Francis-Turbine

Die Francis-Turbine wurde erfunden von James Bicheno Francis. Sie gehört zu den Überdruckturbinen. Das bedeutet, dass das Wasser mit einem größeren Druck auf das Laufrad trifft als es dieses verlässt. Durch ein Saugrohr am Turbinenausgang wird zusätzlich ein Unterdruck erzeugt und damit die Druckdifferenz bzw. – auf die Höhenverhältnisse übertragen – die Nettofallhöhe vergrößert. Zwei verschiedene Bauformen kommen zum Einsatz:

  • Francis-Schachtturbine

  • Franzis-Spiralturbine

Die Franzis-Schachtturbine – das Foto zeigt ein Exponat des VEAG-Wasserkraftmuseums Ziegenrück – kann an Standorten mit kleinen bis mittleren Fallhöhen eingesetzt werden. Sie hat jedoch bei nur 39.7 kW Leistung ein Schluckvermögen von 1210 l/s.

Die Franzis-Schachtturbine – das Foto zeigt ein Exponat des VEAG-Wasserkraftmuseums Ziegenrück – kann an Standorten mit kleinen bis mittleren Fallhöhen eingesetzt werden. Sie hat jedoch bei nur 39.7 kW Leistung ein Schluckvermögen von 1210 l/s.

Grundsätzlich erfolgt die Durchströmung radial. Das bedeutet: Das Wasser strömt seitlich von außen nach innen durch das Laufrad. Das Laufrad hat eine spezielle Form. Es nimmt im Durchmesser zum Auslass hin zu. Anders als es zum Beispiel bei einer Pelton-Turbine der Fall ist, wird das Laufrad von allen Seiten nahezu gleichermaßen beaufschlagt. Dies wird durch ein spiralförmiges Rohr erreicht oder – im Falle der Ausführung als Schachtturbine – durch die möglichst homogene Wasserverteilung innerhalb des Schachtes.

Francis-Spiralturbinen werden in mittleren bis großen Fallhöhen eingesetzt. Hier hat dieser Turbinentyp Berührungspunkte mit der Pelton-Turbine. Gegenüber der Pelton-Turbine hat sie jedoch eine höhere spezifische Drehzahl und kann so mit kleineren Abmessungen einen größeren Durchfluss bewältigen. Im österreichischen Zillertal, sind zwei Francis-Turbinen im Pumpspeicherkraftwerk Häusling im Einsatz, die jeweils eine Leistung von 180 kW bei einem Ausbaudurchfluss von 65 m3/s bringen (vgl.: http://de.wikipedia.org/wiki/Wasserkraftwerke_im_Zillertal#Kraftwerk_H.C3.A4usling_und_Speicher_Zillergr.C3.BCndl, Zugriff: 02.01.2016). Die Fallhöhe beträgt hier 696 m, wobei das Wasser den Turbinen über eine Druckrohrleitung zugeführt wird. Das den Leitapparat der Turbine umschließende Rohr (Spirale) verteilt den Zulauf nicht nur gleichmäßig auf das Laufrad, sondern versetzt das Wasser zusätzlich in einen Drall.

Das Spiralgehäuse ist entweder als geschweißtes Stahlrohr oder als Stahlbeton-Konstruktion ausgeführt, welche mit einem Stahlpanzer umgeben ist. Um Druckstöße bei plötzlichen Lastschwankungen entgegen zu wirken wird in größeren Anlagen ein Notausstoßventil vorgesehen.

 Laufrad einer großen Franzis-Turbine (Exponat des Wasserkraftmuseums Ziegenrück) mit einem Schluckvermögen von bis zu 85m3/s. Die Anlage leistete ca. 28 MW.

Laufrad einer großen Franzis-Turbine (Exponat des VEAG-Wasserkraftmuseums Ziegenrück) mit einem Schluckvermögen von bis zu 85m3/s. Die Anlage leistete ca. 28 MW.

Francis-Turbinen können auch bei kleinen und mittleren Fallhöhen eingesetzt werden. So werden sie mit senkrechter Welle für Fallhöhen von bis zu ca. 5 m in rechtwinkligen Schächten eingebaut. Die Schachtturbine hat keine Einlaufspirale. Zudem ist der Leitapparat an einem Metallzylinder montiert. Wie auch bei der Spiralturbine regelt der Leitapparat den Zufluss. Dessen Steuerungsgestänge befindet sich direkt im Schacht und damit im Oberwasser der Turbine.

(rs/01-2016)