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

Istorijski gledano, točkovi pogonjeni vodom, preteča današnjih hidrauličnih turbina, su korišćeni u mlinovima različitih tipova gotovo 1000 godina i bili su relativno neefikasni. Veliki napredak u efikasnosti hidrauličnih mašina, tada već poznatim kao hidraulične turbine, se desio u 19. veku. Nakon izuma električnog generatora u pred kraj 19. veka, hidraulične turbine su, pored parnih mašina, postale značajan  faktor u proizvodnji električne energije. Prvu turbinu radijalnog tipa je 1826. godine razvio Benoit Fourneuyron. Imala je stepen iskorišćenja oko 80%, voda se kroz samu turbinu kretala centrifugalno (od ose rotacije ka periferiji) pokretavši tako radno kolo turbine. Paraleno sa Fourneuyron – om je Poncelet 20 – ih godina 19. veka razvio sličnu turbinu kod koje se voda kretala centripetalno kroz radno kolo (od periferije ka osi rotacije). 1848. godine, James Francis, dok je radio kao glavni inženjer za kompaniju Locks and Canals coompany u kojoj se koristio pogon vodenih turbina koje su putem kaišnog prenosa pokretale mašine u tekstilnoj industriji u gradu Lovelu u Americi, unapredio prethodna konstrukcijska rešenja i projektovao mnogo efikasniju turbinu kod koje se voda kao i kod Ponceletove kreće centripetalno, koja je nazvana po njemu Fransisova turbina. Pored unapredjenja oblika radnog kola u cilju što bolje razmene rada, Fransis je upotrebio i spiralu kao uvodnu komoru u turbinu koja je omogućila ravnomerniji dovod vode do radnog kola i tako uticala na povećanje stepena korisnosti.

Primena

Fransisova turbina je uz Peltonovu i Kaplanovu turbinu jedna od najčešće upotrebljavanih turbina u svetu. Spada u grupu reakcijskih, radijalnih 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 pošto se regulacija vrši samo jednim elementom konstrukcije turbine, svrstava se i u grupu turbina jedinačne regulacije . Mogu biti izvedene kao horizontalne ili vetikalne. Jedan primer moderne Fransisove turbine je prikazan na slici.

 Presek savremene Fransisove 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, obrtno 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