Turbina Francisa – budowa, zasada działania i zastosowanie

Turbina Francisa to innowacyjne rozwiązanie w dziedzinie energetyki wodnej, które łączy w sobie wysoką wydajność z wszechstronnością zastosowania. Poznaj szczegóły jej konstrukcji oraz zasady działania, które sprawiają, że jest jednym z najczęściej wybieranych rozwiązań w elektrowniach wodnych.

Budowa turbiny Francisa

Turbina Francisa wyróżnia się uniwersalną konstrukcją, umożliwiającą produkcję urządzeń w różnych rozmiarach, dostosowanych do konkretnych warunków pracy. Ta cecha przyczyniła się do rozpowszechnienia tego typu turbin na świecie, szczególnie w małych elektrowniach wodnych wykorzystujących warianty pionowe.

Specyficzny układ elementów konstrukcyjnych turbiny Francisa zapewnia wysoką wydajność i niezawodność. Każdy komponent uczestniczy w procesie przetwarzania energii potencjalnej wody na energię mechaniczną, a ich precyzyjne wykonanie wpływa na sprawność całego systemu.

Główne elementy konstrukcyjne turbiny

• Wirnik – wyposażony w łopatki o specjalnym profilu, odpowiedzialne za zamianę energii wody w ruch obrotowy
• Kierownica – zawiera mechanizm przestawiania łopatek regulujący przepływ wody do wirnika
• Obudowa spiralna (ślimak) – charakteryzuje się zmniejszającym się przekrojem, zapewniającym równomierne doprowadzenie wody
• Rura ssąca – odbiera wodę po przejściu przez wirnik i odzyskuje część energii kinetycznej

Funkcje poszczególnych elementów turbiny

Wirnik bezpośrednio przetwarza energię hydrauliczną wody na mechaniczną. Jego łopatki przyjmują wodę promieniowo i odprowadzają ją osiowo, maksymalizując wymianę energii. Kierownica nie tylko reguluje ilość doprowadzanej wody, ale także nadaje jej odpowiedni kierunek przepływu.

Obudowa spiralna zapewnia stabilny i równomierny dopływ wody, podczas gdy rura ssąca odzyskuje energię kinetyczną poprzez stopniowe rozszerzanie przekroju. To rozwiązanie pozwala na utrzymanie wysokiej sprawności przy zmiennych warunkach pracy.

Zasada działania turbiny Francisa

Proces transformacji energii w turbinie Francisa rozpoczyna się od wpływu wody pod wysokim ciśnieniem do obudowy spiralnej. Konstrukcja spiralna, zmniejszając stopniowo przekrój, zapewnia równomierne rozprowadzenie strumienia wody wokół wirnika.

Przekształcanie energii potencjalnej w kinetyczną

Spadająca woda przekazuje energię kinetyczną wirnikowi, przechodząc z kierunku promieniowego na osiowy. Efektywność tego procesu zależy od geometrii łopatek wirnika, dostosowanej do parametrów przepływu. Pionowe turbiny Francisa, popularne w małych elektrowniach, wykorzystują ten sam mechanizm, ale są zoptymalizowane pod kątem niższych spadów wody.

Rola różnicy ciśnień w pracy turbiny

Działanie turbiny opiera się na wykorzystaniu różnicy ciśnień między wlotem a wylotem. Woda wpływająca przez obudowę spiralną znajduje się pod wysokim ciśnieniem, które maleje podczas przepływu przez wirnik, przekazując energię łopatkom i powodując ich obrót.

Zastosowanie turbiny Francisa w elektrowniach wodnych

Turbiny Francisa znajdują zastosowanie w elektrowniach wodnych różnej wielkości. Dostępne są w wersjach od 250 kW do 850 kW, co umożliwia ich wykorzystanie zarówno w małych, jak i dużych instalacjach hydroelektrycznych. Szczególnie sprawdzają się w systemach o zmiennych warunkach przepływu, gdzie możliwość regulacji parametrów pracy jest niezbędna dla utrzymania optymalnej wydajności.

Przykłady elektrowni wodnych wykorzystujących turbinę Francisa

• Elektrownia Wodna Porąbka – zlokalizowana na rzece Sole, wyposażona w turbiny Francisa o mocy 250 kW, efektywnie wykorzystujące energię spiętrzonej wody
• Elektrownia Wodna Pilchowice – usytuowana na Bobrze, wykorzystuje technologię turbiny Francisa do wydajnej produkcji energii przy minimalnym wpływie na środowisko
• Elektrownia Wodna Gródek – położona na rzece Wdzie, stanowi przykład optymalnego wykorzystania zalet turbin Francisa

W większych systemach hydroelektrycznych instalowane są jednostki o mocy sięgającej 850 kW, stanowiące istotny element krajowych systemów energetycznych. Powszechnie stosowane są również hydrauliczne generatory z turbinami Francisa o mocy 320 kW, szczególnie w obiektach o średnich spadach i przepływach.

Zalety i wady turbiny Francisa

Turbina Francisa cechuje się uniwersalnością konstrukcji, umożliwiającą produkcję w różnych rozmiarach – od małych instalacji 250 kW po systemy 850 kW. Pionowe warianty sprawdzają się w małych elektrowniach wodnych dzięki kompaktowej budowie i możliwości dostosowania do specyficznych warunków hydrologicznych.

Mechanizm przestawiania łopatek kierownicy, analogiczny do turbin śmigłowych, zapewnia efektywną pracę w zmiennych warunkach. Warto jednak zaznaczyć, że przy częściowym obciążeniu turbiny Deriaza i Kaplana wykazują wyższą sprawność.

Wysoka sprawność i odporność na zużycie

Ograniczenia i wyzwania w użytkowaniu

• Wąski zakres optymalnej pracy w porównaniu do turbin Kaplana
• Spadek sprawności przy znaczących wahaniach przepływu lub spadu wody
• Podatność na kawitację przy nieprawidłowych parametrach pracy
• Stałe łopatki ograniczające adaptację do zmiennych warunków
• Wymagania specjalistycznego sprzętu i wykwalifikowanego personelu przy instalacji i konserwacji większych jednostek