Francisova turbína je „reakce“ typu hydraulické turbíny . Je vhodný pro střední výšky pádu (od 30 do 300 metrů), pro střední nebo vysoké síly a průtoky (například přehrada Itaipu ): od několika kilowattů až po několik set megawattů s průtoky od 10 do 700 m 3 / s.
Francisova turbína je turbína, ve které tekutina vstupuje pod velkým tlakem a přenáší svou energii na lopatky, které jsou integrální s rotorem. Část energie je přenášena tekutinou na lopatkách v důsledku změny tlaku, zatímco zbytek energie je získáván spirálou, která obklopuje turbínu. Na výstupu má kapalina nízkou rychlost a malou energii. Tvar výstupní trubky je navržen tak, aby zpomalil tekutinu a vrátil ji zpět pod tlak.
Obvyklé vlastnosti Francisových turbín jsou následující:
Nejvyšší výkon dosažený Francisovou turbínou je 800 MW . Vyrábí ji společnost Alstom . O průměru 10 metrů a každé o hmotnosti 450 tun vybavují přehradu Tři soutěsky na řece Yangzi Jiang v Číně a v poslední době přehradu Xiangjiaba na stejné řece.
Tento systém navrhl francouzský Jean-Victor Poncelet na konci 20. let 20. století . V roce 1826 francouzský vynálezce a průmyslník Benoît Fourneyron vylepšil systém zvýšením účinnosti (80%) úpravou cirkulace vody a jejím radiálním vedením přes kolo.
Ve Spojených státech si tento systém v roce 1838 nechal patentovat severoamerický Samuel B. Howd , poté jej popularizoval angloameričan James B. Francis , jehož jméno nese. Instaloval svou první turbínu v roce 1848 do vodní elektrárny Pawtucket Gatehouse (v) v Lowellu v Massachusetts . V 60. letech 19. století začala tato turbína nahrazovat vodní kolo .
V roce 1918 se Chappes papír mlýn byl vybaven Francis „ Singrün “ typu turbíny která fungovala až do roku 2004 . Ve stejném roce byl tento typ turbíny použit v elektrárně Vernes v Livet-et-Gavet . Tato rostlina je nyní klasifikována jako historická památka .
V Kanadě je to nejpoužívanější turbína ve flotile generace Hydro-Québec .
Pawtucket Gatehouse, první továrna na Francisovy turbíny, instalovaná v roce 1848 Jamesem Bichenem Francisem v Lowellu v Massachusetts
Francisova turbína švýcarské výroby v Curychu
Francisova turbína přehrady Grand Coulee
Demolice staré Francisovy turbíny z roku 1918
Francisova turbína první vodní elektrárny Bergerac uvedena do provozu v roce 1892.
Nejvýkonnější ve Francii se nachází v elektrárně Pouget : Francisova turbína o výkonu 286 MW spojená s alternátorem 275 MVA pod výtlakem 444 metrů.
Pro řízení průtoku se provádí na úrovni distributora orientací rozváděčích lopatek (v angličtině rozváděčích lopatek ) se vzhledem k pevné lopatky nebo lopatek (v angličtině pobytu lamel ), nacházejících se na oběžné kolo (v angličtině běžec ). Jedná se o základní prvky turbíny, které umožňují správný přenos energie toku na oběžné kolo, přičemž se zabrání vzniku destruktivního jevu kavitace .
Průřez Francisovy turbíny: cirkulace kapaliny, radiální vstup, axiální výstup
Směrnice v poloze s minimálním průtokem
Pokyny, v poloze s maximálním průtokem
Fenomén kavitace může způsobit předčasnou erozi lopatek na náběžné hraně. Kavitace způsobuje pokles účinnosti turbíny nebo absorbované výšky a výskyt vibrací na mechanické konstrukci doprovázený intenzivním hlukem. Tento jev může vyžadovat zastavení turbíny a náročnou údržbu a opravy, což povede ke značným ekonomickým důsledkům (zastavení výroby, náklady na údržbu na místě nebo těžké opravy v dílně atd.)
Francisova turbína z roku 1956, náběžné hrany lopatek erodovaly kavitací
Francisova turbína s lopatkami erodovanými kavitací, po předchozích opravách přidáním a svařením nerezové oceli
Hydraulické zařízení francouzských elektráren, které stát poskytuje společnosti EDF nebo jejím dceřiným společnostem, je přítomno ve 447 vodních elektrárnách. Jedná se zejména o Francisovy turbíny a jejich součásti (rotory, lopatky, ventily, kohouty, ložiska atd.). Všechny prvky související s hydraulickým zařízením těchto elektráren jsou obsluhovány a udržovány interní jednotkou EDF, Hydraulickou opravnou , která provádí povrchové úpravy kovů svařováním, broušením za účelem přetváření (v dílně nebo na místě) a také obráběcí práce.