nimmt aber bei zunehmend geschlossenem Laufrad nicht so stark ab. Die Anwendung einer solchen Turbine ist nur für Kleinanlagen bis 500kW sinnvoll, wenn die Wassermengen stark schwanken und nur eine Turbine zum Einsatz kommen soll. Wassermengen ab ca.15% Öffnung können wirtschaftlich genutzt werden.
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