Turbiny wodne

Maszyny służące do zamiany energii wody na energię mechaniczną. Podstawowym elementem każdej turbiny jest obracający się wirnik zaopatrzony w zakrzywione łopatki. Ze względu na rodzaj łopatek wirnika rozróżniamy turbiny akcyjne i reakcyjne.

W turbinie akcyjnej energia potencjalna spiętrzonej wody przekształca się całkowicie w energię kinetyczną strugi przed wirnikiem, w nieruchomej kierownicy lub dyszy. Pracę wirnika uzyskuje się wskutek naporu hydrodynamicznego strugi na łopatki wirnika. Ciśnienie wody przed i za wirnikiem turbiny akcyjnej jest jednakowe i równe atmosferycznemu.

W turbinie reakcyjnej tylko część energii potencjalnej spiętrzonej wody przekształca się w kierownicy w energię kinetyczną, pozostała część energii potencjalnej zamienia się w energię kinetyczną dopiero na łopatkach wirnika. Kanały między łopatkami wirnika turbiny reakcyjnej zwężają się w kierunku wypływu wody. Pracę wirnika turbiny reakcyjnej zawdzięcza się przede wszystkim działaniu reakcji hydrodynamicznej strugi na łopatki wirnika.

Moc turbiny wodnej.

Moc turbiny oddawaną na jej wale, obliczamy korzystając ze wzoru na energię potencjalną strugi wody zasilającej turbinę

P_u = η_o · ρ · Q · g · H [W] (1)

gdzie: η_o - sprawność ogólna turbiny,

ρ - gęstość cieczy (dla wody 1000 kg/m³)

Q - strumień objętości cieczy przepływającej przez turbinę

(przepływność turbiny) [m³/s],

H - różnica poziomów cieczy w zbiorniku górnym i dolnym (spad) [m]

Wykorzystywane obecnie spady to 1.5 - 2300 m, sprawność ogólna współczesnych turbin η_o 0.80 - 0.94 (zależy od wielkości, rodzaju i obciążenia), przepływność turbin do 1000 m³/s,

Turbiny akcyjne (Peltona)

Są stosowane w zakresie spadu od 30 m do max. (powyżej 500 m stosuje się tylko turbiny akcyjne. Kierownica (w kształcie dyszy) umieszczona jest blisko wirnika. Przekrój wylotu dyszy można zmieniać za pomocą osiowego przesuwu iglicy. Max. średnica wylotu dyszy to d_o =0.2 m, przy dużych przepływności stosuje się 2 - 6 dysz albo dwa wirniki obok siebie.

Sprawność turbin Peltona wynosi 0.75 - 0.9

Prędkość obrotowa - dużych jednostek - do 750 obr/min

małych do 1600 obr/min

Średnica wirnika - 0.2 - 4 m

Max. moc 75 MW (Francja)

Dysza i łopatka turbiny Peltona

Turbiny reakcyjne (Francisa)

Są zwykle instalowane na pewnej wysokości nad dolnym zwierciadłem wody, co ułatwia montaż i obsługę mechanizmów turbiny oraz zmniejsza głębokości fundamentów. Aby zapobiec stracie spadu, wodę z wirnika turbiny odprowadza się za pomocą tzw. rury ssawnej. Rura ssawna zawsze rozszerza się w kierunku wypływu, co zmniejsza prędkość wypływu wody przy wyjściu z rury (działanie dyfuzora ). Dzięki temu w rurze ssawnej i w części wirnika powstaje podciśnienie (w rezultacie spadek ciśnienia i jej moc są takie same, jak gdyby turbina była umieszczona tuż ponad dolnym zwierciadłem). Zbyt duże podciśnienie powoduje wystąpienie kawitacji (stąd ograniczenie długości rury ssawnej).

Budowa.

Buduje się je z pionowym lub poziomym wałem wirnika. Kierownica 1 z łopatkami umieszczona na zewnątrz dokoła wirnika. Mogą się one jednocześnie obracać kierując wodę na łopatki wirnika. Przy pewnym kącie obrotu częściowo lub całkowicie przymykają dopływ wody do wirnika. Wirnik 2 składa się z łopatek osadzonych w wieńcach (żeliwnych lub staliwnych) - łopatki są zakrzywione w dwu płaszczyznach

Średnica d₁ wirnika mieści się w granicach 0.25 - ok. 10 m

Sprawność 0.9; moc niektórych jednostek przekracza 100 MW

Spady od ok. 50 do 500 m.

Regulacja turbin.

Ma na celu utrzymanie stałej prędkości obrotowej wirnika przy zmiennym spadzie i obciążeniu - za pomocą zmiany natężenia przepływu wody przez turbinę. Może to być realizowane ręcznie bądź samoczynnie (np. regulator odśrodkowy (czujnik do pomiaru prędkości obrotowej) połączony z mechanizmem regulującym przepływ wody ).

Turbina śmigłowa (Kaplana)

Reakcyjna -lecz wirnik ma kilka łopatek i wyglądem przypomina śrubę okrętową. Pozostałe części są podobny do części turbiny Francisa. Łopatki wirnika są nastawne. Mechanizm regulacyjny obraca jednocześnie łopatki kierownicy i łopatki wirnika - zapewniając im najwłaściwsze położenie. W tych turbinach są mniejsze opory przepływu (wzrasta sprawność). Można uzyskać dużą prędkość obrotową nawet przy małym spadzie (H =1.5 - 80 m). Wirnik ma 2 - 11 łopatek (najczęściej 4), średnice wirnika 1 - 10 m, moc największych 200 MW

---