Francis-turbina

A Francis-turbina a vízturbinák egy fajtája, melyet James B. Francis(wd) fejlesztett ki. A Francis-turbina reakciós turbina, melynek járókerekébe a külső átmérőjétől befelé áramlik a víz.

A Francis-turbina a jelenleg leggyakrabban használt vízturbina. A Francis-turbinákat tíz métertől néhány száz méterig terjedő esés (vízszintkülönbség) esetén alkalmazzák, és elsősorban elektromos áram fejlesztésére használják.

Története

Vízkerekeket az ókor óta használnak malom és más gépek meghajtására, azonban hatásfokuk alacsony. 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 épített, 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 kísérleti módszereket használt ahhoz, hogy a valaha létezett legjobb hatásfokú turbinát megalkossa. Ami ennél is fontosabb, az ő számítási és grafikus módszerei jelentős előrelépést jelentettek a turbinák tervezésében. Módszerével jó hatásfokú turbinát lehetett tervezni bármilyen helyi adottságú vízierőműhöz.

Működési elve

A Francis-turbina reakciós turbina, ami azt jelenti, hogy a munkaközeg (víz) nyomása a turbina járókerekén való áthaladáskor – miközben energiáját átadja – változik. Mivel a turbina forgórésze nyomás alatti folyadékban forog, a turbinaháznak zártnak és tömítettnek kell lenni. A turbina a nagynyomású vízbelépés és a kisnyomású vízkilépés között helyezkedik el, szokás szerint a gát alapjánál.

A ház bevezető része spirális alakú, úgynevezett csigaház. Vezetőlapátok irányítják az áramlást úgy, hogy a járókerék lapátjainak iránya mindig megegyezzen a beáramló víz sebességének irányával. A vezetőlapátok a vezetőkerékben helyezkednek el. A vezetőlapátok elfordításával lehet szabályozni a vízmennyiséget és esetleg a teljes lezárást is. A vezetőlapátok a járókerék előtt a szükséges perdületet biztosítják, tulajdonképpen örvénylésre kényszerítik a vízáramot. A járókereket ez az örvény forgatja meg. A vezető lapátok állíthatóak, hogy a lehető legjobb hatásfokú üzemet lehessen elérni különböző áramlási viszonyok esetén.

A turbina áramlási viszonyait az Euler-turbinaegyenlet írja le.

Francis-turbina és generátor
Vezetőlapátok a legkisebb áramló mennyiségre állítva (metszeti kép)
Vezetőlapátok a legnagyobb áramló mennyiségre állítva (metszeti kép)

A turbinából a folyadék az úgynevezett szívócsövön keresztül távozik. A szívócső diffúzor, vagyis fokozatosan bővülő keresztmetszetű cső, mely arra szolgál hogy lecsökkentse a vízáram sebességét és visszanyerhető legyen a kinetikus energia egy része. A szívócső alakját úgy választják meg, hogy a turbinára jutó esés az adott beépítésnél a lehető legnagyobb legyen.

A folyadék energiaátalakulása a turbinán belül a következőképpen zajlik le:

A vezetőkeréken a folyadék nyomásának (esésének) egy része kinetikus energiává alakul, mégpedig úgy, hogy a folyadék perdületet kap.
A perdület a járókerékben lecsökken, miközben a turbina tengelyén mechanikai munkát lehet levenni.
A járókeréket a folyadékáram perdület nélkül hagyja el, de mozgási energiája jelentős sebessége folytán. Ez a kinetikus energia nyerhető vissza azáltal, hogy szívócsövet alkalmazunk, melyben a bővülő keresztmetszet folytán a nyomás nő. A szívócső végi nyomás megegyezik a külső atmoszféra nyomásával, így a turbina kilépési pontján akár vákuum is felléphet, ami kavitációhoz vezet.

Alkalmazás

Francis-turbina bevezető csigaháza, Grand Coulee vízierőmű

A nagy Francis-turbinákat egyedileg tervezik minden vízierőműhöz, hogy a lehetséges legjobb hatásfokkal, legtöbbször 90% felett üzemeljenek. A legmegfelelőbb viszonyok 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 alkalmazhatók szivattyús-tározós vízierőművekben is. A villamosenergia hálózatba több, különféle erőmű szolgáltat energiát. A hagyományos hőerőművek és atomerőművek csak lassan terhelhetők, és lassan csökkenthető terhelésük, szemben a vízierőművekkel, melyek néhány perc alatt indíthatók és leállíthatók. Ráadásul a hőerőművek hatásfoka a tervezett teljesítménytől eltérő terhelésen sokkal rosszabb. A hálózat fogyasztása a napszaktól függően erősen változik: nappal az ipar szükségletei miatt a fogyasztás nagy, éjszaka lecsökken. A hálózat a fogyasztást úgy próbálja befolyásolni és egyenletesebbé tenni, hogy éjszaka az elfogyasztott energia ára olcsóbb, a csúcsokon pedig drágább. Ezért érdemes szivattyús-tározós erőműveket építeni, 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 magas.

Francis-turbinát a vízhozam és esés igen széles területére lehet tervezni. Ez a tény, valamint a jó hatásfoka tette a világ legelterjedtebb vízturbinájává.

Olcsó Francis-mikroturbinákat három méteres esésre is készítenek egyedi energiatermeléshez.

További információk

A Wikimédia Commons tartalmaz Francis-turbina témájú médiaállományokat.

Források

Pattantyús. Gépész- és Villamosmérnökök Kézikönyve 4. kötet. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1962.
Pattantyús Á. Géza: A gépek üzemtana. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1983. ISBN 963104808X