Francis-turbina
A Wikipédiából, a szabad lexikonból.
A Francis-turbina a vizturbinák egy fajtája, melyet James B. Francis fejlesztett ki. Kívülről befelé áramló járókerékkel rendelkező reakciós turbina, mely egyesíti a radiális és axiális áramlás elvét.
A Francis-turbina a manapság leggyakrabban használt vízturbina. A Francis-turbinákat tíz métertől néhány száz méterig terjedő esés (vízszint különbség) esetén alkalmazzák és elsősorban elektromos energia fejlsesztésre használják.
Tartalomjegyzék |
[szerkesztés] Története
Vízkerekeket régóta használnak mindenféle malom meghajtására, de ezek nem eléggé gazdaságosak. Azok az újítások, melyeket XIX. században alkalmaztak a vízturbinákon lehetővé tették, hogy versenyezzenek a gőzgéppel, mint erőforrással (ha a víz rendelkezésre állt).
1826-ban Benoit Fourneyron jó hatásfokú (80%) turbinát fejlesztett ki, melynél a víz a járókeréken belülről kifelé áramlott. A vizet érintőlegesen vezették a turbina járókerekéhez, hogy örvénylésre kényszerítsék. Jean-Victor Poncelet kívülről befelé áramló turbinát tervezett 1820 körül, amely ugyanezt az elvet követte. S. B. Howd amerikai szabadalmat kapott hasonló konstrukcióra.
1848-ban James B. Francis újításokat hajtott végre ezeken a konstrukciókon annak érdekében, hogy 90%-os hatásfokú turbinát tudjon gyártani. Tudományos elveket és kisérleti módszereket használt, ahhoz, hogy a valaha létezett legjobb hatásfokú turbinát megalkossa. Ami ennél is fontosabb, az ő matematikai és grafikus számítási módszerei jelentős előrelépst jelentettek a turbinák tervezésében. Analitikus módszere lehetővé tette, biztonsággal hogy jó hatásfokú turbinát lehessen tervezni bármilyen helyi adottságú vízierőműhöz.
[szerkesztés] Működési elve
A Francis-turbina reakciós turbina, ami azt jelenti, hogy a munkaközeg (víz) nyomása változik, ahogy átáramlik a turbinán átadva energiáját. Tömített házat szükséges alkalmazni a vízáram számára. A turbina a nagynyomású vízforrás és a kisnyomású vízkilépés között helyezkedik el, szokás szerint a gát alapjánál.
A ház bevezető része spirális alakú. Vezető lapátok irányítják a vízáramot érintőlegesen a járókerékhez. A radiális áramlás a forgórész lapátokra hat, megforgatja a járókereket. A vezető lapátok állíthatóak, hogy gazdaságos üzemet lehessen elérni különböző áramlási viszonyok esetén is.
Ahogy a víz átáramlik a járókeréken, a sugár csökken, és ez tovább növeli a víz sebességét, nagyobb forgatónyomatékot ad át a turbinának. Képzeljünk el egy zsinór végén lévő golyót, melyet a zsinórral megforgatunk. Ha a zsinór hosszát forgatás közben csökkentjük, a golyó gyorsabban forog. Ezzel a módszerrel több energiát lehet az áramló vízből kinyerni.
 Francis-turbina és generátor |
 Vezetőlapátok a legkisebb áramló mennyiségre állítva (metszeti kép) |
 Vezetőlapátok a legnagyobb áramló mennyiségre állítva (metszeti kép) |
A kilépésnél a vízáram a csésze alakú lapátokra hat, majd örvénylés nélkül és nagyon kis kinetikus enregiával és potenciális energiával hagyja el a turbinát. A turbina kiömlő csöve különlegesen kiképzett alakú, hogy lecsökkentse a vízáram sebességét és visszanyerjük a kinetikus energiát.
[szerkesztés] Alkalmazás
A nagy Francis-turbinákat egyedileg tervezik minden vízierőműhöz, hogy a lehetséges legkobb hatásfokkal, jellemzően 90% felett üzemeljenek. A legmegfelelőbb a Francis-turbinák számára a nagy vízhozam és viszonylag kis vagy közepes esés. A Francis-turbinák tervezése, gyártása és szerelése igen költséges, de azután több évtizeden keresztül működnek.
Az egyszerű villamos energia termelésén kívül alaklmazhatók szivattyús-tározós vízierőművekben is, ahol a víztározót a (szivattyúként működő) turbinával töltik fel, olyankor, amikor az elektromos energia iránti szükséglet kicsi, az ára alacsony, és akkor fordítják meg az áramlást, és termelnek elektromos energiát a turbinával hajtott generátorral, amikor az elektromos energia iránti szükséglet a legnagyobb, ára pedig nagy.
Francis-turbinát a vízhozam és esés igen széles területére lehet tervezni. Ez atény, valamint a jó hatásfoka tette a világ legelterjedtebb vízturbinájává.
Olcsó Francis-mikroturbinákat három méteres esésre is készítenek egyedi energiatermeléshez.
