Od vodního kola k turbíněEnergie vytékající vody: Voda vytéká otvorem ve stěně nádoby s tím větší energií, čím je hladina vody nad otvorem. Snižováním hladiny se totiž v nádobě snižuje i tlak vodní stěny, a proto se zmenšuje energie vytékající vody. Tato energie závisí i na průměru otvoru čili na množství vody proteklé otvorem za 1 sekundu.+21Energie vodního toku – spád: Stejně jako v předchozím pokusu je tomu s energií tekoucí v potocích, řekách a vodopádech. Je tím větší, čím větší je spád vodního toku. Spádem vody rozumíme výškový rozdíl mezi dolní a horní hladinou vody.Průtočnost (tj. čím větší je průtočné množství vody): Průtočné množství vody se měří v jednotkách m³/s (kubický metr za sekundu).Vodní kolo na spodní vodu: Energie vodních toků se využívá v hnacích strojích, které nazýváme vodní motory. První vodní motory – vodní kola – se stavěly již 4000 let př. n. l. Byla to dřevěná kola s lopatkami ponořenými ve vodě. Proud vody narážel pouze na spodní část kola a kolo se tím otáčelo. Těmto kolům říkáme kola na spodní vodu. Byly to stroje nedokonalé, mohly využít pouze 30 % energie vodního toku. Nízká účinnost je způsobena tím, že podtékající voda pouze udeří do lopatky radiálně nastavené, čili že pracuje pouze silou úderu – rázu. Tato kola jsou vhodná pro spád od 0,1 do 1,5 m. Používalo se jich k pohonu mlýnů a k čerpání vody. Později byla voda přiváděna náhonem, který měl dvě stavidla: stavidlo, kterým se reguloval přítok vody na kolo, a stavidlo jalové pro volný odtok vody.Plovoucí vodní mlýn – dobová kresba: Velká voda vodní kolo snadno zaplavovala, ničila a odnášela. K odstranění těchto nedostatků vymyslili lidé plovoucí kola – lodní mlýny. Loď se mohla včas odtáhnout na nejpříhodnější místo. Od doby starého Říma se lodní mlýny rozšířily po celém světě. V některých zaostalých zemích existují dodnes (reprodukce starého obrazu).Kolo na svrchní vodu: Hledání možností, jak zlepšit využití energie vodního toku, vedlo k vynalezení kola na svrchní vodu. Voda proudící dřevěným, zděným nebo kovovým korytem (vantrokami, náhonem) dopadá na lopatky svrchu. Působí nejen rázem, ale i svou váhou. Aby se dostatečně využilo váhy vody, lopatky se zakryly ze stran věnci. Prostor mezi lopatkami takto vzniklý a z vnitřku uzavřený připomínal nádobu. Nazýváme jej korečkem. Lopatky kol na svrchní vodu nebývají rovné, nýbrž obloukovitě zakřivené. Náhon je opatřen stavidlem, které umožňuje regulovat přítok vody na kolo, zastavit nebo spustit kolo.Kolo na střední vodu: Na velkých řekách s nízkými břehy se používalo kol na střední vodu. Na tato kola vtéká voda přibližně ve výšce osy kulisou, tj. soustavou zakřivených kanálů. Kulisa umožňuje plynulý vtok bez rázu. Kola na svrchní vodu měla účinnost 60–70 % a byla vhodná pro spád 3–10 m. Kola na střední vodu se hodila pro spád kolem 3 m, ale mají účinnost až 75 %! Účinnost stoupla zavedením korečků. Kola na střední a svrchní vodu se také nazývají kola nálivná. Používalo se jich k pohonu mlýnů, ale také k pohonu brusíren, hamrů a manufaktur.Kola se svislou hřídelí – dobová kresba: Kromě uvedených kol zhotovovali již staří Římané vodní kola s hřídelí svislou, v nichž můžeme vidět předchůdce dnešních turbín. Kola se svislou hřídelí byla lehčí. Na horním konci hřídele byl nasazen mlýnský kámen. Zjednodušovala se tím stavba mlýna, neboť odpadl převod z hřídele vodního kola na hřídel mlýnského kamene. Voda se přiváděla ke kolu žlábkem nebo dřevěným korytem přímo na lopatky. Účinnost těchto kol byla závislá na tvaru lopatek. Někdy to byly prosté ploché lopatky upevněné kolmo k ose hřídele, jindy lopatky rozličně zahnuté a upevněné v určitém úhlu vzhledem k ose hřídele. Výhodou těchto kol je, že jich lze používat i při malém průtočném množství vody. Všechna kola měla malý počet otáček, malou obvodovou rychlost a malou účinnost. Počet otáček se dal regulovat jen v hrubých mezích. Vodní kola z těchto důvodů ustoupila v 19. a 20. století do pozadí. V té době totiž bylo třeba opatřit pro manufaktury ekonomičtější a hlavně silnější motory. Vítěznou cestu zde nastoupil vedle parního motoru i další vodní motor – turbína.Segnerovo kolo: Dá-li se na vodní hladinu korkový plovák a na něj vodou naplněná nádoba, v jejíž stěně je otvor, voda vytékající z nádoby způsobí, že se nádoba s plovákem začne po vodní hladině pohybovat opačným směrem, než tryská voda. Na tomto principu sestrojil v r. 1750 německý profesor Segner v Göttingen kolo, jež se otáčí přímou reakcí vody vytékající z trubic zasazených do dutého hřídele.Francisova turbína (vynalezena v r. 1897 Američanem Francisem): Pracuje takto: Voda se přivádí do nehybného rozváděcího kola, je jím usměrněna a dopadá na oběžné kolo umístěné na hřídeli uvnitř kola rozváděcího. Rozváděcí lopatky dávají vodě nejvýhodnější směr a rychlost pro vstup do oběžného kola. Lopatky oběžného kola jsou zakřiveny obráceně než lopatky kola rozváděcího.Oběžná kola Francisových turbín: Mají pro různá spády a různá průtočná množství vody různý tvar. Pro malé spády se kotouče a věnec odlévají z litiny, lopatky jsou z plechu. Pro spády vyšší než 30 m se odlévají kola i s lopatkami z ocelolitiny. Odlité lopatky vedou proud vody lépe než plechové, protože jsou zvláštním způsobem profilovány.Regulace Francisovy turbíny: Výkon Francisovy turbíny se reguluje natáčením lopatek rozváděcího kola, a to buď ručně, nebo automaticky. Mění se tím množství vody proudící na oběžné kolo. Natočením je možno lopatky rozváděcího kola semknout dokonce tak, že se proud vody na oběžné kolo úplně zastaví. U velkých turbín natáčí lopatky automat pomocí tlakového olejového servomechanismu.Spirálová skříň turbíny: Rozváděcí lopatky jsou namontovány ve skříni, která rozvádí tlakovou vodu po celém obvodu lopatek. Skříň může mít různý tvar. Na obrázku je spirálová skříň svařená z dílů. Velké turbíny mají spirálovou skříň zabetonovanou.Průřez Francisovou turbínou: Na tomto obrázku je celkové uspořádání velké Francisovy turbíny v průřezu. Francisovy turbíny se stavějí pro spády do 400 m a pro velké množství vody. Mají nejvýše 600 obrátek za minutu. Má-li turbína pohánět elektrický generátor, který má 1000 i více otáček za minutu, zvyšuje se počet otáček převody.Kaplanova turbína: Výhodnější je montovat generátor přímo na hřídel turbíny. Brněnský profesor V. Kaplan sestrojil rychloběžnou turbínu s dobrou účinností i při proměnných spádech vody. Zmenšil počet lopatek oběžného kola a sestrojil zařízení, kterým lze lopatky vhodně natáčet. Tím se zamezuje nevítanému víření vody. Aby se dosáhlo co nejvyšší účinnosti, natáčejí se současně lopatky rozváděcího i oběžného kola. Tak se reguluje množství i směr vody přicházející na oběžné kolo, aby byly lopatky oběžného kola nejvhodněji nastaveny pro toto množství a směr. Kaplanovy turbíny lze použít pro malé vodní spády. Její účinnost je až 90 %. Oběžné kolo Kaplanovy turbíny může mít různý počet lopatek. Rychloběžná kola mají jen 3, pomaloběžná 6–8 lopatek. Pro spády od 40 do 80 m jsou vyráběna i desetilopatková kola.Regulace: Oběžné kolo se reguluje olejovým automatem, který spřaženými táhly řídí natáčení lopatek oběžného i rozváděcího kola. Dík tomuto zařízení je Kaplanova turbína hospodárná i při 40%ním poklesu vodní hladiny a lze ji přetížit až o 20 %.Mechanismus natáčení lopatky: Oběžné kolo má dutý věnec připevněný na duté hřídeli. Hřídelí prochází regulační tyč, která natáčí přestavný kříž, jehož pohyb se přenáší na čepy lopatek oběžného kola. Tím se dosahuje jejich natáčení.Účinek savky: Účinnost Francisových i Kaplanových turbín zlepšuje savka. Kdyby voda proteklá oběžným kolem turbíny volně odtékala ke spodní hladině, nevyužilo by se spádu od oběžného kola k dolní hladině. Připojí-li se turbína rourou – savkou – ke spodní hladině a vyčerpá-li se z roury vzduch, nastane sání umožňující lepší odtok vody z turbíny. Pro využití dolního spádu je důležitá rychlost, jíž voda ze savky odtéká. Zhotoví-li se savka kuželová, snižuje se výtoková rychlost ze savky proti výtokové rychlosti vody z oběžného kola, a tím se zlepší využití vodní energie. Savky mohou mít různé tvary a bývají zhotoveny z betonu i z ocelového plechu.Peltonova turbína: Oběžné kolo turbíny Peltonovy obsahuje řadu dutých, souměrných dvojitých misek upevněných na disku hřídele. Miskám říkáme lopatky – korečky. Zamíří-li se na břit misek pramen vody z trysky (dýzy), předává voda oběžnému kolu svoji energii a oběžné kolo se roztočí. Peltonova turbína je vhodná pro velké spády s malým průtočným množstvím vody. Chod turbíny, její výkon i počet obrátek se řídí regulační jehlou. Její pohyb může být ruční nebo automatický.Diagram srovnání účinnosti různých typů turbín: Z vodních turbín nyní používaných je nejúčinnější Kaplanova turbína. Je však vhodná pouze pro střední a malé spády (od 0,5 do 80 m). Pro spády od 20 do 400 m se stavějí turbíny Francisovy. Pro spády od 100 do 2000 se stavějí turbíny Peltonovy. Na diagramu můžeme též vidět, jak se mění tvary oběžných kol Kaplanovy i Francisovy turbíny pro různé spády.Růst výkonu hydrogenerátorů postavených v ČSSR: Stavba velkých přehrad umožňuje použít rychloběžných turbín, a tím též hydrogenerátorů o velkém výkonu. Právě na stavbě těchto generátorů se nejlépe přesvědčíme, jak stoupl výkon turbín od r. 1929 z 360 kW na 100 000 kW v r. 1960.׋›Od vodního kola k turbíněVýrobceDPrahaRok1962Délka25 okénekAutor textuRádl Zdeněk Dr.PředlohaFYZKOznačení5369Další diafilmy výrobceNovák VítězslavDějepis 6/D19 – Úvod do tématu Starověký ŘímČeské moderní malířství 2Besedy o umění pro 7. p. r.
