En Francis-turbine er en hydraulisk turbine af typen “reaktion”. Det er velegnet til mellemstore faldhøjder (fra 30 til 300 meter), til mellemstore eller høje kræfter og strømme (såsom Itaipu-dæmningen ): fra nogle få kilowatt til flere hundrede megawatt med strømninger fra 10 til 700 m 3 / s.
En Francis-turbine er en turbine, hvor væsken trænger ind under stort tryk og overfører sin energi til bladene integreret med rotoren. En del af energien overføres af væsken på bladene på grund af trykændringen, mens resten af energien ekstraheres af spiralen, der omgiver turbinen. Ved udløbet har væsken lav hastighed og lidt energi. Udløbsrørets form er designet til at bremse væsken og bringe den tilbage under tryk.
De sædvanlige egenskaber ved Francis-møller er som følger:
Den højeste effekt opnået med en Francis-turbine er 800 MW . Det er fremstillet af Alstom . Med en diameter på 10 meter og hver, der vejer 450 tons, udstyrer de Three Gorges Dam ved Yangzi Jiang-floden i Kina og for nylig Xiangjiaba-dæmningen ved den samme flod.
Dette system blev foreslået af den franske Jean-Victor Poncelet i slutningen af 1820'erne . I 1826 forbedrede den franske opfinder og industriist Benoît Fourneyron systemet ved at øge effektiviteten ved at ændre vandcirkulationen og lede den radialt gennem hjulet.
I De Forenede Stater , i 1838 , blev dette system patenteret af den nordamerikanske Samuel B. Howd , som derefter blev populariseret af den angloamerikanske James B. Francis , hvis navn det bærer. Han installerede sin første vindmølle i 1848 til vandkraftværket Pawtucket Gatehouse (i) ved Lowell i Massachusetts . I 1860'erne begyndte denne turbine at erstatte vandhjulet .
I 1918 blev Chappes papirfabrik udstyret med en Francis " Singrün " -turbine, der fungerede indtil 2004 . Samme år blev denne type turbine brugt på Vernes kraftværk i Livet-et-Gavet . Denne plante er nu klassificeret som et historisk monument .
I Canada er det den mest anvendte turbine i Hydro-Québecs generationsflåde .
Pawtucket Gatehouse, den første Francis-turbinfabrik, installeret i 1848 af James Bicheno Francis i Lowell, Massachusetts
Schweizisk fremstillet Francis Turbine i Zürich
Francis-turbine fra Grand Coulee-dæmningen
Nedrivning af en gammel Francis-turbine, der stammer fra 1918
Francis-turbine for det første Bergerac vandkraftværk bestilt i 1892.
Den mest magtfulde i Frankrig ligger ved Pouget-kraftværket : en 286 MW Francis-turbine koblet til en 275 MVA-generator, under 444 meter hoved.
Flowstyringen sker på niveauet for distributøren ved orienteringen af ledeskovlene (i engelsk ledeskovle ) i forhold til de faste skovle eller vinger (på engelsk stay vinger ) placeret på løbehjulet (på engelsk runner ). Disse er væsentlige elementer i turbinen, som gør det muligt at overføre strømmenergien til pumpehjulet korrekt, samtidig med at man undgår udseendet af det destruktive fænomen med kavitation .
Tværsnit af en Francis-turbine: væskecirkulation, radial indgang, aksial udgang
Retningslinjer i minimum flowposition
Retningslinjer i maksimal strømningsposition
Fænomenet kavitation kan forårsage for tidlig erosion af knivene ved forkanten. Kavitation forårsager et fald i effektiviteten af turbinen eller i den absorberede højde og fremkomsten af vibrationer på den mekaniske struktur ledsaget af intens støj. Dette fænomen kan kræve standsning af turbinen og tungt vedligeholdelses- og reparationsarbejde, hvilket fører til betydelige økonomiske konsekvenser (produktionsstop, vedligeholdelsesomkostninger på stedet eller tung reparation i værkstedet osv.)
Francis-turbine fra 1956, forkanter på knivene eroderet af kavitation
Francis-turbine med vinger eroderet ved kavitation efter tidligere reparationer ved tilsætning og svejsning af rustfrit stål
Det franske kraftværks hydrauliske udstyr, der er tildelt af staten til EDF eller dets datterselskaber, findes i 447 vandkraftværker. Især er der Francis-turbiner og deres komponenter (rotorer, vinger, ventiler, vandhaner, lejer osv.). Alle elementer, der vedrører det hydrauliske udstyr til disse kraftværker, serviceres og vedligeholdes af en intern EDF-enhed, Hydraulic Repair Service , der udfører metaloverfladebehandling ved svejsning, slibning til omformning (i værkstedet eller på stedet) samt bearbejdningsarbejde.