Sedm elektrických generátorů elektrárny Hoover Dam stojící na řece Colorado na hranici mezi státy Arizona a Nevada
Vodní turbína je základní zařízení používané k přeměně tlakové a kinetické energie vody na mechanický rotační pohyb hřídele. V dnešní době se dále tento rotační pohyb nejčastěji používá k pohonu elektrického generátoru vyrábějícího univerzální elektrickou energii.
Něco z historie, princip práce vodní turbíny a obecné rozdělení vodních turbín je představeno u sousedního objektu Kaplanovy turbíny. V této části si představíme další dva typy turbín – Francisovu a Peltonovu turbínu.
Sedm elektrických generátorů elektrárny Hoover Dam stojící na řece Colorado na hranici mezi státy Arizona a Nevada
Francisova vodní turbína patří mezi reakční přetlakové radiaxiální turbíny a v energetice je jednou z nejpoužívanějších turbín. Radiaxiální znamená, že voda vstupuje do oběžného kola radiálně a vystupuje z něj axiálně. Přetlaková označuje, že pracovní kapalina mění svůj tlak během celého průchodu vodním strojem. S poklesem tlaku je spojena i transformace tlakové energie v kinetickou – část se mění v rozváděcích kanálech a část při průchodu oběžným kolem. Napojením výstupu turbíny na sací odpadní potrubí (savku) lze v přetlakové turbíně využít celou spádovou výšku – celý výškový rozdíl hladin horní a dolní nádrže. Francisova turbína s pevnými lopatkami oběžného kola může být použita pro poměrně široký rozsah průtoků i spádů.
Rotor malé Francisovy turbíny s pevnými lopatkami
Francisova turbína je často používána v malých vodních elektrárnách
Francisova turbína se reguluje natáčením lopatek rozváděcího kola, umístěných po celém obvodu turbíny. Regulace turbíny umožňuje zajistit stálé otáčky turbosoustrojí i při měnícím se průtoku. Voda přitéká z přivaděče do vstupní spirální skříně turbíny (kovová svařená nebo betonová), která ji rovnoměrně rozdělí do všech mezilopatkových kanálů. Správným nastavením rozváděcích lopatek se profilují průtočné kanály a voda v nich získává potřebnou rychlost a správný směr aby optimálně dopadala na lopatky oběžného kola a mohla mu odevzdat maximum své energie. Po výstupu z oběžného kola je voda odváděna savkou do spodní nádrže. Vodotěsnost savky zvyšuje využitelnost spádu až ke spodní hladině.
Natáčecí lopatky rozváděcího kola, které jsou umístěny kolem pevného oběžného kola, upravují směr a rychlost protékající vody
Účinnost energetických Francisových turbín dosahuje přes 90 %, dokáží zpracovat spády i několik stovek metrů (do cca 500 metrů) a pohání generátory s výkonem do 1 000 MW. Oběžná kola největších Francisových turbín dosahují průměru přes 10 metrů.
Výhodou Francisových turbín je jejich snadná použitelnost v přečerpávacích elektrárnách. Reverzní soustrojí se při výrobě elektřiny používá jako turbína, v čerpadlovém provozu při změně směru otáčení slouží jako čerpadlo. V České republice jsou Francisovy turbíny například použity v přečerpávací elektrárně Štěchovice, nebo ve vodní elektrárně Lipno I.
Kontrola lopatek reverzní Francisovy turbíny instalované v přečerpávací elektrárně Štěchovice
Peltonova vodní turbína je typickým představitelem rovnotlakých akčních turbín s parciálním tangenciálním ostřikem oběžného kola. Parciální znamená, že v turbíně je voda přiváděna jen na část obvodu oběžného kola, tangenciální ostřik označuje nasměrování proudu vody po tečně k obvodu oběžného kola.
Oběžné kolo Peltonovy turbíny s dvojitými lžícovitými lopatkami
Je určena pro velké spády a relativně malé průtoky vody. Instaluje se většinou v horizontálním provedení, pro větší výkony je možná i vertikální instalace. Voda je do turbíny přiváděna tlakovými přivaděči, na konci kterých je osazena jedna nebo několik ostřikových dýz. V dýzách se tlaková energie vody mění na kinetickou energii vodního paprsku a ten je nasměrován na oběžné kolo s dvojitými lžícovitými lopatkami. Tlak vody se při průchodu oběžným kolem již nemění. Lopatka oběžného kola paprsek rozdělí na dvě poloviny a otočí o 180°, čímž absorbuje téměř veškerou jeho energii. Po opuštění lopatky voda padá s minimální zbytkovou rychlostí volně do odpadu pod turbínu a odpadním kanálem je odvedena bez užitku mimo elektrárnu.
Oprava lžícovitých lopatek oběžného kola Peltonovy turbíny
Podobnou konstrukci jako Peltonova turbína má i levnější turbína Turgo. Rozdíl je jenom ve způsobu ostřiku oběžného kola. U Turgo turbíny je paprsek vody z dýzy nasměrován na oběžné kolo z boční strany. Jednodušší tvar i výroba lžícovitých lopatek umožňuje použití turgo turbín nejen ve velkých ale i v menších instalacích v malých vodních elektrárnách.
Účinnost Peltonovy turbíny dosahuje až 95 %, menší turbíny mají účinnost asi o 10 % nižší. Regulace turbíny spočívá ve škrcení dýz (uzavíráním výtokových otvorů dýz) centrální regulační jehlou. V případě nutného odstavení turbíny je nejdříve vodní paprsek odkloněn od oběžného kola a následně je zmenšován průřez dýzy zasouváním jehly. Tímto postupem se zamezí vzniku nebezpečných tlakových rázů v přívodním potrubí.
Odkryté oběžné kolo Peltonovy turbíny ve strojovně vodní elektrárny
Peltonovy turbíny se často používají v horských oblastech, kde mají říčky velký spád, ale malý průtok. Škálovatelnost Peltonových turbín v energetice je dobrá do cca 200 MW. Větší výkony limituje především pevnost lopatek, na které působí značná odstředivá síla. V České republice nejsou pro využití těchto turbín optimální podmínky, přesto je použita například v přečerpávací elektrárně Třebušice.