Francis turbiny jest „reakcja” typu turbiny hydrauliczne . Nadaje się do średnich wysokości spadania (od 30 do 300 metrów), dla średnich lub dużych mocy i przepływów (takich jak zapora Itaipu ): od kilku kilowatów do kilkuset megawatów przy przepływach od 10 do 700 m 3 / s.
Turbina Francisa to turbina, w której płyn wchodzi pod dużym ciśnieniem i przekazuje swoją energię do łopatek integralnych z wirnikiem. Część energii jest przekazywana przez płyn na łopatki w wyniku zmiany ciśnienia, podczas gdy reszta energii jest pobierana przez spiralę otaczającą turbinę. Na wylocie płyn ma małą prędkość i małą energię. Kształt rury wylotowej ma na celu spowolnienie płynu i podniesienie ciśnienia.
Typowe cechy turbin Francisa są następujące:
Najwyższa moc osiągnięta przez turbinę Francisa to 800 MW . Jest produkowany przez Alstom . O średnicy 10 metrów i wadze 450 ton każda, wyposażają tamę Trzech Przełomów na rzece Yangzi Jiang w Chinach , a ostatnio zaporę Xiangjiaba na tej samej rzece.
System ten został zaproponowany przez francuskiego Jean-Victora Ponceleta pod koniec lat 20. XIX wieku . W 1826 roku francuski wynalazca i przemysłowiec Benoît Fourneyron ulepszył system, zwiększając wydajność (80%) poprzez modyfikację obiegu wody, kierując ją promieniowo przez koło.
W Stanach Zjednoczonych , w 1838 roku , system ten został opatentowany przez Amerykanina Samuela B. Howda , a następnie spopularyzowany przez Anglo-Amerykanina Jamesa B. Francisa , którego imię nosi. Zainstalował swoją pierwszą turbinę w 1848 roku w elektrowni wodnej Pawtucket Gatehouse (w) w Lowell w Massachusetts . W latach 60. XIX wieku turbina ta zaczęła wypierać koło wodne .
W 1918 roku papiernia Chappes została wyposażona w turbinę typu Francisa „ Singrün ”, która działała do 2004 roku . W tym samym roku turbina tego typu została zastosowana w elektrowni Vernes w Livet-et-Gavet . Roślina ta jest obecnie klasyfikowana jako zabytek historyczny .
W Kanadzie jest to najczęściej stosowana turbina we flocie wytwórczej Hydro-Québec .
Pawtucket Gatehouse, pierwsza fabryka turbin Francisa, zainstalowana w 1848 roku przez Jamesa Bicheno Francisa w Lowell, Massachusetts
Szwajcarska turbina Francisa w Zurychu
Turbina Francisa tamy Grand Coulee
Rozbiórka starej turbiny Francisa z 1918 r.
Turbina Francisa pierwszej elektrowni wodnej Bergerac oddana do użytku w 1892 roku.
Najpotężniejszy we Francji znajduje się w elektrowni Pouget : turbina Francisa o mocy 286 MW sprzężona z alternatorem o mocy 275 MVA, poniżej 444 metrów spadu.
Kontrola przepływu odbywa się na poziomie dystrybutora przez ustawienie łopatek prowadzących (po angielsku kierownic ) w odniesieniu do nieruchomej łopatek albo skrzydełek (po angielsku pobytu łopatkami ) umieszczonych na wirniku (j wirnika ). Są to niezbędne elementy turbiny, które pozwalają na właściwe przeniesienie energii przepływu na wirnik, unikając przy tym pojawienia się destrukcyjnego zjawiska kawitacji .
Przekrój turbiny Francisa: obieg płynu, wlot promieniowy, wylot osiowy
Wytyczne, w pozycji minimalnego przepływu
Wytyczne, w pozycji maksymalnego przepływu
Zjawisko kawitacji może powodować przedwczesną erozję łopatek na krawędzi natarcia. Kawitacja powoduje spadek sprawności turbiny lub pochłoniętej wysokości oraz pojawienie się drgań na konstrukcji mechanicznej, którym towarzyszy intensywny hałas. Zjawisko to może wymagać zatrzymania turbiny i ciężkich prac konserwacyjno-remontowych, co prowadzi do znacznych konsekwencji ekonomicznych (przestój produkcji, koszty utrzymania na miejscu lub ciężka naprawa w warsztacie itp.)
Turbina Francisa z 1956 r., krawędzie natarcia łopatek erozji kawitacyjnej
Turbina Francisa z łopatkami erodowanymi przez kawitację, po wcześniejszych naprawach poprzez dodanie i spawanie stali nierdzewnej
Wyposażenie hydrauliczne francuskich elektrowni, przyznane przez państwo EDF lub jej spółkom zależnym, jest obecne w 447 elektrowniach wodnych. W szczególności są to turbiny Francisa i ich elementy (wirniki, łopatki, zawory, kurki, łożyska itp.). Wszystkie elementy związane z urządzeniami hydraulicznymi tych elektrowni są serwisowane i konserwowane przez wewnętrzny zespół EDF, Hydrauliczny Serwis Naprawczy , który wykonuje operacje napawania metali metodą spawania, szlifowania w celu przekształcenia (w warsztacie lub na budowie) oraz obróbka skrawaniem.