En Francis-turbin er en hydraulisk turbin av typen “reaksjon”. Den er egnet for middels høydehøyder (fra 30 til 300 meter), for middels eller høye krefter og strømmer (for eksempel Itaipu-demningen ): fra noen få kilowatt til flere hundre megawatt med strømninger fra 10 til 700 m 3 / s.
En Francis-turbin er en turbin der væsken kommer inn under stort trykk og overfører sin energi til bladene integrert med rotoren. En del av energien overføres av væsken på bladene på grunn av trykkendring mens resten av energien ekstraheres av spiralen som omgir turbinen. Ved utløpet har væsken lav hastighet og lite energi. Formen på utløpsrøret er designet for å bremse væsken og bringe den opp igjen under trykk.
De vanlige egenskapene til Francis-turbiner er som følger:
Den høyeste effekten oppnådd av en Francis-turbin er 800 MW . Den er produsert av Alstom . Med en diameter på 10 meter, som hver veier 450 tonn, utstyrer de Three Gorges Dam , ved Yangzi Jiang-elven , i Kina , og mer nylig Xiangjiaba-demningen , på samme elv.
Dette systemet ble foreslått av franske Jean-Victor Poncelet på slutten av 1820 - tallet . I 1826 forbedret den franske oppfinneren og industrimannen Benoît Fourneyron systemet ved å øke effektiviteten (80%) ved å endre sirkulasjonen av vann og lede det radielt gjennom hjulet.
I USA ble dette systemet i 1838 patentert av den nordamerikanske Samuel B. Howd , som deretter ble popularisert av den angloamerikanske James B. Francis , hvis navn den bærer. Han installerte sin første turbin i 1848 til vannkraftverket Pawtucket Gatehouse (in) i Lowell i Massachusetts . På 1860-tallet begynte denne turbinen å erstatte vannhjulet .
I 1918 ble Chappes papirfabrikk utstyrt med en Francis " Singrün " -turbin som opererte til 2004 . Samme år ble denne typen turbiner brukt ved Vernes kraftverk i Livet-et-Gavet . Denne planten er nå klassifisert som et historisk monument .
I Canada er det den mest brukte turbinen i Hydro-Québecs generasjonsflåte .
Pawtucket Gatehouse, den første Francis-turbinfabrikken, installert i 1848, av James Bicheno Francis, i Lowell, Massachusetts
Sveitsisk produsert Francis Turbine i Zürich
Francis-turbin av Grand Coulee-demningen
Rivning av en gammel Francis-turbin, fra 1918
Francis-turbin av den første Bergerac vannkraftstasjonen som ble satt i drift i 1892.
Den mektigste i Frankrike ligger ved Pouget kraftstasjon : en 286 MW Francis-turbin koblet til en 275 MVA generator, under 444 meter hode.
Strømningsreguleringen skjer i høyde med fordeleren ved orientering av ledeskovlene (på engelsk ledeskovler ) i forhold til de faste vinger eller skovler (på engelsk opphold skovler ) som befinner seg på pumpehjulet (på engelsk løpehjul ). Dette er essensielle elementer i turbinen som gjør at strømmenes energi kan overføres riktig til pumpehjulet, samtidig som man unngår utseendet til det destruktive fenomenet kavitasjon .
Tverrsnitt av en Francis-turbin: væskesirkulasjon, radialt inntak, aksialt utløp
Retningslinjer, i minimum strømningsposisjon
Retningslinjer, i maksimal strømningsposisjon
Fenomenet kavitasjon kan forårsake for tidlig erosjon av bladene i forkant. Kavitasjon forårsaker et fall i effektiviteten til turbinen, eller i den absorberte høyden, og utseendet på vibrasjoner på den mekaniske strukturen, ledsaget av intens støy. Dette fenomenet kan kreve stopp av turbinen og tungt vedlikeholds- og reparasjonsarbeid, noe som kan føre til betydelige økonomiske konsekvenser (produksjonsstans, vedlikeholdskostnader på stedet eller tung reparasjon i verkstedet osv.)
Francis-turbin fra 1956, forkanter på bladene erodert av kavitasjon
Francis-turbin med vinger erodert av kavitasjon, etter tidligere reparasjoner ved å tilsette og sveise rustfritt stål
Det hydrauliske utstyret til franske kraftstasjoner, gitt av staten til EDF eller dets datterselskaper, er til stede i 447 vannkraftverk. Spesielt er det Francis-turbiner og deres komponenter (rotorer, vinger, ventiler, kraner, lagre osv.). Alle elementene knyttet til det hydrauliske utstyret til disse kraftstasjonene blir betjent og vedlikeholdt av en intern EDF-enhet, Hydraulic Repair Service , som utfører overflatebehandling av metall ved sveising, sliping for omforming (i verkstedet eller på stedet), samt bearbeidingsarbeid.