Турбина Фрэнсиса была изобретена американцем Джеймсом Фрэнсисом в 1849 году. Новые технические решения для водяных турбин привели к тому, что этот тип турбины был установлен на уклонах до 5 м. Турбинные решения Francis аналогичны турбинам Kaplan с различием в конструкции ротора и рулевого колеса. Проточными частями турбины Фрэнсиса являются: рулевое колесо, ротор, всасывающая труба и часто встречающийся корпус особой формы в виде котла, воронки или спирали, задачей которого является подача воды на рулевое колесо (рис. 1).
Ротор турбины Фрэнсиса состоит из двух ободов, соединенных лопастями. В зависимости от уклона и силового агрегата лопасти турбины изготавливаются различными способами. На высотах до 50 м и агрегатах малой и средней мощности они изготавливаются из мягкого стального листа под прессом, а затем соединяются с чугунными кольцами при их отливке или свариваются стальными кольцами.
Лопасти, предназначенные для работы на больших объемах и более мощных агрегатах, изготовлены из литой стали с одним или несколькими отливками (рис. 3), причем для соединения этих элементов используется сварка. Лопасти ротора вращаются вокруг дистанционных штифтов, которые соединяют крышку рулевого колеса с ее основанием.
Другим решением является лопасть, соединенная с шарнирами, которая вращается на подшипниках. Один из подшипников установлен в крышке, а другой — в основании рулевого колеса.
Рис. 1. Турбина Фрэнсиса с горизонтальным валом с внутренним регулированием; 1 — рабочее колесо, 2 — крышка рулевого колеса, 3 — опора рулевого колеса, 4 — регулировочное кольцо, 5 — шпатель рулевого управления, 6 — разъем, 7 — бампер, 8 — вал турбины, 9 — поперечно-осевой подшипник, 10 — сальник, 11 — вал управления, 12 — регулировочный рычаг, 13 — подвесной подшипник, 14 — сальниковая коробка, 15 — подшипник регулировочного вала, 16 — рычаг двухплечевой, 17 — регулировочный шток, 18 — кривизна, 19 — всасывающая труба, 20 — труба утечки, 21 — настенное кольцо.
Компоненты рулевого колеса предназначены для работы лопаток турбины и регулирования подачи воды в ротор. Это регулирование можно назвать внешним регулированием, потому что система управления находится вне пространства, заполненного водой, тогда как, если эта система размещена в пространстве, заполненном водой, речь идет о внутреннем регулировании (турбины, работающие в условиях низкого расхода).
Вода, вытекающая из рабочего колеса, может быть направлена в дренажный канал посредством всасывающей трубы с прямым всасыванием или изогнутым. Всасывающая труба создает отрицательное давление на выходе из ротора и предназначена для восстановления некоторой кинетической энергии воды, выходящей из рабочего колеса.
Турбины Фрэнсиса с вертикальными валами (рис. 2) используются в основном на небольших высотах, а в случае больших утечек используются турбины с горизонтальными валами. На уклонах не более 15 м для турбины Фрэнсиса малой и средней мощности обычно сооружают бетонные камеры, открытые или закрытые, с уклонами 25 м в бетонной спирали, с уклонами около 100 м в камере из олова или чугуна, в то время как при еще больших уклонах спираль изготовлена из литой стали. Для получения более высоких скоростей используются многороторные турбины.
Рис. 2. Турбина Фрэнсиса с вертикальным валом
Преимуществами турбин Фрэнсиса являются возможности изменения их конструкции, что позволяет наиболее выгодно выбирать турбину для строительства электростанций, оборудования для электростанций и объектов на отдельной местности.
Рис. 3. Ротор
турбины Фрэнсиса.
Недостатками турбин Фрэнсиса являются частое возникновение небольших утечек на
периферии ротора. Чтобы устранить эту проблему, используются
уплотнительные кольца для турбин с низким уровнем прокачки.
