Vodna turbina

Francisova vodna turbina za električno centralo na Grand Coulee Dam.

Vódna turbína je pogonski stroj, pri katerem se potencialna energija vode pretvarja v mehansko energijo, ta pa se z električnim generatorjem pretvarja v električno energijo. Turbina in generator tvorita turboagregat.

Glede na pretvorbo energije, vodne turbine delimo v dve skupini:

• enakotlačne (akcijske) vodne turbine s prostim curkom
  • Peltonova turbina
• nadtlačne (reakcijske) vodne turbine
  • Francisova turbina
  • Kaplanova turbina

Enakotlačne turbine so delno oblite in morajo biti za normalno obratovanje postavljene na spodnjo gladino vode. Nadtlačne pa so polno oblite in izkoriščajo celotni padec vode od zgornje do spodnje gladine.

Peltonova turbina.

Vodne turbine locimo tudi glede na smer pretoka vode:

• radialne (Francisova turbina)
• aksialne (Kaplanova turbina)
• diagonalne
• tangencialne (Peltonova turbina)

Delimo pa jih tudi glede na lego osi vodne turbine:

• navpične
• vodoravne
• poševne

Specifična vrtilna hitrost

Različne oblike vodnih turbin so razvili zaradi različnih okoliščin uporabe. Najpomembnejši parametri so: tlak vode pred turbino (g.∆H), volumski pretok vode (Q) in predvidena vrtilna hitrost (n). S pomočjo teorije podobnosti lahko strnemo tri vplivne parametre v en brezdimenzijski pokazatelj: specifično vrtilno hitrost N_s :

$N_{s}={\frac {n{\sqrt {Q}}}{(gH)^{3/4}}}$

$N_{s}$ - specifična vrtilna hitrost

$n$ - vrtilna hitrost (število vrtljajev turbine) (1/s)

$Q$ - volumski pretok (m³/s)

$H$ - tlačna višina (razlika med nivojem zgornje vode in letgo turbine) (m)

$g$ - gravitacijski pospešek(m/s²)

Uporabimo podatke za pretok in tlačno višino pri kateri želimo doseči največji izkoristek, to je najpogostejše velikosti teh parametrov.

Pozor: nekatere definicije specifične vrtilne hitrosti ne vsebujejo zemeljskega pospeška. V tem primeru izraz ni brezdimenzijski in se izračunane vrednosti razlikujejo glede na merske enote. V uporabi je tudi podobna definicija, ki se nanaša na specifično vrtilno hitrost v rad^-1.

Kraut uporablja oznako n_s:

$n_{q}={\frac {n{\sqrt {q}}_{v}}{(H)^{3/4}}}$

kjer ima $q_{v}$ enak pomen kot $Q$.

Primerjalna tabela oblik rotorjev turbin

Tabela je uporabna za vodne turbine in vodne črpalke. Vodne turbine dosegajo višje izkoristke kot črpalke. Tudi velikost stroja vpliva na dosegljiv izkoristek, ta je pri večjih strojih višji.

$n_{q}$ (specifična vrtilna hitrost, vrt. na minuto)	Vrsta rotorja	Oblika rotorja	Maks. tlačna višina	Maks. izkoristek (za črpalke)
7 – 30	Radialna turbina/črpalka		800 m (bis 1200 m)	40 – 88 %
50	Radialna turbina/črpalka		400 m	70 – 92 %
100	Radialna turbina/črpalka		60 m	60 – 88 %
135	Polaksialna turbina/črpalka		100 m	70 - 90 %
160	Polaksialna turbina/črpalka		20 m	75 – 90 %
160 – 400	Aksialna turbina/črpalka		2 – 15 m	70 – 88 %

Raidalne in polradialne turbine imenujemo tudi Francisove, aksialne pa Kaplanove oziroma v izvedbah za zalo nizke padce cevne turbine.

Peltonove turbine imajo povsem drugačno zasnovo (glej zgoraj), uporabne pa so za zelo nizke vrednosti $n_{q}$, do 10 vrt./minuto oziroma pri izvedbah z več šobami do 20 vrt./minuto.