Historie
První zprávy o vodním kolu na spodní pohon pochází od římského císařského architekta Vitruvia. Jednalo se o dřevěné vodní kolo s vodorovnou hřídelí a lopatkami ve tvaru rovinné desky. Od 2. století se používalo na řekách s větším spádem vodní kolo na horní pohon. S prvním vylepšením přišel Jean Poncelet, který ve vodním kolu na spodní pohon nahradil rovinné lopatky lopatkami zakřivenými. Rázem se účinnost zvedla na 70 %. Kola na svrchní vodu využívají méně vody a větší spád, mají výkonnost asi 65 – 75 %. Kola na spodní vodu využívají více vody a menší spád, mají výkonnost 60 % z energie proudící vody.
Vodní kolo na spodní, střední a horní pohon.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.
Z Bernoulliho teoretických prací vyšel profesor göttingenské univerzity Jan Segner, který zkonstruoval pravzor turbíny – Segnerovo kolo. V roce 1750 publikoval jeho popis v Machinae curjusdam hydralicae theoria a Computatio formae atque virium machinae hydraulicae nuper decriptae. Segnerovo kolo má velmi jednoduchý princip – dutým hřídelem se voda žene pod tlakem do trysek, ze kterých tryská ven a podle zákona akce a reakce roztáčí systém. Segnerovo kolo zdokonalil Leonhard Euler, který je doplnil rozváděcím kolem, ale jeho myšlenka zapadla ve zprávách akademie věd.
Teorie
Eulerova myšlenka se objevila v málo pozměněné podobě v roce 1822 v práci Clauda Burdina, který v roce 1827 zkonstruoval a pojmenoval vodní turbínu. V roce 1832 za konstrukci 45 kW turbíny získal cenu francouzské Academie des Sciences Burdinův žák Benvit Fourneyron. O několik let později byly zkonstruovány mnohem účinnější turbíny – akční (voda působí nárazem) a reakční (voda působí tlakem). Mají zakřivené lopatky zkonstruované tak, aby proud vody vstupoval na lopatku bez nárazu. U takovéto lopatky lze dosáhnout dvojnásobného tlaku než u rovné desky. Teoreticky je tedy možná účinnost 100 %, ve skutečnosti se pohybuje okolo 90 %. Každá turbína se skládá ze zařízení pro přívod vody k oběžnému kolu (spirála nebo kašna, dochází tu k úplné přeměně tlakové energie na kinetickou energii vody), z oběžného kola (vlastní pracovní část vodní turbíny, v lopatkové části dochází k přeměně energie vody v mechanickou energii rotujících lopatek) a ze zařízení pro odvod vody od oběžného kola (zde se postupně snižuje rychlost proudící vody přeměnou na tlakovou energii).
Vodní turbíny.
Zdroj: Techmania Science Center. Under Creative Commons.
Nový typ turbíny sestrojil v roce 1850 James Francis v USA. Francisova turbína patří mezi reakční turbíny, protože využívá reakčního tlaku, který vzniká při změně směru proudící kapaliny. Vtok vody je radiální, tedy ve směru poloměru a výtok je axiální, tedy kolmý k poloměru, ve směru osy turbíny. Skládá se z nehybného rozváděcího kola, které obklopuje oběžné kolo. Jejich osy jsou svislé. Obě kola mají řadu věncovitě uspořádaných lopatek, které jsou u oběžného kola zahnuté na opačnou stranu než u kola rozváděcího. Rozváděcí kolo má lopatek víc. Lopatky jsou tenké, s malým zakřivením. Rozváděcími lopatkami se vodní proud stočí do jednoho směru a pak lopatky oběžného kola nutí proud směr změnit. Reakční tlak, který při této změně směru vznikne, nutí oběžné kolo k rychlé rotaci. Používají se pro menší spády (40 – 700 m) a pro větší množství protékající vody. Účinnost se pohybuje mezi 75 – 90 %.
Francisova turbína s generátorem.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Under Creative Commons.
Další typ turbíny sestrojil v roce 1880 Lester Pelton v USA. Nedá se říct, že by přišel s úplně novým typem turbíny, protože podobná kola s jednoduchými lopatkami se v Evropě stavěla už dávno. Pelton tento systém vylepšil tím, že použil válcové dvojité lopatky se středním ostřím, dělícím proud z kruhové výpusti na dvě poloviny. Peltonova turbína patří mezi akční turbíny. Paprsek vody vedený na lopatku se dělí na dvě části a miskovitý tvar lopatek jej vrací zpět. Používá se pro velké spády (250 – 1200 m). Účinnost se pohybuje mezi 80 – 90 %, u velkých turbín i víc.
Peltonova turbína.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Viktor Kaplan po několikaletém bádání a experimentování na Katedře teorie a stavby vodních strojů na Císařsko–královské německé vysoké škole technické v Brně si nechal patentovat v letech 1912 až 1913 nový typ turbíny. Jedná se o vylepšenou Francisovu turbínu, od které se liší tím, že oběžné kolo má vrtulový tvar s nastavitelnými lopatkami. Doporučený spád je cca 70 m, pracuje už při spádu 2 m. Podle spádu obsahuje oběžné kolo 3 až 10 lopatek, jejichž počet je přímoúměrný spádu, a natáčí se podle průtoku. Pro větší spády je to lopatek víc s větším sklonem a pro malé spády je méně lopatek s menším sklonem. Pro kaplanovu turbínu je charakteristická možnost plynulé změny úhlu nastavení lopatek oběžného kola za provozu v závislosti na velikosti požadovaného výkonu turbíny. První Kaplanova turbína byla uvedena do provozu v roce 1919.
Kaplanova turbína z přehrady Orlík vyrobená v ČKD Blansko.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.
Turbíny dělíme na přetlakové (jen část potenciální energie vody se mění na kinetickou energii turbíny – Francisova a Kaplanova) a rovnotlaké (mění se celá potenciální energie vody na kinetickou energii turbíny). Přetlakové turbíny je nutné umístit do určité výšky nad spodní hladinu. Aby se využil i tento tzv. ztrátový rozdíl, vede od hrdla turbíny sací trouba, která zasahuje až pod spodní hladinu. Velká sací výška způsobje snížení tlaku vody na povrchu lopatek na hodnotu odpovídající tlaku syté páry při dané teplotě. To způsobuje vznik bublinek vodní páry, které velmi rychle kondenzují, čímž dochází k tvrdým úderům vody na poměrně malé plošky lopatek. Tomuto jevu se říká kavitace je pro provoz turbín nežádoucí.
Kavitací poničená část lopatky turbíny.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
