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Spiralgehäuse einer vertikalen Francisturbine in der Revision, 1940er Jahre, Grand Coulee, USA

Laufräder einer Francis-Turbine des Kraftwerks Sösetalsperre

Die Francis-Turbine ist eine im Jahr 1849 in den USA vom Ingenieur James B. Francis verbesserte Wasserturbine.

Wirkungsprinzip |

Francisturbinen werden meist als Spiralturbinen oder Schachtturbinen ausgeführt. Allen Ausführungen ist gemeinsam, dass das Wasser tangential in das Laufrad eintritt und dieses axial wieder verlässt.

Schautafel zum Wirkungsprinzip der Stromerzeugung mit einer Francis-Schachtturbine

Bei der Francis-Spiralturbine wird das zufließende Wasser durch ein schneckenförmiges Gehäuse, die Spirale, in zusätzlichen Drall versetzt (Spiralturbine) und anschließend durch einen nicht rotierenden, feststehenden Leitschaufelkranz mit verstellbaren Schaufeln auf die gegenläufig gekrümmten Schaufeln des Laufrads gelenkt. Falls kein gesondertes Spiralgehäuse vorhanden ist und das Wasser allseitig direkt in den Leitschaufelkranz eintritt, spricht man von einer Francis-Schachtturbine.

Durch ein als Diffusor wirkendes Saugrohr in Verlängerung der Turbinenachse wird das Wasser nach Durchströmen des Laufrades abgeleitet. Die Leitschaufeln am Eintritt wirken als Stellglied, durch die gemeinsame Einstellung ihres Winkels wird die Drehzahl und damit die Leistung der Turbine bei Lastwechseln des angeschlossenen Generators und bei wechselnden Wasserständen konstant gehalten. Die Francis-Turbine ist eine Überdruckturbine, am Laufradeintritt ist der Druck höher als am Laufradaustritt.

Der zur Turbine gehörende Regler erfasst die Drehzahl der Turbine auf der Welle als Regelgröße 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.

Der Wirkungsgrad der Francis-Turbine variiert je nach Bauart und Betriebspunkt. Moderne Francis-Turbinen erreichen Wirkungsgrade von über 90 %.

Francisturbinen lassen sich auch als Pumpturbinen auslegen (z. B. im Falle der Isogyre-Pumpturbine).^[1][2][3]

Einsatzbereich |

Die Francis-Turbine ist der am meisten verbreitete Turbinentyp bei Wasserkraftwerken. Sie kommt bei mittleren Fallhöhen des Wassers und mittleren Durchflussmengen zum Einsatz. Sie wird daher in Laufwasserkraftwerken und Speicherkraftwerken eingesetzt. Ihr Leistungsspektrum erstreckt sich von 10 kW bis über 700 MW.

Der Rekord für die Fallhöhe von Francis-Turbinen liegt bei 695 m, und zwar beim Pumpspeicherkraftwerk Häusling im Zillertal, es handelt sich um zwei Einheiten von je 180 MW.

Sonderbauformen |

Als Sonderform der Francis-Turbine 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 Francis-Turbine. Der Wirkungsgrad ist ähnlich dem der Francis-Turbine 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 |

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  Geöffnete Francis-Turbine. Das Laufrad (braun) ist an der Welle (schwarz) montiert
  

  
  

  
  


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  Leitwerk für maximale Leistung eingestellt
  

  
  

  
  


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  Laufrad einer Klappenlaufradturbine aus der Saugrohrsicht
  

  
  

  
  


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  Laufrad für das Kraftwerk an der Drei-Schluchten-Talsperre
  

  
  

  
  


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  Laufrad von 1930 für das Kraftwerk Chippawa am Niagarafall
  

  
  

  
  

Weblinks |

 Commons: Francis-Turbine – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

Literatur |

• Robert Honold, Karl Albrecht: Francis-Turbinen. Ein Lehrbuch für Schule und Praxis; Theorie der Wasserturbinen Unter Besonderer Berücksichtigung der Francis-Turbine. R. Schulze Verlag, Mittweida 1908, ISBN 978-0-484-95815-8 (Nachdruck 2018 FB&C, Classic Reprint). 
  

Belege |

1. 
   ↑ Turbinenformen: Francis-, Kaplan- und Peltonturbinen. In: diebrennstoffzelle.de. Abgerufen am 10. Oktober 2016. 
   


2. 
   ↑ Praktikum Francis-Turbinen Versuchsstand. In: htw-dresden.de. S. 2, abgerufen am 10. Oktober 2016 (PDF). 
   


3. 
   ↑ Funktionsweise der Wasserturbinen. (Nicht mehr online verfügbar.) In: alt.fh-aachen.de. S. 1, ehemals im Original; abgerufen am 10. Oktober 2016 (PDF).@1@2Vorlage:Toter Link/www.alt.fh-aachen.de (Seite nicht mehr abrufbar, Suche in Webarchiven)  Info: Der Link wurde automatisch als defekt markiert. Bitte prüfe den Link gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.