Turbiny Francisa

Rozwiązania tradycyjne z turbinami Francisa

Najstarszym typem turbiny, który znalazł powszechne zastosowanie była turbina Francisa o osi pionowej, a później także poziomej, pracująca w otwartej prostokątnej komorze turbinowej. Obecnie ten typ turbiny ustąpił już miejsca lepszym konstrukcjom, należy mu jednak poświęcić nieco miejsca ze względu na to, że niemal we wszystkich istniejących w Polsce siłowniach młyńskich i elektrowniach stosowano właśnie to rozwiązanie. Korzystano w tym przypadku z maszyn firmy Kryzel i Wojakowski z Radomska, o mocy do 100 kW oraz maszyn różnych producentów niemieckich. Brak seryjnej i taniej krajowej produkcji bardziej nowoczesnego oprzyrządowania spowodował, że większość uruchomionych w Polsce w latach osiemdziesiątych małych elektrowni wodnych należy właśnie do omawianego typu.

Budynki MEW z turbinami Francisa produkowanymi w Radomsku przedstawiono na rys.1 i 2. Na wlocie do komór znajdują się zastawki remontowo-awaryjne oraz kraty czyszczone ręcznie. Dno komory zwykle oddziela się od dna rzeki lub kanału niewielkim progiem przeciwrumowiskowym w celu ochrony turbiny przed napływem gruntu z dna kanału. 

Rys. 1. Budynek elektrowni z  pionową turbiną Francisa (Kryzel-Wojakowski), 

 1 - turbina, 2 - regulator  ręczny, 3 -przekładnia zębata, 4 -przekładnia pasowa, 5 - zamknięcie awaryjno-remontowe,  6 - kraty wlotowe, 7 - spust wody z komory turbinowej, 8 - ścianka szczelna,  9 -próg przeciwrumowiskowy, 10 -  rura ssąca, 11 - komora odpływowa, 12 - komora turbiny, 13 - hala maszyn.

Turbina pionowa jest umieszczona nad otworem w dnie komory i przytwierdzona do kilku lub kilkunastu śrub kotwiących zabetonowanych w dnie. Krótka stożkowa rura ssąca przechodzi do komory odpływowej. W przypadku posadowienia budynku na palach komora odpływowa może zostać ograniczona do ściany oporowej (najlepiej szczelnej ścianki wbijanej) od strony doprowadzenia wody i od strony budynku elektrowni oraz do płyty (ewentualnie blatu drewnianego) chroniącej dno pod rurą ssącą przed rozmyciem. Taki rodzaj konstrukcji stosowano zwykle w celu uniknięcia prac betoniarskich lub murarskich poniżej zwierciadła wody grantowej, gdy grunt był bardzo nawodniony. Wał turbiny przechodzi przez pokrywę, w której znajduje się łożysko prowadzące i przez strop do hali maszyn. W hali tej jest umieszczona kątowa przekładnia, zwykle o zębach drewnianych, zawierająca także łożysko oporowe lurbiny. Na wale poziomym, za przekładnią, znajduje się jeszcze koło pasowe, skąd napęd może być przekazany do generatora.

W przypadku turbiny poziomej (rys. 2.) wal przechodzi przez ścianę komory, w której zabetonowana jest tarcza stojana turbiny. Za ścianą komory znajduje się koło pasowe. Ponieważ turbiny o osi poziomej stosowano zwykle przy mniejszym przełyku i większych obrotach niż turbiny pionowe, często zdarzało się, że wystarczała przekładnia jednostopniowa aby napęd z koła pasowego przy turbinie mógł być przeniesiony bezpośrednio do generatora. W wyrobach innych producentów stosowano często układ odwrócony, w którym rura ssąca wychodzi przez, ścianę poza komorę turbinową obejmując w początkowym odcinku wał turbiny i odginając się w dół przed kołem pasowym.

Rys. 2. Mała elektrownia wodna z poziomą turbiną Francisa (Kryzel i Wojakowski).

1 - turbina, 2 - regulator reczny. 3 - przekładnia pasowa, 4 - generator, 5 - szafa sterowniczo-rozdzielcza, 6 - kraty wlotowe, 7 - zamknięcie awaryjno-remontowe. 8 - spust wody z komory turbinowej, 9 - ścianka szczelna.

We wszystkich omówionych rozwiązaniach nie ma potrzeby stosowania szybkoopadającego zamknięcia awaryjnego, wystarczy zamknięcie ciężarowe - zamyka łopatki kierownicy wówczas gdy wystąpi zagrożenie rozbiegiem turbiny.

Jeżeli elektrownia ma pracować na sieć wydzieloną, to często niezbędne jest dołączenie do generatora koła zamachowego. Ponieważ stare siłownie z turbinami Francisa podlegają różnym modernizacjom, należy pamiętać o następujących czynnościach. Przede wszystkim należy zbadać stan techniczny budynku. Konstrukcje drewniane lub z cegły po kilkudziesięciu latach użytkowania nadają się, prawie bez wyjątku, do wyburzenia już na podstawie pobieżnych oględzin. W przypadku komór betonowych, zwłaszcza zbrojonych, istnieje duża szansa napotkania obiektu w dobrym stanie - jednak i tu opinia inżyniera budowlanego, najlepiej hydrotechnika  jest niezbędna. W przypadku pozytywnego wyniku pozostaje do rozważenia zagadnienie wyboru typu i przełyku turbozespołu. Należy tu stwierdzić, że w starych budynkach praktycznie nie można stosować popularnych ostatnio turbin rurowych. Nowe turbozespoły muszą swym układem i wielkością naśladować stare.

Jeżeli chodzi o dobór przełyku należy podkreślić, że większość siłowni budowanych w XIX w. i na początku XX w. nie wykorzystywała przepływu rzek w takim stopniu, jak się to praktykuje we współczesnych elektrowniach. Dla inwestorów istotna była tylko ta część przepływu, która występowała z dużą gwarancją. Często przełyk instalowany był ograniczony znikomym zapotrzebowaniem na moc zakładu, który z wody korzystał. Stąd też spotyka się często komory turbinowe zbyt małe w stosunku do możliwości hydrologicznych rzeki. Wynika stąd potrzeba zwiększenia przełyku. Proste zwiększenie rozmiarów nowo instalowanej turbiny nie zawsze jest celowe, istnieje bowiem wyraźny związek między szerokością komory, a wielkością turbiny, którą można w niej umieścić. Nieznaczną poprawę sprawności można uzyskać przez odpowiednie ukształtowanie ścian komory tworząc tzw. półspiralę.

Rozwiązania współczesne z turbinami Francisa

Od wielu już lat zastosowanie turbin Francisa ogranicza się do spadów rzędu 10 m i wyższych. W przypadku spadów mniejszych turbinę tę zastąpiono doskonalszą turbiną Kapłana. Natomiast przy spadach powyżej 10 m przeważa zaleta turbiny Francisa, mianowicie jest ona odporna na kawitację, dzięki czemu nie ma potrzeby głębokiego posadowienia wirnika (kłopotliwego ze względów budowlanych).

Typowe rozwiązanie małej elektrowni z turbozespołem Francisa przedstawiono na rys.3. Jest to urządzenie z wytwórni ĆKD Blansko o średnicy wirnika 500-1000 mm, spadach 5-35 m przełykach 0,4-5 m/s, mocach 15-1400 kW. Przed wlotem do turbiny znajduje się szybkodziałające zaniknięcie awaryjne (klapa motylowa). Przedstawiony turbozespół nie ma kierownicy z ruchomymi łopatkami jak to się spotyka w większych urządzeniach. Sterowanie przepływem odbywa się tu za pomocą oprofilowanej klapy, umieszczonej na początku spirali, która w tym przypadku ma przekrój prostokątny. W zależności od wielkości spadu i prędkości obrotowej generatora może on być napędzany bezpośrednio lub przez przekładnię (na ogół pasową).

Rys. 3. Współczesne rozwijanie z turbiną Francisa dla spadów średnich (ĆKD Blansko).

1 - turbina Francisa w spirali stalowej, 2 - łopatka regulacyjna wewnątrz obudowy turbiny, 3 - zawór na rurociągu doprowadzającym, 4 - przekładnia pasowa, 5 - prądnica, 6 - szafa sterowniczo-rozdzielcza.

W innych rozwiązaniach, zwłaszcza przy większych mocach, stosuje się pionowy układ turbiny, zakrzywioną betonową rurę ssącą i pełną kierownicę z ruchomymi łopatkami.

MOŻLIWOŚCI I CELOWOŚĆ BUDOWY MEW

TECHNOLOGICZNE ROZWIĄZANIA MEW

WSTECZ