Francisova turbína
Výklad
Vodní turbína je základní zařízení používané k přeměně tlakové a kinetické energie vody na mechanický rotační pohyb hřídele. V dnešní době se dále tento rotační pohyb nejčastěji používá k pohonu elektrického generátoru vyrábějícího univerzální elektrickou energii.
Něco z historie, princip práce vodní turbíny a obecné rozdělení vodních turbín je představeno u sousedního objektu Kaplanovy turbíny. V této části si představíme další dva typy turbín – Francisovu a Peltonovu turbínu.
![Sedm elektrických generátorů elektrárny Hoover Dam stojící na řece Colorado na hranici mezi státy Arizona a Nevada (Zdroj: Ralf Broskvar / Shutterstock.com) Sedm elektrických generátorů elektrárny Hoover Dam stojící na řece Colorado na hranici mezi státy Arizona a Nevada (Zdroj: Ralf Broskvar / Shutterstock.com)](/data/web/powerplant/vodni-elektrarna/francisova-turbina/photos/shutterstock_8115895.jpg)
Sedm elektrických generátorů elektrárny Hoover Dam stojící na řece Colorado na hranici mezi státy Arizona a Nevada
Francisova turbína
Francisova vodní turbína patří mezi reakční přetlakové radiaxiální turbíny a v energetice je jednou z nejpoužívanějších turbín. Radiaxiální znamená, že voda vstupuje do oběžného kola radiálně a vystupuje z něj axiálně. Přetlaková označuje, že pracovní kapalina mění svůj tlak během celého průchodu vodním strojem. S poklesem tlaku je spojena i transformace tlakové energie v kinetickou – část se mění v rozváděcích kanálech a část při průchodu oběžným kolem. Napojením výstupu turbíny na sací odpadní potrubí (savku) lze v přetlakové turbíně využít celou spádovou výšku – celý výškový rozdíl hladin horní a dolní nádrže. Francisova turbína s pevnými lopatkami oběžného kola může být použita pro poměrně široký rozsah průtoků i spádů.
Francisova turbína se reguluje natáčením lopatek rozváděcího kola, umístěných po celém obvodu turbíny. Regulace turbíny umožňuje zajistit stálé otáčky turbosoustrojí i při měnícím se průtoku. Voda přitéká z přivaděče do vstupní spirální skříně turbíny (kovová svařená nebo betonová), která ji rovnoměrně rozdělí do všech mezilopatkových kanálů. Správným nastavením rozváděcích lopatek se profilují průtočné kanály a voda v nich získává potřebnou rychlost a správný směr aby optimálně dopadala na lopatky oběžného kola a mohla mu odevzdat maximum své energie. Po výstupu z oběžného kola je voda odváděna savkou do spodní nádrže. Vodotěsnost savky zvyšuje využitelnost spádu až ke spodní hladině.
![Natáčecí lopatky rozváděcího kola, které jsou umístěny kolem pevného oběžného kola, upravují směr a rychlost protékající vody (Zdroj: flaviano fabrizi / Shutterstock.com) Natáčecí lopatky rozváděcího kola, které jsou umístěny kolem pevného oběžného kola, upravují směr a rychlost protékající vody (Zdroj: flaviano fabrizi / Shutterstock.com)](/data/web/powerplant/vodni-elektrarna/francisova-turbina/photos/shutterstock_166555805.jpg)
Natáčecí lopatky rozváděcího kola, které jsou umístěny kolem pevného oběžného kola, upravují směr a rychlost protékající vody
Účinnost energetických Francisových turbín dosahuje přes 90 %, dokáží zpracovat spády i několik stovek metrů (do cca 500 metrů) a pohání generátory s výkonem do 1 000 MW. Oběžná kola největších Francisových turbín dosahují průměru přes 10 metrů.
Výhodou Francisových turbín je jejich snadná použitelnost v přečerpávacích elektrárnách. Reverzní soustrojí se při výrobě elektřiny používá jako turbína, v čerpadlovém provozu při změně směru otáčení slouží jako čerpadlo. V České republice jsou Francisovy turbíny například použity v přečerpávací elektrárně Štěchovice, nebo ve vodní elektrárně Lipno I.
Peltonova turbína
Peltonova vodní turbína je typickým představitelem rovnotlakých akčních turbín s parciálním tangenciálním ostřikem oběžného kola. Parciální znamená, že v turbíně je voda přiváděna jen na část obvodu oběžného kola, tangenciální ostřik označuje nasměrování proudu vody po tečně k obvodu oběžného kola.
Je určena pro velké spády a relativně malé průtoky vody. Instaluje se většinou v horizontálním provedení, pro větší výkony je možná i vertikální instalace. Voda je do turbíny přiváděna tlakovými přivaděči, na konci kterých je osazena jedna nebo několik ostřikových dýz. V dýzách se tlaková energie vody mění na kinetickou energii vodního paprsku a ten je nasměrován na oběžné kolo s dvojitými lžícovitými lopatkami. Tlak vody se při průchodu oběžným kolem již nemění. Lopatka oběžného kola paprsek rozdělí na dvě poloviny a otočí o 180°, čímž absorbuje téměř veškerou jeho energii. Po opuštění lopatky voda padá s minimální zbytkovou rychlostí volně do odpadu pod turbínu a odpadním kanálem je odvedena bez užitku mimo elektrárnu.
Podobnou konstrukci jako Peltonova turbína má i levnější turbína Turgo. Rozdíl je jenom ve způsobu ostřiku oběžného kola. U Turgo turbíny je paprsek vody z dýzy nasměrován na oběžné kolo z boční strany. Jednodušší tvar i výroba lžícovitých lopatek umožňuje použití turgo turbín nejen ve velkých ale i v menších instalacích v malých vodních elektrárnách.
Účinnost Peltonovy turbíny dosahuje až 95 %, menší turbíny mají účinnost asi o 10 % nižší. Regulace turbíny spočívá ve škrcení dýz (uzavíráním výtokových otvorů dýz) centrální regulační jehlou. V případě nutného odstavení turbíny je nejdříve vodní paprsek odkloněn od oběžného kola a následně je zmenšován průřez dýzy zasouváním jehly. Tímto postupem se zamezí vzniku nebezpečných tlakových rázů v přívodním potrubí.
Peltonovy turbíny se často používají v horských oblastech, kde mají říčky velký spád, ale malý průtok. Škálovatelnost Peltonových turbín v energetice je dobrá do cca 200 MW. Větší výkony limituje především pevnost lopatek, na které působí značná odstředivá síla. V České republice nejsou pro využití těchto turbín optimální podmínky, přesto je použita například v přečerpávací elektrárně Třebušice.