dnes je pondělí 17. prosince 2018, svátek má Daniel  6:01  
    Encyklopedie Energie  -> Výklad
        
     Rozšířené hledání
     Menu
  Encyklopedie Energie
    Výklad
    Slovník
    Pokusy
    O encyklopedii
    RAO
    Schémata Elektráren
  Bheliom
  Objednávka
Oběžné kolo Peltonovy turbíny.

CESTA K TURBÍNÁM

Vodní kolo bylo výsledkem geniálního nápadu a dokonalého řemeslného zpracování na základě dlouholetých zkušeností. Dosáhlo svého vrcholu a nastal čas, kdy se nedalo zlepšit. Nový kvalitativní skok ve využití vodní síly přinesly až turbíny, výsledek vědeckého bádání a přesných výpočtů v oboru zvaném hydromechanika. Její zákony první popsal a matematicky stanovil francouzský fyzik Daniel Bernoulli. Z jeho teoretických prací pak vyšel profesor göttingenské univerzity Jan A. Segner a sestavil pravzor turbíny - Segnerovo kolo.
   Segnerovo kolo má velmi jednoduchý princip - dutým hřídelem se žene voda pod vysokým tlakem do trysek, z kterých tryská ven a podle zákona akce a reakce roztáčí systém.
   Profesor Segner se narodil v Bratislavě, tam vystudoval gymnázium, v Jeně univerzitu. Stal se lékařem, ale záhy začal přednášet matematiku na své mateřské univerzitě. Své "kolo" sestrojil za působení na univerzitě v Göttingenu, kupodivu však nedokázal vědecky zdůvodnit, proč se vlastně otáčí. To učinil až další slavný matematik L. Euler (jeho číslo se učíme dodnes). Ke skutečně praktickému využiti Segnerovy praturbíny došlo jen jednou, snad i proto, že byla konstrukčně velmi nedokonalá. V jedné vesničce poblíž Göttingenu poháněla stoupy v lisovně oleje. Stoupy drtily různá olejnatá semena a vymačkávaly z nich olej.

Různé typy Segnerova kola.

Nepřímým pokračovatelem Segnerových snah se stal francouzský inženýr B. Fourneyron. Vystudoval hornickou školu, kde poslouchal přednášky profesora Burdina o hydrodynamice a vodních kolech, tehdy v hornictví velmi rozšířených. Fourneyron vyšel ze zajímavé myšlenky, že základem pro dokonalejší vodní motor nebude výkonnější svislé vodní kolo, ale naopak kolo vodorovné. V tom se shodoval se svým učitelem Burdinem, který dokonce předložil francouzské Akademii spis o vodních kolech spolu s návrhem dokonalejšího řešení, jež nazval turbínou podle latinského turbo = kroužiti. Burdinovo řešení bylo zajímavé, ale konstrukčně jen naznačené. A právě v této chvíli vstoupil do hry Fourneyron. Postavil malou pokusnou turbínku o výkonu pouhých 6 ks (podle tehdejších měření), ale co bylo důležitější - měla účinnost plných 80 %, což je číslo, o kterém se žádnému vodnímu kolu nemůže ani snít.

Oběžné kolo Kaplanovy turbíny (vlevo zavřené, vpravo otevřené).

Vodní turbíny

Fourneyron dal světu nový, vysoce účinný, ekologicky neškodný a prakticky zadarmo fungující motor. Vývoj se však samozřejmě nezastavil. Fourneyronova turbína byla radiální - to znamená, že voda protékala oběžným kolem turbíny ve směru jeho poloměru. Brzy se objevily i turbíny axiální, ve kterých voda protéká ve směru osy.
   Další rozhodující slovo ve vývoji turbín vyslovil anglický konstruktér, žijící v USA, J.B. Francis. Při konstrukci použil na svou dobu velice moderní metodu modelování. Ironií osudu mu to přineslo velké obtíže. Jeho turbíny měly sice vynikající parametry, nedaly se však matematicky vyjádřit. A to bylo pro konzervativní evropské vědce záminkou k jejich odmítnutí. Praktické výsledky však brzy prokázaly, že lepší turbíny neexistují, a tak se začaly rychle šířit i v dosud skeptické Evropě.
   Také další konstruktér turbín pocházel z Ameriky. Jmenoval se Pelton a postavil turbínu bez rozváděcího kola. Vodu na lopatky (ve tvaru zvláštních misek) přivádějí trysky. Také tuto poněkud netradiční turbínu (nazývá se Peltonovo kolo) evropští hydrotechnici zprvu zavrhli. Brzy se však prokázalo, že na malých tocích, které ale mají velký spád, je nenahraditelná.

Kaplanova turbína a její tvůrce ing. Viktor Kaplan.

   Porovnávat kvalitu turbín je totiž ošidné. Nedá se jednoznačně říci, která je lepší a která horší. Všechno totiž záleží na typu vodního toku, který má turbínu pohánět. Právě konkrétním podmínkám je třeba konstrukci turbíny přizpůsobit. Zkušenosti a praxe tak nakonec prokázaly, že pro prudké horské řeky je nejvýhodnější Peltonova turbína, pro dolní toky s malými spády jsou lepší turbíny Francisovy. Ty měly však jednu nevýhodu. Jejich otáčky byly příliš nízké, takže generátor na výrobu elektrického proudu k nim musel být připojován přes složité převody, což značně snižovalo celkovou účinnost.
   Tento problém vyřešil až profesor německé univerzity v Brně Viktor Kaplan. Po dlouhých pokusech postavil vhodnou rychloběžnou turbínu pro malé spády. Ani on však nebyl ušetřen obrovských potíží a útoků z odborných kruhů. Kritiky se nakonec vystupňovaly do takové intenzity, až se přepracovaný Kaplan zhroutil. Ale to již měla jeho turbína řadu stoupenců, mimo jiné i mezi jeho českými spolupracovníky. Netrvalo dlouho a vydala se na vítězné tažení světem. Dnes jich po celém světě pracují stovky či tisíce. Výrazným znakem Kaplanových turbín je možnost nastavování lopatek rozváděcího i oběžného kola podle průtočného množství. Aby nedocházelo k víření vody, které ohrožuje hladký chod turbíny, má oběžné kolo Kaplanovy turbíny jen čtyři lopatky.

Vybere si jen ten, kdo se vyzná

   Je asi načase říci si, proč jsou vlastně turbíny o tolik výhodnější než vodní kola. Odpověď je jednoduchá - mají mnohem větší účinnost, to znamená, že dokáží využít ze stejného vodního toku mnohem více energie. Zatímco vodní kola získají z energie skryté ve vodním proudu asi 30 % k užitečné práci, účinnost turbín je až 90 %. Patří k nejúčinnějším motorům vůbec.

Bánkiho turbína.

   Je to proto, že zatímco vodní kola zužitkují pouze ráz (tlak vody, její.polohovou energii) na lopatky, v případě kola na svrchní vodu i její hmotnost, turbíny zužitkují pohybovou energii vody, Navíc voda v turbíně působí současně na všechny lopatky, u vodního kola jen na poměrně malou část jeho obvodu.
   V principu mají turbíny rovněž oběžné kolo s lopatkami. Voda jím však protéká plně, na jedné straně oběžného kola do lopatek vstupuje, na druhé vychází. Většina turbín má navíc ještě rozváděcí kolo, které je pevné, neotáčí se a slouží k přivádění vody na lopatky oběžného kola. Zaručuje vlastně, aby voda na lopatky přicházela v tom nejoptimálnějším směru. Velmi důležité je zakřivení lopatek obou kol, určované podle náročných hydrodynamických výpočtů nebo pomocí modelování. Rozváděcí kolo bývá v některých případech nahrazeno několika tryskami.
   Otáčející se hřídel oběžného kola pak může přímo pohánět pracovní mechanismus. Nejčastěji to bývá generátor pro výrobu elektrického proudu.
   Podle způsobu práce se moderní turbíny dělí na rovnotlaké a přetlakové. V rovnotlakých turbínách zůstává tlak vody stále stejný - to znamená, že voda vychází z turbíny pod stejným tlakem, pod jakým do ní vstupuje. Příkladem je Peltonovo kolo, nejvýhodnější pro toky s malým průtokem vody, ale s velkým spádem. Takové podmínky nalézáme nejčastěji v horských oblastech.

Francisova turbína.

U přetlakových turbín vstupuje voda do oběžného kola s určitým přetlakem, který při průtoku turbínou klesá. Při výstupu z turbíny má tedy voda nižší tlak než při vstupu do ní. Právě takhle pracují Francisovy turbíny, vhodné pro střední spády.
   Pro malé výkony na malých spádech jsou vhodné horizontální turbíny, pro malé spády a velké výkony se stavějí vertikální turbíny.
   Vývoj Francisových turbín ještě není ukončen. Dosahují výkonů až 250 MW, jsou však schopny i 1000 MW a více.
   Pro nejmenší spády a velký průtok vody - to znamená pro elektrárny na přehradních jezerech dolních toků velkých řek - se jako nejvýhodnější ukazují Kaplanovy turbíny.
   Tam, kde by bylo nehospodárné přivádět elektrický proud z velkých vzdáleností, nebo dokonce stavět velké vodní elektrárny, dobře slouží miniaturní vodní turbíny. Stačí jim poměrně malé množství vody, nevelký spád a jednoduché stavební vybavení. Jejich výkony se pohybují od 5 kW výše.