O vodnim turbinama Uvod
Vodna turbina je rotirajući motor koji preuzima energiju gibajuće vode.Vodne su turbine razvijene u 19. stoljeću i imale su široku primjenu u dobivanju industrijske snage prije pojave električnih mreža. Danas se pretežno koriste za dobivanje enektrične energije. Iskorištavaju čist i obnovljivi izvor energije. Povijest vodne turbine
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 Također su u velikom broju primjenjivani novi materijali i nove metode priozvodnje razvijene u tom razdoblju. Vrtlog
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 i ste 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). Princip rada
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. Vodne turbine se dijele na dvije skupine; reaktivne turbine i impulsne turbine Turbine možemo podjeliti u dvije osnovne grupe relaktivne i impulsne turbine: Relaktivne 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
Impulsne turbine mijenjaju brzinu vodenog mlaza. Mlaz udara na zakrivljene lopatice turbine koje mijenjaju smjer mlaza. Rezultirajuća promjena količine gibanja (Impuls sile) uzrkuje silu na lopaticama turbine. Zbog vrtnje turbine, sila djeluje na put, rad i preusmjereni vodeni tok ima smanjenu energiju.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 tlaka, 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.
Snaga
Snaga dobivena iz struje vode je; P = η*ρ*g*h*q
gdje su: P snaga (J/s or W) η= efikasnost turbine ρ= gustoća vode (kg/m³) g = gravitacijsko ubrzanje (9.81 m/s²) h= visina (m). Za mirujuću vodu to je rezlika između ulazne i izlazne površine. Gibajuća voda ima dodatnu komponentu koja se uračunava za kinetičku energiju toka. Ukupni tlak je jednak sumi statičke i dinamičke komponente tlaka. q = protok (m³/s) • • • • •
•
Efikasnost
Velike moderne vodne turbne rade sa stupnjem efikasnosti većim od 90% (razlikovati od stupnja iskorištenja). Vrste vodnih turbina Reaktivne turbine: • • • • •
Francisova turbina Kaplanova turbina Tysonova turbina, Gorlova turbina Vodeničko kolo Arhimedov vijak
Impulsne turbine: • • • • •
Peltonova turbina Turgo turbina Turbina s križnim protokom: Ossberger turbina, Banki turbina Jonvalova turbina Teslina turbina
Konstrukcija i primjena
Odabir turbine temelji se uglavnom na raspoloživom tlaku vode, a manje na raspoloživom protoku. Uglavnom se impulsne turbine koriste za postrojenja visokog hidrostatskog tlaka, a reaktivne turbine za postrojenja niskog hidrostatskog tlaka. Kaplan turbine sa podesivim nagibom lopatica su primjerene za širok spektar uvjeta toka i tlaka, jer u tim uvjetimo postižu najvišu efikasnost. Male turbine (ispod 10 MW) mogu imati horizontalne osovine, a čak i veće turbine do 100 MW mogu imati horizontalnu osovinu. Vrlo veliki Francisovi i Kaplanovi strojevi uglavnom imaju vertikalne osovine, jer se tako najbolje iskorištava raspoloživi tlak, te je takva ugradnja generatora ekonomičnija. Peltonova kola mogu imati ili vertikalne ili horizontalne osovine, jer je veličina stroja puno manja od raspoloživog tlaka. Neke impulsne turbine koriste višestruke mlazove vode na jednom rotoru u svrhu povećanja specifične brzine i balansiranja osovine. Standardni rasponi pieziometričkih visina [uredi] Vodno kolo 0.2 < H < 4 (H = pijeziometarska visina u m) Arhimedov vijak 1 < H < 10 Kaplan turbina 2 < H < 40 Francisova turbina 10 < H < 350 Peltonovo kolo 50 < H < 1300 Turgo turbin 50 < H < 250 • • • • • •
Specifična brzina Specifična brzina ns turbine karakterizira oblik turbine na način koji nije vezan za njenu
veličinu. To omogućava da nova konstrukcija turbine bude određena postojćom konstrukcijom poznatih radnih svojstava. Specifična brzina je također glavni kriterij za određivanje pravilnog tipa turbine za određeno hidro-postrojenje. Specifična brzina je brzina turbine po jedinici pieziometričke visine kada proizvodi jedinicu snage. Održavanje
Turbine su konstruiranje da rade desetljećima uz vrlo malo održavanja glavnih elemenata; remont se izvršava u intervalu od nekoliko godina. Održavanje rotora i dijelova izloženih vodi uključuju odstranjivanje, inspekciju i popravak istrošenih dijelova. Uobičajeno trošenje uključuje kavitaciju, pucanje uslijed umora materijala i abraziju zbog krutih čestica u vodi. Čelični elementi se popravljaju zavarivanjem. Oštećena područja se izrezuju ili bruse, pa kasnije zavaruju natrag na originalni ili poboljšani profil. Starim rotorima turbina se može na taj način dodati velika količina nehrđajućeg čelika do kraja njihovog radnog vijeka. Komplicirani postupci varenja se mogu koristiti za postizanje popravaka najviše kvalitete. Ostali elementi koji zahtijevaju inspekciju i popravke tijekom remonta su ležajevi, kučište i rukavci osovine, servomotori, rashladni sustav za ležajeve i zavojnice generatora i sve površine.
Francisova turbina pri kraju životnog vijeka pokazuje znakove kavitacije, umora materijala i katastrofalnog kvara.