Francistürbin

Francis türbini (Francis turbine), orta ve yüksek düşü koşullarında kullanılabilen bir türbin çeşididir. Orta veya büyük ölçekli hidroelektrik santrallerinde en sık kullanılan reaksiyon türbinleri arasındadır. Kanat, kasa, çark gibi birden fazla bileşene sahip olan Francis türbinleri, 2 metreye kadar alçak ve 300 metreye kadar yüksek düşülerde kullanılabilmektedir. Farklı pek çok uygulama alanı olan bu türbin çeşitleri hakkındaki merak ettiklerinizi içeriğimizde kolayca bulabilirsiniz.

Francis Türbini Nedir, Ne İşe Yarar?

Öncelikle Francis türbini nedir bakıldığında; bunlar bir reaksiyon türbini olup farklı büyüklüklerdeki hidroelektrik santrallerinde kullanılabilir. Bu açıdan pek çok uygulamada tercih edilen Francis türbinlerinde su, türbinin çevresinden merkeze doğru aksiyel bir yönde giriş yapar ve radikal bir şekilde çıkış yapar. Bu aletlerin dâhil olduğu reaksiyon türbinleri ise yüksek enerjiye sahip sıvıyı alarak momentumunu açığa çıkarır. Bu açıdan tıpkı Kaplan türbinleri gibi reaksiyon türbini çeşitleri arasında yer alır. Suyun hem basıncını hem de kinetik enerjisini kullanan Francis türbinleri, bu sayede geniş bir akış aralığında çalışabilir.

Ayrıca bu türbinler, dikey olarak yönlendirilebildiği gibi yatay olarak konumlandırıldığında da eşit derecede iyi çalışabilir. Francis türbinleri hidroelektrik santrallerde en sık kullanılan türbinlerdir. Bu türbinler, tasarımları sayesinde %95’e varan verimliliklerle sunabilir. Ancak bu yalnızca optimum koşullar altında mümkündür. Francis türbinleri, Amerikalı bilim adamı James Francis tarafından tasarlanan, radyal girişe sahip ilk hidrolik türbinlerdir.

Francis Türbininin Mucidi James Francis Hakkında

James Francis (1815 – 1892), İngiltere’de doğmuş bir mühendistir. Mühendislik kariyerine ise yedi yaşında, babasının çırağı olarak çalışırken başlamıştır. 1848 yılında ise Francis ve bir diğer mühendis Uriah A. Boyden şu anda Francis türbini olarak bilinen türbini başarıyla geliştirdiler. Boyden’in türbinini inceleyen Francis, verimliliği artırmak için onu yeniden tasarlamayı başarmıştı. Böylelikle Francis, yüzde 88 gibi şaşırtıcı bir verimlilik oranına ulaştı.

Francis Türbini Çalışma Prensibi

Bu reaksiyon türbini çeşitlerinde su, türbin çevresinden merkez noktaya doğru aksiyel yönlü giriş yapar. Ardından radikal bir şekilde de çıkışı tamamlanır. Francis türbininden geçen su basıncını kaybeder, ancak aşağı yukarı aynı hızda kalır. Dolayısıyla bir reaksiyon türbini olarak kabul edilir. Su, türbine girdikten sonra daima içeriye, yani merkeze doğru akar. Ayrıca oldukça basit bir tasarıma sahiptir. Düz, dairesel bir plaka, bu plakanın üzerine dikey olarak oturan dönen bir mile bağlanmıştır. Plakanın üzerinde ise kavisli bıçaklar bulunur. Kılavuz kanatlar olarak bilinen kanatlar ise hareket etmez ve iç yüzeye yerleştirilmiştir. Bu kanatlar, suyun uygun açı ile yönlendirilmesi amacına hizmet eder.

Francis Türbini Bileşenleri

• Spiral Kasa (Spiral Casing): Francis türbini, suyun türbinin çevresine eşit bir şekilde dağılmasını sağlayan spiral bir kasaya sahiptir. Bu kasalar, suyun türbine düzgün bir akış sağlamasına yardımcı olur. Böylelikle türbinin verimliliğini artırır.
• Kılavuz Kanatlar (Guide Vanes): Tıpkı Kaplan türbinlerindeki gibi Francis türbinlerinde de kılavuz kanatlar vardır. Spiral kasanın içinde yer alan bu kanatlar, suyun çarka yönlendirilmesinden önceki akış yönünü ve hızını kontrol eder. Türbinin çıkış gücünü ayarlamak için kanatlar açılıp kapanır.
• Türbin Çarkı (Runner): Türbin çarkı, Francis türbininin kalbi gibidir. Bu çarklar, suyun enerjisini mekanik enerjiye dönüştürür. Su, çarkın kanatlarına çarpar ve böylece çarkın dönüş hareketine başlar.
• Çıkış Tüneli (Draft Tube): Çarka giren su, çıkma adımına geçer. Ardından çıkış tüneli sayesinde türbinden uzaklaştırılır. Çıkış tüneli, suyun basıncını atmosferik basınca yükseltme görevine sahiptir. Bu sayede suyun kinetik enerjisinden maksimum düzeyde faydalanılır. Dahası suyun türbine giriş hızı artırılır.
• Jeneratör: Son olarak Francis türbinlerinde bir de jeneratör vardır. Bu bileşen sayesinde türbin çarkının dönüşü elektrik enerjisine dönüştürülür.

Francis Türbinlerinin Kullanım Alanları

Francis türbinleri hidroelektrik santrallerde sıklıkla kullanılır. Bunun sebebi yüksek verimliliğe, geniş çalışma aralığına sahip olmasıdır. Orta ve yüksek düşü koşullarında çalışabilmesi Francis türbinlerini hidroelektrik projeleri için ideal kılar. Bu santrallerde yüksek basınçlı su, türbine girer ve kanatlara optimum açılarda yönlendirilir.

Avantajları & Dezavantajları

Bu reaksiyon türbinleri; geniş çalışma aralığı sunması, kompakt ve basit bir tasarıma sahip olması, yüksek dayanım ve uzun ömürlülüğü sayesinde oldukça avantajlıdır. Bu özellikleri sayesinde pek çok hidroelektrik projesinde yüksek verimlilik ile kullanılabilir. Dezavantajları arasında ise yüksek kurulum maliyetleri, daha komplike imalat süreçleri, kavitasyon riski, çevresel etkiler sayılabilir.