Vodní motory

Vodní motory

Obsah kapitoly

1. 10.1 Princip vodního motoru
   1. 10.1.1 Rozdělení vodních motorů
2. 10.2 Vodní kola
   1. 10.2.1 Rozdělení vodních kol
   2. 10.2.2 Vodní kola lopatková
   3. 10.2.3 Vodní kola korečková
3. 10.3 Vodní turbíny
4. Testové otázky

10.1 Princip vodního motoru

Vodní motory dodávají energii z vodních zdrojů. Největší dosažitelná energie je dána množstvím vody Q, ze které můžeme tuto energii získat a spádem H, což je výškový rozdíl hladin nad a pod vodním dílem. Množství vody, jež protéká řečištěm, lze prakticky měřit buď tzv. přepadem, nebo určením z rychlosti vody a průřezu. Z těchto veličin se pak množství vody Q vypočítá. K přesnému určení rychlosti tekoucí vody se používá tzv. vodního křídla , pracujícího na principu vodní turbínky, kde je typická kinetická energie.

Obr. 10.1: Vodní turbínka

Obr. 10.2: Řez vodní turbínkou

Obr. 10.3: Princip uspořádání vodní turbínky pro měření průtoku vody

Počet otáček turbínky je závislý na rychlosti proudící vody. Průtok vodním motorem udává zpravidla objemový průtok za jednotku času. Je to množství vody potřebné pro provoz motoru včetně ztrátového množství. Určující je jmenovitý průtok Q_j (při jmenovitých otáčkách motoru a jmenovité měrné energii), kdy má motor maximální účinnost η.

Zpět na začátek

10.1.1 Rozdělení vodních motorů

Vodní motory využívají energii vody, tj. energii polohovou, tlakovou a kinetickou. Vodní motor mění mechanickou energii vody na mechanickou energii rotujícího hřídele (rotační motor) nebo pohybujícího se pístu (pístový motor).

Vodní motory jsou vodní hnací stroje. Lze je rozdělit do dvou základních skupin: vodní kola a vodní turbíny. Patří tedy mezi rotační vodní motory. V práci těchto dvou druhů strojů je podstatný rozdíl.

U první skupiny, vodních kol, působí voda na kolo hlavně svou váhou, mění se tu tedy polohová energie vody v mechanickou práci. Vrcholem vývoje vodních kol bylo 19. století.

U druhé skupiny, vodních turbín, se mění polohová energie v energii kinetickou (pohybovou) buď úplně, nebo z velké části, popřípadě se mění v energii tlakovou, která teprve koná mechanickou práci.

Zpět na začátek

10.2 Vodní kola

Všeobecná charakteristika vodních kol

I když jsou vodní kola z historického hlediska už překonaná, z hlediska problematiky mikrozdrojů se stávají opět atraktivními. Velká část hydroenergetického potenciálu, který je možné ještě technicky využít, se skrývá v nejmenších spádech 0,3 až 1,5 m. A právě na těchto spádech se vodní kola stávají výhodnější z těchto důvodů:

1. Pro velmi nízké spády se turbíny nevyrábí. Ty by musely být velmi rozměrné, aby měly dostatečnou hltnost, a tím by náklady na 1 kW instalovaného výkonu byly neúměrně vysoké.
2. Návrh a konstrukce vodního kola v současných podmínkách je poměrně jednodušší a finančně méně náročné než u turbíny.
3. Vodní kola se uplatňují i na relativně velkých vodních tocích. Tím, že využívají nízkých spádů, nevyžadují si stavbu vyšších vzdouvacích zařízení.
4. Nespornou výhodou vodních kol je, že provozu nebrání listí, tráva, ledová tříšť apod.

Zpět na začátek

10.2.1 Rozdělení vodních kol

1. podle místa nátoku vody na kolo
   • se svrchním nátokem
   • se středním nátokem
   • se spodním nátokem
   

   Obr. 10.4: Vodní kolo se svrchním nátokem

   

   Obr. 10.5: Vodní kolo se středním nátokem

   

   Obr. 10.6: Vodní kolo se spodním nátokem

2. podle způsobu využívání vodní energie
   • lopatková (převážně využívá kinetickou energii vody)
   • korečková (převážně využívá potenciální energii vody)
   

   Obr. 10.7: Vodní kola lopatková s různými nátoky

   

   Obr. 10.8: Vodní kola korečková (s uzavřenými lopatkami) a různými nátoky

3. podle směru otáčení kola vzhledem k proudění spodní vody
   • s otáčením ve směru proudu dolní vody
   • s otáčením proti směru proudu dolní vody
   

   Obr. 10.9: Otáčení ve směru proudu dolní vody

   

   Obr. 10.10: Otáčení proti směru proudu dolní vody

Zpět na začátek

10.2.2 Vodní kola lopatková

Stavěla se nejprve s rovnými, radiálně umístěnými lopatkami, na které voda natékala přibližně kolmo. Kolem kola byl vytvořen těsný žlab, aby voda přes hrany lopatek nepřetékala. Jednalo se hlavně o kola se spodním, popřípadě středním nátokem.

Obr. 10.11: Vodní kolo lopatkové se středním nátokem

Vodní kola lopatková se stavěla pro spády H = 0,1 – 2,5 m, průtok Q = 1,5 – 5 m³/s a měla účinnost při menším spádu od 0,2 do 0,65 při spádu větším.

Obr. 10.12: Vodní kolo lopatkové s horním nátokem

Obr. 10.13: Vodní kolo lopatkové se spodním nátokem

Obr. 10.14: Vodní kolo lopatkové se středním nátokem

Obr. 10.15: Různé konstrukce tvaru lopatek vodního kola

Nejlépe se pro praktické použití osvědčilo tzv. Zuppingerovo kolo.

Obr. 10.16: Zuppingerovo kolo

Obr. 10.17: Typický příklad lopatkového vodního kola se spodním nátokem

Typický příklad lopatkového vodního kola s horním nátokem postaveného ve Freiburgu (SRN) o průměru 2,9 m a šířce 4 m (r.2000) o elektrickém výkonu 26 kW.

Obr. 10.18: Vodní kolo ve Freiburgu s horním nátokem

Zpět na začátek

10.2.3 Vodní kola korečková

Tato kola využívají převážně potenciální energii, tedy tzv. střední a horní vodu. Voda vtéká do korečků (uzavřených lopatek) s jistou kinetickou energií a je třeba této složky energie také využít k dosažení co největší hydraulické účinnosti vodního kola. Proto se v praxi nejvíce osvědčily plynule zakřivené korečky s plechovými nebo litinovými lopatkami, u kterých se snížily ztráty způsobené vstupním nárazem vody.

Aby přitékající voda měla určitou kinetickou energii a nedocházelo k brždění kola dopadající vodou, používá se pro nasměrování vodního paprsku kulisa.

Pro optimální provoz se korečky plní z 1/3 až 1/2 své hloubky při obvodové rychlosti 1,5 až 2 m/s. Při větších obvodových rychlostech působí odstředivé síly a voda se předčasně vylévá. Účinnost se také zhoršuje, když vodní kolo brodí v dolní vodě, zejména u kol s rotací proti proudu dolní vody.

Korečková vodní kola se stavěla pro spády 3 až 10 m a průtoky v rozmezí 0,3 až 1,5 m³/s. Jejich účinnost byla až 80%. Významnou současnou konstrukci představuje Pedley vodní kolo, postavené na Srí Lance.

Obr. 10.19: Pedley korečkové vodní kolo na Srí Lance

Zpět na začátek

10.3 Vodní turbíny

Vodní turbíny jsou hydraulické stroje, které jsou z hlediska smyslu přeměny energie instalované na vodních elektrárnách.

Na rozdíl od vodních kol se u vodní turbíny mění potenciální energie vody nejprve v energii pohybovou, která se pak v turbíně přeměňuje v mechanickou práci, a to mnohem složitěji než u vodních kol. Teoretické podklady týkající se proudění vody a funkce turbíny byly vypracovány o desítky let dříve, než vůbec vznikla první turbína. Zasloužili se o to dva Švýcaři: Bernoulli odvodil teoretické principy proudění již roku 1730 a Euler položil základy teorie turbín ve třech spisech z let 1750, 1751 a 1754. Voda je prakticky nestlačitelná. Protéká-li určité množství vody za sekundu potrubím pod tlakem určitou rychlostí a průřez potrubí se změní, musí se změnit i rychlost vody. Například při zúžení průřezu se rychlost vody zvětší. Součin průřezů a rychlosti je stálý; to je vyjádřeno Eulerovou rovnicí kontinuity

v₁ . S₁ = v₂ . S₂

kde v₁ a v₂ … jsou rychlosti vody [m/s]
S₁ a S₂ … jsou průřezy potrubí [m²]

V téže době, roku 1750, sestrojil Segner přístroj známý jako"Segnerovo kolo", který se otáčel reakčním tlakem vytékající vody.

Obr. 10.20: Princip vzniku rotačního pohybu reakcí na proud vody

Segnerovo kolo se stalo základem přetlakových turbín. Následující obrázky jsou schematickou ukázkou strojů, vedoucích k vývoji prvních technicky využitelných vodních turbín.

Obr. 10.21: Segnerovo kolo z roku 1750

Obr. 10.22: Eulerův stroj z roku 1754

Teprve v roce 1827 postavil Fourneyron první prakticky použitelnou vodní turbínu, pravděpodobně dle inspirace Segnerova kola, pracující na principu vytékající vody.

Silové působení si lze jednoduše představit následujícím pokusem. Naplníme-li kulatou nádobku vodou, síla vody uvnitř nádobky působí všemi směry vyrovnaně. Pokud uděláme v dolní části nádobky otvor, vodní síla se projeví na protilehlém místě k otvoru. Začne působit opačným směrem než proud vytékající vody. Pokud by tato nádobka stála na podložce na vodní hladině, vzniklá síla uvede nádobku do pohybu. Velikost této síly se rovná tlaku vody násobenému průřezem otvoru. Například nádobka naplněná vodou do výšky 0,1 m nad otvorem o průřezu 1 cm² bude mít reakční sílu 0,1 N. Na tomto principu vodní turbínky pracují i dnes rotační postřikovače, které mají obvykle jen dvě hnací trysky. Můžeme si však dobře představit rotor opatřený několika desítkami trysek. Vyvinutá síla i kroutící moment budou pak úměrné jejich počtu.

Obr. 10.23: Princip Fourneyronovy turbíny

Druhou turbínu postavil Fourneyron v roce 1834 pro spád 108 m a výkon 40 HP (koňských sil) při 2300 ot/min. Tato malá turbínka je dosud zachovaná a na tehdejší poměry to byl technický zázrak.

Obr. 10.24: Schématický řez druhé Fourneyronovy turbíny

Základním znakem této turbíny je, že nevyužívá přímo potenciální energii, tj. váhy a tlaku vody. Tato celá potenciální energie, nebo její větší část, se napřed přemění v energii rychlostní. Proudem vody se v zužujícím potrubí urychlí a pak se v turbíně přemění na mechanickou práci. A to buď přímým (akčním) nebo nepřímým (reakčním) působením vody. Cesta vody je již zjednodušena. Nejprve je rovnoběžná s osou otáčení, pak směřuje od středu k obvodu. Pro průmyslovou turbínu je to nevhodné, poněvadž odstředivá síla urychluje pohyb vody, nikoliv však rotaci turbíny. Když se zatížení turbíny zmenší a turbína se poněkud rozběhne, zvětší se působením odstředivé síly i její výkon.

U později vyvinutých turbín byl proto volen průtok vody směrem od obvodu ke středu, kde odstředivá síla působí na průtok vody v opačném smyslu a pomáhá udržet stálé otáčky turbíny. Tak se postupně přešlo na tvar, jímž se vyznačuje Francisova turbína, poprvé postavená v roce 1849, která je aktuální dodnes.

Zpět na začátek

Testové otázky

Zpět na začátek