우즈베키스탄의 500kW 프랜시스 수력 터빈 발전기 (대체 에너지)

프랜시스 터빈은 충격식 터빈과 반동식 터빈의 장점을 결합한 형태로, 물의 흐름에 의한 반동력과 충격력을 모두 이용하여 날개를 회전시켜 보다 효율적으로 전기를 생산합니다. 프랜시스 터빈은 주로 중대형 수력 발전소에서 전력 생산에 사용됩니다.
이 터빈은 최소 2미터에서 최대 300미터의 수두에 사용할 수 있습니다. 또한, 이 터빈은 수직으로 설치했을 때와 수평으로 설치했을 때 모두 동일하게 잘 작동한다는 장점이 있습니다. 프랜시스 터빈을 통과하는 물은 압력은 감소하지만 속도는 거의 일정하게 유지되므로 반동 터빈으로 분류됩니다.

각 프랜시스 터빈의 주요 구성 요소 다이어그램에 대한 설명은 다음과 같습니다.

나선형 케이스
나선형 케이싱은 터빈으로 물이 유입되는 통로입니다. 저수지나 댐에서 흘러나온 물은 고압으로 이 파이프를 통과합니다. 터빈 날개는 원형으로 배치되어 있으므로, 날개에 부딪히는 물의 흐름은 효율적인 충격을 위해 원형 축을 따라야 합니다. 따라서 나선형 케이싱이 사용되지만, 물의 원형 운동으로 인해 압력이 감소합니다.
동일한 압력을 유지하기 위해 케이싱의 직경을 점진적으로 줄여 러너 블레이드에 균일한 운동량 또는 속도를 발생시킵니다.

스테이 베인즈
스테이 베인과 가이드 베인은 물을 러너 블레이드로 유도합니다. 스테이 베인은 제자리에 고정되어 있어 물이 러너 블레이드로 들어갈 때 발생하는 방사형 흐름으로 인한 물의 소용돌이를 줄여 터빈의 효율을 높입니다.

가이드 베인
가이드 베인은 고정되어 있지 않고 필요에 따라 각도를 변경하여 터빈 블레이드에 물이 부딪히는 각도를 제어함으로써 효율을 높입니다. 또한 러너 블레이드로 유입되는 물의 유량을 조절하여 터빈에 걸리는 부하에 따라 터빈의 출력량을 제어합니다.

러너 블레이드
러너 블레이드는 모든 프랜시스 터빈의 핵심입니다. 유체가 블레이드에 부딪히는 지점이며, 이 충격의 접선력이 터빈 축을 회전시켜 토크를 발생시킵니다. 입구와 출구에서의 블레이드 각도 설계는 발전량에 큰 영향을 미치는 주요 변수이므로 세심한 주의가 필요합니다.
러너 블레이드는 두 부분으로 구성됩니다. 아래쪽 절반은 작은 양동이 모양으로 만들어져 물의 충격력을 이용하여 터빈을 회전시킵니다. 블레이드의 위쪽 부분은 흐르는 물의 반작용력을 이용합니다. 러너는 이 두 힘을 통해 회전합니다.

드래프트 튜브
반동 터빈 러너 출구의 압력은 일반적으로 대기압보다 낮습니다. 따라서 출구의 물을 직접 하류수로 방류할 수 없습니다. 터빈 출구에서 하류수로 물을 방류하기 위해서는 단면적이 점차 증가하는 관이나 파이프를 사용합니다.
면적이 점차 증가하는 이 관을 드래프트 튜브라고 합니다. 이 관의 한쪽 끝은 러너의 배출구에 연결되어 있지만, 다른 한쪽 끝은 테일레이스의 수면 아래에 잠겨 있습니다.