Energetika

Istorijat

Krajem 19. veka je velika pažnja posvećena iskoriščenju vodotokova većih protoka a manjih padova. U to vreme se i za manje padove koristile Fransisove turbine, ali su se inženjeri pridržavali tradicionalnih shvatanja u konstruisanju turbina i to je dovelo do pojave vrlo nepovoljnih oblika lopatica i do značajnog smanjenja stepena korisnosti postojećih turbina, što je ograničilo njihovu primenu na vodotokovima koji su imali velike protoke a male padove. I baš u vreme velike stagnacije u razvoju turbina, Viktor Kaplan 1913. i  1914. godine prijavljuje svoje patente, od kojih su tri unela nova shvatanja u oblasti konstrukcije obrtnih kola:

• Primena obrtnog kola sa aksijalnim proticajem vode.
• Primena sprovodnog aparata i stvaranje velikog bezlopatičnog prostora izmedju obrtnog kola i sprovodnog aparata.
• Primena obrtnog kola sa lopaticama koje se zbog postizanja većeg stepena korisnosti mogu pokretati oko svoje radijalne ose.

Izbijanje Prvog svetskog rata sprečilo je intenzivniji razvoj Kaplanove turbine. Istovremeno, Kaplan doživljava čitav niz napada na njegovo delo. Tek 1919. godine Kaplan sklapa ugovor sa firmom Štorek i gradi u svetu prvu hidroelektranu sa Kaplanovim turbinama. Nakon uspešnog puštanja u hidroelektrane u pogon, stvorena je velika senzacija i Kaplan doživljava punu satisfakciju za ogroman uložen trud trud od momenta prve ideje pa do realizacije prve hidroelektrane.

Primena

Kaplanova turbina je uz Peltonovu i Fransisovu turbinu jedna od najčešće upotrebljavanih turbina u svetu.Kaplanova turbina spada u grupu reakcijskih, aksijalnih hidrauličnih turbina kod kojih se u procesu razmene rada izmedju vode i radnog kola, menjaju sve tri komponente strujne energije i to pritisna, kinetička i položajna. Regulacija protoka kroz turbinu se vrši zakretanjem lopatica sprovodnog aparata i lopatica radnog kola. Ugradjujemo ih u male hidroelektrane koje imaju nominalno mali pad a veliki protok. Mogu biti izvedene kao vetikalne, cevne ili spiralne.

Presek savremene Kaplanove turbine. Slika preuzeta iz knjige: Hidraulične turbine, Miroslav Benišek, Mašinski fakultet Univerziteta u Beogradu, 1998.

Način funkcionisanja

Osnovni delovi Fransisove turbine su: spirala (pozicija 1 na slici), statorske lopatice (2), sprovodni (usmerni) aparat (3), obrtno (radno) kolo (4) i sifon (5). Zadatak statorskih lopatica je da stvore potrebnu cirkulaciju vode pred ulazom u sprovodni aparat  i da turbini daju potrebnu krutost. One prihvataju opterećenja od skoro svih vitalnih delova turbine (generator, vratilo, pbrtno kolo, itd.) i prenose ga na fundament turbine. Statorske lopatice su nepokretne i hidraulički oblikovane kako ne bi stvarale velike strujne gubitke. Po izlasku iz medjulopatičnog prostora statorskih lopatica, voda se dovodi ka sprovodnom aparatu. Sprovodni aparat se sastoji od venca hidraulički oblikovanih lopatica i usmerava vodu u prostor izmedju sprovodnog aparata i obrtnog kola. Lopatice sprovodnog aparata su ravnomerno rasporedjene i mogu se zakretati pomoću servo motora. Pri povećanju otvora sprovodnog aparata povećava se protok, a time i snaga turbine. Nakon sprovodnog aparata, voda ulazi u obrtno kolo u kom se vrši razmena energije toka i mehaničkog sistema. Nakon izlaska iz radnog kola, voda ulazi u sifon koji osim što odvodi vodu iz turbine ima i funkciju obezbedjivanja manjeg pritiska iza obrtnog kola i bolje iskorišćenje pada.

Literatura:

1. Knjiga Hidraulične turbine, Miroslav Benišek, Mašinski fakultet Univerziteta u Beogradu, 1998.
2. Sajt Wikipedia

Istorijat

Sve hidraulične mašine krajem 19. veka su bile mašine reakcijskog tipa kod kojih se u procesu razmene energije i radnog kola menjaju sve tri komponente strujne energije: kinetička, pritisna i potencijalna. U to vreme se pojavila velika potreba za novim izvorima energije koji bi služili za pokretanje mlinova i ostalih mašina koje su radile u rudnicima zlata. Točkovi koji su pogonili mlinove su dobro radili na velikim rekama, ali ne i na manjim rekama i potocima. Tih godina zlatne groznice u Americi, Lester Pelton je izumeo hidrauličnu mašinu koja je radila na potpuno drugačijem principu od reakcijskih mašina. Uspeo je da po moću mlaznice, svu energiju vode transformiše u kinetičku, dobivši pritom mlaz velike brzine. Mlaz vode dalje udara u lopatice radnog kola i vrši predaju energije turbini. Peltonova turbina je turbina je impulsnog tipa (akcijska turbina) koja je po svom izumitelju dobila naziv Peltonova turbina i do sadašnjih dana se, uz neke male modifikacije, održala u istom obliku.

Primena

Peltonova turbina je jenda od najčešće upotrebljavanih turbina u hidroelektranama širom sveta. Korisna je za hidroelektranene koje rade pri relativno velikim padovima i relativno malim protocima vode. Spada u grupu akcijskih hidrauličnih turbina koje u procesu razmene rada izmedju vode i radnog kola, koriste samo kinetičku energiju mlaza koja se stvara u dovodnom organu turbine, mlazniku, dok pritisna energija ostaje praktično nepromenjena. Regulacija protoka se vrši promenom položaja koplja u mlaznici i položajem sekača mlaza, i pošto se regulacija vrši samo jednim elementom konstrukcije turbine, svrstava se i u grupu turbina jedinačne regulacije. Ugradjujemo ih u male hidroelektrane koje imaju nominalno veliki pad a mali protok. Mogu biti izvedene kao vertikalne ili horizontalne i mogu imati od 1 do 6 mlaznica. Jedan primer preseka moderne Peltonove turbine prikazan je slici.

Presek savremene Peltonove turbine sa jednom mlaznicom. Slika preuzeta iz knjige: Hidraulične turbine, Miroslav Benišek, Mašinski fakultet Univerziteta u Beogradu, 1998.

Način funkcionisanja

Osnovni delovi Peltonove turbine su: dovodni cevovod (pozicija 1 na slici), mlaznik (2) sa regulacionim kopljem (7),  skretač (sekač) mlaza (3), radno kolo (4), vratilo (5), oklop turbine (6) i poluge (8). Voda se cevovodom dovodi do mlaznika. Položajem regulacionog koplja u mlazniku se reguliše protok vode kroz turbinu. Koplje se pomera pomoću servomehanizma pri čemu položaj sekača mlaza prati kretanje koplja. Pri smanjenju snage, sekač odseca deo mlaza do potrebnog prečnika, a koplje zatim  zauzima potreban položaj. Oštrica sekača je uvek tik uz obim mlaza u stacionarnom  režimu rada. Mlaz iz mlaznika nastrujava na lopatice u kojima se vrši rezmena rada, a snaga se vratilom prenosi do generatora. U slučaju zaustavljanja turbine, skretač mlaza pokretan polugama preseca mlaz vode i skreće dejstvo mlaza van lopatica radnog kola.

Literatura:

1. Knjiga Hidraulične turbine, Miroslav Benišek, Mašinski fakultet Univerziteta u Beogradu, 1998.
2. Sajt Wikipedia