турбина Фрэнсиса представляет собой водяное колесо, которое использует энергию проточной воды и превращает ее в электричество. Это реактивная турбина с внутренним потоком, также известная как турбина с радиальным потоком. Это означает, что вода течет снаружи колеса через направляющие лопатки, которые направляют ее к центру колеса, где она выходит из машины. По мере того, как вода течет, она вращает рабочее колесо турбины, центральный цилиндр со средним числом от 9 до 19 изогнутых лопастных спиц. Это движение передается валом на генератор, где энергия воды преобразуется в электричество.
Машина была изобретена в 1849 году американским ученым Джеймсом Фрэнсисом, в честь которого машина и названа. Он провел обширные эксперименты по проектированию водяных турбин. Его выводы позволили ему улучшить существующую реактивную турбину с внутренним потоком, увеличив ее эффективность до более чем 90%. Это самая эффективная водяная турбина в мире, а также наиболее широко используемая.
Модификация Фрэнсисом стандартной конструкции турбины использовала изменение давления воды и закон сохранения углового момента. Вода поступает в турбину из источника высокого давления и течет по спирали с постепенно уменьшающимся радиусом, в результате чего ее давление и угловой момент падают, а скорость увеличивается. Быстро движущаяся вода раскручивает бегунок с еще большей силой по мере приближения к его центру, захватывая энергию воды с минимальными потерями. Затем вода выходит из бегунка и выходит через трубку, предназначенную для замедления обратного течения воды. Это позволяет плавно возвращать воду к ее источнику, без чрезмерных течений или завихрений.
Помимо невероятной эффективности, турбина Фрэнсиса популярна благодаря своей универсальности. Регулируемые направляющие лопатки регулируют поток поступающей воды, поддерживая скорость рабочего колеса, а, следовательно, и выходную мощность постоянными, независимо от изменения расхода исходной воды. Гидравлический «напор» — это мера энергии жидкости на единицу веса, и турбина Фрэнсиса может быть спроектирована для работы в диапазоне напора примерно от 10 до 700 метров. Он также может генерировать мощность в широком диапазоне от нескольких киловатт до почти гигаватт.
В отличие от старомодного водяного колеса, ось турбины Фрэнсиса вертикальна. Если смотреть сверху или в горизонтальном разрезе, машина немного напоминает раковину улитки. Помимо выработки электроэнергии, этот тип турбины также можно использовать для перекачки воды в резервуары на возвышенности, откуда ее позже можно будет направить обратно через турбину для производства большего количества электроэнергии.