Francisova vertikální turbína

Vertikální kašnová Francisova turbína byla hojně rozšířeným přetlakovým vodním motorem v minulosti. Osazovala se jí většinou vodní díla jezová nebo vodní díla derivační s otevřeným přivaděčem v nížinách na větších řekách. Používala se nejčastěji jako hlavní mechanický pohon větších mlýnů, městských elektráren a průmyslových závodů. Pokud se tyto stroje do dnešních dnů zachovaly, jsou po rekonstrukci většinou provozovány jako MVE řádu desítek až stovek kilowattů.

Toto technické uspořádání se používá na spádech od 1,5 metru (s násoskovou kašnou již od 0,5m) do cca 4 až 5 metrů, při středních a velkých průtocích (přibližně od 600 do 8000 ltr./sec.) Ve srovnání s horizontální turbínou má samotná vertikální turbína - díky přímé savce o nějaké procento vyšší účinnost. To se však záhy ztratí v převodu. Na menších spádech za zmíněným ozubeným převodem následuje ještě druhý převod řemenový. U moderních rekonstrukcí se někdy vystačí jen se samotným řemenovým převodem na vertikálně postavený pomaluběžný generátor. Velké turbíny mají mnohapólové generátory přímo na ose. Menší a starší turbíny jsou konstruovány s oběžným kolem tzv. normáloběžným , ale valná část strojů má oběžné kolo rychloběžné (až do ns=400 ot./min./m/HP).

Vlastní turbína je umístěna na dně turbínové kašny naplněné vodou. Její hřídel vede svisle vzhůru do strojovny, která je dostatečně vysoko nad spodní vodou, aby nehrozilo její zaplavení. Voda vniká z kašny do regulovatelných rozváděcích lopatek po celém obvodu turbíny. Při průtoku rozváděcími lopatkami získává rychlost a směr potřebný pro vstup do oběžného kola. V zakřivených mezilopatkových kanálech oběžného kola voda mění směr i rychlost a tím předává svoji energii. Po výtoku z oběžného kola se voda odvádí do odpadního kanálu. Protože je turbína z důvodů snadné údržby a oprav nad spodní hladinou, je voda odváděna savkou. Nepracuje-li turbína při jmenovitém průtoku (a to je vzhledem k našim hydrologickým poměrům často), dochází za oběžným kolem k rotaci vodního sloupce v savce, proto má kruhový, případně je-li zahnutá - mírně oválný průřez. Voda při průchodu kuželovitě se rozšiřující savkou snižuje rychlost, což s hmoností celého vodního sloupec v ní vytváří podtlak přenášející se na odtokovou stranu oběžného kola. Díky sacímu efektu využívá turbína celý spád H , ač je oběžné kolo nad hladinou vývařiště.

Schema uspořádání:

Popis:

Podvodní část stroje se skládá z vlastního tělesa turbíny, které je osazeno na dně kašny. Na těleso zespodu navazuje plechová nebo litinová savka ústící do vývařiště pod kašnou. Její okraj musí být i při zastavené turbíně pod hladinou. Větší stroje nemají savku kovovou, ale turbína stojí na ústí kolenovitě zatočené savky betonové. Po obvodu tělesa je otočně nasazen regulační kruh. Z tělesa vzhůru čnějí čepy s rozváděcími lopatkami. Shora je turbína uzavřena víkem, kterým prochází do vnitřního prostoru stroje hřídel. Na jeho konci je zavěšeno oběžné kolo. Hřídel je ve víku turbíny centrován vodícím ložiskem. Hřídel volně prochází betonovou podlahou strojovny. Ve strojovně na betonovém základě stojí těleso ložiskového stojanu. V sobě skrývá závěsné ložisko axiální a hlavní ložisko radiální. Stojan slouží i jako opora ložiska předlohového hřídele. Na horním konci hlavního hřídele je tzv. zvonové kolo osazené výměnnými palci. Zvonové kolo zabírá do litinového nebo ocelového pastorku, který je naklínován na předlohovém hřídeli. Pastorek má velké mezery mezi zuby, protože dřevěné palce jsou masivnější než zuby lité. Současně s pastorkem je na předlohovém hřídeli naklínována řemenice, kterou je hnací síla odebírána. Turbína se reguluje otáčením regulačního kruhu, který ovládá rozváděcí lopatky. K tomu slouží svislý regulační hřídel (nezobrazen) vedoucí pod hladinu od ručního regulačního sloupku nebo automatického regulátoru.

Technické detaily:

• Oběžné kolo bývá na konci hřídele zajištěno maticí, častěji však pojištěno pouze proti pohybu dolů - nasazením dvoudílného kroužku do zápichu v hřídeli, který se po spuštění oběžného kola schová do drážky.
• Rozváděcí lopatky se otáčejí na nehybných čepech, které nesou horní víko turbíny. Mimo to je horní víko turbíny neseno několika svorníky po obvodu. Lopatky jsou litinové, uložené na kluzných pouzdrech (litinových nebo bronzových). Natáčení lopatek zajišťují malá táhla od regulačního kruhu. Táhla bývají před hrubšími nečistotami skyty v kapse odlité ve spodní části lopatky.
• Regulační kruh je natáčen od vertikálního regulačního hřídele (pro přehlednost není vyobrazen) dvojicí táhel.
• Jednotlivé odlitky bývají utěsněny klingeritovým těsněním nebo dehtovou lepenkou. Při opravách je potřeba dodržet jeho správnou tloušťku.
• Hřídel pomaluběžných turbín je pod vodou uložen mezi čtyřmi až osmi kostkami z olejem nasyceného dubového dřeva. Dřevěné ložisko se nemaže a mimo občasné seřízení nevyžaduje údržbu. Rychloběžnější turbíny mají spodní ložisko kompozicové, v uzavřené skříni. Hřídel je pak krytý trubkou. Ložisko je na suchu a mazáno olejem pomocí maznice ze strojovny.
• Na obvodu některých oběžných kol bývají nalisovány ocelové obruče, které jsou s minimální vůlí osoustruženy tak, aby vůči tělesu turbíny těsnily. Obdobné obruče mohou být zalisovány i do tělesa turbíny.
• Otvory v oběžném kole vyrovnávají tlaky, které se jinak snaží vtáhnout hřídel směrem do savky. Tímo řešením se snižuje namáhání ložisek axiálními silami.
• Horní uložení hřídele bývá kluzné a je rozděleno na dvě části. Skládá se jednak ze závěsného ložiska axiálního. To je pro dokonalé rozložení síly tvořeno soustavou kluzných segmentů a pomocí seřizovací matice je lze regulovat. Druhé ložisko je radiální, většinou s dělenou seřizovatelnou pánví, vylitou cínoolověnou kompozicí. Ložiska jsou pod zvonovým kolem v místě, kam míří povrchové přímky všech zubů kuželového převodu. Toto uspořádání snižuje ohybové namáhání hřídele.
• Zvonové kolo může být uspořádáno tak, jak je naznačeno na obrázku - tedy s palci směřujícími dolů. Může však být instalováno i opačně - palci orientovanými vzhůru. V takovém případě jsou však většinou ložiska nad kolem, nesena soustavou tří ramen. Toto druhé řešení je dražší, ale z hlediska mazání (rotující límec s olejem) a životnosti výhodnější.
• Palečné zvonové kolo je často nasazeno na kužel, pojištěno perem nebo klínem. Na jeho obvodu jsou odlity otvory pro palce. Otvory však nemají přesnou rozeč. Proto se při výměně do ovorů naklínují pouze nahrubo otesané habrové špalíky a správný tvar zubů se rozrýsuje až na vlastním kole. (opotřebené palce nelze tedy otáčet, zaměňovat je, nebo si je do rezervy navyrábět) Dřevo musí zabírat pravou stranou - na pastorek tedy tlačí stranou, která je blíže středu stromu. Na přesném provedení záleží nejen životnost palců (desíky let provozu), ale i osatních částí turbíny, proto je potřeba tuto práci svěřit odborníkům (viz. zajímavé odkazy ). Pak převod běží tiše a lehce, "jako když máslo krájí."

Dnes je všeobecně známo, že Francisova turbína není pro malé spády ten nejvhodnější stroj. Dříve se na ně instalovala prostě proto, že Kaplanova turbína nebyla ještě vynalezena, popřípadě byla příliš horkou novinkou na to, aby se ji mlynáři odvážili použít. V mnoha případech proto bude snahou provozovatelů MVE se těchto strojů co nejdříve zbavit a nahradit je novými stroji vrtulovými. Doporučuji toto řešení velmi pečlivě uvážit. V současnosti není na trhu dostatek dobrých a současně levných strojů pro zpracování spádů menších než 2 metry. Proto by se neměl majitel při rekonstrukci díla unáhlit a přistoupit likvidaci původního stroje pouze tehdy, když není možné starou turbínu opravit. Nedejte se zmást tím, že turbína běží mizerně. Především je nutno si uvědomit, že tyto stroje mají za sebou často i osumdesát let provozu, mnohdy se značně zanedbanou údržbou. Z ní pak vyplývá většina problémů, se kterými se její provozovatel potýká, ať je to nesnesitelné hrčení a vibrace palečného převodu nebo neúčinná regulace od vyběhaných čepů rozváděče. Pokud je věnována náležitá péče ložiskům a palcům, lze po generální opravě počítat nejméně s dalšími padesáti lety provozu. Ač vám moderní turbína se svařovaným ocelovým tělesem vyrobí více elektřiny (ať již díky vyšší účinosti nebo svým širším regulačním rozsahem), nelze od ní tak dlouhou životnost očekávat - to je daň za její rychloběžnost. V mnoha případech lze do stěny staré kašny osadit i přímoproudou nebo kolenovou turbínu, aniž by bylo nutné rozbít starý a cenný historický stroj. Ten vám může dobře posloužit na zpracování povodňových průtoků i jako záložní soustrojí při výpadku a opravách nové turbíny. Koupit pak stačí podstatně menší a levnější turbosoustrojí, které si dobře poradí s malými letními průtoky.