Vattenkraft (fördjupning) - Tekniska museet

FRANCISTURBIN
OMKRING 1900 KARLSTADS MEKANISKA WERKSTAD, KRISTINEHAMN
James B. Francis turbin var inte den första vattenturbinen i vilken vattnet strömmar
utifrån och in. Det var dock en mycket lyckad konstruktion, som kom att vidareutvecklas
av en rad konstruktörer under 1800- och 1900-talet. Francisturbinen är
idag den vanligaste turbintypen och används i vattenkraftverk över hela världen.
Fransmannen Jean Victor Poncelet framlade
1826 ett förslag till en vattenturbin,
där vattnet strömmade radiellt utifrån och
inåt. Poncelet kom dock aldrig att förverkliga
sin idé.
Den första praktiskt användbara turbinen
av detta slag kom att byggas av av amerikanen
Samuel B. Howd (patent 1838).
Det stora genombrottet för turbintypen
kom emellertid i och med James B. Francis
utvecklingsarbete. Francis lyckades konstruera
en turbin med avsevärt högre prestanda
än Howds.
James Bicheno Francis (1815–1892)
var född i England men utvandrade vid 18
års ålder till USA, där han kom att bosätta
sig i staden Lowell i staten Massachusetts.
Lowell, som är beläget där floderna Concord
och Merrimac förenas, var ett centrum
för textilindustrin – ”Amerikas Manchester”-
och vattenkraft utnyttjades i stor skala.
Francis började sin bana som järnvägsbyggare
men kom efter några år att bli
chefsingenjör vid Lowell Manufacturing
Company, där han fick i uppdrag att planera
vattenkraftutbyggnaden i området. Det
var detta arbete, som ledde in honom på
konstruktioner av vattenturbiner.
Francis utförde under 1840-talet en serie
experiment. Med utgångspunkt i resultaten
av experimenten kunde Francis formulera
formler för utformning av bl.a. löphjulet.
Resultaten publicerade han” 1855
i boken ”Lowell Hydrualic Experiments”,
som kom att få stor betydelse för den fortsatta
utvecklingen av vattenturbiner.
I sin ursprungliga form kom Francis turbin
att användas i begränsad utsträckning.
Turbintypen kom dock att utvecklas och
modifieras under resterande delen av
1800-talet. Betydelsefulla förbättringar
gjordes bl.a. av engelsmannen James
Thomson (äldre bror till Lord Kelvin), som
försåg turbinen med rörliga ledskovlar och
spiralformad trycksump.
I Sverige uppmärksammades francisturbinen
under 1880-talet av Qvist & Gjers
ingenjörsbyrå i Arboga som kom att uppta
turbintypen som sin huvudtyp. Firman var
under en period landets ledande vad gäller
vattenturbinkonstruktioner.
I sina huvuddrag var turbintypen färdigutvecklad
vid sekelskiftet.
EN AV DE VANLIGASTE
Francisturbinen kom, i likhet med andra tidiga
turbintyper, att till en början användas
för direkt drift av olika typer av maskinerier.
När vattenkraftverk för elproduktion började
byggas på 1880-talet, blev francisturbinen
en vanlig turbintyp.
Francisturbinen tillhör idag huvudtyperna
av vattenturbiner och används i
vattenkraftverk runt om i världen. Ungefär
hälften av de vattenturbiner som är installerade
i Sveriges vattenkraftverk är francisturbiner.
Francisturbiner har tillverkats och tillverkas
fortfarande av ett antal företag. I Sverige
har turbintypen bl.a. tillverkats av Karlstads
Mekaniska Werkstad, NOHAB
(Nydqvist & Holm), Finnshyttans Bruk, Arboga
Mekaniska Verkstad och Brefvens
Bruk.
FRANCISTURBINENS
KONSTRUKTION OCH FUNKTION
Utmärkande för francisturbinen är, att löphjulet
är placerat i mitten, och att ledhjulet
sitter ytterst.
Vattnet strömmar in genom turbinens
ledskovlar (radialt) och styrs in mot löphjulet.
I löphjulets skovlar avböjs vattenströmmen
nedåt och leds (axialt) mot det s.k. sugröret.
När vattnet faller genom sugröret,
utan lufttillförsel, uppstår en sugverkan
som ökar turbinens effekt. Francisturbiner
utnyttjar alltså inte bara vattnets tryck utan
Francisturbin från sidan. Vattnet strömmar in genom ledskovlarna och styrs in mot löphjulet.
Ur amerikansk katalog från 1879.
13