Hidraulične turbine spadaju u klasu turbomašina u kojima se posredstvom radnog kola vrši pretvaranje strujne energije tečnosti u mehanički rad. Najčešće se koriste za pogon generatora u hidroelektranama.

1

Napor hidraulične turbomašine Y [J/kg] se definiše kao priraštaj strujne energije jedinice mase radnog fluida od ulaza do izlaza iz turbomašine. Napor hidraulične turbomašine može biti predstavljen i kao zbir statičkog dela napora Ys i dinamičkog dela napora Yd. gde su: ρ [kg/m3] - gustina radnog fluida, pI, pII [Pa] - apsolutni pritisak u radnomfluidu meren u ulaznom, odnosno izlaznom, preseku hidraulične turbomašine, cI, cII [m/s] - srednje brzine radnog fluida u ulaznom i izlaznom preseku hidraulične turbomašine, zI, zII [m], - vertikalna odstojanja središta ulaznog i izlaznog preseka.

2

U praksi se veoma često nailazi na zadatak određivanja jediničnog strujnog rada nestišljivog radnog fluida u hidrauličnoj turbomašini (napora hidraulične turbomašine) koju treba ugraditi u odgovarajuće hidroenergetsko postrojenje, da bi se postigli neki unapred zadati projektni zahtevi. Ovo podrazumeva utvrđivanje funkcionalne zavisnosti jediničnih strujnih energija eI i eII nestišljivog radnog fluida na mestima gde će se hidroenergetsko postrojenje (cevovod) spojiti sa ulazom (oznaka I) i izlazom (oznaka II) Funkcionalna zavisnost napora hidraulične turbomašine od protoka, koja se u toku ovakve analize utvrdi, predstavlja hidroenergetske "zahteve" koje hidroenergetsko postrojenje nameće hidrauličnoj turbomašini, a u literaturi o hidrauličnim turbomašinama svodi se na određivanje neto napora hidraulične turbine. U izrazima figurišu sledeće veličine: g [m/s2] - ubrzanje sile zemljine teže, Hgeo [m] - neto pad (rastojanje između nivoa akumilacije i donje vode), cII [m/s] - srednja brzina strujanja na izlasku iz difuzora (ulazak u donju vodu), Yvu [J/kg] - hidraulični gubici u dovodnom cevovodu, Lu [m] - dužina dovodnog cevovoda, du [m] - prečnik dovodnog cevovoda, cu [m/s] - srednja brzina strujanja radnog fluida kroz dovodni cevovod, ξu [-] - koeficijenti lokalnih otpora, λu [-] - koeficijent otpora usled trenja.

3

U toku rada turbine, saglasno osnovnom principu njenog dejstva, jedinični strujni rad Y, radnog fluida koji protiče kroz turbinu, pretvara se, takođe, jednim delom, u tehnički rad Yi koji se preko vratila radnog kola odvodi iz turbine. U toku tog pretvaranja rada u radnom fluidu koji protiče kroz protočne organe turbomašine dolazi do promene njegovih fizičkih veličina stanja. Zbog prirode energijskih procesa u turbomašini nikada ne može postojati ekvivalencija između tehničkog i jediničnog strujnog rada. Kod turbina je tehnički rad Yi uvek manji od jediničnog strujnog rada Y.

4

Vodna kola spadaju među najstarije hidraulične motore. Primenjivana su, i sada se često koriste, za navodnjavanje poljoprivrednih površina i za pogon manjih vodenica. Najčešće se dele na obična i nadljevna. Obično vodno kolo se sastoji od točka, koji je izrađen, najčešće, od impregniranog drveta i određenog broj lopatica pločastog oblika koje su ravnomerno raspoređene i učvršćene po njegovom obimu. Konstrukcija točka predstavlja tzv. laku drvenu konstrukciju, koja se sastoji od glavčine, obodnog prstena i paoka koji povezuju i centrično pozicioniraju glavčinu i obodni prsten točka u odnosu na osu vratila vodnog kola. Obično vodno kolo funkcioniše na sledeći način: - uz pomoć usmerne pregrade 1 (što predstavlja kvalitetnije rešenje), ili bez nje,vodeni tok se usmerava s donje strane vodnog kola prema donjoj vodi 2; - vodena masa, krećući se nizvodno, nailazi na lopatice vodnog kola koje su delimično

uronjene u donju vodu 2; - u toku interakcije vodene mase i lopatica vodnog kola menja se količina kretanja dela

vodene mase koja je u kontaktu sa lopaticama, jer ona prilikom opstrujavanja lopatica menja, lokalno gledano, svoj pravac, što uzrokuje pojavu obimske sile na lopaticama u zahvatu i obrtanje vodnog kola u smeru naznačenom na slici.

Nadljevno vodno kolo se sastoji od točka, koji je izrađen, najčešće, od impregniranog drveta i određenog broj lopatica koritastog oblika koje su ravnomerno raspoređene i učvršćene po njegovom obimu. I konstrukcija točka nadljevnog kola, predstavlja tzv. laku drvenu konstrukciju, koja se sastoji od glavčine, obodnog prstena i paoka koji povezuju i centrično

5

pozicioniraju glavčinu i obodni prsten točka u odnosu na osu vratila vodnog kola. Nadljevno vodno kolo funkcioniše na sledeći način: - uz pomoć usmerne pregrade 1, vodeni tok se usmerava s gornje strane vodnog kola prema donjoj vodi 2; - vodena masa, krećući se nizvodno, nailazi na koritaste lopatice vodnog kola, puneći ih i presipajući se preko njih; - pod dejstvom težine vode kojom se pune koritaste lopatice, kao i zbog interakcije lopatica vodnog kola i vodene mase koja udara i presipa se iz njih menjajući količinu kretanja, javlja se obimska sila na lopaticama u zahvatu i obrtanje vodnog kola u smeru naznačenom na slici.

5

Prva vodna turbina visoke efikasnosti napravljena je oko 1825. prema nacrtu Benoît-a Fourneyron-a, koja je postavljeba u Francuskoj. Karakterisao ju je aksijalni ulaz u radno kolo i radijalni izlaz iz kola (Slika) i efikasnost od čak 85%. Nešto kasnije je u St. Blasien-u u Nemačkoj postavljena Furnijerova turbina pri padu od 108 metara postizala je 2200 min-1 pri čemu je snaga na vratilu iznosila čitavih 25 kW, što je u vreme vodnih kola bila neverovatna snaga za radno kolo prečnika svega 312 mm.

6

Osnovna klasifikacija hidrauličnih turbina može se izvršiti prema vrsti strujne energije koja dominira u procesu razmene rada između radnog fluida i radnog kola je na akcijske i reakcijske. Razmena energije između radne tečnosti i radnog kola u akcijskoj hidrauličnoj turbini ostvaruje se na račun kinetičke energije mlaza koji ističe iz jednog, ili više, mlaznika i napada lopatice radnog kola koje su ravnomerno raspoređene po njegovom obimu. U toku interakcije mlaza i lopatica, mlaz skreće i vrši promenu količine kretanja, što se manifestuje pojavom obimske sile na radnom kolu i njegovim obrtanjem oko ose simetrije. Posebno je karakteristično da se intenzitet brzine fluidnih delića mlaza u toku interakcije sa lopaticama zanemarljivo menja i da je pritisak u mlazu približno konstantan. Reakcijskim hidrauličnim turbinama nazivaju se one turbine u kojima se razmena energije između vode i radnog kola turbine ostvaruje, pretežno, na račun promene pritiska u struji vode koja protiče kroz radno kolo. Pritom je pritisak u vodi na izlazu iz radnog kola manji nego pritisak u vodi na ulazu u radno kolo, što govori da se vodena masa koja protiče kroz radno kolo ovih turbina usporava, i da je proces pretvaranja strujnog rada u mehanički rad praćen pojavom inercijskih (reaktivnih) sila. U međulopatičnim kanalima radnog kola reakcijske turbine voda menja brzinu kako po intenzitetu tako i po pravcu, što uzrokuje promenu momenta količine kretanja vodene mase koja protiče kroz radno kolo, a što se manifestuje obrtanjem radnog kola.

7

Prednost turbina u odnosu na vodna kola je u njihovom sofisticiranom principu rada. Konverzija energije vodnog toka u korisnu snagu na vratilu turbine se zasniva na efikasnoj promeni momenta količine kretanja u samom radnom kolu.

8

9

Princip efikasne promene momenta količine kretanja biće prikazan na primeru Francisove turbine. Francisova turbina je tip turbine sa radijalnim ulazom u radno kolo i aksijalnim izlazom. Spiralno kućište, usmerne nepokretne lopatice pretkola kao i zakretne lopatice pretkola imaju ulogu da voda uđe u radno kolo sa određenim momentom količine kretanja u odnosu na osu kola. Sa druge strane, zakrivljene lopatice radnog kola imaju zadatak da, u najboljem slučaju, obezbede da moment količine kretanja na izlazu iz radnog kola bude jednak nuli. Brzina svakog delića vode se može posmatrati iz apsolutnog koordinatnog sistema i takvu brzinu nazivamo apsolutnom brzinom (c) ili iz koordinatnog sistema koji je vezan za radno kolo i okreće se zajedno sa njim i takvu brzinu nazivamo relativnom brzinom (w). Iz prikazanog trougla brzina se vidi da se apsolutna brzina nekog delića fluida (c) može prikazati kao zbir vektora relativne brzine (w) i vektora prenosne (obimske) brzine (u).

10

Na ulazu u radno kolo (tačka 2, radijus r2, obimska brzina u2) vektor c2 se javlja kao posledica jednačine kontinuiteta i uslova koji su postavljeni uzvodno (spiralno kućište, strujnice su paralelne sa usmernim organima). Vektor c2 ima tangencijalnu komponentu cu2 koja je usmerena u pravcu vektora prenosne brzine u2. Proizvod radijusa r2 i cu2 daje moment količine kretanja po jedinici mase na ulazu u radno kolo, a u odnosu na osu radnog kola. Nadalje, c2 ima i svoju komponentu cm2 koja je upravna na tangencijalni pravac i usmerena ka osi radnog kola. Ova komponenta se naziva i meridijanska komponenta brzine i proporcionalna je protoku. Vektor relativne brzine w2 je jednak razlici vektora c2 i u2 i, pri maksimalnoj efikasnosti, paralelan je sa lopaticama radnog kola (tzv. bezudarni ulaz u radno kolo). Po ulasku u radno kolo i sve do izlaska iz samog kola, zakrivljene lopatice radnog kola menjaju pravac i brzinu kretanja radne tečnosti tj. menjaju njenu količinu kretanja. Na izlasku iz kola (tačka 1, radijus r1, obimska brzina u1) pravac vektora relativne brzine w1 je određen uslovima uzvodno od tačke 1 (paralelan je sa lopaticama radnog kola). Vektor apsolutne brzine c1 je jednak zbiru vektora w1 + u1. Vektor c1 ima tangencijalnu komponentu cu1 koja je, pri maksimalnoj efiksasnosti turbine, jednaka nuli pa sledi da je i moment količine kretanja po jedinici mase na izlazu iz radnog kola, proizvod r1 i cu1, jednak nuli. Iz zakona o održanju momenta količine kretanja sledi da je promena momenta količine kretanja između ulaza i izlaza iz radnog kola jednaka momentu TB kojim voda deluje na lopatice radnog kola.

11

Moment TB pomnožen sa ugaonom brzinom ω daje snagu koju fluid predaje radnom kolu PB (pri čemu proizvod ugaone brzine i odgovarajućih radijusa daje odgovarajuće obimske brzine). Snaga podeljena sa masenim protokom daje sprecifičan napor radnog kola.

11

Fransisove turbine predstavljaju najrasprostranjeniji tip reakcijskihh turbina i mogu da se koriste na vodotocima sa srednjim protokom i padom od 15 m do 700 m. Konstruišu se za svaku lokaciju zasebno kako bi se postigao što veći stepen iskorišćenja, koji pri nazivnim vrednostima pada i protoka iznosi preko 90%. Osnovna podela ovih turbina je na turbine sa horizontalnim i vertikalnim vratilom. Francis-ove turbine sa vertikalnim vratilom treba izbegavati zbog otežanog pristupa i održavanja, zbog neophodno većeg rastojanja između generatora i radnog kola tj. zbog viših instalacionih troškova. Izvodi se sa nepokretnim lopaticama radnog kola i, uglavnom, sa pokretnim usmernim lopaticama pretkola.

12

U većini slučajeva se radno kolo izrađuje od nerđajućeg čelika. Broj lopatica radnog kola zavisi od operativnog pada za koji je turbina projektovana. Turbine sa većim projektovanim padom zahtevaju veći broj lopatica. Veći broj lopatica znači manje pritisno opterećenje po lopatici, što pozitivno deluje na smanjenje kavitacije i cepanje mlaza pri manjim opterećenjima. Veći broj lopatica takođe znači povećanje kontaktnih površina i povećanje gubitaka trenjem. Za različite protoke i projektovane padove, radna kola Fransisovih turbina imaju različite oblike. Savremene vodne turbine tipa Fransis, koje se koriste za ugradnju u postrojenja MHE, koriste se za jedinični rad Y=50÷3000 J/kg. Za ovu oblast rada koriste se turbine specifične učestanosti – brzohodnosti nq=0,07 –0,33. Za specifičnu učestanost obrtanja nq=0,07÷0,12, preporučuje se da vrednosti ulaznog ugla lopatica radnog kola budu β1l=50°÷90°, β2l=10°÷25°, a za nq=0,2÷0,33 se preporučuje β1l=40°÷60°, β2l=40°÷60° s tim da se izlazni ugao u pravcu strujanja smanjuje.

13

Za različite protoke i projektovane padove, radna kola Fransisovih turbina imaju različite oblike.

14

Voda se dovodi na lopatice radnog kola pomoću spiralnog kućišta i pri tome prolazi kroz lopatično pretkolo. Unutrašnji preseci spiralnog kućište su dimenzionisani tako da obezbeđuju konstante ulazne brzine po obodu radnog kola. Pretkolo može potpuno zatvoriti tok vode u slučaju potrebe. Ipak, ovakvo pretkolo ne isključuje postavljanje ventila na ulazu u turbinu. Da bi se umanjila kinetička energija vode koja napušta turbinu, kod reakcionih turbina se koristi difuzor tj. konično proširenje sa optimalnim uglom od oko 7°. Dobro projektovan difuzor omogućava postavljanje iznad donje vode, a da se pri tome ne izgubi ništa od raspoloživog pada. Postavljanje difuzora se posebno isplati kod turbina kod kojih je brzina struje vode velika.

15

Spadaju u aksijalne reakcione turbine, najčešće korišćene kod malih padova (0,8 do 40 m). Instalacija Kaplanove turbine ne zahteva akumulaciju pa je vrlo prihvatljiva u ekološkom smislu. Ovaj tip turbina može da se koristi i kod MHE sa padom od jednog metra. Kaplanove turbine imaju dobar stepen iskorišćenja i pri malim opterećenjima (i pri 25% nominalnog opterećenja). Relativno velike, povoljne, brzine obrtanja omogućavaju korišćenje jeftinijih generatora. Lopatice radnog kola se uglavnom izvode kao zakretne, a lopatice pretkola kao fiksne ili kao regulacione. Kaplanove turbine kod koje su pokretne i lopatice radnog kola i lopatice pretkola se nazivaju dvostruko regulisanim, a turbine kod kojih su pokretne samo lopatice radnog kola - jednostruko regulisane ili Thomanove. U posebnim slučajevima, kad je izvesno da će protok i pad biti nepromenjeni tokom vremena, i lopatice radnog kola i lopatice pretkola se izvode kao fiksne (tzv. propelersko radno kolo). Najfleksibilnija izvođenja (dvostruko regulisana) mogu raditi sa protokom od 15% pa do 100% od maksimalnog protoka. Jednostruko regulisana Kaplanova turbina može raditi pri protoku koji se kreće od 30% pa do 100% maksimalnog protoka. Podela Kaplanovih turbina na osnovu specifičnog broja obrtaja data je u tabeli.

16

Pri regulaciji stepen korisnosti dostiže vrednost od η=0,88–0,92. Na izlazu iz turbine je relativno visoka vrednost kavitacionih koeficijenata, što može da dovede do povećanja odgovarajućih troškova za održavanje i opremu sa aspekta dodatnog korišćenja jediničnog rada. S obzirom na kavitaciju, često je potrebno da se lopatice radnog kola izrađuju od specijalnih nerđajućih materijala, koji su manje podložni uticaju kavitacije. Uobičajena praksa je da se radna kola sa četiri lopatice koriste za padove od 25 – 30 m, sa pet lopatica za padove do 50 m, a one sa sedam za 60 – 70 m. Povećanje broja lopatica utiče na povećanje prečnika glavčine, a njegov oblik postaje složeniji, što se može negativno odraziti na efikasnost turbine. Sa povećanjem projektovanog pada prečnik glavčine se uvećava približno od 40% do 60 ÷ 70% vrednosti prečnika radnog kola. Obrtni moment se na turbinsko vratilo prenosi ili čistom frikcionom vezom ili kombinovanom frikciono-smicajnom vezom. Uglovi lopatica kod glavčine i oklopa imaju druge brojne vrednosti, jer su profili pod različitim lopatičnim uglovima postavljeni u rešetki. Ovi uglovi imaju uticaja na energetske i kavitacione karakteristike radnog kola. Razlika ovih uglova može da dostigne brojnu vrednost Δβ = 14 ÷ 18°. Razlika između ugla struje i lopatičnog ugla kod glavčine kreće se u granicama od 6° do 10°, a kod oklopa 0 ÷ 2°. Sa oznakom 2 u prefiksu označene su tačke na ulazu u radno kolo trurbine, i to sa 2a ulaz na ivici lopatice radnog kola, u najudaljenijoj tački gledano od ose, i sa 2i, tačka na ulaznoj ivici

lopatice uz glavčinu. Sa prefiksom 1 obeležene su izlazne tačke, i to sa 1a, tačka na izlaznoj ivici lopatice najudaljenija od ose, a sa 1i, tačka na izlaznoj ivici lopatice uz glavčinu radnog

17

kola. Vrednost prenosne brzine zavisi od poluprečnika tačke u kojoj se kretanje posmatra, u =ω r, intenzitet ove brzine u obodnim tačkama biće znatno veći od onog u tačkama uz glavčinu što je na trouglovima brzina jasno prikazano dužinom vektora prenosnih brzina.

17

Konfiguracije Kaplanovih turbina se razlikuje prema pravcu proticanja vodenog toka (aksijalni, radijalni i kombinovani), izlaznom sistemu (otvor ili difuzor) i multiplikatoru (paralelni zupčanici, prenos pod pravim uglom, kaišnik). a) HE sa vertikalnom polu-Kaplanovom turbinom; b) HE sa vertikalnom polu-Kaplanovom turbinom; c) HE sa Kaplanovom turbinom i inverznim sifonom; d) HE sa nagnutom Kaplanovom turbinom u jami; e) HE sa horizonzalnom Kaplanovom turbinom na dnu brane; f) ) HE sa „S“ Kaplanovom turbinom i inverznim sifonom; g) HE sa nagnutom Kaplanovom turbinom i sa koničnim zupčastim multiplikatorom; h) HE sa polu-Kaplanovom turbinom i sifonom.

18

Bulb turbina je posebno izvođenje Kaplanove turbine kod koje je generator zatvoren u nepropusno kućište i potopljen u struju vode. Kod ovakvog izvođenja, samo električni kablovi, dobro izolovani, izlaze iz sklopa. Pošto su svi elementi hidroelektrane potopljeni u vodi, održavanje bulb turbine je vrlo skupo pa u tom smislu klasična Kaplanova turbina predstavlja bolje rešenje. Posebno izvođenje bulb turbine predstavlja tzv. STRAFLO turbina kod koje su lopatice radnog kola istovremeno i paoci rotora generatora. Efikasnost ove turbine je visoka zbog toga što je struja vode u velikoj meri ispravljena (STRAFLO - straight flow), zahvaljujući relativno malom kućištu u kojem su smešteni samo ležajevi radnog kola. Nedostatak ove turbine se ogleda u visokoj cena zaptivača koji štite generator.

19

Spiralno kućište za projektovane padove od 25 – 30 m se izrađuju od betona. Betonsko kućište za projektovane slučajeve visokih padova nije pogodno rešenje, jer beton ne može da izdrži relativno visok hidraulični pritisak. Za takve slučajeve oblikuje se kućište od čeličnih ploča, analogno onima kod Fransisovih turbina. Poprečni presek kanala spiralnog kućišta je kružnog oblika. Lopatice nepokretnog prstena sprovode vodeni tok do pokretnih lopatica radnog kola. Hidraulična opteređenja se preko čvrsto zašrafljenih nepokretnih lopatica i prstena prenose na beton. Nepokretne lopatice se obično izrađuju od od zavarenih čeličnih ploča nalivenih betonom. Pokretne lopatice pretkola Kaplanovih turbina se konstruišu na isti način kao one kod Fransisovih. Regulacioni prsten simultano zakreće sve pokretne lopatice za isti ugao kako bi se menjala opterećenja turbine. Lopatice su izrađene od čelika.

20

Spada u grupu akcijskih turbina kod kojih se potencijalna energija vode pretvara u kinetičku energiju u za to projektovanom mlazniku. Uglavnom se koriste kod padova od 60 m pa do više od 1000 m. Karakteriše ih relativno ravna kriva efikasnosti (mogu se koristiti kod protoka koji se kreću od 10% pa do 100% od projektovanog protoka). Kod ove turbine jedan ili više mlazeva udara u posebno profilisane lopatice koje su postavljene po obodu radnog kola (postoje izvođenja i sa više radnih kola na jednom vratilu). Oblast njene primene za MHE kreće se za jedinične radove Y = 500 – 4000 J/kg i protoke Q = 0,2 - 3 m3/s [2]. Ako se MHE izvodi kao mikroelektrana onda se oblast primene Peltonove turbine prostire i za jedinične radove Y < 200 J/kg i protoke Q = 0,08 - 0,2 m3/s. Dovodni uređaj čini mlaznica sa regulacionom iglom. Mlaznica je kružnog preseka i iz nje ističe voda i udara u lopaticu radnog kola, pa se kaže da je Peltonova turbina sa parcijalnim punjenjem, jer se voda ne dovodi po čitavom obimu radnog kola. Mlaz vode udara tangencijalno na podeoni krug lopatice. U mlaznici se ukupno dovedeni jedinični rad transformiše u kinetičku energiju, zbog čega voda iz mlaznice izlazi velikom brzinom v Gde je φ koeficijent kontrakcije mlaza i obično ima brojnu vrednost φ = 0,95 – 0,973. Broj mlaznica turbine zavisi od vrednosti brzine, gde povećanje specifične brzine vode znači povećanje broja mlaznica. Potrebno je da mlaznice budu na takvom međusobnom odstojanju da mlazevi vode nemaju negativnog međusobnog uticaja.

21

Radna kola Peltonovih turbina mogu biti projektovana tako da se zajedno liju sa lopaticama. Lopatice su oblikovane tako da izlaznu brzinu „drže“ na minimumu tj. da iskoriste najveći deo kinetičke energije mlaza. Presudan uticaj na efikasnost turbine ima oblik njenih lopatica. Najčešće se izvode tako da se mlaz deli na dva dela da bi se smanjila aksijalna sila na vratilu radnog kola, pri tome, mlaz se skreće za ugao do 160° da bi se sprečio sudar povratne vode sa nadolazećim mlazom. Na slici gore je prikazan trougao brzina Peltonove turbine. Svaki mlaz prolazi kroz mlaznik a kontroliše se pomoću regulacionog koplja unutar konstrukcije mlaznika. Ulazna i izlazna obimska brzina su jednake, dakle u1 = u2 , i ova obimska brzina jednaka je skoro polovini brzine kojom voda ističe iz mlaznice. Relativna brzina strujanja tečnosti nailazi na jednu polovinu lopatice pod uglom β1 (10 – 15°). Obimska komponenta apsolutne brzine strujanja c2u jednaka je nuli. Kad je potrebno, Peltonova turbina se zaustavlja skretanjem mlaza pomoću skretača mlaza, slika dole. Ovim se, zbog velikih padova i visokih pritisaka koji vladaju, obezbeđuje dovoljno vremena za zatvaranje mlaznika kopljem tj. sprečava se hidraulični udar u dovodnom cevovodu

22

Kućište Peltonove turbine (slično kao kod ostalih akcijskih turbina) nije izloženo visokim pritiscima, ono samo sprečava prskanje pa se izvodi kao laka konstrukcija. Kućište Peltonove turbine prikazano je na slici desno. Sastoji se od gornjeg i donjeg segmenta. Oba su izgrađena od čeličnih ploča međusobno zavarenih na mestu izrade. Cilindrične veze razvodnika i kućišta su takođe spojene zavarivanjem. Gornji deo kućišta turbine je dodatno ojačan spoljašnjim orebrenjima i pričvršćen zavrtnjima. Kućište je radi dodatnog ojačanja u celosti uzidano u beton. Razvodnik je dizajniran tako da ubrzava tok vode ka svakom od injektora. Savremena konstrukcija omogućuje jednoliko strujanje vode kroz razvodne cevi. Razvodna cev je izrađena od zavarenih čeličnih ploča. Maksimalno dozvoljeno naprezanje ovog materijala je ograničeno na 200 MPa. Račve su ojačane unutrašnjim i spoljašnjim orebrenjima. Zbog kvaliteta čeličnih ploča razvodne cevi, zavarivanje se obavlja uz specijalni toplotni tretman. U toku instalacije razvodna cev se polaže u betonski zid mašinske zgrade.

23

Radi pri velikim padovima, od 30 do 300 m. Slična je Peltonovoj turbini, spada u grupu akcijskih (impulsnih) turbina pri čemu su lopatice radnog kola drugačijeg oblika od lopatica Peltonove turbine. Kod ove turbine, mlaz vode pada na ravan koju obrazuju ulazne ivice lopatica pod uglom od 20°. Voda ulazi u radno kolo sa jedne njegove strane a izlazi sa druge. Za razliku od Peltonove turbine kod koje je, zbog toga što na vodu koja napušta jednu lopaticu nailazi susedna lopatica, količina vode koju može prihvatiti ograničena, kod Turgo turbine ovakva ograničenja praktično ne postoje. Iz istog razloga radno kolo je manje a i jednostavnije je, zbog visokog broja obrtaja, direktno sprezati Turgo turbinu sa generatorom te povećati ukupnu efikasnost i smanjiti troškove održavanja. Često se koristi kao alternativa Francis-ovoj turbini u slučajevima velikih varijacija protoka jer skretač mlaza Turgo turbine može efikasno sprečiti pobeg karakterističan za Francis-ovu turbinu.

24

25

Nazvane su po pronalazačima (Australijanac A. S. Michell i Mađar D. Banki) a u literaturi se mogu pronaći i kao Ossberger-ova turbina po proizvođaču koji ih proizvodi više od pola veka. Pored toga, zbog svog principa rada naziva se i Crossflow turbinom. Koristi se u širokom opsegu padova, pa se njene radne oblasti mogu preklopiti sa radnim oblastima koje su „rezervisane“ za Kaplanovu, Francisovu ili Peltonovu turbinu. Banki turbina može raditi sa protocima između 20 l/s i 10 m3/s i padovima između 1 i 200 m pri čemu ostvaruje snage do 2 MW. Konzolna Banki turbina je uprošćene konstrukcije, bez sopstvenog vratila i ležaja. Obrtno kolo se postavlja na vratilo generatora, a oklop turbine se vezuje sa prirubnicom na kućištu generatora. Oklop turbine i generator su postavljeni na zajedničko postolje. Na kraju slobodnog kraja vratila generatora postavljen je zamajac radi ostvarenja ravnomerne brzine agregata potrebne za izolovani pogon. Kod prikazanog tehničkog rešenja ugrađen je i dodatni zamajac sa svojim uležištenjem, takođe postavljen na zajednički ram. Otvorena Banki turbina namenjena je za korišćenje na najmanjim padovima, dovod vode u turbinu je sa donje strane obrtnog kola, kroz usmerivač vode. S obzirom na male padove na kojima turbina radi, dolazi do niske učestanosti obrtanja turbine, što zahteva primenu dvostepenog kaišnog multiplikatora kod korišćenja standardnih generatora sa sinhronom učestanosti obrtanja od 1500 min-1.

26

Voda ulazi u turbinu i usmereva se sa jednom ili sa više vodećih lopatica pozicioniranih neposredno pre radnog kola. Potom, voda prolazi dva puta kroz radno kolo. U prvom stepenu prolaska, mlaz se skreće i prolazi kroz centralni deo radnog kola i potom u drugom stepenu još jednom menja pravac pod dejstvom lopatica i izlazi iz radnog kola. Ovakav, dvostruki, prolaz kroz radno kolo značajno umanjuje udare koji su karakteristični za rad impulsnih turbina. Radno kolo je napravljeno od dva ili više diskova koji su povezani sa 26 do 30 zakrivljenih lopatica. Može biti instalirana sa ili bez difuzora. Konstrukcija Banki turbine je jednostavna, postavljanje je brzo a rad i održavanje jeftini, bez zahteva za visokostručnom posadom.

27

Kako bi se postigao maksimalan stepen korisnosti Banki turbine, voda se u radno kolo dovodi posebno izrađenom mlaznicom koja omogućava da ugao ulaza vode u radno kolo ima vrednost 15 – 16°.

28

U poslednje vreme se, zbog velikih prednosti u pogledu efikasnosti, insistira na Banki turbinama čije je radno kolo podeljeno u odnosu 1:2. Ovakva podela omogućava efikasan rad turbine pri jednoj trećini projektovanog protoka, dve trećine ili pri punom protoku. Efikasnost ovakvog rešenja je niža od efikasnosti ostalih turbina, međutim, ostaje praktično ista (oko 80%) u širokom opsegu protoka i/ili padova.

29

Iz ekonomskih razloga proizvođači hidroturbina uveli su tipizaciju i standardizaciju, koja znači izbor vrsta i veličina vodnih turbina, koja pokrivaju najčešha područja padova i protoka. Tipizacija malih turbina omoguhava: brz izbor odgovarajuće turbine prilagođene analiziranom vodotoku, brzo projektovanje, brzo konstruisanje, brzu i jednostavnu montažu, zamenljivost pojedinih konstruktivnih skolopova, lako dobavljanje opreme i slično. Izbor turbine zavisi od raspoloživog neto pada i protoka, cene postrojenja, broja obrtaja generatora, zahteva održavanja, mogućnosti pojave kavitacije, osetljivosti turbine na mehaničke nečistoće u struji vode i od ostalih kriterijuma. Hidro turbinu treba odabrati tako da odgovara specifičnim uslovima koji se javljaju na lokaciji a sa ciljem da se ostvari očekivana visoka efikasnost. Na različitim lokacijama se pojavljuju različiti napori/padovi kao i raspoloživi protoci, a broj kombinacija protoka i padova je praktično jednak broju lokacija, pa (iako je broj raspoloživih obrtaja generatora ograničen) se samo slučajnošću jedna ista turbina može efikasno upotrebiti na više lokacija. Za brdsko-planinska područja za lokacije sa visokim padovima i malim protocima bujičastih vodotoka pogodne su Pelton turbine. Ove turbine održavaju visok stepen iskorišhenja u vrlo širokom opsegu promene protoka. Ovaj tip turbina nema problema u vezi kavitacije, a niske temperature brdsko-planinskih oblasti nisu opasne za ove turbine. Kod protočnih MHE postavlja se Jedan generator sa višemlaznom Pelton turbinom. Za srednje protoke i srednje padove koristi se Fransis turbina. Za oblasti umerenih padova i protoka Peltonove i Fransis turbine mogu biti zamenjene Banki

30

turbinom. U pogledu protoka, treba reći da je potrebno poznavati krivu trajanja protoka (flow duration curve) tj. da jedna vrednost za protok nije dovoljna za pravilno projektovanje postrojenja. Nazivni protok i neto pad određuju tip turbine koji se može upotrebiti na datoj lokaciji. Sa dijagrama se vidi da pojedine kombinacije protoka i padova pokriva više od jedne turbine. Svaka od tih turbina je pogodna za proizvodnju električne energije na lokaciji a za donošenje konačne odluke je potrebno uraditi ekonomsku analizu i uporediti troškove sa instalisanom snagom tj. očekivanom proizvodnjom električne energije na lokaciji.

30

Specifični broj obrtaja predstavlja nešto precizniji kriterijum za pravilan odabir turbine i proizlazi iz teorije sličnost. Značica specifičnog broja obrtaj se definiše kao u izrazu levo, ali se kod hidrauličnih turbina se specifični broj obrtaja, zbog određenih pogodnosti, definiše s obzirom na snagu (izraz desno). Veličine koje figurišu u izrazima su: n [o/min] - broj obrtaja radnog kola turbine, Q [m3/s] - zapreminski protok radnog fluida u ulaznom preseku turbomašine, P [W] - snaga turbine, Y [J/kg] - neto napor turbine.

31

Primenljivost pojedinih tipova turbina (predstavljenih specifičnim brojem obrtaja) u zavisnosti od raspoloživog pada na lokaciji.

32

U turbinu radni fluid unosi hidrauličku snagu PH , a izlazna (korisna) snaga iz turbine je ona koja se ostvaruje na izlaznom vratilu turbine P. Ukupni stepen korisnosti izvedenih hidrauličnih turbina nešto je veći nego kod neturbina i kreće se u granicama η = (0.8 ÷ 0.95).

33

Pored protoka, neto pada, cene opreme, prilikom odabira turbine treba voditi računa i o maksimalnoj efikasnosti pojedinih turbina kao i o promeni efikasnosti kroz očekivani raspon protoka. Uticaj efikasnosti turbine na izbor vrste turbine će se najbolje videti prilikom izvođenja ekonomskih studija, studije izvodljivosti ili biznis plana. U takvim dokumentima će se, kroz odnos proizvedene količine električne energije i potrebnih ulaganja u takvu opremu, opravdati eventualna potreba ulaganja u skuplje tj. efikasnije izvođenje.

34

U hidrauličnim turbomašinama, u toku rada, može na odgovarajućim lokacijama da pritisak u radnoj tečnosti opadne ispod onoga koji odgovara njenoj tački ključanja na toj temperaturi, usled čega će se na tom mestu pojaviti parna faza (lokalno ključanje). Stvoreni mehurići parne faze putuju nizvodno sa tečnom fazom i dospevaju u zone većeg pritiska, usled čega dolazi do nagle kondenzacije parne faze, i isčezavanja mehurića. Ova pojava da se na konstantnoj temperaturi radne tečnosti zbog snižavanja i porasta pritiska u njoj pojavljuju i nestaju parni mehurići naziva se kavitacijom. Niski pritisci, pri kojima radna tečnost počinje isparavati, mogu se pojaviti pored navedenog razloga i zbog dejstva inercijskih sila na nju. Ova pojava se naziva inercijskom kavitacijom. Inercijska kavitacija može se pojaviti pod vrlo različitim okolnostima. Kod hidrauličnih turbina ona se može pojaviti zbog naglog zatvaranja pretkola, što izaziva raskidanje tečne mase, koja ispunjava turbinu i difuzor. Prostor bez tečnosti (kaverna) nastao usled inercijskog dejstva na tečnost, koji se zbog naglog snižavanja pritiska ispunjava parom tečnosti, ponovo se zatvara kada dođe do povećanja okolnog pritiska. Zatvaranje kaverne završava se sudarom delića tečnosti, koji sa svih strana struje prema centru kaverne. Taj sudar, zbog neznatne kompresibilnosti tečnosti, praćen je odgovarajućim lokalnim porastom pritiska, koji može poprimiti vrlo veliki iznos. Uopšteno govoreći, porast pritiska usled sudara biće utoliko veći, što naglije dođe do promene okolnog potpritiska u natpritisak. Kada do zatvaranja kaverne dođe uz zid hidraulične turbomašine, udarac koji tom prilikom nastaje može prouzrokovati oštećenje. Ako je kaverna većih dimenzija (npr. prekidanje vodene mase u difuzoru turbine), ugrožena je konstrukcija u celini, a ako se radi o sitnim kavernama, oštećuje se materijal zidova. Ova oštećenja, kao što to

35

iskustvo pokazuje, su pretežno mehaničkog karaktera, što daje dovoljno jasnu predstavu o veličini pomenutih sudarnih pritisaka.

35

Kod hidrauličnih turbina kritično mesto, s obzirom na pojavu kavitacije, predstavlja presek 2-2 neposredno na izlazu iz turbine, jer se u njemu javljaju najmanji pritisci u radnoj tečnosti. Da u preseku 2-2 ne bi došlo do pojave kavitacije apsolutni pritisak radne tečnosti u tom preseku ne sme biti manji, ili jednak, pritisku isparavanja radne tečnosti na datoj radnoj temperaturi. Međutim, to ispunjavanje ovoga uslova ne znači i dovoljan uslov da u međulopatičnim kanalima radnog kola turbine ne dođe do kavitacije, jer lokalni i trenutni padovi pritiska u radnoj tečnosti mogu biti znatno veći nego u preseku 2-2. Zbog toga se u preseku 2 2− (sl. 3.3.) mora obezbediti određeni višak strujne energije u odnosu na kritičnu pritisnu energiju pri kojoj radna tečnost počinje da isparava na radnoj temperaturi. Minimalni višak strujne energije radne tečnosti u preseku gde se vezuje kućište turbine sa difuzorom (presek 2 2− , sl. 3.3.) iznad kritične pritisne energije pri kojoj radna tečnost počinje da ključa na radnoj temperaturi, koji obezbeđuje da ona radi na granici kavitacije, naziva se kavitacijskom rezervom turbine i definiše izrazom na vrhu. gde je: NPSET [J/kg] - kavitacijska rezerva turbine, p2/ρ pritisna energija radne tečnosti na ulazu u difuzor turbine, c2

2 [J/kg] - kinetička energija radne tečnosti na ulazu u difuzor turbine, pD/ρ [J/kg] - pritisna energija radne tečnosti, za radnu temperaturu, pri kojoj počinje njeno isparavanje. U praksi se često koriste i kavitacijska rezeva turbinskog postrojenja i kavitacijski koeficijent turbinskog postrojenja.

36

HS [m] – maksimalna visina sisanja na koju se sme podići turbina iznad donje vode

36