Shrnutí na Vodní turbíny a hydrocentrály

## Úvod Vodní turbíny jsou rotační lopatkové stroje, které přeměňují energii vody na mechanický točivý moment na hřídeli. Používají se v nejrůznějších typech vodních děl a elektráren pro přímou výrobu mechanické nebo elektrické energie. > Definice: Vodní turbína je stroj přeměňující potenciální a kinetickou energii vody na mechanickou práci otáčejícího se rotoru. ## Základní dělení a principy ### Rovnotlaké (akční) vs. přetlakové (reakční) turbíny - Rovnotlakové: před i za oběžným kolem je stejný tlak; energie se převážně mění v rychlost proudění. Příkladem je Peltonova turbína. - Přetlakové: před oběžným kolem je vyšší tlak než za ním; součástí práce je změna tlaku. Příkladem jsou Francisova a Kaplanova turbína. > Definice: Užitečný spád $H_{u}$ je část celkového spádu, která se skutečně přemění na mechanickou práci v oběžném kole. Matematicky pro rovnotlakou turbínu platí $$H_{u} = \frac{c_1^2 - c_2^2}{2g}$$ pro přetlakovou turbínu platí $$H_{u} = \frac{c_1^2 - c_2^2}{2g} + \frac{p_1 - p_2}{g\,g}$$ kde $c_1$, $c_2$ jsou rychlosti na vstupu a výstupu, $p_1$, $p_2$ jsou tlaky a $g$ je gravitační zrychlení. ### Hlavní typy turbín (stručně) - Peltonova: vhodná pro velmi vysoké spády ($100$ až $1000\,$m), proud vody působí z trysek na lopatky tvaru "dvojité misky"; rovnotlaká. - Francisova: univerzální turbína pro střední až velké spády ($1$ až $500\,$m); oběžné kolo s pevnými lopatkami; přetlaková. - Kaplanova: přetlaková vrtulová turbína s natačivými lopatkami, vhodná pro nízké až střední spády ($1$ až $75\,$m); dobrá regulovatelnost. - Dériazova: diagonální varianta Kaplanovy, vhodná pro střední spády; umožňuje větší počet lopatek v náboji. ## Konstrukční a provozní aspekty ### Oběžné kolo a lopatky - U Kaplanovy turbíny jsou lopatky natačivé jak rozváděcí, tak oběžné; vzájemná kinematická vazba optimalizuje vstupní proudění a prodlužuje rozsah vysoké účinnosti. - U Francisovy turbíny jsou oběžné lopatky pevné, geometrie je složitá a přizpůsobuje se provozním parametrům. > Definice: Součinitel rychloběžnosti $\sigma$ (měrné otáčky) popisuje vztah mezi otáčkami, průtokem a spádem a pomáhá volit typ oběžného kola. ### Regulace turbín - Pelton: průtok se mění posuvnou jehlou v trysce; regulační systém využívá jehlu a odchylovací segment, které spolu zabraňují tlakové ráně při náhlém uzavření prutu. - Francis: regulace natáčením rozváděcích lopatek; je nutné jištění proti tlakové vlně pomocí odlehčovacího ventilu. - Kaplan: souběžné natáčení rozváděcích a oběžných lopatek pro udržení optimálního vstupního úhlu; zabezpečení proti přetočení (automatické brzdící lopatky, rychlouzávěr, zrušení vazby). Tabulka – srovnání vybraných typů turbín | Typ | Spád (m) | Charakter | Regulace | Účinnost | Použití | | --- | ---: | --- | --- | ---: | --- | | Pelton | $100$ až $1000$ | rovnotlaká, trysková | jehla + odchylovací segment | $0{,}87$ až $0{,}91$ | vysoké spády, menší počet trysek | | Francis | $1$ až $500$ | přetlaková, univerzální | natáčení rozváděcích lopatek | $0{,}88$ až $0{,}91$ | střední až vysoké spády | | Kaplan | $1$ až $75$ | přetlaková, vrtulová | natáčení rozváděcích i oběžných lopatek | $0{,}91$ až $0{,}93$ | nízké až střední spády | | Dériaz | střední | diagonální (Kaplan varianta) | podobná Kaplanově | podobná Kaplanově | střední spády, přečerpávací stroje | ### Mazání a ložiska - Velké vertikální rotory nesou axiální zatížení v jediném axiálním ložisku; radiální ložiska jsou pánvová nebo segmentová. - Používá se tlakové oběžné mazání s filtry a chladiči; mazací systém musí zajistit mazání i při dobíhání (pomocné čerpadlo nebo zásobník). ## Provozní bezpečnost a poruchy - Při náhlých změnách průtoku nebo zatížení se mohou objevit tlakové rázové vlny nebo podtlaky v sací troubě. K ochraně se používají odlehčovací a zavzdušňovací ventily. - Regulátory proti přetočení jsou nastaveny tak, aby zasáhly při nárůstu otáček typicky o $6\%$ až $10\%$ nad jmenovitou hodnotu. ## Příklady a výpočty - Výpočet výkonu turbí