Francis-turbiini

Francis-turbiinin poikkileikkaus.

Imatrankosken vesivoimalan juoksupyörä.

Francis-turbiini on James Bienco Francisin kehittämä vesiturbiini. Francis-turbiinissa vesi kulkee juoksupyörän ulkokehältä sisäkehälle, ja poistuu juoksupyörän keskeltä.

Francis-turbiini oli jatkokehitystä aiemmin käytössä olleisiin vesiturbiineihin.

Francis-turbiinin etu on sen soveltuvuus hyvin laajoihin käyttöolosuhteisiin. Sitä voidaan käyttää hyvin monen kokoisissa turbiineissa alkaen pienistä muutaman metrin ja kilowatin turbiineista aina jopa tuhansien metrien ja satojen megawattien turbiineihin. Tämän vuoksi se on hyvin levinnyt turbiinityyppi, tosin esimerkiksi Suomessa Kaplan-turbiini on, monimutkaisemmasta rakenteestaan ja suhteellisesta kalleudestaan, huolimatta syrjäyttänyt Francis-turbiinia. Syynä on Kaplan-turbiinin huomattavasti parempi hyötysuhde osakuormilla ja pienempi kavitaatioriski. Francis-turbiinilla on myös muita heikkouksia, mm. turbiiniin joutunut materiaali voi jumiuttaa veden virtausta säätävän johtopyörän liikkeen jolloin ainoa keino pysäyttää turbiini on pysäyttää veden tulo ja käydä tyhjentämässä turbiini sinne joutuneesta tavarasta. Lisäksi Francis-turbiinin juoksupyörä on herkkä sinne joutuneille puille, käytännön elämässä on useita kertoja käynyt niin että voimalaitoksen välpistä läpi päässyt puu on jumiutunut johto- ja juoksupyörän väliin ja hajottanut mm. turbiinin ohjauslaakerin. Kaplan-turbiinit selviävät useasti samasta tilanteesta kovalla kolinalla ja kappaleiksi silpoutuneella, läpi menneellä puulla.

Toimintaperiaate

Francis-turbiini on reaktioturbiini, joka tarkoittaa, että virtaava vesi muuttaa painettaan kulkiessaan turbiinin läpi ja samalla se luovuttaa energiansa turbiinin siipien liikuttamiseen.

Spiraalinmuotoinen tuloputki kiertyy turbiinin ympärille ja kapenee loppua kohden. Vesi ohjautuu tangentiaalisesti johtosolukkeiden läpi juoksupyörälle jossa vesi kulkee juoksupyörän ulkokehältä sisäkehälle, ja poistuu juoksupyörän keskeltä. Juoksupyörien muoto vaihtelee, turbiinin laajasta käyttöalueesta johtuen, melko paljon.

Vesi ohjautuu turbiinista alas imuputkeen. Imuputki on muotoiltu siten, että putken poikkipinta-ala kasvaa, jolloin vesi hidastuu ja virtaa tasaisesti ulos turbiinista. Näin ollen pois virtaava vesi sisältää mahdollisimman vähän liike-energiaa, joten turbiinin käyttöön jää vastaavasti enemmän turbiiniin tulevan veden energiasta (muutettavaksi esim. sähköenergiaksi).

Turbiinin ei ole välttämätöntä olla alaveden alapuolella, kunhan imuputki on koko ajan täynnä vettä. Kuitenkin, mitä korkeammalla turbiini on, sitä enemmän alapuolinen vesimassa imee juoksupyörän siipiä. Imu ja siitä seuraava paineenalenema voi aiheuttaa kavitointia. Lisäksi, mikäli alavedenpinta pääsee laskemaan liian alas, ilmaa "hörppivä" imuputki on altis mekaanisille vaurioille.

Johtopyörän johtosolukkeiden säätö on nykyisin toteutettu sähköhydraulisesti jossa turbiinikannella oleva välitysmekanismi ohjaa hydraulisylinteriltä tulevan voiman johtosolukkeille. Mekanismissa on myös ns. murtolenkit- tai tapit siltä varalta että mikäli johtosolukkeet jumiutuvat niin välitysmekanismin rikkova voima hajottaa ne ilman suurempia vaurioita. Vanhoissa säätäjissä hydrauliikkajärjestelmän säätö oli tehty mekaanisesti heilurisäätäjällä, nykyisin säätö tapahtuu automatiikan ohjaamalla sähköisellä venttiilillä.

Muunnokset

Koska Francis-turbiinin valtakausi osui vesivoiman voimakkaan kehityksen ja käyttöönoton aikaan, on siitä kehitetty monta versiota. Nämä ovat kuitenkin pääosin syrjäytyneet mutta vesivoimalaitteiden pitkäikäisyyden takia niitä on edelleen käytössä.

Francis-turbiinit olivat Suomessa hyvin yleisiä pienten myllyjen ja sahojen voimanlähteinä. Niiden käytön kultakausi ajoittuu 1890-luvun ja 1930-luvun väliseen ajanjaksoon, jolloin pieniä vesilaitoksia rakennettiin ja vanhoja muutettiin turbiinikäyttöisiksi. Francis-turbiineja asennettiin vielä 1940-luvulla kyseisiin laitoksiin. Yleisimmin turbiini sijoitettiin joko puisen tai betonisen turbiinisäiliön/-kammion pohjalle niin, että imuputki kulki pohjan läpi alaveden puolelle. Joissakin tapauksissa turbiineja oli saman kammion pohjalla useita. Turbiinin pystyakseli nousi veden yläpuolelle ja päättyi yleensä kulmavaihteeseen. Pystyakseli oli yleensä laakeroitu yläpäästään painelaakerilla (liukulaakeri) ja alapäästään vesivoidellulla puulaakerilla (esim. ebenholtz) tai valkometallilaakerilla. Kulmavaihteen turbiinista tulevassa pystyakselissa oli suuri valurautainen kartiohammaspyörä minkä irtohampaat valmistettiin yleisimmin koivusta tai tammesta. Kulmavaihteen vaaka-akselin (yleensä valta-akseli) päässä oli vastaava mutta pienempi valurautainen kartiohammaspyörä. Vesi johdettiin turbiinikammioon patolaitteista yleisimmin puista tai betonista ränniä pitkin, joissakin tapauksissa jopa useiden kymmenien metrien päähän. Vaaka-akseliset turbiinit asennettiin vastaavalla tavalla turbiinisäiliön pohjalle. Niiden vaaka-akseli kulki suoraan turbiinisäiliön seinän läpi ulkopuolelle. Turbiinikammion seinässä oli vesitiivis läpivienti akselia varten ja akselin päässä oli suoraan kiinnioleva hihnapyörä. Tällöin energiaahukkaavia ja äänekkäitä kulmavaihteita ei tarvittu.

Turbiineista voidaan erottaa ainakin pysty- ja vaaka-akseliset versiot. Pystyakselisissa on vain yksi juoksupyörä, sen sijaan vaaka-akselissa niitä voi olla useampia samalla akselilla. Hyvin tyypillinen ratkaisu oli kaksijuoksupyöräinen versio jossa molemmat juoksupyörät käyttivät samaa imuputkea. Näitä kahden turbiinin yhdistelmiä saattoi puolestaan olla useampikin kytkettynä peräkkäin. Useammalla juoksupyörällä saadaan akselin kierrosnopeus korkeammaksi ja siihen liitetyn generaattorin hinta halvemmaksi.