Francisturbine

Laufräder einer Francis-Turbine vom Kraftwerk Sösetalsperre

Die Francis-Turbine ist eine im Jahre 1849 in den USA von dem Ingenieur James B. Francis verbesserte Wasserturbine.

Wirkungsprinzip

Schautafel zum Wirkungsprinzip der Stromerzeugung mit einer Francis-Schachtturbine

Bei der Francis-Spiralturbine wird das Wasser durch ein schneckenförmiges Rohr, die Spirale, in zusätzlichen Drall versetzt und anschließend durch ein feststehendes „Leitrad“ mit verstellbaren Schaufeln auf die gegenläufig gekrümmten Schaufeln des Laufrads gelenkt. Ist der Einlaufbereich zum Leitrad nicht spiralförmig ausgebildet, spricht man von einer Francis-Schachtturbine.

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 Investitionen einer Francis-Turbine aus.

Einsatzbereich

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.

Der Rekord für die Fallhöhe von Francisturbinen liegt bei 695 m, und zwar beim Kraftwerk Häusling im Zillertal, es handelt sich um 2 Einheiten von je 180 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 500 kW sinnvoll, wenn die Wassermengen stark schwanken und nur eine Turbine zum Einsatz kommen soll. Wassermengen ab ca. 15 % Öffnung können wirtschaftlich genutzt werden.

Bildergalerie

geöffnete Francis-Turbine. Das Laufrad (braun) ist an der Welle (schwarz) montiert	Francis-Spiralturbine	Leitwerk für maximale Leistung eingestellt	Leitwerk für minimale Leistung eingestellt	Geschlossener Leitapparat einer Francis-Schachtturbine
Laufrad einer Klappenlaufradturbine aus der Saugrohrsicht	Einlauf einer Francis-Turbine der Grand-Coulee-Talsperre	Laufrad einer Francis-Turbine im gleichem Kraftwerk	Laufrad für das Kraftwerk am Drei-Schluchten-Damm	Laufrad von 1930 für das Kraftwerk Chippawa am Niagarafall

Weblinks

• Die Francis-Turbine
• Altes Elektrizitaetswerk in Hillersleben in dem eine Francis-Schachtturbine zum Einsatz kam