Francis türbini
Francis turbini James B. Francis tarafından geliştirilmiş bir su türbini çeşididir. Radyal ve eksenel akış çeşitlerinin bulunduğu bir iç akış reaksiyon türbinidir.
Francis türbinleri günümüzde en çok kullanılan su türbini çeşididir. 10 ila birkaç yüz metrelik basma basıncı arasında çalıştırılır ve çoğunlukla elektrik gücü üretiminde kullanılır.
Gelişimi
Tarih boyunca su çarkları tüm mil çeşitleri için güç üretmede kullanıldı, fakat verimsizlerdi. 19. yüzyılda su türbinlerindeki verimin arttırılması bunları buhar makineleri ile yarışır duruma getirdi.
1826 yılında Benoit Fourneyron yüksek verimli (80%) dış akışlı su türbinini geliştirdi. Su, türbin kanatlarının döndürülmesi için kanatlara teğet olarak yönlendiriliyordu. 1820'lerde Jean-Victor Poncelet ayni prensiple çalışan bir iç akışlı türbin tasarladı. 1830 yılında S. B. Howd benzer bir tasarımla ABD patentini aldı.
1848 yılında James B. Francis türbin verimliliğinin 90% olması için bu tasarımları geliştirdi. En yüksek verimli türbini üretmek için bilimsel prensipleri ve metotları uyguladı. Daha da önemlisi, matematiksel ve grafiksel metotları türbin tasarımı ve mühendisliğindeki durumu geliştirdi. Kullandığı analitik metotlar güvenilir tasarıma sahip yüksek verimli türbinlerin üretilmesini sağladı.
Çalışma Prensibi
The Francis türbini bir reaksiyon türbinidir. Su, türbin boyunca ilerlerken basıncı değiştirir ve enerjisini kanatlara verir. Su akışını ihtiva etmek için bir türbin mahfazasına ihtiyaç duyulur. Türbin, yüksek basınçlı su girişi ile düşük basınçlı su çıkışı arasında bulunur. Genellikle barajların temellerine oturtulur.
Giriş sarmal şeklindedir. Kılavuz kanatlar suyu türbin çarkına teğetsel olarak yönlendirir. Çark kanatlarında radyal akış tesiri oluşur ve çarkın dönmesine neden olur. Kılavuz kanatlar etkili bir çalıştırma için ayarlanabilir yapıda olabilir.
Su, türbin çarkına doğru ilerlerken dönme yarıçapı azalır, sonrasında çarka tesir eder. Bir örnek vermek gerekirse, bir topu bir çember etrafındaki ipte salınım hareketi yaptırdığınızı düşünün; eğer ip kısalırsa, top açısal momentum'dan dolayı daha hızlı döner. Suyun basıncına ek olarak bu özellik Francis ve diğer iç akış türbinlerinin verimli çalışmasına yardımcı olur.
Francis Türbini ve jeneratör
Kılavuz kanatlar en düşük akış ayarında
Kılavuz kanatlar en yüksek akış ayarında
Çıkışta, su girdap yapmadan ve kinetik ya da potansiyel enerji ile ayrılır. Türbinin çıkış borusu basınç oluşturmak ve hızı kesmek için şekillendirilmiştir.
Uygulama
Büyük francis türbinleri, mümkün olan en yüksek verimde çalıştırmak için (genellikle %90 civarı) her bir tesis için ayrı ayrı tasarlanır.
Bu türbinler 20 ila 700 metre arasında değişen basmaya sahip olabilir. Bunun için verilmesi gereken güç birkaç kilowatt ila bir gigawatt arasında değişebilir.
Francis türbinleri yüksek basma basınçları eldesi ve yüksek verimle çalışmalarından dolayı günümüzde en çok kullanılan türbin çeşididir.