Pevné spojení rotoru vodní turbíny a elektrického generátoru
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.
Pevné spojení rotoru vodní turbíny a elektrického generátoru
Historie využití vodní energie sahá daleko do minulosti. Již před několika tisíci lety lidé používali první vodní kola na čerpání vody pro účely zavlažování, jako zdroj síly na mletí obilí, pohony pil, hamrů i různých strojů. Vynález vodní turbíny ještě zjednodušil využívání tohoto primárního zdroje, ale až spojení turbíny s elektrickým generátorem umožnilo rozvoj prvních vodních elektráren. Výroba elektrické energie se zanedlouho stala primárním využitím energie vody.
Historické zařízení malé vodní elektrárny Čeňkova pila
Princip práce vodní turbíny je jednoduchý. Voda jako nositel využitelné energie je přiváděna z výše položené nádrže přivaděčem k turbíně. Nastavitelné rozváděcí lopatky nebo trysky nasměrují její proud na lopatky oběžného kola, které převezme velkou část její kinetické energie a roztočí se. Rotační pohyb oběžného kola turbíny se přes hřídel přenese na rotor generátoru a ten na základě elektromagnetické indukce vyrábí elektřinu. Voda vystupující z turbíny je potrubím odvedena zpět do původního řečiště případně do dolní vyrovnávací nádrže.
Velká většina energetických vodních turbín je vertikálního provedení a mezi dolní turbínou a horním generátorem se nachází věnec nastavitelných rozváděcích lopatek
Vodní turbíny se dělí na základě několika kritérií. Nejzákladnější dělení je podle způsobu předání energie a tlakových poměrů v oběžném kole na turbíny rovnotlaké a turbíny přetlakové.
U rovnotlakých (akčních) turbín se celý spád, působící prostřednictvím hydrostatického tlaku, transformuje v kanálech s rozváděcími lopatkami na energii kinetickou, která je předána lopatkám oběžného kola. Tlak se při průchodu oběžným kolem nemění. Po odevzdání energie lopatkám oběžného kola turbíny voda jednoduše padá pod turbínu a odpadním kanálem je odvedena bez užitku mimo elektrárnu. Oběžné kolo rovnotlaké turbíny nesmí brodit. Typickým zástupcem rovnotlakých turbín je Peltonova turbína.
U přetlakových (reakčních) turbín se část tlakové energie mění v kinetickou v rozváděcích kanálech a část při průchodu oběžným kolem. Voda má při vstupu do oběžného kola určitý statický přetlak oproti tlaku na výstupu z oběžného kola. Napojením výstupu turbíny na sací odpadní potrubí (savku) lze v přetlakové turbíně využít celou spádovou výšku – celý výškový rozdíl hladin horní a dolní nádrže. Typickými zástupci přetlakových turbín jsou Kaplanova a Francisova turbína. Hranice použitelnosti přetlakových turbín je spád do cca 400 metrů.
Řada turbosoustrojí v podzemní strojovně novozélandské vodní elektrárny Manapouri
Důležitým faktorem je také směr vstupu nebo výstupu vody z oběžného kola turbíny. Podle orientace proudění rozlišujeme turbíny radiální, axiální, tangenciální a diagonální. U radiální turbíny je tok vody kolmý k hřídeli, voda vstupuje nebo vystupuje z turbíny ve směru radiály. Axiální turbíny mají průtok vody rovnoběžný s osou hřídele. Specifickým typem je turbína radiaxiální, ve kterých proud vody mění svůj směr z radiálního na axiální. Pokud je proud vody nasměrován po tečně k obvodu oběžného kola, mluvíme o turbíně tangenciální nebo o turbíně s tangenciálním ostřikem. V tangenciální turbíně je voda většinou přiváděna jen na část obvodu oběžného kola – jedná se o turbínu parciální. Vtéká-li voda do turbíny po celém obvodu oběžného kola, což je pravidlem pro reakční turbíny, mluvíme o turbíně s plným vtokem.
Menší vodní turbína s generátorem v horizontálním provedení
Dalším kritériem může být například poloha hřídele turbíny. V tomto případě rozlišujeme turbíny v horizontálním, vertikálním nebo šikmém provedení.
Poměry ve vodním toku, především využitelný spád a průtok definují, jaký typ vodní turbíny by měl být instalován ve vodní elektrárně. Svou roli hraje taky možné kolísání průtoku a u některých zdrojů také finanční náročnost, účel a místní podmínky.
Rozsah využití nejpoužívanějších turbín
Kaplanova vodní turbína je přetlakovou reakční turbínou. Je určena pro menší až střední spády a relativně větší průtoky, ale díky natáčivým lopatkám rozváděcího i oběžného kola dokáže pracovat se stejnou účinností i při sníženém nebo proměnlivém průtoku. Právě možnost vzájemné kombinace natočení rozváděcích a oběžných lopatek dává Kaplanově turbíně širokou variabilitu použití a maximalizaci možného výkonu. Voda prochází turbínou rovnoběžně s osou, takže je to čistě axiální typ turbíny.
Rotor přetlakové Kaplanovy vodní turbíny
Turbína je konstrukčně složitější – centrální částí rotoru prochází mechanizmus natáčení lopatek. To zvyšuje její pořizovací cenu i náklady na údržbu. Výhodou je naopak její dobrá výkonová charakteristika při malém spádu a kolísavém průtoku. Dokáže pracovat s téměř stejnou účinností v širokém rozsahu zatížení. Lopatky oběžného kola Kaplanovy turbíny se obyčejně vyrábí z ocelolitiny nebo z nerezavějící oceli. Před použitím se musí lopatky důkladně vyhladit, aby se minimalizovaly ztráty třením a lopatka byla dostatečně odolná vůči kavitaci. Protože obvodová rychlost otáčení oběžného kola turbíny je přibližně dvakrát větší než rychlost vody protékající turbínou, řadí se Kaplanova turbína mezi rychloběžné vodní motory.
Obří lopatky rotoru Kaplanovy turbíny v servisním středisku Nižněkamské vodní elektrárny (Rusko)
Přívod a rozvedení vody k oběžnému kolu a odvod vody od turbíny je stejné jako u Francisovy turbíny, principiální rozdíl je v tvaru a profilu lopatek oběžného kola. Rotor Kaplanovy turbíny připomínající lodní šroub má velký průměr a jsou na něm upevněny natáčecí listy. Počet listů se pohybuje od 3 do 12. Voda, urychlená a nasměrovaná lopatkami rozváděcího kola je přivedena k lopatkám oběžného kola v nejužším místě turbíny. Po průchodu oběžným kolem, kterému odevzdala svou energii, voda opouští turbínu sací rourou, zvyšující podtlak za turbínou.
Horizontální provedení Kaplanovy turbíny ve vodní elektrárně Vyšgorod na Ukrajině
Účinnost Kaplanových turbín dosahuje přes 90 %. Pro malé vodní elektrárny mohou být v rámci úspor vyráběny s pevnými lopatkami rozváděcího nebo oběžného kola, poté ale pracují s nižší účinností. V Čechách jsou Kaplanovy turbíny instalované na některých elektrárnách Vltavské kaskády, například v elektrárně Orlík nebo Slapy, dále například v průtočné elektrárně Lipno II.
Demontovaný věnec systému centrálního natáčení rozváděcích lopatek vodní turbíny