Hidraulične Turbine

fakultet elektrotehnike i ra~unsrstvazavod za visoki napon i energetiku

HidroelektraneVrste hidraulikih turbina

Prof.dr.sc. Sejid TenjakDoc.dr.sc. Davor GrgiDoc.dr.sc. Igor Kuzle

fakultet elektrotehnike i ra~unsrstvazavod za visoki napon i energetikuELEKTRANE

Razvoj vodnih turbina 1

z Najstariji ureaj za pretvorbu energije vode u mehaniku energiju je vodeniko kolo. Pogonska sila vodenikog kola nastaje ili zbog teine vode ili zbog pretlaka zastoja vode, a ne kao rezultat promjene koliine gibanja vode, te se vodenika kola se ne smatraju turbinama.

z Oko 1500. godine Leonardo da Vinci je opisao reakcijsku silu zbog skretanja vodenog toka.



z 1750. godine Nijemac Segner je praktino razradio primjenu reakcijske sile za pokretanje kola (Segnerovo kolo).

z Matematikom interpretacijom rada Segnerovakola vicarac Euler postavio je temelje turbinske teorije koja neznatno dopunjena vrijedi i danas (Eulerova jednadba ili glavna jednadba turbostrojeva).



z 1827. godine u Francuskoj patentirana je prva vodna turbina -Fourneyronova turbina.

z U Fourneyronovoj turbini voda struji kroz lopatice statora od osovine prema obodu i udara u lopatice rotora ijim se okretanjem energija vode transformira u mehaniku energiju.



z Nijemac Henschela (1837.) i Francuza Jonvala (1841.) neovisno jedan od drugoga patentiraju turbinu kasnije nazvanu Henschel-Jonvalova turbina.

z Kod te turbine voda struji paralelno s osovinom, a u tu turbinu je prvi put ugraen difuzor tj. odsisna cijev koja omoguava iskoritavanje cijelog raspoloivog pada, iako je rotor turbine bitno podignut iznad donje razine vode.



z 1863. Francuz Girard patentirao je turbinu kod koje voda takoer struji aksijalno, ali iz rotora slobodno otjee tj. ne ispunjava sasvim prostor meu lopaticama.

z Gradnja navedenih turbina je naputena iz razloga jer se u suvremenim turbinama postie bolja korisnost.



z 1849. ameriki inenjer J.B. Francis unosi revoluciju u konstrukciji vodnih turbina s konstrukcijom pretlane turbine.

z 1877. amerikanac L.A. Pelton patentirao je prvu turbinu slobodnog mlaza.

z 1913. eh V. Kaplan patentirao je propelernuturbinu godine, a potom i propelerne turbine sa zakretnim lopaticama radnog kola.



z Za iskoritavanje hidropotencijala s malim geodetskim padom, a velikim protokom kao podvrsta Kaplanoveturbine razvijena je cijevna turbina.

z 1952. vicarac P. Deriaz je konstruirao dijagonalnu turbinu koja je zamiljena kao reverzibilni stroj (pumpa-turbina), ali se poela upotrebljavati i kao vodna turbina.


Vodna turbina 1Vodna turbina je pogonski stroj u kojem se potencijalna energija vode pretvara u kinetiku energiju, a zatim promjenom koliine gibanja u radnom kolu, u mehaniku energiju vrtnje.

Vratilo turbinskog radnog kola spojeno je u pravilu sa sinkronim generatorom u kojem se mehanika energija vrtnje pretvara u elektrinu energiju.

S obzirom na nain pretvorbe energije odnosno prema promjeni tlaka vode pri strujanju kroz radno kolo, vodne turbine dijele se na:

pretlane (reakcijske) turbine, turbine slobodnog mlaza (akcijske,

impulsne turbine).


Vodna turbina 2

Pretlanim turbinama nazivaju se vodne turbine u kojima je tlak na ulazu u rotor vei od onoga na njegovom izlazu. U pretlanim turbinama se dio potencijalne energije transformira u kinetiku energiju u statoru, a dio u rotoru. Zakretanje radnog kola uzrokuje promjena koliine gibanja i reaktivne sile (razlika tlaka, Coriolisova sila i dr.)U turbinama slobodnog mlaza je tlak na ulazu u rotor jednak tlaku na njegovom izlazu, jer se sva potencijalna energija transformira u kinetiku energiju vode u statoru (sapnici) turbine. Zakretna sila nastaje samo na temelju promjene koliine gibanja zbog skretanja mlaza u radnom kolu.


Osnovne vrste hidraulikih turbina 1

PRETLANE TURBINE Francisova turbina propelerna ili Kaplanova turbina

Kaplanova turbina s vertikalnim vratilom cijevna turbina s horizontalnim vratilom

Deriazova turbina

TURBINE SLOBODNOG MLAZA Peltonova turbina


S obzirom na smjer toka vode pretlane turbine mogu biti radijalne (Francis), aksijalne (properelnaili Kaplan) ili dijagonalne (Deriaz), dok su turbine slobodnog mlaza tangencijalne (Pelton).

Osnovne vrste hidraulikih turbina 2


Snaga vodne turbine

Snaga koju razvija vodna turbina ovisna je o: protoku [m3/s] padu (tlana visina) [m] promjeru rotora turbine [m] brzini vrtnje turbine [r/min] gravitacijskom ubrzanju [m/s2] gustoi vode [kg/m3] dinamikom viskozitetu [Pa s] apsolutnoj hrapavosti povrina [m]


Podruja primjene pojedinih vrsta turbina

Vrsta turbine ns [r/min] H [m] protok (Q)

Pelton 2 - 70 400 - 2000 mali

Fransis 60 - 450 50 - 700 srednji

dijagonalna 170 - 430 40 - 200 srednji

Kaplan 260 - 1000 20 - 70 veliki

cijevna > 800 1 - 20 veliki


Izbor turbine prema padu i protoku

0.5 1 2 5 10 20 50 100 200 500 1000

10

20

50

100

140

200

300

500

700

1000

1400

2000

Protok Q

P

a

d

H

n

50 kW

100 kW

500 kW

10 MW

500 MW

1000 MW

Kaplanoveturbine

Francisoveturbine

Peltonoveturbine

m

ms

3


Izbor turbine prema snazi 1


Izbor turbine prema snazi 2


Turbine slobodnog mlaza -Pelton turbina

Akcijska turbina. Koristi se za male i za

velike snage. Primjenjuje se u

uvjetima velikih geodetskih padova (veih od 400-600 m) i relativno malih protoka.

Glavni predstavnik turbina slobodnog mlaza ili akcijskih turbina je Peltonova turbina.


1 sapnica2 cjevovod3 rotor4 vratilo5 lopatica6 no lopatice7 lopatini brid8 igla sapnice

Princip rada Pelton turbine 1



Voda se kroz jednu ili vie sapnica smjetenih na kuitu turbine dovodi tangencijalno na radno kolo kojemu su po obodu smjetene lopatice.

Mlaz vode velikom brzinom izlazi iz sapnice, udara u lopaticu i zbog njezina oblika mijenja smjer.

Zbog skretanja mlaza, odnosno promjene koliine gibanja, na lopaticu djeluje aktivna sila koja uzrokuje zakretni moment radnog kola.

Kako se mlaznica i rotor nalaze iznad razine vode, rotor se okree u zraku.



Ve prema raspoloivoj koliini vode Peltonovaturbina ima jednu do est sapnica, a na rotoru se nalazi 12 do 40 lopatica.

Lopatica je otrim bridom koji se naziva no lopaticepodijeljena u dva jednaka ovalno udubljena dijela.

Snaga Pelton turbine regulira se promjenom koliine vode koja se dovodi na rotor pomou igle.

Od akumulacije do Peltonove turbine voda se dovodi dugakim cjevovodima.



Da bi se snaga turbine mogla brzo smanjiti na nulu koriste se skretai mlaza, jer se protok vode kroz cjevovod ne smije naglo prekinuti zbog dinamikih tlakova koji bi u tom sluaju nastali.

skretai mlaza izvedbe Pelton turbine


Pretlane (reakcijske) turbine 1

Pojedini dijelovi pretlanih vodnihturbina naelno se razlikuju najvie pokonstrukciji radnog kola kao glavnog dijela, dok im je veina ostalih dijelova: spiralni dovod, statorske lopatice, difuzor i leajevi,

slina po konstrukciji i funkciji.


Spiralni dovod 1

Spiralni dovod je dio turbine koji vodu iz dovodnog sustava prije ulaska u radno kolo treba jednolino rasporediti po obodu turbine.

z Na taj se nain osigurava jednolino optereenje po obodu radnog kola i spreava asimetrinost koja bi mogla uzrokovati pojavu sila i vibracija u turbini.

z Spiralni dovod imaju Francisove, Deriazove(dijagonalne) i veina propelernih turbina.

z Spiralni dovod moe biti otvoren ili zatvoren, od lima, lijevanog eljeza, betona ili kombinirani eljezno-betonski.


Spiralni dovod 2

z Presjek spiralnog dovoda moe biti kruan, eliptian, trapezan ili pravokutan.

z Vrsta dovoda odabire se prema raspoloivom padu i snazi turbine.

z Prema nainu raspodjele vode u dovodu razlikuju se potpuna spirala i poluspirala te jednostrujna i viestrujna spirala.

z Spiralni dovod mehaniki uvruje lopatice pretprivodnog kola.


Pretprivodno kolo

Pretprivodno kolo je glavna nosea konstrukcija preko koje se prenose sva statika i dinamika optereenja na betonsku konstrukciju strojarnice.

z Izrauje se kao zavarena elina konstrukcija sastavljena od dva elina obrua meusobno spojena stabilnim lopaticama koje usmjeravaju vodu na lopatice privodnog kola.


Privodno kolo 1

z Privodno kolo (privodni aparat) turbine je mehanizam koji pomou zakretnih lopatica regulira protok vode kroz turbinu i usmjerava vodu na lopatice radnog kola pod najpovoljnijim kutom.

z Sastavljeno je od dva obrua izmeu kojih je radijalno postavljeno 20-32 hidrauliki profiliranih lopatica.

z Zakretanje lopatica privodnog kola, a time i regulacija protoka vode kroz turbinu ostvaruje se zakretanjem regulacijskog prstena pomou servomotora koje se sistemom poluja i ruica prenosi na svaku lopaticu posebno.


Privodno kolo 2

z U incidentnim situacijama kao to je ispad generatora iz mree ili neki kvar na vitalnom dijelu turbine, lopatice privodnog kola se automatski zatvaraju i prekidaju dovod vode u turbinu.

z Zatvaranje ne smije biti prebrzo zbog opasnosti od prekida stupca vode u radnom kolu ili difuzoru, to bi moglo prouzroiti povratni udar vode u radno kolo.


Difuzor

Nakon to proe kroz rotor turbine voda otjee kroz difuzor.

z Namjena difuzora (odsisne cijevi) je smanjenje izlazne brzine ime se smanjuju izlazni gubici energije, a time poveava ukupna korisnost turbine.

z Difuzor omoguava turbinski rad neovisno o promjenama razine donje vode, a u turbinama s okomitim vratilom mijenja smjer strujanja vode iz okomitog u vodoravni, uz najmanje hidrodinamike gubitke.

z Prema obliku difuzor moe biti ravan ili stoast, kombiniran i ljevkast.


Leajevi

Sile koju djeluju na vratilo turbine preuzimaju aksijalni leaj i jedan ili vie radijalnih leajeva.

z Aksijalni leaj moe biti zajedniki za turbinu i generator koji su obino povezani krutom spojnicom.

z Osnovni se radijalni leaj najee nalazi uz radno kolo i naziva se vodeim turbinskim leajem.


Turbinski poklopac

Turbinski poklopac slui za usmjeravanje vode i prenoenje aksijalnih sila noseeg leaja preko prstena privodnog i pretprivodnog kola na temelje.

z Na turbinskom poklopcu se osim leaja uobiajeno smjetaju brtva turbinskog vratila, zrani ventili i hidraulike brave.


Francisova turbina 1z Pretlana radijalna turbina.z Primjenjuje se za srednje geodetske padove (od

40-60 m do 500-700 m).z Veliina aktivne zakretne sile na radno kolo ovisi

o promjeni koliine gibanja vode, tlanoj razlici, Coriolisovu ubrzanju, centrifugalnom ubrzanju i dr. Utjecaj svakog od tih faktora na zakretnu silu odreuje stupanj reakcije turbine.

z Voda se dovodi tlanim cjevovodom i jednolino se rasporeuje po obodu radnog kola pomou spiralnog dovoda.

z Zakretanjem statorskih lopatica mijenja se protok kroz tubinu (regulacija snage).


Francisova turbina 2z Posljedica zakretanja statorskih lopatica jest

promjena kuta strujanja na lopatice radnog kola, to uzrokuje znatne hidrodinamike gubitke zbog ega Francisova turbina ima relativno loa regulacijska svojstva.

z U radno kolo, koje se sastoji od 12-17 vrsto fiksiranih lopatica, voda ulazi radijalno, a izlazi aksijalno i odvodi se kroz difuzor u odvodni kanal turbine. Upotrebom difuzora smanjuju se izlazni gubici turbine koji su povezani s kinetikom energijom vode.

z Francisova turbina obino ima okomito vratilo jer je turbina s vodoravnim vratilom prikladna samo za manje snage.


1 lopatice rotora;2 gornji i donji obru radnog kola;3 vratilo;4 spiralni dovod;5 pretprivodno kolo;6 privodno kolo;7 gornji prsten pretprivodnog kola;8 donji prsten pretprivodnog kola;9 difuzor; 10 turbinski poklopac;11 turbinski leaj;12 glavina rotora.

Francisova turbina 3


Pogled na spiralnu komoru

Montaa radnog kola

Spiralni dovod ravnomjerno dovodi vodu radnom kolu i stvara rotacijsko strujanje vode.



Regulacija protoka kroz Fransisovu turbinu 1Mali protok Veliki protok

Privodno kolo jedini je regulacijski ureaj Fransisoveturbine. Lopatice privodnog kola su pokretne i njihovim zakretanjem mijenja se otvor statora i tako se regulira protok vode kroz turbinu.


Regulacija protoka kroz Fransisovu turbinu 2

Statorske lopatice se zakreu pomou regulacijskog prstena smjetenog na turbinskom poklopcu. Regulacijski prsten zakree se pomou servomotora kod kojeg se pomicanje stapa postie dovoenjem ulja pod tlakom na jednu ili drugu stranu stapa.


Propelerna turbina 1

z Pretlana aksijalna turbina.z Primjenjuje se za velike protoke i male geodetske

padove (od 1-3 do 60-70 m).z Rotor propelerne turbine sastoji se od lopatica radnog

kola i glavine rotora.z Radno kolo ima 3 do 8 lopatica pri emu je broj lopatica

vei to je vei nazivni pad turbine.z Voda se na lopatice rotora dovodi aksijalno (u smjeru

vratila) privodnim kolom tj. pominim lopaticama statora.z Promjena protoka odnosno regulacija snage provodi se

zakretanjem lopatica privodnog kola, zbog ega se mijenja i kut strujanja vode na lopatice radnog kola.


Propelerna turbina 2

Propelerna turbina s fiksnim lopaticama radnog kola.

Propelerne turbine s fiksnim lopaticama nisu elastine u pogonu pa se grade samo za manje jedinice tj. upotrebljavaju se u malim hidroelektranama.


Kaplan turbina 1

z Da bi se smanjili sudarni gubici i osiguralo strujanje vode s najmanje hidraulikih gubitaka, u veini propelernih turbina lopatice radnog kola mogu se zakretati u pogonu.

z Propelerna turbina sa zakretnim lopaticama radnog kola naziva se Kaplanova turbina.

z Izvedba turbina sa zakretnim lopaticama rotora je sloenija nego izvedba obinih propelernihturbina, no njihove energetske karakteristike su znatno povoljnije.


Kaplan turbina 2


Kaplan turbina 3


1 radno kolo2 kapa rotora3 vratilo4 spiralni dovod5 pretprivodno kolo6 privodno kolo7 gornji prsten pretprivodnog

kola 8 donji prsten pretprivodnog

kola9 difuzor10 turbinski poklopac11 turbinski leaj

Kaplan turbina 4


Regulacija toka kroz Kaplan turbinu 1

z Glavni vodeni tok kroz Kaplanovu turbinu jeaksijalan.

z Kut zakreta lopatica rotora odreuje se prema otvoru privodnog kola i trenutnom padu.

z Relacija yR(yW,Hb) naziva se kombinatorna veza, a definira se tako da se ostvari najvea mogua korisnost u svim pogonskim uvjetima.


Regulacija toka kroz Kaplan turbinu 2

z Odnos otvora lopatica privodnog i radnog kola kod turbina sa zakretnim lopaticama rotora regulira se preko posebnog ureaja koji se naziva kulisa.

z Sustav automatske regulacije turbina s pominimlopaticama rotora osim privodnim kolom upravlja i radnim kolom zakreui lopatice rotora pa se takve turbine nazivaju dvostruko reguliranimturbinama.


Cijevna turbina 1

z Propelerna turbina s vodoravnim (ili blagoukoenim vratilom) smjeta se u cijev pa se naziva cijevna turbina.

z Takve turbine nemaju spiralnog kanala, a zbogravnog i koaksijalnog difuzora imaju velikukorisnost.

z Manje se jedinice izvode s generatorom izvancijevi (tzv. S izvedba), a u veim se jedinicamagenerator smjeta u cijev, u tzv. turbinskukruku (eng. bulb).


Cijevna turbina 2z Velike cijevne turbine izvode se sa zakretnim

lopaticama rotora pa se mogu smatratiKaplanovim turbinama.

z Ove turbine imaju najveu sposobnostproputanja vode, tako da i pri vrlo malimpadovima mogu razviti velike snage.


Cijevna turbina 3


Cijevna turbina 41- rotor; 2- privodno kolo; 3- mehanizam za regulaciju

privodnog kola; 4 - statorske lopatice;5- otvor za remont; 6 i 7- radijalni leaj; 8- aksijalni leaj; 9 i 10- rotor i stator; 11- poklopac za remont; 12- stepenice; 13- prolaz za osoblje; 14- elektrini razvod; 15 i 17- kuite generatora; 16- donjii stup koji dri kuite; 18- gornji stup kroz koji se ulazi

u kuite.


Derijazove (dijagonalne) turbine 1z Voda kroz turbinu protjee dijagonalno, otkuda

slijedi naziv turbine.z Osim lopatica privodnog kola u sluaju ovih

turbina regulira se i zakretanje lopatica radnogkola, tako da je takoer mogua dvostruka regulacija.


Derijazove (dijagonalne) turbine 2


1 , 13 - spiralni dovod;2 , 10 statorske

lopatice; 3 , 9 - lopatice privodnog

kola; 4 , 11 - mehanizam za

regulacijuprivodnog kola;

5 - servo motor privodnogkola;

6 - sifon; 7 - rotor; 8 - glavina rotora; 12 - vratilo.

Derijazove (dijagonalne) turbine 3

Documents

Hidraulične Turbine