Vodní turbíny

Vodní turbína je točivý mechanický stroj, který přeměňuje kinetickou či tlakovou energii vody na mechanickou energii.

Předchůdcem vodní turbíny bylo vodní kolo (známé také jako mlýnské kolo).

Spolu s elektrickým generátorem resp. alternátorem spojeným s turbínou je hlavní součástí vodních elektráren.

Generátor převádí mechanickou energii turbíny na energii elektrickou .

Vodní turbíny rozdělujeme:

• podle toho jak se mění vodní tlak v pohybovou energii:
  • rovnotlaké turbíny (akční) , v nichž je již před oběžným kolem přeměna v kinetickou energii úplná (Peltonova turbína);
  • přetlakové turbíny (reakční) , v nichž má voda při vstupu do oběžného kola ještě část tlaku, který se mění v pohybovou energii (Francisova a Kaplanova turbína).
• podle směru působení vody na oběžné kolo:
  • axiální turbíny , u nichž voda protéká oběžným kolem rovnoběžně s osou oběžného kola,
  • radiální turbíny , u nichž voda protéká kolmo k ose oběžného kola,
  • radiaxiální turbíny, v nichž vodní proud mění v oběžném kole směr z radiálního na axiální (Francisova turbína);
  • tangenciální turbíny, u nichž voda působí na oběžné kolo tangenciálně.
• Podle polohy hřídele rozdělujeme turbíny na:
  • horizontální,
  • šikmé,
  • vertikální.

Kaplanova turbína

Kaplanova turbína je přetlaková axiální turbína s velmi dobrou možností regulace. Toho se využívá především v místech, kde není možné zajistit stálý průtok, nebo spád.

Turbínu vynalezl profesor brněnské techniky Viktor Kaplan. Od svého předchůdce, Francisovy turbíny, se liší především menším počtem lopatek, tvarem oběžného kola a především možností regulace náklonu lopatek u oběžného i rozváděcího kola.

Má vyšší účinnost než Francisova turbína , je ale výrazně složitější a dražší. Používá se pro spády od 1 do 70,5 m (což je spád na vodní elektrárně na Orlíku) a průtoky 0,15 až několik desítek m³·s^-1.

Obecně se dá říct, že se používá především při velkých průtocích a malých spádech, které nejsou konstantní.

Obr. 136 Řez Kaplanovou turbínou [10]

Francisova turbína

Francisova turbína je podtypem vodní turbíny, vyvinuté Jamesem B. Francisem. Jedná se o přetlakovou turbínu. Má dvě podvarianty podle uložení hřídele a to vertikální a horizontální.

Francisovy turbíny patří mezi nejpoužívanější. Používají se pro produkci elektrické energie prostřednictvím alternátorů.

Francisova turbína je přetlaková turbína, což znamená, že pracovní kapalina během své cesty strojem mění tlak. Při tom odevzdává svou energii.

Pro udržení směru a regulaci toku vody jsou nutné rozváděcí lopatky.

Rotor turbíny se nachází mezi vysokotlakým přívodem a nízkotlakou savkou většinou v patě přehrady.

Vstupní potrubí se postupně zužuje. Pomocí rozváděcích (automaticky stavěných regulátorem) lopatek je voda směřována na rotor.

Jak voda prochází rotorem, její rotační rychlost se zmenšuje a zároveň odevzdává energii rotoru. Tento efekt (spolu s působením samotného vysokého tlaku vody) přispívá k efektivitě turbíny.

Obr. 137 Řez Francisovou turbínou [10]

Obr. 138 Francisova turbína s generátorem [11]

Peltonova turbína

Peltonova turbína je rovnotlaká turbína s parciálním tangenciálním ostřikem.

Účinnost u malé turbíny je 80 až 85%, u velké 85 až 95%. Peltonova turbína byla vynalezena Lesterem Allanem Peltonem (1829-1908) v roce 1880.

Peltonova turbína je tangenciální rovnotlakou turbínou.

Voda proudí tečně na obvod rotoru pomocí trysek. Rozvaděčem je dýza na přívodním potrubí, z níž voda vystupuje kruhovým paprskem a dopadá na lopatky lžičkovitého tvaru. Každá z lopatek se postaví proti směru toku vody a tak otočí její směr. Výsledkem vzniklých sil je pohyb rotoru turbíny.

Peltonova turbína je nejefektivnější v případě vysokého tlaku přívodní vody.

Jelikož voda je jen obtížně stlačitelná, téměř všechna její energie je předána turbíně. Proto stačí pouze jediné oběžné kolo k převedení energie vody na energii rotoru.

Peltonovy turbíny se používají pro vysoký spád vody a malý průtok.

Jsou vyráběny ve všech možných velikostech. Pro použití v energetice se používá vertikální uložení a výkon až 200 MW.

Nejmenší turbíny jsou veliké několik desítek centimetrů a používají se pro malé vodní elektrárny s velkým spádem.

Rozsah použití je od 15 m až po 1800 m.

Obr. 139 Peltonova turbína z Walchensee německo [12]

Obr. 140 Originální Peltonův patent (říjen 1880) [12]

Obr. 141 Půdorys instalace Peltonovy turbíny (courtesy Voith Siemens Hydro Power Generation) [10]