Vodne Turbine

UNIVERZITET U TUZLI FAKULTET ELEKTROTEHNIKE

SEMINARSKI RAD IZ „UVOD U ENERGETSKE SISTEME“ TEMA: „VODNE TURBINE“

Kandidati: 1.Mešić Dženan 2.Mulahmetović Almir 3.Omerašević Armin 4.Osmančević Tarik 5.Osmanović Admir Predmetni nastavnik: Dr.sc. Nedžmija Demirović, docent _____________________________

TUZLA, MAJ, 2013.godine SADRŽAJ 1. Uvod........................................................................................................................................3 1.1 Način rada vodnih turbina................................................................................................3 1.2 Efektivna snaga vodne turbine.........................................................................................3

2.Osnovna podjela vodnih turbina ............................................................................................4 2.1 Tipovi pretlačnih (reakcijskih) turbina..............................................................................5 2.2 Tipovi turbina slobodnog mlaza (akcijskih).....................................................................5 3. Reaktivne turbine....................................................................................................................5 3.1 Francisova turbina............................................................................................................5 3.2 Kaplanova turbina............................................................................................................8 3.3 Propelerne turbine............................................................................................................9 3.4 Vodeničko kolo..............................................................................................................10 3.5 Arhimedov vijak............................................................................................................12 4. Impulsne turbine...................................................................................................................13 4.1 Peltonova turbina..........................................................................................................13 4.2 Turgo turbina.................................................................................................................14 4.3 Turbina sa križnim protokom........................................................................................15 4.4 Način rada Ossbergerove turbine..................................................................................16 4.5 Jonvalova turbina..........................................................................................................18 4.6 Teslina turbina...............................................................................................................19 5. Literatura...............................................................................................................................20

2

Vodne turbine 1.Uvod Energija koju ima neka tekućina (u našem razmatranju voda) što struji nekom brzinom sastoji se od energije pritiska, potencijalne i kinetičke energije. Svaka od tih energija može se pretvoriti na pogodan način u drugi oblik, koji se pomoću strojeva transformira u mehaničku energiju. Najjednostavniji su takvi strojevi vodna kola, a ona se izvode za iskorištavanje kinetičke energije ili su tjerana pomoću potencijalne energije. Vodno kolo se koristilo tisućama godina za dobivanje industrijske snage. Glavni nedostatak vodnog kola je veličina, koja ograničava iskoristivi protok i tlak. Prijelaz sa vodnog kola na moderne turbine je trajao stotinjak godina. Razvoj turbina se zbio za vrijeme industrijske revolucije, upotrebom znanstvenih principa i metoda. Također su u velikom broju primjenjivani novi materijali i nove metode proizvodnje razvijene u tom razdoblju. Riječ turbina je osmislio francuski inženjer Claude Bourdin početkom 19. stoljeća i dolazi od latinske riječi za "vrtloženje" ili "vir". Glavna razlika između prvih vodnih turbina i vodnih kola je vrtložna komponenta gibanja vode koja daje energiju rotoru. Ta dodatna komponenta gibanja omogućava da turbina bude manjih dimenzija od vodnog kola iste snage. Zbog većih brzina vrtnje, protok vode je veći i mogu iskoristiti puno veći tlak (kasnije su razvijene impulsne turbine koje ne koriste vrtloženje vode).

1.1 Način rada vodnih turbina Tok vode se usmjerava na lopatice rotora turbine, stvarajući silu na lopaticama. Uzevši u obzir da se rotor vrti, sila djeluje na putu (sila koja djeluje na putu je definicija rada). Na taj način energija se prenosi sa toka vode na turbinu.

1.2 Efektivna snaga vodne turbine Pri prolasku vode kroz turbinu nastaju gubici te turbina nije sposobna dati svu raspoloživu snagu.Gubici se uzimaju u obzir stupnjem djelovanja turbine

3

koji se dobiva umnoškom :

hidrauličkog(

), zapreminskog(

) i mehaničkog(

) stupnja djelovanja.

Hidraulički stupanj djelovanja uzima u obzir gubitke u statoru,rotoru, difuzoru i na izlazu iz difuzora, te neiskorištenu energiju zbog otjecanja vode brzinom

, tj. kinetičkom energijom

/2g,što također predstavlja gubitak. Volumenskim stupnjem djelovanja uzima se u obzir činjenica da sva voda koja ulazi u stator turbine ne prolazi i kroz njezin rotor već kroz raspore između statora i rotora. Mehanički stupanj djelovanja karakterizira mehaničke gubitke koji nastaju uslijed trenja u ležajevima i brtvama turbine, uslijed ventilacije zbog okretanja rotora, uslijed otpora vode u prostoru između rotora i kućišta u koje dolazi voda koja izaziva volumenske gubitke. Stoga je efektivna snaga turbine koju ona ima na osovini : Srednje vrijednosti stupnjeva djelovanja u najpovoljnijem području rada: Turbine male snage

0.88

0.95

0.96

0.80

Turbine srednje snage

0.92

0.97

0.97

0.85

Turbine velike snage

0.95

0.99

0.97

0.92

2. Osnovna podjela vodnih turbina Danas se u osnovi grade dva tipa vodnih turbina: 1. Pretlačne(ili reaktivne) i 2. Turbine slobodnog mlaza (ili impulsne, aktivne turbine). Na reaktivne turbine dolazi voda, čiji se tlak mijenja kako prolazi kroz turbinu i predaje svoju energiju. Moraju biti u kučištu da bi se održao tlak vode (ili vlak), ili moraju biti u potpunosti uronjene u vodenom toku. 3. Newtonov zakon opisuje prijenos energije za reaktivne turbine. Od većine vodnih turbina, u upotrebi su reaktivne turbine i koriste se pri niskom ili srednjem hidrostatskom tlaku. U reaktivnoj turbini pad tlaka se pojavljuje na stacionarnim i pokretnim lopaticama. Impulsne turbine mijenjaju brzinu vodenog mlaza. Mlaz udara na zakrivljene lopatice turbine koje mijenjaju smjer mlaza. Rezultirajuća promjena količine gibanja (Impuls_sile) uzrokuje silu na lopaticama turbine. Zbog vrtnje turbine, sila djeluje na put, rad i preusmjereni vodeni tok ima smanjenu energiju.

4

Prije udara u lopatice turbine, mlaznica pretvara pritisak vode (Potencijalna energija) u kinetičku energiju i usmjerava ju na turbinu. Na lopaticama turbine ne dolazi do promjene pritiska, pa turbini nije potrebno kučište za rad. 3. Newtonov zakon opisuje prijenos energije kod impulsnih turbina. Impulsne turbine se najčešće koriste pri visokom hidrostatskom tlaku.

Vodne turbine Akcijske: -slično vodenom točku -udubljene lopatice -okreću se u zraku -za velike padove (okomito >10 m),za velike tlakove Reakcijske: -za velika postrojenja -lopatice slične elisi broda –potopljene u vodi -za male padove, pri velikom protoku i malom tlaku 2.1 Tipovi pretlačnih (reakcijskih) turbina 1.Francisova turbina 2.Kaplanova turbina 3.Tysonova,Gorlova turbina 4.Vodenicko kolo 5.Arhimedov vijak 2.2 Tipovi turbina slobodnog mlaza (akcijskih) 1.Peltonova turbina 2.Turgo turbina 3.Jonvalova turbina 4.Teslina turbina 5.Turbina s kruznim protokom:Ossberger turbina,Banki turbina

3. Reaktivne turbine 3.1 Francisova turbina Francisova turbina je vrsta vodne turbine koju je konstruirao britansko-američki inženjer James Bicheno Francis a primarno služi za proizvodnju električne energije uz pomoć generatora. Francisove turbine imaju veliki stepen iskoristivosti kapaciteta s preko 90%, te veliki raspon djelovanja u odnosu na visinu (konstruktivni pad) fluida pri protoku kroz turbinu. To je naročito naglašeno kod vode gdje postiže optimalan rad pri konstruktivnom padu od 20 metara do čak 700 metara, a izlazna snaga može biti od par kilovata do 750 MW. Francisov tip turbine je najučestaliji tip turbine koja se instalira u pogone za proizvodnju električne energije koji rade na bazi protoka vodene mase kroz pogon za proizvodnju – najčešće su to hidroelektrane.

5

Francisova turbina je reakcijska ili pretlačna turbine, a to su vodne turbine u kojima je pritisak na ulazu u rotor veći od onoga na njegovom izlazu. Pojedini dijelovi reakcijskih vodnih turbina načelno se razlikuju najviše po konstrukciji radnog kola kao glavnog dijela, dok im je većina ostalih dijelova: • spiralni dovod • statorske lopatice • difuzor • ležajevi Spiralni dovod Spiralni dovod je dio turbine koji vodu iz dovodnog sistema, prije ulaska u radno kolo treba jednolično rasporediti po obodu turbine. Na taj se način osigurava jednolično opterećenje po obodu radnog kola i sprečava asimetričnost koja bi mogla uzrokovati pojavu sila i vibracija u turbini. Spiralni dovod imaju Francisove, Deriazove (dijagonalne) i većina propelernih turbina.Presjek spiralnog dovoda može biti kružan, eliptičan, trapezan ili pravougaon. Vrsta dovoda odabire se prema raspoloživom padu i snazi turbine. Prema načinu raspodjele vode u dovodu razlikuju se potpuna spirala i poluspirala, te jednostrujna i višestrujna spirala.

Pretprivodno kolo Pretprivodno kolo je glavna noseća konstrukcija preko koje se prenose sva statička i dinamička opterećenja na betonsku konstrukciju strojarnice. Izrađuje se kao zavarena čelična konstrukcija, sastavljena od dva čelična obruča međusobno spojena stabilnim lopaticama, koje usmjeravaju vodu na lopatice privodnog kola. Ima obično 10 do 12 lopatica. Lopatice dodatno umiruju i usmjeruju vodnu struju na putu prema regulacijskom aparatu, uz minimalne gubitke istovremeno.

Privodno kolo Privodno kolo (privodni aparat) turbine je mehanizam, koji pomoću zakretnih lopatica regulira protok vode kroz turbinu i usmjerava vodu na lopatice radnog kola pod najpovoljnijim uglom. Sastavljeno je od dva obruča, između kojih je radijalno postavljeno 2032 hidraulički profiliranih lopatica.U incidentnim situacijama, kao što je ispad električnog generatora iz mreže ili neki kvar na vitalnom dijelu turbine, lopatice privodnog kola se automatski zatvaraju i prekidaju dovod vode u turbinu. Zatvaranje ne smije biti prebrzo, zbog opasnosti od prekida stupca vode u radnom kolu ili difuzoru, što bi moglo prouzročiti povratni udar vode u radno kolo. Privodeće lopatice su jedini pokretni dijelovi Francisove turbine (osim rotora), koje svojim položajem reguliraju protok kroz samu turbinu.

Rotor ili radno kolo Pravilno distribuirana voda iz spirale prolazi međuprostorom predprivodećih i privodećih lopatica, koje svojim oblikom osiguravaju pravilan smjer vode na ulazu u rotor. Rotorom se vrši pretvorba raspoložive vodne energije u mehanički rad. On se sastoji od 12-17 čvrsto fiksiranih lopatica. Poznate su izvedbe s više od 20-ak lopatica (npr. HE Dubrovnik ima 24 lopatice). Lopatice tvore zakrivljene kanale kroz koji struji voda, a pričvršćene su s gornje strane na glavčinu, te s donje strane na vijenac rotora .

6

Rotor Francisove turbine u HE „Tri klanca“.

Difuzor ili odsisna cijev Nakon što prođe kroz rotor turbine, voda otječe kroz difuzor. Namjena difuzora (odsisne cijevi) je smanjenje izlazne brzine, čime se smanjuju izlazni gubici energije, a time povećava ukupna korisnost turbine. Difuzor omogućava turbinski rad neovisno o promjenama razine donje vode. Prema obliku difuzor može biti ravan ili stožast, kombiniran i ljevkast.

Ležajevi Sile koju djeluju na vratilo turbine preuzimaju aksijalni ležaj, i jedan ili više radijalnih ležajeva. Aksijalni ležaj može biti zajednički za turbine i električni generator, koji su obično povezani krutom spojnicom. Osnovni se radijalni ležaj najčešće nalazi uz rotor i naziva se vodećim turbinskim ležajem, a svojim svojstvima je hidraulički ležaj.

Način rada Voda se dovodi tlačnim cjevovodom i jednolično se raspoređuje po obodu radnog kola pomoću spiralnog dovoda. Zakretanjem statorskih lopatica (privodne zakretne lopatice) mijenja se protok kroz turbinu (regulacija snage). Posljedica zakretanja statorskih lopatica jest promjena ugla strujanja na lopatice rotora, što uzrokuje znatne hidrodinamičke gubitke, zbog čega Francisova turbina ima relativno loša regulacijska svojstva.U radno kolo, koje se sastoji od 12-17 čvrsto fiksiranih lopatica, voda ulazi radijalno, a izlazi aksijalno i odvodi se kroz difuzor u odvodni kanal turbine. Upotrebom difuzora smanjuju se izlazni gubici turbine koji su povezani s kinetičkom energijom vode.Francisova turbina obično ima okomito vratilo, jer je turbina s vodoravnim vratilom prikladna samo za manje snage.

3.2 Kaplanova turbina Kaplanova turbina je propelerna vrsta vodnih turbina, sa zakretnim lopaticama na rotoru i radi samo na niskim padovima vode, uglavnom sa velikim protokom. Da bi se smanjili sudarni gubici i osiguralo strujanje vode s najmanje hidrauličkih gubitaka, u većini propelernih turbine, lopatice radnog kola mogu se zakretati u pogonu. Izvedba turbina sa zakretnim lopaticama rotora je složenija nego izvedba običnih propelernih turbina, no njihove energetske karakteristike su znatno povoljnije. Njihov stepen iskorištenja može biti i preko 90

7

%.Radi takvih karakteristika, ovakve turbine se uglavnom primjenjuju u ravninskim područjima,a izgradnjom umjetnih brana se osigurava potreban pad. Izlazne snage Kaplanovih turbina mogu biti od 5 do 120 MW.

Djelovi Kaplanove turbine Zahvat vode se izvodi uređajem koji je obično trapeznog presjeka, izveden od betona. Konstrukcija uređaja treba osigurati ujednačenu distribuciju vode po izlaznom presjeku uređaja, te spriječiti odvajanje struje na statorskim lopaticama. Predprivodećih lopatica obično ima 10-12, a privodećih 20-32 lopatice. Privodeće lopatice, osim regulacije protoka, imaju zadataka pravilno usmjeriti struju vode prema rotorskim lopaticama. Rotor se sastoji od lopatica učvršćenih na rotirajuće vratilo čiji broj, ovisno o padu, se mijenja između 4 i 8 lopatica. Što je manji pad, to je i broj lopatica rotora manji. Rotorske lopatice mogu biti čvrsto vezane na vratilo, a takve turbine se tada nazivaju propelernim turbinama. Oblik i duljina profila lopatice se mijenjaju promjenom radijalne koordinate, u odnosu na os stroja. Dvostrukom regulacijom (zakretanjem regulacijskih i rotorskih lopatica), moguće je osigurati visoku korisnost u širokom radnom području. Počeci i krajevi rotorskih lopatica (gledano radijalno), kao i njihovi (labavi) dosjedi, moraju biti obrađeni u obliku kugle kako bi se, bez obzira na položaj, osigurala minimalna zračnost te time spriječilo pretjecanje vode s tlačne na pretlačnu stranu lopatice. Transport vode iz rotora vrši difuzor koji ujedno, smanjenjem izlazne energije, povećava ukupnu iskoristljivost turbine.

Kaplanova turbina i električni generator u isječenom prikazu.

8

Način rada Glavni vodeni tok kroz Kaplanovu turbinu je aksijalan.Ugao zakreta lopatica rotora određuje se prema otvoru privodnog kola i trenutnom padu. Kombinatorna veza se definira tako da se ostvari najveća moguća korisnost u svim pogonskim uvjetima. Odnos otvora lopatica privodnog i radnog kola kod turbina sa zakretnim lopaticama rotora regulira se preko posebnog uređaja koji se naziva kulisa. Kaplanove turbine spadaju u grupu reakcionih turbina, a to znači da sepritisak mlaza vode mijenja prolaskom kroz turbinu. Turbine sa većim padom, imaju veću razliku tlakova između lopatica rotora i difuzora, tako da na lopaticama rotora dolazi do pojave kavitacije(pojava isparavanja vode i stvaranja mjehura vodene pare).Da bi se povećao stupanj iskorištenja Kaplanove turbine i unaprijedila njegova konstrukcija, u zadnje vrijeme se počela primjenjivati računalna dinamika fluida. Kaplanove turbine se najčešće koriste kao propelerna vrsta turbina, ali postoji i nekoliko drugih izvebi:

3.3 Propelerne turbine Propelerne turbine nemaju zakretne lopatice rotora, već su fiksne. Spade u grupu pretlačnih aksijalnih turbina. Primjenjuje se za velike protoke i male geodetske padove (od 1-3 do 60-70 m). Rotor propelerne turbine sastoji se od lopatica radnog kola i glavine rotora. Radno kolo ima 3 do 8 lopatica, pri čemu je broj lopatica veći što je veći nazivni pad turbine. Propelerne turbine s fiksnim lopaticama nisu elastične u pogonu, pa se grade samo za manje jedinice tj. upotrebljavaju se u malim hidroelektranama. Snage se kreću od nekoliko stotina vata do 100 MW. Cijevne turbine Turbina i električni generator su u potpunosti uronjeni u protočnu cijev. Cijevne turbine se koriste pri najnižim padovima i velikim protocima, te su pogodne za primjenu na velikim protočnim rijekama.Imaju predprivodeće (nepomične) i privodeće (pomične) lopatice. Dozvoljavaju dvostruku regulaciju; zakretanjem privodećih i rotorskih lopatica, a posljedica toga je visoka korisnost u cijelom radnom području. Kod ovakvih turbina niskog pada, udio kinetičke energije s obzirom na raspoloživi pad na izlazu iz difuzora može iznositi i do 5060%.Minimalnu energiju na izlazu iz rotora osigurat će pravilna izvedba difuzora, te bezvrtložno strujanje na izlazu iz rotora (strujanjem u smjeru osi difuzora). Aksijalne turbine s horizontalnom osi se koriste i za iskorištavanje energije plime i oseke. Strojevi rade s padovima od nekoliko metara, a konstrukcija strojeva omogućuje rad u oba smjera, te rad u crpnom režimu (reverzibilne hidroelektrane).

9

3.4 Vodeničko kolo Vodeničko kolo je najstariji uređaj za pretvorbu energije vode (hidroenergija) u mehaničku energiju. Pogonska sila vodeničkog kola nastaje ili zbog težine vode ili zbog pretlaka zastoja vode, a ne kao rezultat promjene količine gibanja, te se vodenička kola ne smatraju vodnim turbinama. Vodeničko kolo se sastoji od okruglog drvenog ili metalnog okvira, na čijem okviru se nalazi veliki broj lopatica, koje služe za pogon. Osovina je uglavnom vodoravno ugrađena. Prijenos snage može biti direktno preko osovine, preko zupčastog prijenosnika ili preko remena i remenice na osovini.

Vrste vodeničkog kola Voda može teći preko drvenog točka, ispod točka ili u tijelo točka. Ukoliko voda teče preko drvenog točka, tada do izražaja dolazi potencijalna energija vode. Drugim rijecima, iskorištava se mogućnost (potencijal) da voda teče s veće visine naniže. Ukoliko voda teče ispod točka, tada voda na kolo prenosi svoju kinetičku energiju. Najstarija vrsta vodeničkog kola je gdje voda teče ispod drvenog točka. To je ujedno i vrsta sa najmanjim učinkom, ali je najjednostavnija i najjeftinija za izradu. Prednost je i što se može ugraditi na plutajuću konstrukciju. Nakon toga se razvijalo vodeničko kolo gdje voda teče u tijelo drvenog točka. Takva konstrukciju ima veću iskoristljivost nego kada voda teče ispod drvenog točka. Zahtijeva dobru rešetku za pročišćavanje vode prije udara u lopatice. Najveću iskoristljivost ima vodeničko kolo gdje voda teče preko drvenog točka. Osim što se koristi kinetička energija vode, ovdje se koristi i pad vode, koji ima i potencijalnu energiju. U prosjeku, ovaj tip ima iskoristljivost do 63 %, dok kada voda teče ispod drvenog točka, iskoristljivost je najviše 22 %. Nedostatak je skuplja izrada jer treba izraditi pregradu na rijeci, dovodni kanal i precizno usmjeravanje mlaza vode. [4] Još veću iskoristljivost ima vodeničko kolo gdje voda teče povratno preko drvenog točka, jer se dodatno još koristi tok vode ispod drvenog točka.

10

Voda teče ispod drvenog točka.

Voda teče u tijelo drvenog točka.

Voda teče povratno preko drvenog točka.

Voda teče preko drvenog točka.

3.5 Arhimedov vijak Arhimedov vijak je naprava koja se često tijekom povijesti upotrebljavala za premještanje vode u kanale za natapanje. To je jedan od izuma koji se pripisuje grčkom misliocu Arhimedu iz 3. st. pr. Kr., iako postoji i druga teorija po kojoj su za ovaj izum zaslužni stanovnici Babilona prije Arhimeda, a postoji i pretpostavka da su se čuveni vrtovi Babilona natapali uz

11

pomoć ovog tipa sisaljke. Osim toga, Arhimedov vijak je jedna od prvih poznatih sisaljki koje se spominju.

Princip rada i upotreba Stroj je jednostavne konstrukcije, sastoji se od vijka smještenog unutar cijevi. Vijak se okreće pokretan vjetrenjačom ili snagom čovjeka ili stoke. Okretanjem vijka, tekućina se giba po obodu vijka prema gore, sve dok ne dođe do vrha, gdje se izlijeva iz cijevi prema krajnjem odredištu. Poželjno je da između vijka i cijevi bude što manja zračnost, kako bi se smanjila propuštanja iz višeg u niži nivo. Gubici će također biti manji ako je veća brzina okretanja vijka. Izvedba Arhimedovog vijka može biti na dva načina, kod prve izvedbe se vijak okreće unutar cijevi koja je statična, a kod druge se vijak i cilindar okreću zajedno, te ne postoji relativno gibanje između vijka i cijevi. Povijesni izvori govore o upotrebi drugog sustava u starom vijeku u Grčkoj i Rimu, a postoje i naznake da se upotrebljavao u Babilonu za vrijeme Nabukodonosora drugog. Tu se upotrebljavao ljudski rad pri okretanju kučišta u kojem je bio kruto spojeni vijak. Danas se Arhimedov vijak upotrebljava za navodnjavanje, ali i za isušivanje . Česta je upotreba i u kanalizacijskim sustavima jer je vijak skoro neosjetljiv na krute nečistoće i mijenjanje količina koje prebacuje. Također, Arhimedov vijak je česta pojava u pokretnim trakama, u ribogojilištima, transportu žitarica,...

Dimenzije Arhimedovog vijka d = unutarnji promjer cijevi D = vanjski promjer vijka β = kut nagiba uređaja H0 = najveća moguća visina dizanja H1 = najmanja visina dobave H2 = najveća visina dobave H3 = srednja visina dobave J = broj neovisnih navoja L = duljina navoja S = uspon vijka

12

4. Impulsne turbine 4.1 Peltonova turbina Peltonova turbina je vodna turbina koja se koristi za padove preko 200m i manje protoke vode. Ona spade u one turbine koje imaju visok stupanj iskorištavanja. Izumio ju je Lester Allan Pelton 1878. Ona je glavni prestavnik turbina slobodnog mlaza ili akcijskih turbina. Geometrija lopatica je tako podešena da se one okreću sa pola brzine mlaza vode. Koriste skoro svu količinu kretanja mlaza vode koji napušta turbine skoro bez ikakve brzine. Ona nije potopljena u vodi te se lopative okreću u zraku. Maksimalna snaga može biti do 200 MW.

Rotor Rotor turbine se obično sastoji od 12 do 40 lopatica a svaka je lopatica oštrim bridom podijeljena u dva jednaka ovalna dijela. Ovakav oblik lopatice „reže“ mlaz vode u dva dijela od kojih svaki napušta lopaticu pod uglom od gotovo 180°. Osebujnost lopatica Peltonovih turbina jest u tome što nisu stalno opterećene kao npr. lopatice rotora Francisovih turbina već su samo privremeno u dodiru s mlazom. Tokom dodira lopatice s mlazom, nagib lopatice prema mlazu, kao i mjesto gdje ovaj ulazi u lopaticu, se stalno mijenjaju. Ovisno o konstrukciji, Peltonove turbine mogu imati jednu ili više mlaznica, odnosno slobodnih mlazova, a rotor turbine može biti postavljen na horizontalno ili vertikalno vratilo na kojem mogu biti postavljena jedan ili dva rotora .

13

Postavljanje više rotora na vertikalno vratilo zahtijeva pažljivu konstrukciju kako gornji rotor ne bi hidrodinamički narušavao rad donjeg rotora. Izvedba Peltonove turbine s vertikalnim vratilom je povoljnija jer omogućuje dovod vode po obodu rotora, te postavljanje rotora na minimalnu visinu iznad donje vode. Dovod vode po obodu rotora (u istoj horizontalnoj ravnini) omogućuje korištenje većeg broja mlazova koji se nalaze na istoj geodetskoj koti a što je povoljno sa stanovišta regulacije. Rotor Peltonove turbine radi konstrukcijskih razloga mora biti izdignut iznad donje vode za iznos koji je direktni gubitak, te treba biti minimalan.

Mlaznica Konstrukcijski gledano Peltonove turbine su najednostavnje vodne turbine koje se sastoje od privoda vode, mlaznica i rotora. Mlaznicama se vrši pretvorba potencijalne u kinetičku energiju vodnog mlaza koji tu istu energiju predaje lopatici rotora. Regulacija se izvodi pomicanjem regulacijske igle. Naglim zatvaranjem mlaznica regulacijskom iglom nastao bi hidraulički udar u cjevovodu koji bi mogao izazvati neželjene posljedice i nesreću. Radi toga se zatvaranje mlaznice s regulacijskom iglom izvodi polagano, a prava regulacija se izvodi regulacijskim deflektorom koji "rezanjem" vodnog mlaza pravovremeno regulira dotok vode.

Rotor Peltonove turbine

Slika iz originalnog Peltonovog patenta

4.2 Turgo turbina Turgo turbina je slična Peltonovoj turbine ali vodeni mlaz prilazi bočno rotoru. One spadaju u skupinu impulsnih vodnih turbina i koriste se za srednje padove vode od 50 m do 250 m. Stupanj iskorištenja može dostići do 87 %.

14

Turgo turbine razvila je 1919. engleska tvrtka Gilbert Gilkes & Gordon Ltd., kao malu izmjenu na Peltonovoj turbini. Ona ima neke prednosti u odnosu na Peltonovu i Francisovu turbinu, posebno u radnom području koje je između te dvije vrste turbina. Prva prednost je da rotor nije tako skup kao kod Peltonove turbine, a drugo ne treba vodonepropusno kućište kao Francisova turbina. Pored toga koristi veće brzine protoka vode i može podnijeti veće protoke vode kao Peltonova turbina istog promjera, pa to smanjuje troškove na ugradnji električnog generatora i drugih instalacija. Turgo turbine veoma su česte kod malih hidroelektrana gdje se dosta gleda na troškove gradnje. Kao i druge turbine koje imaju mlaznice, vrlo je bitno spriječiti dolazak krhotina i nečistoća na turbinu.

Turgo turbina I električni generator

° Turgo turbina

4.3 Turbina s križnim protokom Turbina s križnim protokom (engl. cross-flow turbine). Banki-Michellova turbina ili Ossbergerova turbina je turbina koju je razvio australski inženjer Anthony Michell 1903. Banki turbinu razvio je mađarski inženjer Donat Bankii a Ossbergerovu turbinu razvio je njemački inženjer Fritz Ossberger 1933. (danas je to vodeći model te vrste vodne turbina). Za razliku od drugih vodnih turbina koje imaju aksijalni ili radijalni protok vode, kod turbina s križnim protokom mlaz vode pada popriječno i prolazi kroz lopatice turbine. Slično kao vodeničko kolo, voda pada na kraj radnog kola ili rotora. Budući da mlaz vode prolazi dva puta kroz lopatice turbine, to je povoljno za stupanj iskorištenja. Kada voda napušta rotor, ona pomaže pranju rotora od nečistoća i manjih krhotina. Turbine s križnim protokom se koriste za male brzine, za male padove vode i velike protoke.

15

Turbine s križnim protokom se često konstruiraju s dvjema turbinama različitog kapacitata na istom vratilu. Rototi su istog promjera, ali različitih dužina lopatica, tako da primaju različiti obujam ili protok vode. Taj odnos protoka je obično 1:2. Konstrukcija za dovod vode ima mogućnost da se mijenja dovod vode za 33 %, 66 % i 100 % snage turbine, a to ovisi o raspoloživom protoku vode. Najveća prednost ovih turbina je jednostavna konstrukcija i manji troškovi ugradnje.

4.4 Način rada Ossbergerove turbine Protočna Ossberger turbina se koristi za padove vode od 3 do 200 m. Protok vode za njih može biti od 0,03 do 13 m3/s. Snaga turbine može biti od 5 do 3 000 kW. Protočna Ossbergerova turbina radijalna je, blago reakcijska turbina, sa tangencijalnim rasporedom lopatica radnog kola (rotor), s vodoravnim vratilom. Prema radnim okretajima spada među sporohodne turbine. Razvodni sustav usmjerava vodni mlaz tako, da kroz vijenac lopatica ulazi u unutrašnji prostor rotora i dalje nastavlja kroz drugi protok sa unutrašnje strane rotora vani do kućišta turbine. Iz kućišta turbine voda otiče ili slobodno, ili sifonom u odvod ispod turbine.

Razvodni sustav Ukoliko je količina vode u vodnom toku promjenjiva, protočna turbina se konstruira kao dvokomorna (razvodni sustav). Standardna raspodjela dovodnih komora je u odnosu 1:2. Uža komora prima mali protok vode, a šira komora srednji protok. Obje komore zajedno primaju pun protok. Takvom raspodjelom količina vode iskorištena je u rasponu punog protoka sa optimalnim učinkom sve do njegove 1/6. Protočne turbine su na ovaj način veoma učinkovite, sa učinkom preko 80 % iskorištavaju i veoma promjenjive protoke rijeka. Veće turbine na višim padovima dostižu učinak i do 87 %.

Radno kolo ili rotor Najvažniji deo turbine je radno kolo ili rotor. Ono se sastoji od lopatica koje su proizvedene prema provjerenom postupku od vučenog, profiliranog čelika. Obostrano su smještene u krajnje diskove izavarene, po specijalnom postupku, sa unutrašnjim diskovima obrtnog kola. Protočne Ossberger turbine opremljene su standardiziranim, sferičnim valjkastim ležajevima, koji imaju značajne prednosti, kao što je mala sila trenja i lako održavanje. Konstrukcija kućišta ležajeva spriječava da voda procuri do ležajeva i svaki kontakt maziva sa radnom vodom. To je ključna osobina patentirane konstrukcije kućišta ležajeva protočne turbine.

Odvodni cjevovod Prema svom načinu rada protočna turbina radi sa slobodnim vodnim padom. U području srednjih i nižih padova ipak je potreban sifon. On služi da strojni dio bude zaštićen od poplava

16

i istovremeno da se bez gubitaka iskoristi čitava visina pada su iskorišćene a da ne postoji opasnost od nastanka kavitacije.

Radne osobine Kod protočnih Ossberger turbina ne dolazi do kavitacije, na osnovu čega otpada potreba da rotor bude smješten ispod razine donje vode i s tim povezana skupa izgradnja i mogući problemi u radu turbine. Za padove do 90 m u proizvodnji se koristi standardni, konstrukcijski čelik. Za padove od 90 do 120 m rotor se izrađuje od legiranog nerđajućeg čelika. Kod padova preko 120 m cijela turbina, zajedno sa kućištem i cjevovodom, je od nehrđajućeg materijala.

Prednosti Inženjeri i konstruktori turbina su pokušavali da snize ukupne troškove standardiziranjem hidro turbina. To je moguće za velike turbine ali kod malih hidro turbina dovodi do problema u vezi sa projektiranim padom i rasponom promjenjivosti godišnjeg protoka vode. Protočne Ossberger turbine ističu se dugogodišnjim vijekom trajanja, pri čemu nije potrebno nikakvo posebno održavanje. Tokom rada nije potrebno osigurati skupe i složene rezervne dijelove. Popravak je uglavnom moguć na mjestu ugradnje turbine. Prednost protočnih turbina predstavlja mogućnost njihovog korištenja u gravitacijskim sustavima sa pitkom vodom, i to kod veoma dugih cjevovoda, pri čemu u radu ne izazivaju nepoželjne hidrauličke udare i na taj način ne ugrožavaju kvalitetu pitke vode.

° Strojna obrada rotora Ossberger turbine

° Turbina s križnim protokom

17

5.5 Jonvalova turbina Jonvalova turbina je sagrađena 1885. Bila je u pogonu oko 100 godina u Ženevi, na pumpnoj stanici za poznatu fontanu Jet d'Eau. Ukupno je bilo 17 takvih vodnih turbina. Nijemac Henschel (1837.) i francuz Feu Jonval (1841.) neovisno jedan od drugoga patentiraju turbinu, kasnije nazvanu Henschel-Jonvalova turbina ili samo Jonvalova turbina. Kod te turbine voda struji paralelno s vratilom, a u tu turbinu je prvi put ugrađen difuzor tj. odsisna cijev koja omogućava iskorištavanje cijelog raspoloživog pada, iako je rotor turbine bitno podignut iznad donje razine vode. Ova vrsta turbine ima nešto slabiji stupanj iskorištenja od Francisove turbine. Normalno je radno kolo vodoravno, pa su je u početku i zvali “vodoravno vodeničko kolo”. Ipak je zabilježeno da je radno kolo znalo biti ugrađeno i vertikalno.

Rotor Jonvalove turbine U SAD su dalje razvijali Jonvalovu turbine jer joj je glavna prednost bila jednostavno održavanje i vrlo se malo kvarila.

5.6 Teslina turbina Teslina turbina je turbina bez lopatica koju je otkrio Nikola Tesla 1913. Umjesto lopatica ona koristi djelovanje graničnih slojeva između fluida (plinovi,tekućine, pare) i višestrukih vrhova glatkih diskova. Granični dijelovi fluida djeluju na diskove zbog viskoznosti (trenje fluida) i privlačnih sila slojeva diska i fluida. Kako rotor nema lopatica, niti bilo kakvih isturenih dijelova, on je veoma čvrst. Teslina turbine bi trebala imati vrlo mali razmak izmedu diskova, najviše 0,4 mm i površina treba biti vrlo glatka. U Teslino vrijeme se nisu mogli naći takvi materijali za vrlo tanke diskove budući su se pod opterećenjem iskrivljavali i deformirali te stoga Teslina turbina nije doživjela komercijalni uspjeh.

18

Još uvijek se danas ispituju načini primjene Tesline turbine. Čak postoji od 2010. i konstrukcija za vjetroelektrane. Prednost leži u korištenju za malesnage turbina. Teslina želja je bila iskoristiti njegovu turbinu za korištenje geotermalne energije.

Konstrukcija Tesline turbine bez lopatica.

4. LITERATURA 1. „Vodne turbine“ dr.sc. Zoran Čarija, Tehnički fakultet Rijeka, 2010. 2. „Vrste hidrauličkih turbina“ prof.dr.sc. Sejid Tešnjak, prof.dr.sc. Davor Grgić, prof.dr.sc. Igor Kuzle, Fakultet elektrotehnike i računarstva Zagreb, 2010. 3.“Wikipedia“.

19