Jiří Kejval téma: Obnovitelné projekt: Peltonova
zdroje
turbína v malé vodní elektrárně Peltonova turbína
Nejčastěji používaným typem rovnotlaké turbíny uplatňujícím se při realizaci malé vodní elektrárny, je Peltonova turbína. Její předností je relativní jednoduchost hydraulického a konstrukčního řešení a použitelnost pro okrajové hodnoty průtoku i spádu.
Trocha historie: V roce 1829 se americkému farmáři v Ohiu narodil syn Lester. Po studiích a mnoha životních peripetiích se tento Lester Allen Pelton dostal do Camptonville v Nevadě, kde se začalo těžit zlato. Doly používaly k těžbě zlata všechny tehdejší možnosti. Přemýšlivému Lesterovi se však nelíbilo, že doly na výrobu páry pro parní stroje spotřebovaly velké množství dřeva a že okolní lesy rychle ubývaly, přičemž řeka Yuba tudy protékala bez valného užitku. V roce 1878 experimentoval s několika typy vodních kol. Traduje se, že ten správný nápad dostal, když stříkající hadicí zaháněl krávu a proudem vody se jí strefil mezi nozdry: vodní pramen se tak rozdělil, otočil téměř o 180 ° a vrátil se po vn ějším okraji nozder zpět. Zda tato historka je skutečná nebo vymyšlená, těžko dnes posoudit. Je však jisté, že lopatky Peltonovy turbiny jsou dvojité (jako dvě naběračky vedle sebe) a vracejí proud vody zpět, čímž využívají velkou část kinetické energie proudící vody, která je přiváděna z vysoce položené nádrže a proudí na lopatky regulovatelnou tangenciální tryskou (později i několika tryskami). Účinnost těchto turbín je kolem 90 %. Protože se Peltonovy turbíny používají pro vysoké spády (dosahují hodnoty až 1 km), kdy výtoková rychlost vody je až 500 km/hod., musejí být tyto turbíny vybaveny zařízením (tzv. odchylovač vodního paprsku), které v případě potřeby odchýlí vodní paprsek mimo lopatky turbíny (voda nejde “zavřít”, protože silný dynamický ráz by měl za následek roztržení potrubí).
Princip turbíny: Voda je přiváděna k turbíně potrubím kruhového průřezu, které vede k jedné nebo více dýzám. V dýze kruhového průřezu se celý spád vody přetransformuje na pohybovou energii. Voda vstoupí tangenciálně do oběžného kola osazeného lžícovitými lopatkami. Břit uprostřed lopatek rozdělí paprsek na dvě poloviny a lžícovitý tvar lopatky se snaží otočit směr tekoucí vody zpět. Změna směru způsobí předání energie oběžnému kolu. Vzájemným souběhem rychlosti vody tekoucí po lopatce při současném otáčení oběžného kola dojde k tomu, že voda opouští lopatky na vnější straně s minimální zbytkovou rychlostí a volně odchází do obou stran z oběžného kola ven a padá do odpadu pod turbínou. Plně je využitý spád "H". Výškový rozdíl "Hztr" je ztracený a energeticky nevyužitý.
Výpočet: Nejprve je potřeba zjistit, jaká bude rychlost c vodního paprsku dopadajícího na lopatky oběžného kola. Ta je závislá na spádu H:
c := 0.97⋅ 19.62 ⋅ H
Vypočtenou rychlost spolu s průtokem Q který připadá na jednu dýzu dosadíte do následujícího vzorce a obdržíte průměr vodního paprsku d
d :=
4000⋅ Q π⋅c
Ze spádu H spočítáte také obvodovou rychlost turbíny u: H := u := 0.66⋅ 10⋅ H⋅
H m
m s
Vnější průměr oběžného kola:
m - konec břitu od středu dopadu [mm] e - konec břitu od okraje kola [mm]
D := 2 ⋅ ( e + m)
Jmenovité otáčky turbíny n: n := 19100⋅
u D
Výkon turbíny "P" je dán spádem "H" a průtokem "Q". Předpokládáme-li účinnost 80% pak platí:
P := 8 ⋅ H⋅ Q
Konstrukční detaily: •
Turbína je citlivá na dodržení jmenovitých otáček, jinak ztrácí na účinnosti. Nesmí pracovat bez zatížení, jinak paprsek projde přes oběžné kolo a může poškodit skříň (ta bývá raději na místě dopadu pancéřovaná).
•
U delšího potrubí je nutno počítat se ztrátami a odečíst příslušný úbytek spádu.
•
Oběžné kolo se otáčí ve skříni volně, prostor je zavzdušněn.
•
Turbína ústí bez savky volně do odpadu, prostup hřídele ze skříně nemusí být utěsněn, jen opatřen odstřikovými kroužky, aby voda nestékala po hřídeli do ložisek.
•
Turbína se většinou staví jako horizontální. Velké stroje mohou mít i vertikální montáž. Tím je generátor dobře chráněn před zvýšenou spodní vodou. Takto řešenou turbínu není nutno kapotovat, otáčí se v betonové komoře.
•
Turbína se reguluje zasouváním jehly do dýzy, na úplné zastavení přítoku se však většinou používá šoupátko umístěné na přívodním potrubí. Malé turbíny mají jehlu posouvanou pomocí šroubu, který se otáčí ručně ovládaným kolečkem. Větší stroje mají automatický otáčkový regulátor. Protože se jedná o uzavírání velkých tlaků, není možno jehlu prudce zavřít (tak jak by to bylo nutné např. při odlehčení generátoru). Proto je v prostoru mezi dýzou a oběžným kolem zařazen deflektor nebo deviátor. Tento člen zasáhne okamžitě a odřízne část nebo odkloní celý vodní paprsek mimo oběžné kolo. Jehla dýzy se mezitím zavírá pozvolna, aby nedošlo k průtkému nárůstu tlaku v potrubí. Jakmile je množství vody proudící dýzou upraveno, deflektor se z vodního paprsku odkloní. Oba tyto pohyby se odehrávají současně a plynule. Činnost obou regulačních orgánů ovládá hydraulický regulátor v závislosti na otáčkách turbíny. Mimo to bývá v potrubí umístěn přetlakový ventil, který by nežádoucí tlakový ráz odpustil do odpadu.
•
Velké turbíny mají mimo hlavní dýzy ještě dýzy pomocné. Používají se na brzdění nebo na rozběh turbíny bez zatížení, dříve než se otevře dýza hlavní. U malých strojů se však nepoužívají.
Použití: Tato turbína se používá pro malá množství vody při velkých spádech. Vyhoví na malých tocích v horách a všude tam, kde je nutno zpracovat relativně malé množství vody při velkém tlaku (používá se i ve vodárenském průmyslu na energetické využití rozdílu hladin ve vodojemech, dříve také k pohonu vysokootáčkových cukrovarnických odstředivek. Setkal jsem se i s precizně provedenou mosaznou Peltonovou turbínkou k připojení na vodovod, vestavěnou jedním vdovcem do vířivé pračky poté, co probitý elektromotor zabil jeho ženu. Charakteristika turbíny je plochá a vykazuje dobrou účinnost v širokém rozsahu plnění. Je jednoduchá na výpočet. Výrazně okysličuje vodu. Je snadno a rychle regulovatelná. Ve srovnání s Francisovou turbínou pro velké spády je daleko více odolná proti otěru pískem. Změna jejího zatížení nemá žádný vliv na průtok. Není náchylná ke kavitaci. Ložiska jsou mimo vodu, takže je možno pracovat i s pitnou vodou bez nebezpečí jejího znečištění. Hřídel není nutné těsnit. Turbína se může točit bez vody a neklade odpor - to je výhodné na přečerpávacích elektrárnách a při kombinování více turbín k jednomu generátoru kdy se nemusí spojkou odpojovat.
Použité zdroje: http://mve.energetika.cz http://www.hamo.cz http://www.quido.cz
H := 10m
0.5
c = 13.587 m
3
l := 0.001 ⋅ m Q := 1 ⋅
l s
e := 1000⋅ mm u = 6.6
m
3
m = 1 × 10 mm
s
D = 4m
41
n = 3.152 × 10
3
P = 0.08
m s
s
