Francis-turbin er den eldste turbintypen i vanleg bruk i dag, og den mest brukte i norske kraftverk. Francis-turbinar kan tilpassast eit stort område av forskjellige vassmengder og fallhøgder, men er best skikka ved fallhøgder frå omtrent 30 til omtrent 700 meter.
Francis-turbinen blei utvikla av den engelske ingeniøren James B. Francis i USA i 1849, og er sidan vidareutvikla fram til dei Francis-turbinane vi har i dag.
I turbinen som Francis konstruerte blei vatnet ført frå ytterkanten av turbinen gjennom ein ring av leieskovler inn på sjølve turbinhjulet. Utgangspunktet var ein Fourneyron-turbin – ein eldre turbintype som Francis hadde fått i oppgåve å forbetre. Verkemåten for Francis-turbinar er at ein stor del av trykkenergien i vatnet går over til vassfart, rørsleenergi, i ringen av leieskovler. (Men i motsetnad til i ein Pelton-turbin er det både trykk- og rørsleenergi i vatnet når det kjem inn i Francis-turbinen.) Retninga på vasstraumen frå leieskovlene mot hjulet har dessutan ein rotasjonskomponent i same retning som hjulet roterer. Hjulet på ein Francis-turbin har skovlkanalar som i neste omgang bøyer vasstraumen slik at vatnet strøymer ut av hjulet utan rotasjon. Dette, saman med at resten av trykkenergien går over til fart i vasstraumen, resulterer i ei kraft i omdreiingsretninga som driv turbinhjulet rundt. For å overføra rørsleenergien i turbinen til elektrisk energi, eller straum, trengs ein generator.
Ut frå verkemåten blir Francis-turbinar rekna til typen reaksjonsturbinar som òg blir kalla fullturbinar. Newtons tredje lov forklarer korleis energi blir overført i slike turbinar. Dei beste kan ha ein verknadsgrad på over 95%.
I Amerika starta vidareutviklinga straks etter at Francis hadde publisert forsøksresultata sine. Den første forbetringa var å konstruere løpehjulet slik at vasstraumen blei bøyd frå radiell til aksiell retning i skovlkanalane, altså frå retning innover langs hjulradien mot sentrum i hjulet, til retning langs hjulakslingen. Det neste var at maskinen blei utstyrt med eit sugerøyr, eit spesielt avløpsrøyr for å utnytte den gjenverande fallhøgda frå løpehjulet til undervatnet. Ideen var lansert like etter 1840 i samband med Jonval-turbinen, og blei no raskt tatt i bruk for Francis-turbinar.
For at Francis-turbinen skulle vere betre skikka for bruk samen med ein elektrisk vekselstraumgenerator måtte ein ha eit betre leieapparat enn det Francis først hadde utstyrt sin turbin med. Alt tidleg på 1870-talet løyste tyskaren Friedrich Voith og amerikanaren James Leffel dette, uavhengig av kvarandre, ved å ta i bruk vribare leieskovler. Men det gjekk nesten tretti år før denne løysinga var alminneleg akseptert som den beste.
Spiraltrommen, som er karakteristisk for moderne Francis-turbinar, blei introdusert nærmare 1890. Dette er ein røyrforma konstruksjon som ligg framfor leieapparatet og fordeler vatnet med jamn fart inn mot dette.
På stader med stor vassføring og lav fallhøgd bygde ein gjerne kraftverk der Francis-turbinar var monterte med fleire løpehjul på same aksling. Kaplan-turbinen, utvikla i 1913, overtok etter kvart som ei betre løysing ved slike tilhøve. I våre dagar blir Francis-turbinar med to løpehjul på ein aksling av og til nytta i småkraftverk.
Store moderne Francis-turbinar med vertikal aksling har spiraltromme og sugerøyr innstøypt i betong. Ofte er turbinsenteret plassert lågare enn nivået på undervatnet. Dette reduserer risikoen for kavitasjonstæring [lenkje] (slitasje som kjem av små bobler som oppstår og forsvinn med variasjon i trykket gjennom turbin og sugerøyr).
(Her kjem meir, evt. i eigen artikkel. Nokre stikkord:)
Eirik Øgaard, Norsk Vasskraft- og Industristadmuseum
Kjelder:
Hartmann, Ragnar (2006): "Maskinteknikk", i Kulturminner i norsk kraftproduksjon – en evaluering av bevaringsverdige kraftverk (KINK), s. 70-91. Oslo: Norges vassdrags- og energidirektorat. (NVE-rapport 2/2006)
En uventet feil skjedde under sending, sjekk at e-posten er gyldig.
Din venn har blitt sendt en e-post om denne artikkelen.
www.vasskrafta.no er etablert som eit samarbeid mellom Noregs vassdrags-og energidirektorat (NVE) og Norsk Vasskraft- og Industristadmuseum
