Oběžná kola vodních turbín: Typy a technické specifikace

Vodní turbíny jsou klíčovými komponenty vodních elektráren, které přeměňují energii proudící nebo padající vody na mechanickou energii. Jádrem tohoto procesu jeběžec, rotující část turbíny, která přímo interaguje s prouděním vody. Konstrukce, typ a technické specifikace oběžného kola jsou klíčové pro určení účinnosti turbíny, rozsahu provozního spádu a scénářů použití.

1. Klasifikace oběžných kol vodních turbín

Oběžná kola vodních turbín se obecně dělí do tří hlavních kategorií podle typu průtoku vody, kterým manipulují:

A. Impulzivní běžci

Impulsní turbíny pracují s vysokorychlostními vodními tryskami, které narážejí na lopatky oběžného kola za atmosférického tlaku. Tato oběžná kola jsou navržena provysoký spád, nízký průtokaplikace.

• Peltonův běžec:

  • StrukturaLžícovité kbelíky upevněné na obvodu kola.

  • Rozsah hlavy: 100–1800 metrů.

  • RychlostNízké otáčky; často vyžaduje zvyšování otáček.

  • AplikaceHorské oblasti, mikroelektrárny nezávislé na síti.

B. Reakce běžců

Reakční turbíny pracují s postupnou změnou tlaku vody při jejím průchodu oběžným kolem. Tato oběžná kola jsou ponořená a pracují pod tlakem vody.

• František Runner:

  • StrukturaSmíšené proudění s radiálním a axiálním pohybem směrem dovnitř.

  • Rozsah hlavy: 20–300 metrů.

  • ÚčinnostVysoká, obvykle nad 90 %.

  • AplikaceŠiroce používán ve vodních elektrárnách se středním tlakem.

• Kaplan Runner:

  • StrukturaAxiální oběžné kolo s nastavitelnými lopatkami.

  • Rozsah hlavy: 2–30 metrů.

  • FunkceNastavitelné nože umožňují vysokou účinnost při různém zatížení.

  • AplikaceNízkopřítokové řeky s vysokým průtokem a aplikace pro příliv a odliv.

• Vrtule běžec:

  • StrukturaPodobné jako Kaplan, ale s pevnými čepelemi.

  • ÚčinnostOptimální pouze za podmínek konstantního průtoku.

  • AplikaceMalé vodní elektrárny se stabilním průtokem a spádem.

C. Jiné typy běžců

• Turgo Runner:

  • StrukturaVodní trysky dopadají na běžec pod úhlem.

  • Rozsah hlavy: 50–250 metrů.

  • VýhodaVyšší rychlost otáčení než Pelton, jednodušší konstrukce.

  • AplikaceMalé až střední vodní elektrárny.

• Příčný proud (turbína Banki-Michell):

  • StrukturaVoda protéká žlabem napříč, dvakrát.

  • Rozsah hlavy: 2–100 metrů.

  • FunkceVhodné pro malé vodní elektrárny a proměnný průtok.

  • AplikaceSystémy nezávislé na síti, mini vodní elektrárny.

2. Klíčové technické specifikace běžců

Různé typy běžců vyžadují pečlivou pozornost věnovanou jejich technickým parametrům, aby byl zajištěn optimální výkon:

3. Kritéria výběru

Při výběru typu běžce musí inženýři zvážit:

• Hlava a průtokUrčuje, zda zvolit impuls nebo reakci.

• Podmínky na stanovištiProměnlivost řek, zatížení sedimenty, sezónní změny.

• Provozní flexibilitaPotřeba seřízení lopatek nebo úpravy průtoku.

• Náklady a údržbaJednodušší běžce jako Pelton nebo Propeller se snadněji udržují.

4. Budoucí trendy

S pokrokem ve výpočetní dynamice tekutin (CFD) a 3D tisku kovů se konstrukce oběžných kol turbín vyvíjí směrem k:

• Vyšší účinnost při proměnných průtocích

• Přizpůsobené běžce pro specifické podmínky na staveništi

• Použití kompozitních materiálů pro lehčí a korozivzdornější čepele

Závěr

Oběžná kola vodních turbín jsou základem přeměny vodní energie. Výběrem vhodného typu oběžného kola a optimalizací jeho technických parametrů mohou vodní elektrárny dosáhnout vysoké účinnosti, dlouhé životnosti a sníženého dopadu na životní prostředí. Ať už se jedná o malou elektrifikaci venkovských oblastí nebo o velké elektrárny připojené k rozvodné síti, oběžné kolo zůstává klíčem k uvolnění plného potenciálu vodní energie.