Wasserkraftgenerator mit alternativer Energie, 500 kW, Francis-Wasserturbinengenerator in Usbekistan
Eine Francisturbine ist eine Kombination aus Impuls- und Reaktionsturbine. Die Rotorblätter rotieren durch die Reaktions- und Impulskraft des durchfließenden Wassers und erzeugen so effizienter Strom. Sie wird vor allem in mittelgroßen und großen Wasserkraftwerken zur Stromerzeugung eingesetzt.
Diese Turbinen können für Fallhöhen von 2 bis 300 Metern eingesetzt werden. Sie bieten zudem den Vorteil, dass sie sowohl horizontal als auch vertikal ausgerichtet gleichermaßen gut funktionieren. Das durch eine Francis-Turbine fließende Wasser verliert zwar an Druck, behält aber mehr oder weniger die gleiche Geschwindigkeit bei, sodass man von einer Reaktionsturbine spricht.
Die Beschreibung des Hauptkomponentendiagramms jeder Francis-Turbine lautet wie folgt.
Spiralgehäuse
Das Spiralgehäuse dient als Zulaufmedium für das Wasser zur Turbine. Das aus dem Stausee oder Staudamm fließende Wasser wird unter hohem Druck durch dieses Rohr geleitet. Die Turbinenschaufeln sind kreisförmig angeordnet, sodass das auf die Turbinenschaufeln treffende Wasser für eine effiziente Wirkung in der Kreisachse fließen sollte. Daher wird das Spiralgehäuse verwendet, verliert jedoch durch die Kreisbewegung des Wassers an Druck.
Um den gleichen Druck aufrechtzuerhalten, wird der Durchmesser des Gehäuses schrittweise verringert, sodass ein gleichmäßiger Impuls bzw. eine gleichmäßige Geschwindigkeit auf die Laufradschaufeln trifft.
Stützflügel
Stütz- und Leitschaufeln leiten das Wasser zu den Laufschaufeln. Stützschaufeln bleiben an ihrer Position und reduzieren die Verwirbelung des Wassers durch die radiale Strömung beim Eintritt in die Laufschaufeln. Dadurch wird die Turbine effizienter.
Leitschaufeln
Leitschaufeln sind nicht stationär, sondern verändern ihren Winkel je nach Bedarf, um den Auftreffwinkel des Wassers auf die Turbinenschaufeln zu steuern und so den Wirkungsgrad zu steigern. Sie regulieren außerdem die Durchflussmenge des Wassers in die Laufschaufeln und steuern so die Leistungsabgabe einer Turbine entsprechend der Belastung der Turbine.
Läuferschaufeln
Laufradschaufeln sind das Herzstück jeder Francis-Turbine. Hier trifft das Fluid auf, und die tangentiale Kraft des Aufpralls versetzt die Turbinenwelle in Rotation und erzeugt so ein Drehmoment. Die Auslegung der Schaufelwinkel an Ein- und Auslass ist besonders wichtig, da diese wichtige Parameter für die Stromerzeugung sind.
Die Laufschaufeln bestehen aus zwei Teilen. Die untere Hälfte hat die Form eines kleinen Eimers und treibt die Turbine durch die Impulswirkung des Wassers an. Der obere Teil der Schaufeln nutzt die Reaktionskraft des durchfließenden Wassers. Das Laufrad dreht sich durch diese beiden Kräfte.
Saugrohr
Der Druck am Ausgang des Laufrads der Reaktionsturbine ist im Allgemeinen geringer als der atmosphärische Druck. Das Wasser am Ausgang kann nicht direkt in den Unterwasserkanal abgeleitet werden. Ein Rohr oder eine Leitung mit allmählich zunehmendem Querschnitt dient zur Ableitung des Wassers vom Ausgang der Turbine in den Unterwasserkanal.
Dieses Rohr mit zunehmender Fläche wird Saugrohr genannt. Ein Ende des Rohrs ist mit dem Auslass des Laufrads verbunden. Das andere Ende liegt jedoch unterhalb des Wasserspiegels im Unterwasserkanal.
Funktionsprinzip der Francis-Turbine mit Diagramm
Francis-Turbinen werden regelmäßig in Wasserkraftwerken eingesetzt. In diesen Kraftwerken gelangt Wasser unter hohem Druck durch das schneckenförmige Gehäuse (die Spirale) in die Turbine. Diese Bewegung verringert den Druck des Wassers, während es durch das Rohr fließt; die Geschwindigkeit des Wassers bleibt jedoch unverändert. Nach dem Passieren der Spirale strömt das Wasser durch die Leitschaufeln und wird in optimalem Winkel auf die Laufschaufeln des Laufrads gelenkt. Da das Wasser die präzise gekrümmten Laufschaufeln des Laufrads kreuzt, wird es seitlich abgelenkt. Dadurch verliert das Wasser einen Teil seiner Wirbelbewegung. Das Wasser wird zusätzlich axial abgelenkt und gelangt durch ein Saugrohr in den Unterwasserkanal.
Das erwähnte Rohr reduziert die Austrittsgeschwindigkeit des Wassers, um die maximale Energie aus dem Eingangswasser zu gewinnen. Durch die Umleitung des Wassers durch die Laufschaufeln entsteht eine Kraft, die die Schaufeln bei der Wasserumlenkung auf die gegenüberliegende Seite treibt. Diese Reaktionskraft (wie wir aus Newtons drittem Gesetz wissen) sorgt dafür, dass die Kraft vom Wasser auf die Turbinenwelle übertragen wird und diese sich weiterdreht. Da sich die Turbine aufgrund dieser Reaktionskraft bewegt, werden Francis-Turbinen als Reaktionsturbinen bezeichnet. Die Änderung der Wasserströmungsrichtung verringert auch den Druck in der Turbine selbst.
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7. Der technische Berater von Forster arbeitete 50 Jahre lang an dem Wasserturbinenantrag und erhielt dafür eine Sonderzulage des chinesischen Staatsrats.
Video eines 500-kW-Francis-Turbinengenerators
