Generatore idroelettrico da 500 kW a turbina Francis per energie alternative in Uzbekistan

La turbina Francis è una combinazione di turbina a impulso e turbina a reazione, in cui le pale ruotano sfruttando sia la forza di reazione che quella impulsiva dell'acqua che le attraversa, producendo elettricità in modo più efficiente. La turbina Francis è utilizzata per la produzione di elettricità più frequentemente nelle centrali idroelettriche di medie e grandi dimensioni.
Queste turbine possono essere utilizzate per salti idrici da un minimo di 2 metri a un massimo di 300 metri. Inoltre, presentano il vantaggio di funzionare altrettanto bene sia in posizione orizzontale che verticale. L'acqua che attraversa una turbina Francis perde pressione, ma mantiene più o meno la stessa velocità, quindi si tratta di una turbina a reazione.

Di seguito viene descritto lo schema dei componenti principali di ciascuna turbina Francis.

Involucro a spirale
Il condotto a spirale è il mezzo di ingresso dell'acqua alla turbina. L'acqua proveniente dal bacino o dalla diga viene fatta passare attraverso questo condotto ad alta pressione. Le pale della turbina sono disposte in modo circolare, il che significa che l'acqua che colpisce le pale deve scorrere lungo l'asse circolare per un impatto efficiente. Pertanto, si utilizza il condotto a spirale, ma a causa del movimento circolare dell'acqua, questo perde pressione.
Per mantenere la stessa pressione, il diametro dell'involucro viene gradualmente ridotto, in modo da uniformare la quantità di moto o la velocità che colpisce le pale della girante.

Bande di sostegno
Le pale fisse e direttrici convogliano l'acqua verso le pale della girante. Le pale fisse rimangono stazionarie nella loro posizione e riducono la turbolenza dell'acqua dovuta al flusso radiale, quando questa entra nelle pale della girante, rendendo così la turbina più efficiente.

Palette direttrici
Le pale direttrici non sono fisse, ma cambiano angolazione a seconda delle necessità per controllare l'angolo di impatto dell'acqua sulle pale della turbina e aumentarne l'efficienza. Regolano inoltre la portata dell'acqua verso le pale della girante, controllando così la potenza erogata dalla turbina in base al carico.

Lame del corridore
Le pale della girante sono il cuore di qualsiasi turbina Francis. Sono i punti in cui il fluido impatta e la forza tangenziale dell'impatto fa ruotare l'albero della turbina, generando coppia. È fondamentale prestare molta attenzione alla progettazione degli angoli delle pale in ingresso e in uscita, poiché questi sono parametri determinanti per la produzione di energia.
Le pale della girante sono composte da due parti. La metà inferiore ha la forma di una piccola coppa e fa ruotare la turbina sfruttando l'impulso dell'acqua. La parte superiore delle pale, invece, sfrutta la forza di reazione dell'acqua che la attraversa. La girante ruota grazie a queste due forze.

Tubo di aspirazione
La pressione all'uscita della girante della turbina a reazione è generalmente inferiore alla pressione atmosferica. L'acqua in uscita non può essere scaricata direttamente nel canale di scarico. Per lo scarico dell'acqua dall'uscita della turbina al canale di scarico si utilizza un tubo o una condotta a sezione gradualmente crescente.
Questo tubo di sezione crescente è chiamato tubo di aspirazione. Un'estremità del tubo è collegata allo scarico della girante, mentre l'altra estremità è sommersa al di sotto del livello dell'acqua nel canale di scarico.