Obsah

12

Typy turbín

Typy turbín

Obsah kapitoly

  1. 12.1 Francisova turbína
    1. 12.1.1 Historie Francisovy turbíny
    2. 12.1.2 Princip činnosti Francisovy turbíny
    3. 12.1.3 Použití Francisovy turbíny
  2. 12.2 Kaplanova turbína
    1. 12.2.1 Historie Kaplanovy turbíny
    2. 12.2.2 Princip činnosti Kaplanovy turbíny
    3. 12.2.3 Použití Kaplanovy turbíny
  3. 12.3 Peltonova turbína
    1. 12.3.1 Historie Peltonovy turbíny
    2. 12.3.2 Princip činnosti Peltonovy turbíny
    3. 12.3.3 Použití Peltonovy turbíny
  4. 12.4 Bánkiho turbína
    1. 12.4.1 Historie Bánkiho turbíny
    2. 12.4.2 Princip činnosti Bánkiho turbíny
    3. 12.4.3 Použití Bánkiho turbíny
  5. 12.5 Savoniova turbína
    1. 12.5.1 Princip činnosti Savoniovy turbíny
    2. 12.5.2 Použití Savoniovy turbíny
  6. Testové otázky

12.1 Francisova turbína

Základem Francisovy turbíny je zdokonalená Fourneyronova turbína, kde průtok vody byl volen směrem od obvodu ke středu. 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,

Obr. 12.1: Princip Francisovy turbíny

Zpět na začátek

12.1.1 Historie Francisovy turbíny

Francisova turbína byla poprvé postavená v roce 1849. Jedná se o přetlakovou turbínu. Konstrukce Francisovy turbíny vychází z teoretických základů významného matematika Leonarda Eulera . Tato turbína je aktuální dodnes.

Francisova turbína má dvě podvarianty podle uložení hřídele:

  • Vertikální
  • Horizontální
Zpět na začátek

12.1.2 Princip činnosti Francisovy turbíny

Francisova turbína je reakční přetlaková turbína, což znamená, že pracovní kapalina mění tlak během své cesty strojem. Přitom odevzdává svou energii. Pro udržení 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 směrována na rotor takovým způsobem, aby ztráta vířením a narážením na lopatky oběžného kola byla co nejmenší. 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. Výstup z turbíny je tvarován tak, aby byla rychlost výstupní vody co nejnižší.

Obr. 12.2: Instalace velké Francisovy turbíny

Zpět na začátek

12.1.3 Použití Francisovy turbíny

Francisovy turbíny se používají v energetice. Jsou určeny pro střední a větší průtoky a spády, zejména u přečerpávacích elektráren. Například největší evropská přečerpávací vodní elektrárna Dlouhé Stráně, používá dvě Francisovy turbíny o výkonu 325 MW.

Zpět na začátek

12.2 Kaplanova turbína

Studiem toku vody sací troubou se zabýval Viktor Kaplan. Dospěl k názoru, že nejméně ztrát energie nastává tehdy, když všechna proudová vlákna mají stejný tvar a stejnou délku. Jako první vzal Kaplan při teoretickém návrhu turbíny v úvahu i vazkost vody.

Obr. 12.3: Princip Kaplanovy turbíny

Zpět na začátek

12.2.1 Historie Kaplanovy turbíny

První Kaplanovu turbínu zkonstruoval, teoreticky propracoval a přihlásil k patentování brněnský profesor Viktor Kaplan (1876 – 1934). V letech 1910 – 1912 navrhl na základě svých úvah nový tvar oběžného kola. První prototyp Kaplanovy turbíny byl vyroben brněnskou firmou Ignác Storek v roce 1919. Po zkouškách se ukázalo, že turbína dosahuje vynikající mechanické účinnosti až 86 %.

Další prototyp byl úspěšně vyzkoušen v poděbradské elektrárně. Ukázalo se však, že lopatky turbíny se nadměrně opotřebovávají. Tento jev se nazývá kavitace. To se podařilo vyřešit až Kaplanovým žákům. Tato turbína se stala nejvýznamnějším typem turbíny užívaným ve velkých vodních elektrárnách po celém světě. Začátkem jejího úspěchu byla úspěšná montáž tehdy největší turbíny světa ve Švédském Jlla Edet v roce 1925.

Obr. 12.4: Lopatky Kaplanovy turbíny

Obr. 12.5: Kaplanova turbína, výrobek ČKD Blansko

Zpět na začátek

12.2.2 Princip činnosti Kaplanovy turbíny

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

Oběžné kolo bez vnějšího věnce má oběžné lopatky upevněny natáčivě v náboji kola. Náboj má hydrodynamicky vhodný tvar (v prostoru lopatek je plocha náboje kulová). Lopatky jsou ovládané regulačním mechanizmem osazeným uvnitř náboje kola. Osa čepů lopatek svírá s osou náboje úhel 90o. U standardních provedení se jejich plynulé natáčení provádí za provozu stroje. Rozváděč, který může být řešen jako radiální, diagonální až téměř axiální, má rovněž natáčivé lopatky, ovládané vlastním regulačním mechanizmem. Změna polohy oběžných a rozváděcích lopatek je prováděna současně, vázaně. U turbín větších výkonů je obvyklé provedení vertikální. Kaplanovy turbíny menších výkonů mohou být i horizontální nebo s mírně šikmou osou rotoru.

Obr. 12.6: Řez Kaplanovou turbínou

Obr. 12.7: Připojení generátoru na Kaplanovu turbínu

Zpět na začátek

12.2.3 Použití Kaplanovy turbíny

Kaplanovy turbíny se používají 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. Největší hltnost na světě mají Kaplanovy turbíny na vodní elektrárně Gabčíkovo na Dunaji, a to až 636 m3/s, při spádu 12,88 až 24,20 m. Obecně se dá říci, že se používají především při velkých průtocích a malých spádech, které nejsou konstantní. V závislosti na rozdílu hladin může být instalována buď se svislou, nebo s vodorovnou osou otáčení.

Zpět na začátek

12.3 Peltonova turbína

Peltonova turbína je nejefektivnější v případě vysokého tlaku přívodní vody. Jelikož voda je prakticky nestlačitelná, téměř všechna její energie je předána turbíně. Proto stačí pouze jediné oběžné kolo k převedení energie vody na energii rotoru.

Obr. 12.8: Princip Peltonovy turbíny

Zpět na začátek

12.3.1 Historie Peltonovy turbíny

Peltonova turbína byla vynalezena Američanem Lesterem Allanem Peltonem (1829 – 1908). Hlavní inspirací vývoje nové turbíny mu byla studia důlních zařízení během Kalifornské zlaté horečky. První Peltonovo oběžné kolo bylo instalováno v roce 1878 v Mayflower Mine, ve státě Nevada.

Zpět na začátek

12.3.2 Princip činnosti Peltonovy turbíny

Peltonova turbína se používá pro výrobu vodní energie v místech s vysokým spádem vody a malým průtokem. Jedná se o akční rovnotlakou tangenciální turbínu, kdy 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. Oběžné lopatky ve tvaru dvojitých korečků jsou pevné (neregulovatelné). Regulace výkonu změnou průtoku se provádí zavíráním nebo otevíráním výtokového otvoru dýzy přímočarým pohybem regulační jehly. K posuvu jehly se většinou používá servomotor. K rychlému odstavení z provozu, např. při výpadku generátoru ze sítě, se užívá zařízení na odklánění nebo odřezávání vodního paprsku, tzv. deviátoru nebo deflektoru, jehož pohyb je kombinován s pohybem regulační jehly. Uspořádání soustrojí bývá většinou horizontální, při více jak dvou dýzách je vertikální.

Obr. 12.9: Oběžné lopatky Peltonovy turbíny

Zpět na začátek

12.3.3 Použití Peltonovy turbíny

Peltonovy turbíny se používají pro vysoký spád a malý průtok vody. Jsou vyráběny ve všech možných velikostech. Pro použití v energetice se využívá 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. 12.10: Peltonova turbína z Walchensee, Německo

Zpět na začátek

12.4 Bánkiho turbína

Obr. 12.11: Schématické znázornění Bánkiho turbíny

Zpět na začátek

12.4.1 Historie Bánkiho turbíny

První teoretické výpočty provedl australský inženýr A. G. M. Mitchel v roce 1903. Využil teorii Ponceletova vodního kola a starší řešení parních turbín. S tímto typem turbíny prováděl v letech 1912 – 1919 intenzivní experimentální práce maďarský profesor Donát Bánki. Přidal vstupní těleso a vypracoval teorii jeho řešení. Její další vývoj je spojen zejména s firmami Ossberg, Cink a ČKD Turbo Technics s.r.o.

Zpět na začátek

12.4.2 Princip činnosti Bánkiho turbíny

Bánkiho turbína je jednoduchá, akční, rovnotlaká radiální vodní turbína s dvojnásobným průtokem. Zvláštností je, že lopatky oběžného kola jsou obtékány ve dvou směrech. Oběžné kolo Bánkiho turbíny je tvořeno dvěma kruhovými deskami, mezi nimiž jsou jednoduché lopatky (připomíná mlýnské kolo). Kolo je uloženo ve skříni, z níž z jedné strany přitéká usměrněný proud vody. Voda přes lopatky vtéká dovnitř kola a odtud opět přes lopatky vytéká na druhé straně skříně ven. Při každém průtoku lopatkami odevzdává část své energie.

Zpět na začátek

12.4.3 Použití Bánkiho turbíny

Tento typ turbíny je pro svou konstrukční jednoduchost oblíben u malých vodních elektráren, kde by konstrukce dokonalejších (a tím i dražších) typů turbín nebyla ekonomická. Její energetická účinnost dosahuje 70 – 85 %.

Zpět na začátek

12.5 Savoniova turbína

O Savoniově motoru jsme se již zmínili v části týkající se větrných elektráren. Princip v případě vodní elektrárny je stejný. Jen pro připomenutí uvedeme základní technické konstrukční schéma.

Obr. 12.12: Savoniova větrná turbína

Obr. 12.13: Princip Savoniova rotoru

Zpět na začátek

12.5.1 Princip činnosti Savoniovy turbíny

Savoniova turbína (někdy též Savoniusova turbína nebo Savoniův rotor) je typ vodní i větrné turbíny, pracující na odporovém principu. Turbína využívá rozdílného koeficientu odporu proudícího média působícího na vydutou a vypuklou plochu. Rotor běžné Savoniovy turbíny je tvořen dvojicí nebo trojicí lopatek polokruhovitého nebo ledvinovitého tvaru. Vnitřní okraje lopatek zasahují až za střed rotoru, a tak umožňují průtok média mezi jejich zadními stranami. Osa otáčení je kolmá na směr proudění.

Zpět na začátek

12.5.2 Použití Savoniovy turbíny

Savoniova turbína pro vodní provedení má malou účinnost (pouze 15 – 20 %). Je však poměrně jednoduchá na výrobu, proto se občas používá. Nevýhodou dvoulopatkové Savoniovy turbíny je existence mrtvého úhlu. To se dá vyřešit spojením několika rotorů s různě natočenými lopatkami nebo šroubovitým tvarem lopatek.

Zpět na začátek

Testové otázky

Zpět na začátek