Turbiny wodne

      Określenie turbozespół wodny obejmuje całość urządzenia służącego do przemiany energii wody w energię elektryczną. Najczęściej turbozespół składa się z dwóch zasadniczych maszyn turbiny wodnej i bezpośrednio sprzęgniętej z nią prądnicy (generatora). Przy możliwy jest napęd prądnicy za pośrednictwem przekładni, zwykle zębatej. Turbina wodna (typu Kapłana) składa się z następujących zespołów: właściwej maszyny, stanowiącej konstrukcję mechaniczną spirali doprowadzającej wodę do turbiny, rury ssawnej odprowadzającej z wirnika turbiny oraz układu regulacji. Istnieją też rozwiązania turbin wodnych bez spirali lub rury ssawnej, w których doprowadzenie i odprowadzanie wody z wirnika odbywa się w odmienny sposób. Generator składa się z następujących zespołów: stojana i wirnika; ułożyskowania części wirujących, układu wzbudzenia i układu chłodzenia. W turbozespole woda dopływa przez kraty wlotowe 1, a następnie przechodzi przez spiralę 2, łopatki wsporcze 3 do aparatu kierowniczego 4 z ruchomymi łopatkami kierowniczymi, służącymi do regulacji przełyku turbiny. Z kierownicy woda wpływa do wirnika turbiny 5, przekazując mu swoją energię i wypływa przez rurę ssawną ó. Wirnik turbiny przekazuje z kolei energii mechaniczna poprzez wał turbozespołu 7 na wirnik prądnicy 8. Wirnik turbiny, wał, wirnik prądnicy oraz ewentualnie osadzony nad nim wirnik wzbudnicy 10, stanowi część wirującą turbozespołu. Wał turbiny jest ułożyskowany bezpośrednio przy wirniku w łożysku 11 turbiny, stanowiącym dolne łożysko prowadzące. Górne łożysko poprzeczne - łożysko prądnicy 12 - jest umieszczone pod lub nad prądnicą; niekiedy istnieją dwa prowadzące łożyska prądnicy umieszczone z obu stron jej wirnika. Napór osiowy, wynikający z ciężaru części wiruje i naporu hydraulicznego na wirnik turbiny, jest przejmowany przez łożysko wzdłużne 13, zwane łożyskiem oporowym. Łożysko to może znajdować się nad prądnicą lub tuż pod nią i wtedy jest często umieszczone na konstrukcji opartej na pokrywie turbiny.


Turbozespół elektrowni wodnej niskospadowej z turbiną Kaplana

Systemy turbin wodnych

      Obecnie są stosowane następujące systemy turbin wodnych, nazywane od nazwisk konstruktorów:

  • Peltona
  • Francisa
  • Deriaza
  • Kapłana (śmigłowe)

W ramach systemu turbiny występują różne typy, charakteryzujące się wyróżnikiem szybkobieżności lub też układem turbozespołu. Turbiny poszczególnych systemów nazywa się szybkobieżnymi, średniobieżnymi i wolnobieżnymi.


Kształty wirników turbin wodnych róznych systemów, zależnie od wyróżnika szybkobieżności

Turbiny Peltona

Turbiny Peltona są stosowane na największe spady. Dwudyszowa turbina Peltona pokazana jest na rysunku. Woda jest tu doprowadzana do wirnika 1 dwiema dyszami 5, odgrywającymi rolę wieńca kierowniczego turbiny. Strumień wody wypływający z każdej z dysz uderza w łopatki wirnika w kształcie czarek. Czarki są ukształtowane w ten sposób, że rozdzielają strumień na dwie części i jednocześnie odchylają go w kierunku przeciwnym do kierunku prędkości obwodowej prawie o 180 stopni. Dzięki temu energia kinetyczna strugi jest przekazywana wirnikowi. Turbina może mieć jedną lub szereg dysz (w przykładzie dwie). Po spłynięciu z czarki woda opada grawitacyjnie w komorze wirnika i jest odprowadzana do wody dolnej. Strumień objętości wody, a więc i moc turbiny, można regulować w sposób ciągły, przesuwając osiowo iglicę 4 co zmienia przekrój wylotowy dyszy z możliwością całkowitego jej zamknięcia. Odchylacz strumienia 6 umożliwia szybkie przerwanie działania strumienia wody na wirnik przez odchylenie go od wirnika. Turbina Peltona jest rzadkim obecnie przykładem turbiny czysto akcyjnej, w której zwiększenie prędkości czynnika ma miejsce tylko w wieńcu kierowniczym, natomiast w wirniku następuje zmiana pędu wyłącznie przez odchylenie strumienia. Pozostałe systemy turbin wodnych dotyczą turbin reakcyjnych.


Dwudyszowa turbina Peltona

Turbiny Kapłana

Turbiny Kapłana są stosowane na spady niskie. Są to turbiny śmigłowe z nastawnymi łopatkami. Turbiny te mają bardzo dobre właściwości regulacyjne, dzięki możliwości jednoczesnego właściwego ustawienia zarówno łopatek kierowniczych, jak i wirujących, przez odpowiedni ich obrót. Dzięki temu praca turbiny może być łatwo dostosowana do zmienionych (np. przy innym obciążeniu - przełyku) z zachowaniem praktycznie nie zmienione sprawności. Turbiny Kapłana w układzie poziomym lub ukośnym w obudowie rurowej nazywamy turbinami rurowymi. Układ rurowy w stosunku do klasycznego umożliwia uproszczenie konstrukcji i obniżenie kosztów wykonania zarówno turbozespołu, jak i betonowego bloku elektrowni. Turbiny rurowe są stosowane przy małych spadach. Turbina jest tu często sprzęgana z prądnicą za pośrednictwem przekładni. Turbiny rurowe mogą pracować przy dwóch kierunkach przepływu oraz jako pompoturbiny. Wobec swoich zalet nadają się też do wykorzystania w małych elektrowniach, co nadaje im szczególne znaczenie w warunkach krajowych.


Schemat układu do zmiany kata ustawienia łopatek kierowniczych turbiny Kaplana


Turbozespół rurowy z przekładnia stożkową

Turbiny Francisa i turbiny Deriaza

Turbiny Francisa i turbiny Deriaza są stosowane przy spadkach średnich. Są to turbiny o przepływie promieniowo-osiowym. Układ tych turbin i większość rozwiązań konstrukcyjnych jest analogiczna lub podobna jak w turbinach Kapłana. Zasadnicza różnica dotyczy kształtu i budowy wirnika. W odróżnieniu od turbin Kapłana łopatki wirnika turbiny Francisa są nieruchome, a regulacja pracy turbiny odbywa się wyłącznie za pomocą ruchomych łopatek kierowniczych przy rozwiązaniu podobnym jak w turbinie Kapłana Turbiny Darianza są w istocie turbinami Francisa z przestawianymi łopatkami wirnika, jak w turbinach Kapłana. Turbiny Francisa są stosowane od blisko stu lat, a turbiny Deriaza dopiero od niedawna, przy czym należy przewidywać ich coraz szersze rozpowszechnienie wobec zalet tego rozwiązania. Oba systemy turbin są stosowane jako pompoturbiny.


Wirniki - turbiny Frencisa - turbiny Derianza

Pompoturbiny

Ogromny postęp techniczny w budowie elektrowni pompowych stanowiło zastosowanie turbin odwracalnych (pompoturbin), tj. maszyn, które mogą pracować zarówno jako pompy, jak i turbiny. Wyposażenie maszynowe pompowych ulegało znacznej ewolucji. Pierwsze elektrownie pompowe miały układy czteromaszynowe (pompa i silnik oraz turbina i prądnica), które następnie zostały zastąpione układami trójmaszynowymi (pompa, silnik-pradnica, turbina), a te z kolei zastąpiono układami dwumaszynowymi (pompoturbina oraz silnik-prądnica). Przy pracy turbinowej woda jest doprowadzana do wirnika 1 przez spiralę 2. Odprowadzenie wody następuje typową rurą ssawną 3. Turbina napędza bezpośrednio silniko-prądnicę 4, pracującą w tym momencie jako prądnica. Przejście do pracy pompowej wymaga zmiany kierunku ruchu obrotowego i odpowiedniego ustawienia regulowanych łopatek pompoturbiny. Woda dopływa wtedy przez rurę ssawną 3, a wypływa przez spiralę 2. Silniko- prądnica 4 pracuje przy tym jako silnik napędowy. Pompoturbiny są budowane przeważnie w układzie pionowym, przy czym całość rozwiązania jest analogiczna jak w turbozespołach klasycznych. Pewne jedynie elementy, poza wirnikiem, wykazują różnice, spowodowane głównie dwoma kierunkami ruchu obrotowego maszyny. Pompoturbiny mają nieco zmieniony kształt łopatek (wydłużone kanały między - łopatkowe), co umożliwia pompowanie wody z dobrą sprawnością. Przy tym jednak spada nieco sprawność w ruchu turbinowym w stosunku do rozwiązań klasycznych.


Elektrowni pompowa Niagara z pompoturbinami Derianza


Schemat pompoturbiny Derianza elektrowni Niagara