Alternative Energie: Wasserkraftgenerator mit 500 kW Francis-Wasserturbine in Usbekistan
Die Francis-Turbine ist eine Kombination aus Impuls- und Reaktionsturbine. Ihre Schaufeln rotieren durch die Impuls- und Reaktionskraft des durchfließenden Wassers, wodurch Strom effizienter erzeugt wird. Francis-Turbinen werden am häufigsten in mittelgroßen und großen Wasserkraftwerken zur Stromerzeugung eingesetzt.
Diese Turbinen eignen sich für Fallhöhen von 2 Metern bis zu 300 Metern. Ein weiterer Vorteil dieser Turbinen ist ihre gleichbleibende Effizienz in horizontaler wie in vertikaler Ausrichtung. Das Wasser, das eine Francis-Turbine durchströmt, verliert zwar an Druck, behält aber annähernd seine Geschwindigkeit bei. Daher zählt sie zu den Reaktionsturbinen.
Die Beschreibung des Hauptkomponentendiagramms jeder Francis-Turbine lautet wie folgt.
Spiralgehäuse
Das spiralförmige Gehäuse dient als Einlassmedium für das Wasser der Turbine. Das aus dem Stausee oder Damm fließende Wasser wird unter hohem Druck durch dieses Rohr geleitet. Die Turbinenschaufeln sind kreisförmig angeordnet, was bedeutet, dass das auf die Schaufeln treffende Wasser entlang einer Kreisachse strömen muss, um einen effizienten Auftreffpunkt zu gewährleisten. Daher kommt das spiralförmige Gehäuse zum Einsatz. Durch die kreisförmige Bewegung des Wassers geht jedoch Druck verloren.
Um den gleichen Druck aufrechtzuerhalten, wird der Durchmesser des Gehäuses schrittweise verringert, wodurch ein gleichmäßiger Impuls bzw. eine gleichmäßige Geschwindigkeit auf die Laufschaufeln trifft.
Haltefedern
Leitschaufeln lenken das Wasser zu den Laufradschaufeln. Die Leitschaufeln bleiben an ihrer Position stationär und reduzieren die durch die Radialströmung verursachten Wasserverwirbelungen beim Eintritt in die Laufradschaufeln, wodurch die Turbine effizienter wird.
Leitbleche
Die 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 erhöhen. Sie regulieren außerdem den Wasserdurchfluss zu den Laufradschaufeln und steuern dadurch die Leistungsabgabe der Turbine entsprechend ihrer Last.
Kufen
Die Laufschaufeln sind das Herzstück jeder Francis-Turbine. Sie bilden den Mittelpunkt, an dem das Fluid auftrifft, und die dabei entstehende Tangentialkraft versetzt die Turbinenwelle in Rotation und erzeugt so ein Drehmoment. Die Auslegung der Schaufelwinkel am Ein- und Auslass erfordert besondere Aufmerksamkeit, da diese maßgeblich die Stromerzeugung beeinflussen.
Die Laufradschaufeln bestehen aus zwei Teilen. Die untere Hälfte ist wie ein kleiner Becher geformt und nutzt den Impuls des Wassers, um die Turbine in Rotation zu versetzen. Der obere Teil der Schaufeln nutzt die Reaktionskraft des durchströmenden Wassers. Das Laufrad dreht sich durch diese beiden Kräfte.
Saugrohr
Der Druck am Austritt des Laufrads einer Reaktionsturbine ist im Allgemeinen geringer als der Atmosphärendruck. Das austretende Wasser kann nicht direkt in den Unterwasserkanal abgeleitet werden. Zur Ableitung des Wassers vom Turbinenaustritt in den Unterwasserkanal wird ein Rohr mit sich allmählich vergrößerndem Querschnitt verwendet.
Dieses Rohr mit dem sich vergrößernden Querschnitt wird als Saugrohr bezeichnet. Ein Ende des Rohrs ist mit dem Auslass des Laufrads verbunden. Das andere Ende befindet sich jedoch unterhalb des Wasserspiegels im Unterwasserkanal.
Funktionsprinzip der Francis-Turbine mit Diagramm
Francis-Turbinen werden regelmäßig in Wasserkraftwerken eingesetzt. In diesen Kraftwerken tritt Hochdruckwasser durch das spiralförmige Gehäuse (die Spirale) in die Turbine ein. Durch die spiralförmige Bewegung des Wassers im Gehäuse verringert sich der Druck; die Strömungsgeschwindigkeit bleibt jedoch unverändert. Nach dem Durchströmen der Spirale strömt das Wasser durch die Leitschaufeln und wird im optimalen Winkel auf die Laufradschaufeln gelenkt. Da das Wasser die präzise gekrümmten Laufradschaufeln passiert, wird es seitlich leicht abgelenkt. Dadurch verliert es einen Teil seiner Drehbewegung. Zusätzlich wird das Wasser axial abgelenkt und tritt durch das Saugrohr in den Unterwasserkanal aus.
Das erwähnte Rohr reduziert die Austrittsgeschwindigkeit des Wassers, um die maximale Energie aus dem einströmenden Wasser zu gewinnen. Die Umlenkung des Wassers durch die Laufschaufeln erzeugt eine Kraft, die die Schaufeln zur gegenüberliegenden Seite drückt, während das Wasser abgelenkt wird. Diese Reaktionskraft (bekannt aus Newtons drittem Gesetz) überträgt die Energie vom Wasser auf die Turbinenwelle und hält so die Rotation aufrecht. Da sich die Turbine aufgrund dieser Reaktionskraft dreht, werden Francis-Turbinen als Reaktionsturbinen bezeichnet. Die Änderung der Wasserströmungsrichtung verringert zudem den Druck innerhalb der Turbine.
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Video eines 500-kW-Francis-Turbinengenerators
