Turbiny wodne
Maszyny służące do zamiany energii wody na energie 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 rowne atmosferycznemu.
W turbinie reakcyjnej tylko część energii potencjalnej spiętrzonej wody przekształca się w kierownicy w energię kinetyczną, pozostała cześć energii potencjalnej zamienia się w energię kinetyczną dopiero na łopatkach wirnika. Kanały między łopatkami wirnika turbiny reakcyjnej zwężają sie 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 energie potencjalną strugi wody zasilającej turbinę
Pu=n(dzyn)0* p(ro) * Q *g *H [W]
gdzie:
n0 sprawność ogólna turbiny,
p -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 n(dzyn) 0,8- 0,94 (zależy od wielkości, rodzaju i obciążenia) przeplywowosc 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 ksztalcie dyszy) umieszczona jest blisko wirnika. Przekrój wylotu dyszy można zmieniać za pomocą osiowego przesuwu iglicy. Max. średnica wylotu dyszy to do(d zero!!) =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)
Turbiny reakcyjne (Francisa)
Są zwykłe 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 dyruzora'). 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 (Stad ograniczenie długości rury ssawnej).
Buduje sie je z pionowym lub poziomym wałem wirnika. Kierownica 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 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 natężana przepływu wody przez turbinę. Może to być realizowane recznie bądź samoczynnie (np. regulator odśrodkowy (czujnik do pomiaru prędkości obrotowej) połączony z mechanizmem regulującym przepływ wody ).
Turbina śmigłowa (Kaplana)
Reakcyjna -lecz wirnik ma kilka lopatek i wyglądem przypomina srube okretowa. Pozostałe części są podobne do czesci turbiny Francisa. Łopatki wirnika są nastawne. Mechanizm regulacyjny obraca jednoczesnie łopatki kierownic i łopatki wirnika - zapewniając im najwłaściwsze położenie. W tych turbinach są mniejsze opory przepływu (wzrasta sprawność). Można uzyskac duza predkosc obrotowa nawet przy małym spadzie (H= 1.5 -80 m). Wirnik ma 2 -11 lopatek (najczęściej -4), srednice wirnika 1-10 m, moc największych 200 MW