法兰西斯式水轮机实际应用

弗朗西斯式水轮机被设计用于各种广泛的水头高度与水流流量。由于它的高效率，现今弗朗西斯式已成为世上最广泛使用的水轮机。弗朗西斯式的机组共包括水头高度范围40至600米（130至2,000英尺）以及与它之间连结的发电机，其输出功率从几千瓦至800 MW。而更大型的弗朗西斯式水轮机其设计上更为个性化，能够针对其安装的站点，给定的水量，以及限制的水头高度发挥其最高效的运转效率，并且最高能够发挥到高达90%。

除了用于电力生产之外，弗朗西斯水轮机也可用于抽水蓄能，其中一个储蓄方式是透过在电力低功率需求期间让弗朗西斯水轮机驱动发电机来充当大型电气马达（类似泵），当电力高峰需求期来到时便反向操作，进而进行抽蓄发电。这些抽水蓄能式水库等可作为当水库满水位时的大型电力储存来源。然而这仅是临时储存大量电力以供后续使用的少数方法之一。

弗朗西斯式水轮机是一种反击式水轮机，这种类别的水轮机，会利用工作流体（一般状况下是水）由上而下冲击强大的动力带动水轮机中的扇叶，并且利用此方式来从运转中的扇叶获得能量，而部分的能量则会因为工作流体的压力在水轮机扇叶中改变而上丧失，其定量透过反应程度来诠释，同时，剩余部分的能量是由涡轮机的蜗壳撷取。在出水口处，工作流体的特征为水流会作用在旋压杯型流道上，并且，因其出口的低速和低漩涡状态，工作流体流经此处时，仅剩下少量的动能和向左的位能。水轮机的出口管被设计为帮助水流减速并恢复其压力。

弗朗西斯式水轮机主要由以下组件所组成：

水轮机蜗壳：包覆在水轮机动轮之外的外壳因其外型类似于蜗牛的壳而被称作为“蜗壳”，（而英文方面则有volute casing与scroll case的两种英文用法）它的整体上有许多的开口以及规律性的间隔，以利于工作流体流入时能够推动流道上的叶片。这些开口将工作流体在被滞留于叶片之前，先将压力能量转换成动能，此做法是为了保持工作流体恒定的流速，尽管在事实上，许多开口已提供给工作流体能够进入叶片，而蜗壳会沿着横截面区域均匀的顺着圆周逐步缩小。

导引或停留叶片：导引或停留叶片的主要功能在于将工作流体的压力能量转换成动能。它也可以引导工作流体流入设计角度的动轮叶片之中。

动轮叶片：动轮叶片是任何一种形式水轮机的最重要组件，由于当工作流体流经水轮机时流体会打在动轮叶片上，并且是切向力冲击的中心点，这使得叶片旋转进而带动轴棒旋转，而末端的发电机因此发电。该处便是水轮机最重要的发电中心点。在此处，水轮机的操作者必须非常小心工作流体入口和出口的叶片角度，因为这些是影响电力生产的重要因素。

尾水管：尾水管路是与水轮机流道相连结的导管，该导管末端会再连结上放水路以将水轮机的水排放至放水路中。尾水管路的主要功能是降低排出工作流体的流速，以尽量减少水轮机出口处动能的损失。这使得水轮机在设置尾水管路时，不需要让水头高度有任何的降低。

各种不同型态的水车是所有产能类型中使用超过1000年的产能型态方式，然而，相对的，水车产能的功率是极低性能的。而十九世纪时，水轮机的出现大大的提高了的利用水来产生能量的效率，并且，水轮机当时几乎取代了水车做为水力应用的方式，而且当时只要有水流的地方，水轮机就会与蒸汽机的成为两相竞争的存在。在发电机于1800年代末期被发明后，水轮机成为了只要有潜在水资源的地方，就能为发电机带来动力的天然来源。

在1826年，伯努瓦·富尔内隆开发出了高效能（80%）离心转动的水轮机。新的水轮机水是沿着切圆通过水轮机动轮来带动它旋转的。而让-维克托·彭赛列也在1820年时利用相同的原理开发出向心旋转的水轮机，SB Howd在1838年更利用类似的原理获得了美国专利。

在1848年，詹姆斯·B·弗朗西斯同时也担任Proprietors of Locks and Canals公司的首席工程师，并且，因为纺织需要大量的使用水车技术来产能，而来到拥有纺织之城之称的马萨诸塞州洛厄尔来改进技术，为建立出更具有效能的水轮机。他运用了科学的原理以及科学的测试方式来建立出一个具有非常高效能的涡轮机设计。更重要的是，他的数学和图形计算方法改进了水轮机的设计和工程。他的分析方式更呈现出他所自信的高效率水轮机设计能够完全符合使用该技术站点的水流量和水压（水头）条件。

• 水力发电

• 卡布兰式水轮机

• 容瓦勒式水轮机

• 佩尔顿式水轮机

• 尾水管

• 探鱼器，用于研究鱼类游动的弗朗西斯式和卡布兰式水轮机冲击装置

弗朗西斯式水轮机结构紧凑，效率较高，能适应很宽的水头范围，是世界各国广泛采用的水轮机型式之一。当水流经过这种水轮机工作轮时，它以辐向进入、轴向流出 ，所以也称为辐向轴流式水轮机。

它适用于水头自20米直到700米的范围内，机构简单，运行稳定，并且效率高，但它一般是用在中水头范围内（50米至400米）。单机出力从几十千瓦到几十万千瓦。这种水轮机最大出力已经超过70万千瓦。是一种运用最广泛的一种水轮机。我国单机容量700兆瓦机组在三峡投入运行，向家坝采用800兆瓦混流式机组 。

水流从水轮机四周水平方向向中心流入转轮（径向进入），然后转为向下方向出口，水流进入转轮内在向轴芯方向通过叶片时推动转轮，同时在向下通过叶片时也推动转轮。也就是说水流在径向与轴向通过叶片时都做功，故称为混流式水轮机，也称为幅向轴流式水轮机。

混流式水轮机结构简单，主要部件包括蜗壳、座环、导水机构、顶盖、转轮、主轴、导轴承(见水轮机导轴承)、底环、尾水管等。蜗壳是引水部件，形似蜗牛壳体，一般为金属材料制成，圆形断面。座环置于蜗壳和导叶之间，由上环、下环和若干立柱组成，与蜗壳直接连接；立柱呈翼形，不能转动，亦称为固定导叶。导水机构由活动导叶、调速环、拐臂、连杆等部件组成。转轮与主轴(见水轮机主轴)直接连接，是该类型水轮机的转动部件，转轮由上冠、下环、泄水锥和若干固定式叶片组成，其外形和各组成部分的配合尺寸根据其使用的水头不同而有所不同。尾水管是将转轮出口的水流引向下游的水轮机泄水部件，一般为弯肘形，小型水轮机常用直锥形尾水管 。

混流式的转轮一般用低碳钢或低合金钢铸件，或者采用铸焊结构。为提高抗汽蚀和抗泥沙磨损性能，可在易气蚀部位堆焊不锈钢，或采用不锈钢叶片，有时也可整个转轮采用不锈钢。采用铸焊结构能降低成本，并使流道尺寸更精确，流道表面更光滑，有利于提高水轮机的效率，还可以分别用不同材料制造叶片、上冠和下环。典型例子是我国的刘家峡。