Turbina Francis a fost inventata in anul 1848 de inginerul american James B. Francis

Turbinele Francis sunt turbine cu reactiune cu admisie totala (curgerea apei se realizeaza în mod uniform pe întreaga circumferinta a rotorului) si radiala (dupa directia razei), scurgerea apei prin rotor realizându-se radial-axial motiv pentru care aceasta turbina mai poarta numele de turbina cu flux central.

Acest gen de turbine este recomandat pentru caderi mijlocii cuprinse intre 50 si 650 de metri si debitelor mijlocii iar puterea generata poate varia de la cativa kilowati pana la 1000 de megawati.

dupa turatia specifica a turbine (rapiditate)

- lenta: 40 – 150 [rot/min]

- normal: 151 – 250 [rot/min]

- rapida: 251 – 450 [rot/min] dupa pozitia axului

- cu ax vertical - turbina si generetorul sunt dispuse pe acelasi ax in pozitie

- cu ax orizontal - supravegherea este mai usoara-echipamentele sunt la vedere, generatoarele cu ax orizontal sunt mai ieftine.

dupa numarul de rotaoare

- turbina Francis monorotoare – caracterizata prin existenta unui singur rotor pe axul turbinei.

- turbina Francis dubla – are o singura carcasa spirala, un aparat director, doua aspiratoare si rotorul dublu.

- turbine Francis gemene - caracterizate prin asezarea pe acelasi ax a doua turbine de acelasi tip care au evacuarea comuna.

carcasa spiral (numita si melc)

- face legătura intre vana de admisie şi statorul turbine;

- creeaza un cuplu hidraulic, necesar functionarii turbine;

- repartizeaza uniform debitul si vitezele pe periferia statorului sau a aparatului director;

- permite racordul regulatorui de presiune;

- prin rezistenta sa poate transmite forte spre fundatia turbine, prin palele statorice fixe de la gura melcului.

Stator

- distribuie debitul uniform pe periferia aparatului director;

- rigidizeaza carcasa spirala si preia fortele care actioneaza asupra acesteia;

aparat director (distribuitorul)

- distribuie uniform debitul pe periferia rotorului şi asigură unghiul optim de intrare corectă a apei in rotor;

- regleaza debitul care trece prin turbine de la zero la valoarea maxima;

- la pozitia inchis, aparatul director se inchide etans si reduce debitul la zero;

- realizeaza pierderi de sarcina minime prin pale cu profile hidrodinamicemobile in jurul unui ax;

- contine mecanisme de reglaj robust si precise (inel de reglaj, pargii si tragatoare)

aspiratorul

- permite asezarea rotorului intr-o pozitie corecta, dupa cum indica calculul hidromecanic;

- permite devierea curentului de apă dupa nevoie, din direcţie orizontală in direcţie verticală sau invers;

- recuperează o parte din energia cinetică a apei la iesirea din rotor, sporind randamentul turbinei;

- evacuează apa spre canalul de fugă al centralei, în condiţii hidrodinamice optime.

rotor (figura 2)

- este format din inel, coroana şi palete, este sediul transformarii energetice.

- palele rotorului sunt fixe, permitand in acest mod reglarea simpla a debitului, numai cu paleletele aparatului director

- organ principal al turbinei, transformă puterea hidraulică in putere mecanică la arborele pe care este montat rotorul (imprimă o mişcare de rotaţie acestora);

- diametrul rotorului se situeaza intre 0,36 si 7.5 m

Figura 2. Rotorul turbinei Francis

Principiu de functionare a turbinei Francis

Apa din distribuitorul (1) trece în paletele de reglaj (2) ce imprimă directia de curgere a apei înainte ca aceasta să ajungă la rotor. După ce loveste paletele rotorului (3) apa este evacuată prin aspiratorul (4). Deoarece la iesirea rotorului presiunea este subatmosferică aspiratorul este coborât cu marginea inferioară sub canalul de fugă, asigurându-se astfel evacuarea apei.

Turbinele de tip Francis sunt printre cele mai raspandite in lume datorita eficientei acestora.

Performantele realizate in prezent de asemenea turbine ating valori foarte ridicate. La turbinele din CHE Stornorrfors (Suedia) randamentul maxim realizat este de 96% . Realizarea acestor agregate cu performante foarte bune este posibila ca urmare a studiilor si cercetarilor efectuate in laboratoare pe modele, ca si a progresului tehnologic. Turbinele de tip Francis au fost alese pentru cel mai mare baraj hidroenergetic din lume, Barajul Celor Trei Defilee, construit in China. Barajului Celor Trei Defilee va insuma 18.2 GWh, generati de cele 26 de generatoare propuse, iar energia produsa anual echivaleaza cu arderea a 40 de milioane de tone de carbune sau cu cea generata de 18 centrale nucleare mari. Barajul are o lungime de 2,3 kilometri iar rezervorul sau se intinde pe o distanta de 660 km.

Principalele avantaje sunt:

-utilizarea completa a caderii de apa;

-la puteri si caderi egale, necesita un spatiu de instalare mai mic decât turbinele cu actiune;

-functioneaza cu randament maxim în apropiere de sarcina nominala.

-Centralele hidroelectrice lucreaza de regula în paralel cu centralele termoelectrice realizându-se astfel o folosire rationala a combustibilului, echipamentelor si energiei resurselor hidraulice.

- posibilitatea de a utiliza turbina, in sens invers, ca pe o imensa pompa de apa care sa reumple barajul pentru orele de varf.