در توربین فرانسیس، جریان آب به صورت شعاعی وارد توربین می شود و به صورت محوری از توربین خارج می شود. فشار آب به دلیل عبور از عکس العمل (واکنش) هایی در تیغه های توربین که باعث چرخش توربین می شود، کاهش می یابد. با خواندن این مقاله در مورد طراحی و اصول کار توربین فرانسیس بیش تر خواهید دانست.

توربین فرانسیس اولین توربین هیدرولیک با جریان داخلی شعاعی است. توسط دانشمند آمریکایی جیمز فرانسیس طراحی شده است. توربین فرانسیس یک توربین واکنشی ( reaction turbine ) است. توربین های واکنشی دارای برخی ویژگی های اولیه هستند که آنها را از توربین های ضربه ای ( Impulse Turbines ) متمایز می کند. بخش عمده ای از افت فشار در خود توربین رخ می دهد، بر خلاف توربین های ضربه ای که افت فشار کامل آن تا نقطه ورود صورت می گیرد و گذرگاه توربین به طور کامل توسط جریان آب در طول عملیات پر می شود.

طراحی توربین فرانسیس ( Design of Francis Turbine )

توربین فرانسیس ( Francis Turbine ) دارای یک صفحه دایره ای است که به شفت چرخشی عمود بر سطح آن متصل شده و از مرکز آن عبور می کند. این صفحه دایره ای دارای کانال های منحنی بر روی آن است. صفحات با کانال ها به طور کلی به عنوان دونده ( runner ) نامیده می شود. دونده توسط یک حلقه از کانال های ثابت به نام پره های راهنما ( guide vanes ) احاطه شده است. پره های راهنما در یک پوسته حلزونی به نام volute قرار دارند. خروجی توربین فرانسیس در مرکز صفحه ی دونده قرار دارد. لوله مکش به مرکز خروجی دونده متصل شده است. پارامترهای طراحی مانند شعاع دونده، انحنای کانال، زاویه پره ها ها و اندازه توربین به طور کلی به فشار و نوع کاربرد در دسترس بستگی دارد.

اصول کار توربین فرانسیس

توربین های فرانسیس به طور کلی با محور عمودی خود نصب می شوند. آب با هد بالا (فشار) از طریق جعبه مارپیچی اطراف صفحه های راهنما وارد توربین می شود. آب بخشی از فشار آن را در محفظه (حلقه مارپیچی) از دست می دهد تا سرعت آن را حفظ کند. سپس آب را از طریق پره راهنما، جایی که آن  برای ضربه زدن به تیغه در دونده در زاویه مطلوب کنترل می شود، عبور می کند. همانطور که آب از طریق دونده جریان می یابد، فشار و تکانه زاویه ای آن کاهش می یابد. این کاهش باعث واکنش روی دونده می شود و قدرت به شفت توربین منتقل می شود.

اگر توربین در شرایط طراحی عمل کند، آب در مسیر محوری دونده را ترک می کند. آب از توربین از طریق لوله درفت ( draft tube) خارج می شود که به عنوان یک پخش کننده عمل می کند و سرعت خروج جریان را کاهش می دهد تا حداکثر انرژی را از  جریان  آب بهبود بخشد.

تولید انرژی با استفاده از توربین فرانسیس

برای تولید برق با استفاده از فرانسیس توربین، توربین با فشار آب بالا تغذیه می شود که با ورودی شعاعی وارد توربین می شود و به صورت محوری طریق لوله درفت توربین  را ترک می کند. انرژی جریان آب به  شکل گشتاور و چرخش به شفت توربین منتقل می شود. شفت توربین با دینامو و ژنراتور برای تولید برق کوپل می شود.

برای افزایش کیفیت تولید برق، سرعت توربین باید با وجود بارهای متغیر، ثابت نگه داشته شود. برای حفظ سرعت ثابت دونده حتی در شرایط کاهش بار، نرخ جریان آب با تغییر زاویه پره های راهنما کاهش می یابد.

توربین های هیدرولیکی ( HYDRAULIC TURBINES ) 

توربین های هیدرولیکی انرژی را از یک سیال در جریان به یک شفت چرخان انتقال می دهند. توربین چیزی است که می چرخد یا چرخانیده می شود. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد توربین های هیدرولیکی، اصول کار توربین های هیدرولیک و نحوه طبقه بندی آنها، مجموعه مقالات زیر را بخوانید:

1. تعریف و مبانی توربین های هیدرولیکی
2. توربین های هیدرولیکی: توربین پلتون The Pelton Turbine
3. توربین های هیدرولیکی: توربین فرانسیس Francis Turbine
4. توربین های هیدرولیکی: توربین کاپلان Kaplan Turbine
5. علل و اثرات کاویتاسیون در پمپ ها