Výukové materiály projektu NAUČÍME VÁS, JAK BÝT EFEKTIVNĚJŠÍ VODNÍ ENERGIE Výukové materiály vznikly za finanční pomoci Revolvingového fondu Ministerstva životního prostředí. Za jejich obsah zodpovídá výhradně SŠ-COPTH, Praha 9, Poděbradská 1/179 a nelze jejich obsah v žádném případě považovat za názor Ministerstva životního prostředí.
VODNÍ ENERGIE Vodní energie je jedna z prvních energií, kterou dovedl člověk využít a smysluplně ji přeměnit v mechanickou práci. Jak praví klasik trocha historie nikoho nezabije. 600 let př. n. l. - Chaldejci použili čerpací kolo na dopravu vody do závlahových kanálů. 230 let př.n. l. - V Egyptě bylo použito hnací lžícové kolo na pohon věder k čerpání vody. 150 let př. n. l. - V Římské říši bylo použito vodní kolo na spodní vodu, v téže době používají v Řecku vodní mlýny s vodním kolem s vertikální osou. Vodní kolo na spodní vodu 50 let př. n. l. - O vodních mlýnech se zmiňuje řecký zeměpisec Strabo. R. 361 - Byly vybudovány první vodní mlýny v Německu na řece Mosel. R. 536 - V Římě byl zřízen první plovoucí lodní mlýn na řece Tibeře. R. 718 - Tesař Halak postavil první vodní mlýn ve střední Evropě mlynáři Svachovi v Žatci na řece Ohři. R. 955 - Byl postaven první vodní mlýn ve středním Německu u Wurzenu. Od 12.stol. je vodní kolo již známo po celé Evropě. Vodní kola R. 1227 - Byl uveden do provozu první plovoucí vodní mlýn na Labi.
Plovoucí vodní mlýn R. 1550 - Francouz Besson vyvinul sudové kolo pro mlýn v Toulouse. R. 1750 - Maďar Segner sestrojil reakční vodní kolo. R. 1818 - V Německu bylo postaveno první celoželezné vodní kolo. R. 1824 - Francouz Burdin vyvinul první přetlakovou turbínu. R. 1834 - Byla vyvinuta Fourneyronova turbína. R. 1844 - Redtenbacher vynalezl stupňovitou turbínu. R. 1844 - Inženýr Zuppinger sestrojil ve Švýcarsku první rovnotlakou turbínus vnějším vstřikem. Období 1847-1849 - Američanem Francisem byla vyvinuta univerzálně použitelná přetlaková turbína. R. 1863 - Byla vynalezena rovnotlaká Girardova turbína. R. 1870 - Francisova turbína zaznamenává výrazné rozšíření po evropském kontinentě, regulace průtoku natáčivými lopatkami je vyřešena Finkem. R 1877 - je vyvinuta Peltonova turbína. Peltonova turbína jeho originální patent, 1880 R. 1886 - Pfarr sestrojuje spirálovou Francisovu turbínu s pevným rozvaděčem pro velké spády. R. 1900 - Angličan A. G. Michael teoreticky vynalezl bubnovou turbínu, která se později stane předlohou pro pokračovatele Maďara profesora Bánkiho.
R. 1912 - Prof. Viktor Kaplan vyvíjí v Brně vrtulovou turbínu. R. 1913 -Prof. Viktor Kaplan vyvíjí turbínu s natáčivými oběžnými lopatkami. R. 1918 - Byla matematicky vyřešena Bánkiho turbína. R. 1918 Brněnskou slévárnou Ignaz Storek je vyrobena první Kaplanova turbína. R. 1919-26. března je uvedena ve Velmu (jižně od Vídně) do provozu první Kaplanova turbína. R. 1919 - Profesor Bánki uvádí v Budapešti do provozu svou rovnotlakou turbínu. Energie vodního toku Obecně se dá říct, že energie vodního toku je dána dvěma jeho základními parametry. Těmito parametry jsou průtok a spád. Zatímco průtok je veličina proměnná, spád je možno považovat za konstantu danou terénu. Obě veličiny jsou stejně důležité. Záleží na místních poměrech, kterou z nich lze snadněji získat. V horách a na vysočině je bezesporu snazší získat poměrně rychle dostatečný spád, a tím i slušný výkon na tocích s menším průtokem. Naopak v nížinách se setkáme s líně tekoucí vodou velkého průtoku, avšak šance zajistit větší spád je mizivá. U vodních děl s akumulací vody je vždy zapotřebí použít co možná největší spád. Tím se sníží množství vody, které je třeba nashromáždit, a nádrž je menší. Pokud to okolnosti dovolují, volí se místo pro zřízení vodního díla blízko terénní nerovnosti, kde přírodní tok prudčeji klesá (peřeje, prudký ohyb, skalní práh), a to tak, že místo odběru je nad tímto místem a voda se vrací až pod ním. Takové řešení ušetří i mnoho metrů náhonu a docílí stejného spádu. Spád Spád je výškový rozdíl vodních hladin. V praxi se většinou rozlišují dva druhy spádů: Hrubý (celkový) spád Hb (brutto) je celkový statický spád daný rozdílem hladin při nulovém průtoku vodní elektrárnou. Pro velmi hrubé odhady jej lze stanovit z mapy. Spád lze stanovit výškovou nivelací na úseku od vtokového objektu (nad jezem) po úroveň spodní hladiny na odpadu z turbíny. Pro relativně přesný odhad postačí lať s centimetrovým dělením. Přesné měření, zejména u delších přivaděčů, lze objednat u specialisty. Užitný (čistý) spád H (netto) se liší od hrubého spádu odečtením hydraulických ztrát těsně před vodním motorem a za ním (v přivaděči a odpadu) vzhledem ke vzdutí spodní vody, poklesu hladiny horní vody při provozu, změnami směru a objemovými ztrátami (v česlích, v přiváděcím kanálu, v potrubí, atp.). Tím získáme spád pro turbínu užitný. Průtok Průtok je průtočné množství vody v daném využitelném profilu. Více podrobností o průtoku a o jeho měření se dozvíme v kapitole 5.2 tohoto kurzu. Hodnocení lokality
Pro předběžný odhad dosažitelného výkonu malé vodní elektrárny lze použít zjednodušený vztah, kde je výkon uveden již v kw, protože ve vztahu je již brán zřetel na měrnou hmotnost vody, která je 1 000 kg.m-3: kde: P Q H k je výkon *kw+ je průtočné množství vody, průměrný průtok *m3.s-1] je spád využitelný turbínou v [m] je konstanta uváděná v rozsahu 5-7 pro malé vodní elektrárny, 8-8,5 pro střední a velké; její velikost ovlivňuje účinnost soustrojí a technická úroveň použité technologie Výroba elektřiny ve vodní elektrárně potom bude: kde: E P T je množství vyrobené energie během roku [kwh] je výkon *kw+ je počet provozních hodin během roku *h+ Počet provozních hodin během roku se stanoví podle počtu dní M, ve kterých může turbína se zvoleným regulačním rozsahem pracovat (alespoň 4 000 h). Průtok Průtok je průtočné množství vody v daném využitelném profilu. Přesný průtok lze zjistit za úplatu u Českého hydrometeorologického ústavu nebo příslušné správy toku jako tzv. dlouhodobý průměrný průtok Qa, N-leté průtoky a M-denní průtoky. Pro využití energie vody jsou nejdůležitější M-denní průtoky (křivka překročení průtoků v průměrně vodném roce neboli M-denní odtoková závislost). Ty udávají průtok zaručený v daném profilu toku po určitý počet dní. Data se uvádějí číselně v obvyklém členění po 30 dnech v roce. M *dní+ Q [m3/s] 30 60 90 120 150 18 210 240 270 300 330 355 364 2,7 1,9 1,5 1,2 1,0 0,85 0,75 0,6 0,5 0,4 0,34 0,25 0,18
Příklad M-denní průtokové závislosti. Průběh průtoku v roce a průměrný roční a měsíční průtok. Roční odtoková závislost a výkon dosažený v průběhu roku.
MVE se obvykle dimenzují na 90denní až 180denní průměrný průtok, což ovlivňuje technická úroveň technologie, zejména schopnost turbíny přizpůsobit se regulací změnám průtoku. Pro výpočet využitelného průtoku v elektrárně je potřeba počítat s minimálním hygienickým (sanitárním, sanačním) průtokem původním korytem. Sanační množství bývá předepsáno při vodoprávním řízení a odpovídá obvykle 330, 355 nebo 364dennímu průtoku vody, který je nutno ponechat v řečišti a nelze s ním kalkulovat pro využití. Vodní díla Pokud se máme zabývat vodními díly, jistě neuškodí, když si hned na začátku řekneme, jaké jejich typy rozeznáváme. Přinejmenším nám to dá představu o tom, čeho se budou týkat následující pasáže našeho kurzu. A nyní ten základní přehled. Rozeznáváme tato vodní díla: přehradní, jezová, derivační, nízkotlaké, nízkotlaké s kašnou a tlakovým přivaděčem, vysokotlaké. Přehradní vodní elektrárna Přehradní vodní elektrárna (hydroelektrárna) je stavba u hráze nebo přehrady. Energie vody se ve vodní elektrárně mění v energii elektrickou. Nejprve se proud pouští na vodní turbínu. Pohybová energie vodního proudu se mění v otáčivou pohybovou energii turbíny. Na společné hřídeli s turbínou je generátor, který mění otáčivou pohybovou energii na energii elektrickou. Největší vodní elektrárna na světě byla Itaipú na řece Parané (mezi Brazílií a Paraguayí). Jejích 18 turbín dává výkon 14 000 MW. V roce 1995 pokryla Itaipú 25 % energetické spotřeby v Brazílii a 78 % v Paraguayi. Přehradní hráz Itaipů
Čína buduje největší přehradu ve světě vůbec. Velikost tohoto díla na řece Jang-c'-ťiang - nazvaného San-Sia (Tři soutěsky) - je srovnávána s Velkou čínskou zdí. Tato největší přehrada na světě, 185 m vysoká, po naplnění 170 m hluboká a 650 km dlouhá. Po úplném dokončení bude mít výkon cca 22500 MW. V Evropě je největší vodní elektrárnou Vianden (v Lucembursku), jejíž výkon je 900 MW. Naše velké vodní elektrárny jsou majetkem ČEZ (tj. Českých energetických závodů). Jsou umístěny v systému Vltavské kaskády (například Lipno, Kamýk, Orlík či Slapy) a dohromady mají výkon kolem 750 MW. Jezová vodní díla Vodní dílo využívá rozdíl hladin mezi body A a B. Veškerý spád je získán vzdutím vody na jezu. Strojovna u tohoto typu díla stojí přímo na břehu hlavního toku. Voda je odebírána přímo na jezu a zpět se vrací za jeho vývařiště. Jez musí být vysoký. Všechny stavby stojí přímo v hlavním toku. Odpadá dlouhý náhon i odpadní kanál. Toto dílo je vhodné pro malé spády a velké průtoky. Akumulaci vody je možno využít jen v rámci vzdutí jezu. Oproti derivačnímu vodnímu dílu jsou zde malé nároky na plochu užívaných pozemků. Takto jsou řešena vodní díla v nížinách. Provozovny jsou stavebně jednodušší, jsou však více ohroženy povodněmi. Derivační vodní díla Vodní dílo využívá rozdíl spádu mezi body A a B. Strojovna u tohoto derivačního typu stojí mimo hlavní tok. Voda k ní je přiváděna pomocí náhonu a zpět se vrací odpadním kanálem. Mimo jez a odběrný objekt nejsou na hlavním toku další stavby a zásahy. Jez také nemusí být vysoký. Stačí jen taková výška, aby bylo možno vodu odebírat do náhonu (již od 0,2 metru). Veškerý spád pro vodní motor je získáván téměř vodorovným vedením náhonu, zatímco původní řečiště klesá výrazněji. Obdobně je řešen i odpadní kanál. Proto voda pod turbínou stojí výrazně níž, než je hladina v bodě C. Takto byla řešena valná většina malých vodních děl. Výhodou bylo, že se k provozovně vedlo jen potřebné množství vody, a ta byla za povodní více chráněna. Nevýhodou byla pracná údržba dlouhého náhonu.
Nízkotlaká vodní díla Derivační vodní dílo Tento typ vodního díla se buduje do spádu cca 8 metrů. Pro větší spády by již byla turbínová kašna příliš hluboká. Pak je výhodnější použít tlakový přivaděč, kterým je potrubí. Nízkotlaké vodní dílo Standardně se nízkotlaké dílo skládá z: vzdouvacího zařízení (jezu), odběrného objektu, přivaděče (náhonu), jalového přepadu, zařízení na odstranění nečistot (česlí), uzavíracího orgánu (stavidel), otevřené kašny s vodním motorem, odpadního kanálu. Mimo to muže být vodní dílo vybaveno ještě akumulační nádrží.
Voda je od jezu vedena otevřeným přivaděčem téměř vodorovně (v úbočí stráně, náspu, tunelem aj.) nad původním tokem, čímž získává spád. Takto je voda přivedena až ke kašně. V jejím dně nebo ve stěně je instalována turbína. Voda z kašny vtéká po celém obvodu do rozváděcího ústrojí turbíny. Z turbíny odchází do odpadního kanálu. Odpadní kanál se opět napojuje na původní řečiště. Nízkotlaká vodní díla s kašnou a tlakovým přivaděčem Tento typ vodního díla se staví do spádu asi 8 metrů, pokud nelze v terénu zřídit násep pro vedení náhonu. Nízkotlaké vodní dílo s kašnou a tlakovým přivaděčem Standardně se toto nízkotlaké dílo skládá z: vzdouvacího zařízení (jezu), odběrného objektu se: zařízením na odstranění nečistot (česlemi), jalovým přepadem, uzavíracím orgánem (stavidlem), tlakového přivaděče (potrubí), otevřené kašny s vodním motorem, odpadního kanálu. Voda je od jezu vedena do odběrného objektu a následně do potrubí. Potrubí ve svahu klesá, čímž získává spád. Takto je voda přivedena až ke kašně. V kašně voda vystoupá do stejné úrovně, jakou má v odběrném objektu. Ve stěně kašny nebo na jejím dně je instalována turbína. Voda z kašny vtéká po celém obvodu do rozváděcího ústrojí turbíny. Z turbíny odchází do odpadního kanálu. Kašna bývá značně vysoká, protože zejména ve spojení s akumulační nádrží nesmí dojít k jejímu přetečení. Uspořádání tohoto typu se užívalo často na pilách a v takových průmyslových objektech, kde charakter práce vyžadoval volný a rovný terén okolo celé provozovny. Vysokotlaká vodní díla Vysokotlaké vodní dílo je výhodné zřizovat pro spády větší než přibližně 8 metrů. V některých případech (při použití Bánkiho či spirální turbíny) lze tuto koncepci použít i pro spády menší.
Vysokotlaké vodní dílo Standardně se vysokotlaké dílo skládá z: vzdouvacího zařízení (jezu), odběrného objektu, otevřeného přivaděče, jímky (vodního zámku), tlakového přivaděče (potrubí), uzavíracího orgánu (šoupátka), turbíny, odpadního kanálu. Mimo to může být vodní dílo na vstupu vybaveno ještě akumulační nádrží. Standardně bývá dílo upořádáno tak, že je voda od jezu vedena otevřeným přivaděčem (náhonem) po vrstevnici úbočím údolí tak dlouho, až se dostane nad turbínovou stanici. V tomto místě je zřízena vyrovnávací jímka, ze které vede tlakové potrubí do strojovny k turbíně. Od turbíny pokračuje voda volně odpadním kanálem zpět do původního toku. Vodní kola Nejprve si řekněme, co je to vodní motor. Je to zařízení, které přeměňuje vodní energii v mechanickou práci. Existují obecně dva způsoby, jak to lze realizovat: přímé využití potenciální (polohové) energie vody na konkrétním spádu, přeměna potenciální energie nejprve na kinetickou (pohybovou) a teprve její použití k přeměně na mechanickou práci. První zmíněný způsob využívají právě vodní kola. Jsou to jedny z nejstarších strojů, které začal člověk pro pohon využívat. Jedná se o pomaluběžné motory, ve kterých (až na výjimky) účinkuje voda svou polohovou energií.
Dlouhá léta se držela ustálená koncepce, která vycházela z výsledků ověřených v praxi. Bylo to dáno tím, že kola stavěli odborní řemeslníci - sekerníci. Teprve až mnohem později začala být vodní kola předmětem zájmu. Začaly se na nich uplatňovat zákonitosti hydrodynamiky a konstrukční výpočty. To přispělo ke zvýšení jejich účinnosti. Bohužel k tomu došlo již v době nástupu prvních vodních turbín. Ty (částečně vlivem módní vlny) začaly vodní kola houfně vytlačovat. Ne vždy to bylo ku prospěchu věci. Na přelomu 19. a 20. století je možno považovat vývoj základních typu vodních kol za ukončený. O tom, že snaha konstruktérů nebyla marná, svědčí dosažená hodnota účinnosti některých strojů až přes 80 %. Vodní kolo zůstává významným, nenáročným, spolehlivým a laciným hnacím motorem v hydrologicky nejistých lokalitách s velkou průtokovou přetížitelností a necitlivostí k nečistotám. Není zanedbatelný ani jeho ekologický přínos výrazným okysličením vody při plnění korečku a následném výpadu vody. Charakteristickou vlastností těchto strojů je, že dokáží využít i "velkou vodu". Typickým znakem výpočtu všech typu vodních kol je ta skutečnost, že průměry, rozměry korečku a tvary lopatek jsou závislé pouze na spádu, zatímco vlastní šířka kola je závislá jen na průtoku. Vodní kolo se tedy na jiný průtok přepočítává velmi snadno, na rozdíl od turbíny, kde se s drobnou změnou kteréhokoliv ze základních parametrů změní téměř všechny konstrukční rozměry. Slíbili jsme si, že si v tomto studijním článku povíme, jaké základní typy vodních kol existují. Tak tedy: Vodní kolo s horním nátokem Vodní kolo se středním nátokem Vodní kolo se spodním nátokem Předchozí obrázky nám dávají dobrou rámcovou představu o tom, jaké základní typy vodních kol existují. A teď se směle pusťme do podrobností. Vodní kola s horním nátokem Pojďme se podívat na vodní kola s horním nátokem. Existují a používají se dva typy uspořádání. S normálním chodem Jde o kolo s nejvyšší účinností 75 % až 86 %. Takovou účinnost mají i některé jednodušší typy turbín. Nevýhodou je jeho malá hltnost, takže ho lze použít spíše na potoce. Používá se pro spád nad 2,5 m a průtoky od 0,1 do 0,25 m3.s-1. Lze se setkat i s koly daleko za těmito hranicemi. Limitující je ekonomický faktor a konstrukční možnosti materiálů. Používají se i kola nad deset metrů spádu a průtoky kolem 0,6 m3.s-1. Horní hranice je však omezena výkonem přibližně 50 kw. Nad 25 kw je dobré zvážit investici do malé turbíny. Princip je nám všem dobře znám z pohádek. Jedná se o klasické vodní kolo, kde žlabem je přiváděna voda nad kolo a proudem vytvořeným sklonem žlabu nebo výtokem pod stavidlem umístněným
na konci žlabu, výtokem kulisou u dna nebo přepadem padá do jeho komůrek. Gravitace pak vykoná své a voda předá svou potenciální energii. V druhé polovině cesty se voda postupně vylévá z komůrek ven. Účinnost kola rychle klesá při brodění se kola v dolní vodě, proto se navrhuje několik centimetrů nad ní. S obráceným chodem Stejně funguje i toto kolo, ale otáčí se protisměrně, tedy proti směru přítoku vody žlabem. Voda ze žlabu do něj padá otvorem ve dně žlabu a je kulisou usměrňována do protisměru. Kolo se navrhuje pro spády 3 až 7 m a průtoky 0,1 až 0,25 m3.s-1 na jeden metr šířky. Účinnost je o trochu nižší než u předešlého typu a pohybuje se od 70 do 80 %. Výhodou obráceného chodu je vyšší účinnost při vzestupu dolní vody a brodění kola v ní. Vodní kolo se středním náhonem Možností, jak sestrojit vodní kolo se středním náhonem, je víc. Každá z nich má své výhody i nevýhody. Pojďme se s nimi seznámit.
Zuppingerovo kolo s přepadem Jedná se o podobné kolo jako v předešlém případě, ale mění se zakřivení lopatek a nátok do kola. Voda natéká mezi lopatky přepadem přes spustné regulační stavidlo a dosahuje tak jistého počátečního zrychlení pro uspíšení plnění komůrek. Předá získanou kinetickou energii lopatce a dále již využívá pouze její potenciální energii stejně jako v předešlém případě. Přesné rozmezí mezi jednotlivými Zuppingerovými koly není, ale nátok s přepadem se navrhuje pro spády od 1 do 3 m a průtoky od 0,04 do 3,5 m 3 s -1. Účinnost je 70 až 75 %. Jak vidíme, Zuppingerovo kolo má velký rozsah působnosti a je v současnosti spolu s kolem na horní vodu nejčastěji navrhovaným kolem. Bachovo kolo, Zuppingerovo kolo s kulisou Nátok do kola je skrze kulisu, která usměrňuje paprsek vody do požadovaného vstupního úhlu na lopatku. Navrhuje se, když jsou vstupní hodnoty spádu a průtoku tak na hranici mezi ostatními typy nátoků Zuppingerových kol a kolem na horní vodu, což je přibližně spády 1,5 m až 4,5 m a průtok 0,3 až 1,5 m 3 s -1. Důvodem jeho použití namísto zmíněných kol je, že má v uvedeném rozmezí větší účinnost oproti kolům se spodním nátokem, ale větší hltnost oproti kolům s vrchním nátokem. Účinnost se udává 70 až 85 %. Na jeho vývoji se v současné době pracuje a laboratorně již bylo dosaženo i lepších výsledků.
Vodní kolo se spodním nátokem V předchozích odstavcích jsme se zabývali vodními koly s horním a středním nátokem. V obou těchto případech jsme viděli, že možností, jak kolo konkrétně uspořádat, je víc. Ani kola se spodním nátokem nebudou v tomto výjimkou. Střikový hřebenáč Nejjednodušší kolo tvořené rovinnými lopatkami uchycenými na jeden a více věnců. Voda je na lopatky přivedena tak, že se pustí spodem pod mírně přizvednutým stavidlem (případně jen žlabem o velkém spádu) a proudem se opře do lopatek kola. V první fázi voda naráží do šikmo se nořící plochy lopatky a vybíhá takřka až k jejímu konci a předá jí tak část své pohybové energie. Pak se v druhé fázi gravitací vrací zpět dolů, čímž jí znovu předává část své energie. Z lopatky voda odtéká dolů nebo pokračuje po proudu. Účinnost je díky využití pouze kinetické energie vody, jednoduchému tvaru lopatek a způsobu výtoku z kola velmi malá. Při dobrém provedení je 20 až 30 %. Používá se na nejnižší spády (do 1 m). Často se používalo na plovoucích (pontonových) elektrárnách (lodních mlýnech). Ponceletovo kolo Jde o vylepšenou konstrukci hřebenáče podle návrhu francouzského inženýra J.V. Ponceleta. Hlavní změna je v upravení nátoku úklonem stavidla proti proudu, tvaru plochy lopatek pro lepší nátok, předání energie a výtok s minimem ztrát. Použít ho lze na spády až do 1,7 m, ale používá se stejně jako u hřebenáče pro spád od 0 do 1 m a průtoky do 5 m 3 s -1. Princip předání energie je stejný s hřebenáčem, ale díky vylepšení s účinností 30 65 %.
Zuppingerovo kolo s voletem (nízkospádové) Je vhodné pro spády od 0,6 m do 1,5 m a průtoky až do 5 m 3 s -1. Voda je přivedena ke kolu otevřeným žlabem s požadovaným sklonem k dosažení patřičné nátokové rychlosti. Kinetickou energii pak předá vhodně tvarované lopatce při nátoku a zbylou část cesty kolem využívá potenciální energie vody. O rozdíl hladin se sveze níž v prostoru mezi lopatkami a volně z něj zase vytéká do dolní vody. Účinnost se pohybuje od 70 do 75 %. Každý typ vodního kola má největší použitelnost a účinnost za určitých podmínek, tj. za určitého spádu a průtoku vody. Tyto informace jsou přehledně znázorněny v grafu.
Turbíny Jak jsme se již dozvěděli z úvodního slova pro studenta, smysl turbíny je přeměnit potenciální energii vody na kinetickou energii a tu následně přeměnit dál. V článcích o vodních kolech jsme se dozvěděli, že existuje celá řada možností jejich konstrukce a použití daného typu závisí mimo jiné na charakteru vodního toku, kam je chceme umístit. U turbín tomu bude také tak. Existuje celá řada turbín. Uvedeme si jejich přehled a v dalších článcích se seznámíme se základními typy turbín podrobněji. Existuje několik možností, jak lze turbíny dělit. My se seznámíme s následujícím dělením: Turbíny přímotlaké (=rovnotlaké, akční) Zuppingerova Fourneyronova Girardova Peltonova Turgo Bánkiho Reifensteinova rovnotlaká s plným ostřikem Turbíny přetlakové (=reakční) Radiální- Francisova Reifensteinova s Francisovým oběžným kolem Axiální - Kaplanova Tomanova Vrtulová
Každý typ vodního motoru má své specifické vlastnosti, své výhody a nevýhody. Tam, kde jeden bezvadně funguje, bude použití jiného spojeno s neskonalými potížemi. Právě správná volba toho či onoho typu vodního motoru je jedním z nejtěžších projektantských oříšků, protože neexistuje nějaký univerzální typ turbíny, který by se dal použít beze změn na všechny lokality. Také nelze jednoznačně prohlásit, že vodní kolo je horší než turbína. Výběr závisí jen na konkrétní lokalitě, způsobu provozu a druhu stroje, který má být vodním motorem poháněn. Než se dáme do studia jednotlivých typů turbín, podíváme se na velmi zdařilou animaci základních turbín. Kaplanova turbína Vynálezcem Kaplanovy turbíny byl Ing. Viktor Kaplan (27. 11. 1876 23. 8. 1934). Bez zajímavosti jistě není, že tento velikán techniky působil na technické vysoké škole v Brně. Proto mu věnujeme v našem kurzu několik řádků. Viktor Kaplan se narodil jako syn železničního úředníka. V letech 1895-1900 vystudoval vídeňskou Vysokou školu technickou, kde studoval stavbu strojů a Dieselových motorů. Po škole strávil jeden rok vojenské služby v Pule, tehdy významném rakousko-uherském vojenském přístavu. V roce 1901 začal pracovat ve strojírnách Genz and Co. v Leobersdorfu u Vídně na spalovacích motorech.
Po dvou letech však odešel na Německou vysokou školu technickou v Brně jako konstruktér ústavu nauky o strojích, kinematice a strojnictví. Roku 1913 se stal vedoucím katedry teorie a stavby vodních motorů. Roku 1918 byl jmenován řádným profesorem. V roce 1926 získal čestný doktorát na Vysoké škole technické Praha a roku 1934 na Vysoké škole technické Brno. Druhého čestného doktorátu se však nedožil, neboť zemřel 23. srpna 1934 na mozkovou mrtvici. Výročí jeho narození patří od roku 1976 mezi světová kulturní výročí UNESCO. Viktor Kaplan Opusťme historii a pojďme si vysvětlit, jak Kaplanova turbína vlastně funguje. Voda se přivádí do spirální skříně a proudí kanály mezi lopatkami rozváděcího kola, kde se zrychluje a v určitém směru vtéká na lopatky oběžného kola. Oběžné kolo má obvykle 3 až 10 lopatek. Profil lopatek je podobný leteckému křídlu. Proud vody se lopatkami odchyluje jen málo, působí na ně vztlakem, jehož složka je obvodová síla otáčející rotorem turbíny. Voda, která prošla turbínou, odtéká sací troubou do odpadního kanálu a vrací se do řeky. Průtok při změnách výkonu turbíny se řídí natáčením lopatek rozváděcího i oběžného kola. Přivřením lopatek rozváděcího kola se zmenší průtokové průřezy kanálu mezi nimi, tím se zmenší průtok a poklesne výkon turbíny, současně se natočí i lopatky oběžného kola, aby voda se zmenšenou relativní rychlostí vtékala na lopatky bez nárazu. Tím se dosáhne dobré účinnosti. Kaplanova turbína má velmi málo lopatek, ale velkou rychloběžnost, proto je nutno zvlášť pamatovat na kavitační jevy. Kavitací nazýváme zvláštní mechanické a elektrochemické poškozování povrchu lopatek vodních turbín nebo odstředivých čerpadel, jemuž nejlépe odolává zvláštní nerezavějící ocel. Tyto obtíže jsou však v provozu značně vyváženy přednostmi Kaplanových turbín, jako je možnost použití při velmi častých malých spádech našich řek, velká rychloběžnost a možnost přímého spojení s generátorem, plochý průběh křivky účinnosti.
Vytvořením nových konstrukcí Kaplanových turbín pro velké výkony a spády, jako je například ve vodním díle Orlík, zaujímal dříve náš průmysl ve výrobě tohoto druhu turbín přední místo ve světě. Francisova turbína Kaplanova turbína, výrobek ČKD Blansko Pojďme si vysvětlit, jak funguje Francisova turbína, jejímž konstruktérem byl James B. Francis. Rozváděcím kolem s natáčivými lopatkami vtéká voda do oběžného kola s pevnými lopatkami. Při změnách výkonu turbíny se přivírají jen lopatky rozváděcí, takže voda vtéká do oběžného kola nesprávným směrem a naráží na oběžné lopatky. Proto je účinnost Francisových turbín dobrá jen při normálním průtoku a rychle klesá při jeho změně. Francisova turbína
Jejich konstrukce je však jednodušší než u Kaplanových turbín, a proto jsou levnější. Francisovy turbíny se stavějí s hřídelem vodorovným, pro větší výkony s hřídelem svislým. Při malých spádech se umísťují v betonových kašnách, při středních spádech v ocelových válcových skříních, tzv. turbíny kotlové; při velkých spádech mají skříně tvar spirály. Oběžné kolo je složitý odlitek z oceli s profilovanými lopatkami, které jsou pravidelně rozděleny po obvodu. Materiál oběžného kola musí odolávat korozi, rozrušení kavitací a mechanickému poškození. Francisova turbína s generátorem Oběžné kolo Francisovy turbíny
Peltonova turbína Peltonova turbína byla vynalezena v roce 1880 Lesterem Allanem Peltonem (1829 1908), který se zabýval otázkou, jak využít vodní energii k pohonu strojů na těžbu zlata. Představu o funkčnosti turbíny získáme snadno z přiložených obrázků. Je patrné, že voda proudí tečně (proto tangenciální) na obvod rotoru pomocí trysek. Ještě názornější představu si vytvoříme pomocí zdařilé animace. Peltonova turbína Oběžné kolo Peltonovy turbíny
A ještě jedna Peltonova turbína, tak říkajíc zbrusu nová. Peltonova turbína je konstruována pro rozsah spádu od 30 do 200 metrů. Minimálně však 1 m, maximálně 1 770 m. Rozsah průtoků je 1,5 litrů za sekundu, maximálně 34 000 litrů za sekundu. Bánkiho turbína Turbína byla pro praktické použití sestrojena maďarským profesorem Donátem Bánkiem. Její použití je pro spád od 2 do 30 metrů (minimálně 1, maximálně 200) a pro průtok 20 až 2 000 litrů za sekundu (minimálně 0,5, maximálně 9 000). Typově se jedná o příčně dvojnásobně protékanou turbínu s parciálním ostřikem, která na prvním dostředivém průtoku pracuje přetlakově nebo mezně, druhý odstředivý průtok je pouze rovnotlaký. Účinnost turbíny je 78 až 84 %.
Bánkiho turbína Voda je přiváděna k turbíně potrubím kruhového průřezu. Před turbínou je umístěn mezikus, který mění kruhový průřez na obdélný. Na konci tohoto vstupního dílu je umístěn regulační orgán, nejčastěji klapka. Ve štěrbině mezi zakřivenou stěnou a klapkou se celý spád vody přetransformuje na pohybovou energii. Voda vstoupí tangenciálně do oběžného kola hustě osazeného dlouhými lopatkami. Lopatky se snaží odklonit směr tekoucí vody do středu kola k hřídeli. Změna směru způsobí předání energie oběžnému kolu. Při prvním průtoku lopatkami se turbíně předává asi 79 % z celkového výkonu. Vlivem souběhu mezi rychlostí vody a otáčením kola nemíří vytékající paprsek na hřídel turbíny, ale mine jej volným zavzdušněným prostorem. Potom vstoupí do lopatek na protější straně lopatkového věnce. Voda je opět přinucena změnit směr a předává lopatkám další díl své energie, odpovídající 21 % z celkového výkonu turbíny. Po opuštění lopatkového věnce volně vytéká pod oběžné kolo. Plně je využitý spád H, částečně i spád H2. Výškový rozdíl mezi oběžným kolem a spodní hladinou Hztr je spád ztracený. Rotor Bánkiho turbíny
Bánkiho turbína Každý typ turbíny je vhodný pro určitou kombinaci průtoku a spádu vody. Je užitečné si tyto informace zobrazit pomocí grafu.
Účinnost vodních kol Účinnost je tím vyšší, čím větší je ta část spádu, po kterou voda v kole působí svou vahou oproti té části spádu, který je nutný na získání vstupní rychlosti vody do kola. Jedná se o účinnost na hřídeli vodního kola. Následnými převody (první stupeň - jeden až dva ozubené nebo řetězové převody, druhý stupeň - zásadně řemenový převod) se část energie ztratí. Typ vodního kola Účinnost *%+ střikový hřebenáč 20-30 Ponceletovo kolo 30-65 Zuppingerovo kolo s voletem 70-75 Zuppingerovo kolo s přepadem 70-75 Bachovo kolo 70-85 kolo s vrchním nátokem s normálním chodem 75-86 kolo s vrchním nátokem s obráceným chodem 70-80 A jak je to s turbínami? Účinnost turbíny je hodně závislá na tzv. plnění. Tím se rozumí poměr mezi průtokem skutečným a jmenovitým. Pro zajímavost je uvedeno srovnání s vodním kolem.
Za povšimnutí stojí jistě fakt, že některé stroje potřebují jisté minimální plnění, aby fungovaly. Další zajímavost je, že vodní kolo si již od pouhých 20 % plnění udržuje stálou účinnost, což jistě činí tento typ vodního stroje zajímavým. A dále při srovnání s turbínami nevychází vodní kolo, co se týká účinnosti, vůbec špatně. Výkon Výkon na hřídeli vodního motoru je dán okamžitým průtokem, čistým spádem na vodním motoru a účinností vodního motoru při daném průtoku. P je výkon ve wattech, Q je průtok v litrech za sekundu, H je spád v metrech a ƞ je účinnost v procentech. Achillovou patou tohoto výpočtu je to, že účinnost vodního motoru není při různých průtocích stejná, ale se snižujícím průtokem (plněním) klesá. V článku 5.6 jsme se zabývali účinností v závislosti na plnění a na typu vodního stroje. V souvislosti s právě probíraným vzorcem je to neocenitelná pomůcka. Je zřejmé, že pokud nás bude zajímat výkon v sušším období roku, je potřeba dosadit do vzorce příslušnou účinnost. Při výběru konkrétního zařízení dle požadovaného výkonu a parametrů lokality (spád, průtok) může být velmi užitečný následující graf. Dá nám dobrou orientační představu o použitelném zařízení a o výkonu Legenda k barvám: Kola na horní vodu Bachovo kolo Zuppinger s přepadem Zuppinger s voletm Poncelet Tmavě vybarvená oblast je použitelná pro turbíny