|
– autor: –
ŠKORPÍK, Jiří (LinkedIn.com/in/jiri-skorpik)
– datum vydání: –
Srpen 2025
– název: –
Vodní turbíny
– sborník: –
– provenience: – Brno (Česká republika)
– email: – skorpik.jiri@email.cz
Copyright©Jiří Škorpík, 2025 |
Rozdělení a parametryV současné době převažují pouze čtyři typy vodních turbín a jejich modifikace, viz podkapitola Historické poznámky. Mezi tuto čtveřici patří Peltonova turbína, Francisova turbína, Kaplanova turbína a Deriazova turbína. To jaký typ turbíny pro danou aplikaci je vhodné použít lze určit pomocí měrných otáček.
– 1: – ![]() Vodní kolo na spodní vodu Velkopřevorského mlýna na Čertovce – Úloha 1: –
Navrhněte vodní kolo na dolní vodu, máte-li k dispozici jez o spádu 0,6 m, s objemovým tokem 0,7 m3·s-1. K výpočtu použijte empirické poznatky sekerníků a mlynářů [Štěpán, and Křivanová, 2000] a znalosti hydrodynamiky konce 18. století. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 1.
![]() |
|
– 2: – ![]() Princip regenerace čerpací práce: 1-turbočerpadlo; 2-elektrický motor; 3-Peltonova turbína; 4-tlaková nádoba, ve které se využívá voda o vysokém tlaku, přičemž při tomto procesu nedochází k velké ztrátě tlaku vody; 5-odpadní beztlakový kanál.
|
|
– 3: – ![]() Hlavní části Peltonovy turbíny: (a) horizontální Peltonova turbína; (b) rychlostní trojúhelník P. turbíny podle [Shepherd, 1965, s. 351]. 1-přívody vody přes kulový uzávěr; 2-regulační jehla; 3-odchylovač (deviátor) vodního paprsku; 4-vodní paprsek; 5-lopatky usazené na disku oběžného kola; 6-brzdící tryska (snižuje čas doběhu turbíny při odstavení); 7-odvod vody šachtou. Ød [m] střední průměr lopatek; ω [rad·s-1] úhlová rychlost otáčení rotoru; V [m·s-1] absolutní rychlost; U [m·s-1] obvodová rychlost; W [m·s-1] relativní rychlost. θ-označení obvodového směru, a-označení axiálního směru (osa hřídele rotoru). Index 1 označuje stav před rotorem, index 2 označuje stav za rotorem.
|
|
– 4: – ![]() S rostoucí hodnotou měrných otáček roste podíl obvodové rychlosti na velikosti Eulerovy práce turbíny. NS [min-1] měrné otáčky; r [m] poloměr. Index m označuje parametry na středním kvadratickém poloměru lopatek, index t na špici lopatek, index h u pat lopatek – Úloha 2: –
Proveďte první iteraci výpočtu hlavních rozměrů lopatkové části Francisovy turbíny na středním kvadratickém poloměru, špic a pat lopatek. Objemový tok turbínou musí být 3,12 m3·s-1. Další zadané parametry jsou: ΔzR-T=46,3 m; Δz2-T=1,6 m, V2=4 m·s-1; Δz2-e=2 m. Otáčky turbíny musí být 750 min-1. Hladina přítokové nádrže je v nadmořské výšce 500 m, což odpovídá tlaku 92,8 kPa (tlak na hladině odtokové nádrže uvažujte stejný). V první iteraci odhadněte hodnotu poměrných vnitřních ztrát turbíny včetně sací trouby na 0,1 bez započítaní ztráty v kinetické energii rychlosti na výtoku sací trouby. Diskutujte vliv vodního sloupce před turbínou na rozměry turbíny. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 2.
![]() Rozměry na obrázku (b) jsou v mm.
|
– 5: – ![]() Vnitřní účinnost vodních turbín při změně průtoku: a-Peltonova turbína; b-Kaplanova turbína; c-Francisova turbína; d-Francisova turbína; e-vrtulová turbína. ηi [1] vnitřní účinnost, která nzývá i hydraulickou úšinností; Q [m3·s-1] objemový tok; Qn [m3·s-1] jmenovitý objemový tok. Zdroj dat [Miller et al. 1972, s. 1237].
– 6: – ![]() |
Energetická bilanceVodní turbína může být součástí různých hydraulických systémů, obvykle se nachází mezi dvěma tlakovými nádržemi nebo atmosférickými nádržemi jako na Obrázku 7. Energetická bilance turbíny se provádí mezi vtokem do jejího vstupního hrdla (index i) a výtokem z výstupního hrdla (index e), přičemž výstupní hrdlo u Francisových a Kaplanových funkcí má funkci sací trouby, viz další kapitola.
– 7: –
wi [J·kg-1] vnitřní práce; z [m] geodetická výška; g [m·s-2] gravitační zrychlení; p [Pa] tlak. Index R označuje hladinu přítoku (Reservoir), index T označuje hladinu odtoku (Tailwater), index s označuje celkový tlak, index i označuje stav na vtoku do vstupního hrdla turbíny, index 2 označuje stav na výtoku z rotoru, index e označuje stav na výtoku z hrdla turbíny, respektive sací trouby. Na obrázku je hráz a strojovna Vranovské přehrady. Odvození rovnic je uvedeno v Příloze 3. |
Sací troubaSací trouba je postupně se rozšiřující kanál, ve kterém dochází ke snižování celkového tlaku až na tlak na výtoku ps, e (Obrázek 8c-d) a tím i zvyšuje vnitřní práci turbíny.
– 8: – ![]() (a) turbína je těsně nad hladinou odtoku; (b) turbína je výše nad hladinou odtoku; (c) sací trouba sníží tlak za turbínou (případ pT=pe); (d) kolenová sací trouba umožňuje snížit výtokovou rychlost u turbín (pT<pe). DT-sací trouba (Draft tube). Index 1 označuje stav před rotorem, index 2 za rotorem.
|
– 9: – ![]() ηDT [1] účinnost sací trouby; LDT [J·kg-1] vnitřní ztráty v sací troubě; V [m·s-1] absolutní rychlost.
KavitaceKavitace ve vodní turbíně vzniká tam, kde v mezní vrstvě lopatek poklesne tlak pod tlak sytých par. Kritické místo pro vznik kavitace je u odtokových hran lopatek rotoru v místě s nejvyšší rychlostí a nejnižším tlakem, tzn. na poloměru r2,t. Podstaný vliv na pravděpodobnost vzniku kavitace ve vodní turbíně je výška mezi odtokovými hranami lopatek a hladinou odtoku Δz2-T.
|
|
– 10: – ![]() NPSH [m] minimální sací výška turbíny, viz Úloha 2; NPSHR [m] požadovaná minimální sací výška turbíny (oproti NPSH započítán i vliv obtékání lopatek a ztrát); σ [1] Thomaův součinitel (Thoma coefficient); σc [1] kritický Thomaův součinitel; ωSP [rad·s-1] výkonové měrné otáčky; Pi [W] vnitřní výkon turbíny; ρ [kg·m-3] hustota.
– 11: –
Údaje z [Dixon and Hall, 2010, s. 332].
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
OdkazyŠKORPÍK, Jiří, 2022, Aerodynamika profilů, fluid-dynamics.education, Brno, https://fluid-dynamics.education/aerodynamika-profilu.html.
ŠKORPÍK, Jiří, 2023, Proudění plynů a par difuzory, fluid-dynamics.education, Brno, https://fluid-dynamics.education/proudeni-plynu-a-par-difuzory.html.
DIXON, S., HALL, C., 2010, Fluid Mechanics and Thermodynamics of Turbomachinery, Elsevier, Oxford, ISBN 978-1-85617-793-1.
GALLANO, Fernando, VEIGA DE OLIVEIRA, Ernesto, PEREIRA, Benjamin, 1998, Layman's handbook, on how to develop a small hydro site, 1998, A handbook prepared under contract for the Commission of the European Communities, Directorate-General for Energy by European Small Hydropower Association (ESHA), DG XVII – 97/010. Dostupné online z http://ec.europa.eu/energy/library/hydro/layman2.pdf.
HOCH, A., 1941, Vynálezy, které změnily svět, Orbis, Praha.
JAPIKSE, David, 1997, Introduction to turbomachinery, Oxford University Press, Oxford, ISBN 0–933283-10-5.
JÍLEK, František, KUBA, Josef, JÍLKOVÁ, Jaroslava, 1980 Světové vynálezy v datech, Mladá fronta, Praha.
JONNESOVÁ, Jill, 2009, Říše světla, Academia, Praha, ISBN 978-80-200-1664-5.
KADRNOŽKA, Jaroslav, 2003, Lopatkové stroje, Akademické nakladatelství CERM, s.r.o., Brno, ISBN 80-7204-297-1.
MILLER, Rudolf, HOCHRAINER, A., LÖHNER, K., PETERMANN, H., 1972, Energietechnik und Kraftmaschinen, Rowohlt taschenbuch verlag GmbH, Hamburg, ISBN 3-499-19042-7.
NECHLEBA, Miroslav, HUŠEK, Josef, 1966, Hydraulické stroje, Státní nakladatelství technické literatury, Praha.
PFLEIDERER, Carl, PETERMANN, Hartwig, 2005, Strömungsmaschinen, Springer Verlag Berlin, Heidelberg, New York, ISBN 3-540-22173-5.
SHEPHERD, D., 1965, Principles of turbomachinery, The Macmillab Company, New York.
ŠTĚPÁN, Luděk, KŘIVANOVÁ, Magda, 2000, Dílo a život mlynářů a sekerníků v Čechách, Argo, Praha, ISBN 80-7203-254-2.
©Jiří Škorpík, LICENCE
|