Francis-Turbine
Überdruck-Wasserturbine mit festen Laufschaufeln, bei der das Wasser radial ein- und axial austritt. Die meistgebaute Bauart, eingesetzt bei mittleren Fallhöhen von etwa 30 bis 700 m.
James B. Francis entwickelte die nach ihm benannte Turbine um 1848 in Lowell, Massachusetts. Sie ist eine Überdruckturbine: Das Laufrad steht vollständig unter Wasser und unter Druck, und das Wasser gibt seine Energie sowohl über den Druckabfall als auch über die Änderung seiner Geschwindigkeit ab. Es strömt durch ein Spiralgehäuse, passiert verstellbare Leitschaufeln, die den Durchfluss regeln und den Drall vorgeben, wird im Laufrad umgelenkt und verlässt die Maschine über ein Saugrohr, das die restliche Bewegungsenergie zurückgewinnt.
Wichtige Kennzahlen:
- Fallhöhe: etwa 30–700 m, die meisten Maschinen zwischen 40 und 400 m (Fallhöhe)
- Spitzenwirkungsgrad: 93–96 % bei großen Maschinen; unterhalb von etwa 40–50 % des Nenndurchflusses sinkt er deutlich, weil im Saugrohr Wirbelzöpfe und Druckpulsationen auftreten
- Maschinengröße: von unter 1 MW bis 1.000 MW; Baihetan (China) hat 16 Francis-Maschinen mit je 1.000 MW, Drei-Schluchten und Itaipú arbeiten mit Maschinen der 700-MW-Klasse
Francis-Turbinen stellen den Großteil der weltweit installierten Wasserkraftleistung, weil sie zu den mittleren Fallhöhen typischer großer Talsperren passen. Als reversible Pumpturbine ist die Francis-Maschine Standard in Pumpspeicherkraftwerken: In der einen Drehrichtung pumpt sie, in der anderen erzeugt sie Strom.
Konstruktiv anspruchsvoll sind Kavitation, die man durch eine Laufradlage unterhalb des Unterwasserspiegels beherrscht, und Instabilitäten im Teillastbetrieb. Letztere werden wichtiger, je mehr Wasserkraftwerke schwankende Wind- und Solarerzeugung ausgleichen sollen.
Verwandte Begriffe
Alle Begriffe →- Fallhöhe
Höhenunterschied zwischen dem Wasserspiegel am Einlauf eines Wasserkraftwerks und dem Turbinenauslass bzw. Unterwasser; bestimmt zusammen mit dem Durchfluss die verfügbare Leistung.
- Peltonturbine
Eine Freistrahlturbine, bei der Wasserstrahlen mit hoher Geschwindigkeit auf doppelt gewölbte Becher eines Laufrads treffen; die Standardlösung für große Fallhöhen ab etwa 250 m.
- Kaplan-Turbine
Propellerartige Überdruck-Wasserturbine mit verstellbaren Laufrad- und Leitschaufeln, geeignet für niedrige Fallhöhen von etwa 2 bis 40 m und große Wassermengen.
- Pumpspeicherkraftwerk
Energiespeicher, der Wasser in ein Oberbecken pumpt, wenn Strom billig oder reichlich vorhanden ist, und es bei Bedarf über Turbinen wieder ablässt; weltweit die größte Form der Netzspeicherung.
- Laufwasserkraftwerk
Wasserkraftwerk, das den natürlichen Abfluss eines Flusses nutzt oder ableitet, mit wenig oder keinem Speicher; die Erzeugung folgt dem Abfluss, nicht dem Bedarf.