rnstav
Vytlačiť

Francisova turbína

Kategória: Vodná energia

francisova-turbina

V minulosti často používané vodné koleso slúžilo ako pohon pre mlyny alebo hámre. Jeho nevýhodou bola nedostatočná efektivita.

V 19. storočí sa podarilo jeho efektivitu zvýšiť natoľko, že vodná turbína mohla úspešne súperiť s parným strojom.

V roku 1826 Benoit Fourneyron vyvinul vysoko efektivnu (80 %) vodnú turbínu. Voda bola smerovaná tangenciálne turbínou a tým ju roztáčala. Jean-Victor Poncelet vyvinul v roku 1820 turbínu na podobnom princípe. S. B. Howd získal v USA v roku 1838 patent pre ďalšiu turbínu tohto typu.

V roku 1848 James B. Francis vylepšil tieto predchádzajúce turbíny a podarilo sa mu dosiahnuť celkovo až 90 % efektivity. Pomocou vedeckých postupov a sady testov a meraní vytvoril maximálne efektívnu turbínu. Jeho prispením sa naviac metódy výpočtov a meraní stali súčásťou teórie turbín. Pomocou jeho analytických metód je možné úspěšne navrhnúť maximálne efektívne turbíny, ktoré budú presne zodpovedať konkrétnym požiadavkám inštalácie. Všeobecne sa Francisove turbíny používajú pre stredné a väčššie prietoky a spády. Sú časté hlavne pri prečerpávacích elektrárňach. Najväčšia európska prečerpávacia vodná elektráreň Dlouhé Stráně používa dve Francisovy turbíny s výkonom 325 MW.

Francisova vertikálna turbína

Vertikálna Francisova turbína bola veľmi rozšíreným vodným motorom v minulosti. Osadzovali sa ňou poväčšine vodné diela hatí alebo vodné diela derivačné s otvoreným privádzačom v nížinách na väčších riekach. Používala sa najčastejšie ako hlavný mechanický pohon väčších mlynov, mestských elektrární a priemyslových podnikov. Pokiaľ sa tieto stroje do dnešných dní zachovali, sú po rekonštrukcii väčšinou prevádzkované ako MVE rádovo desiatok až stoviek kW.

francis-1

Vlastná turbína je umiestená na dne turbínovej fontány naplnenej vodou. Jej hriadeľ vedie zvisle hore do strojovne. Voda vniká z fontány do regulovateľných rozvádzacích lopatiek po celom obvode turbíny. Pri prietoku rozvádzacími lopatkami získava rýchlosť a smer potrebný pre vstup do obežného kolesa. V zakrivených mezilopatkových kanáloch obežného kolesa voda mení smer i rýchlosť, a tým odovzdáva svoju energiu. Po výtoku z obežného kolesa sa voda odvádza do odpadového kanálu. Pretože je turbína z dôvodov jednoduchej údržby a opráv nad spodnou hladinou, je voda odvádzaná sacou rúrou. Ak nepracuje turbína pri menovitom prietoku, dochádza za obežným kolesom k rotácii vodného stĺpca v sacej rúre, preto má kruhový, prípadne mierne oválný prierez. Voda pri priechode kužeľovito sa rozširujúcou sacou rúrou znižuje svoju rýchlosť, čo spolu s hmotnosťou celého vodného stĺpca v nej vytvára podtlak prenášajúci sa na odtokovú stranu obežného kolesa. Vďaka saciemu efektu využíva turbína celý spád H, hoci je obežné koleso nad hladinou vyvreliska.

Toto technické usporiadanie sa používa na spádoch od 1,5 m (v špecifických prípadoch od 0,5 m) do cca 4–5 m, pri stredných a veľkých prietokoch (približne 600–8000 l/s). V porovnaní s horizontálnou turbínou má samotná vertikálna turbína – vďaka priamej sacej rúre o nejaké percento vyššia účinnosť. To sa však vzápätí stratí v prevode. Na menších spádoch za zmieneným ozubeným prevodom nasleduje ešte druhý prevod remeňový. Pri moderných rekonštrukciách sa niekdy vystačí len so samotným remeňovým prevodom na vertikálne postavený pomalobežný generátor. Veľké turbíny majú mnohopólové generátory priamo na osi. Menšie a staršie turbíny sú konštruované s obežným kolesom tzv. normálobežným, ale podstatná časť strojov má obežné koleso rýchlobežné.

Francisova horizontálna turbína

Horizontálna Francisova turbína patrila k najrozšírenějším vodným motorom v minulosti. Osadzovala sa väčšinou na vodné diela derivačné s otvoreným privádzačom alebo tlakovým privádzačom, avšak s otvorenou fontánou. Používali sa najčastejšie ako hlavný alebo doplnkový priamy mechanický pohon mlynov, píl a drobných živností. Mnoho týchto strojov sa do dnešných dní zachovalo. Niektoré z nich sú prevádzkované ako MVE.

francis-2

Vlastná turbína je umiestnená v stene turbínovej fontány naplnenej vodou. Jej os je dostatočne vysoko nad spodnou vodou, aby nehrozilo zaplavenie stroja. Voda vniká z fontány do regulovateľných rozvádzacích lopatiek po celom obvode turbíny. Pri prietoku rozvádzacími lopatkami získává rýchlosť a smer potrebný pre vstup do obežného kolesa. V obežnom kolese voda odovzdáva svoju energiu a po výtoku z obežného kolesa sa odvádza do odpadového kanálu. Pretože je turbína v stene fontány a vysoko nad spodnou hladinou, rieši sa to pomocou kolenovej sacej rúry. Kolenová sacia rúra kruhového prierezu je pre toto horizontálne usporiadanie typická. Ak nepracuje turbína pri menovitom prietoku, dochádza za obežným kolesom k rotácii vodného stĺpca. Ak nemá dochádzať k veľkým stratám, nesmie pôsobiť sacia rúra tomuto prúdeniu odpor. Preto má jej koleno veľký polomer ohybu, aby si v ňom mohol stĺpec nerušene rotovať. Toto koleno môže byť vedené vnútri fontány, potom hovoríme o sacej rúre mokrej, alebo strojovňou, potom hovoríme o sacej rúre suchej.

Toto technické usporidanie sa používa na spádoch 2–8 m pri malých a stredných prietokoch (približne 100–2000 l/s). V porovnaní s vertikálnou turbínou má turbína horizontálna o nejaké percento nižšiu účinnosť. To je však vyvážené množstvom iných výhod. Medzi hlavné z nich patrí vodorovný hriadeľ, vychádzajúci z turbíny priamo do priestoru strojovne. Tak sa výrazne zjednodušia prevody. Často sa vystačí len s remeňovým prevodom, a tak sa celková bilancia účinnosti vyrovnáva. Väčšinou sú tieto turbíny tzv. normálobežné, iba väčšie turbíny na malé spády, prípadne turbíny priamo spojené s generátorom môžu byť rýchlobežnejšie.


Poradenský servis

Poradňa pre starostov a primátorov, zamestnancov obecných úradov a ich inštitúcií a komerčných používateľov.

Využiť služby

Environment aktuálne

Aktuálne informácie z oblasti životného prostredia zamerané na originálne a prenesené kompetencie miest a obcí.

Čítať viac

Energetika aktuálne

Aktuálne informácie z oblasti energetiky, obnoviteľných zdrojov energie a bezpečnosti prevádzky odberných plynárenských zariadení.

Čítať viac