Reiffensteinova turbína

Turbína patří k poměrně málo rozšířeným přetlakovým vodním motorům. Používá se na spádech od 5 do 35 metrů při malých a středních průtocích (přibližně od 100 do 5000 ltr./sec.). Tam, kde je to výhodné může být osazena i na spádech menších. Jedná se o turbínu se spirální skříní. Vlastní spirála může být odlitá, plechová nebo vybetonovaná. Typické pro tuto turbínu je, že nemá žádné rozváděcí lopatky. Správné vedení vody do oběžného kola zabezpečuje přímo profil spirály. Autorem tohoto odvážného řešení je M. Reiffenstein, který je publikoval okolo r.1925. Turbína může být osazena Francisovým oběžným kolem, kolem vrtulovým nebo Kaplanovým. Podle toho je turbína nazývána Francis-Reiffensteinova, Propeler-Reiffenseinova nebo Kaplan-Reiffensteinova. Použité oběžné kolo má zásadní vliv na vlastnosti stroje. Turbína může bý řešena jako vertikální nebo častěji jako horizontální.

Francis-Reiffensteinova turbína:

Voda je k turbíně přiváděna potrubím kruhového průřezu a bezprostředně před turbínou je přechodovým dílem upraven kruhový průřez na čtvercový. Voda je po vstupu do spirální skříně uvedena jejím tvarem do rotace a bez nárazu vstupuje do mezilopatkových kanálů oběžného kola. Jejich zakřivením mění voda směr a předává tak svoji energii oběžnému kolu. Z oběžného kola odtéká do savky, která využije její zbývající výstupní energii. Celá turbína pracuje sejně jako standardní Francisova turbína, jen s tím rozdílem, že k uvedení vody do rotace a přizpůsobení jejího směru optimálnímu vstupu do oběžného kola není řešeno soustavou rozváděcích lopatek, ale voda má již správný směr díky spirální skříňi. Turbína je tak výrazně jednodužší a levněší.

Schema uspořádání:

Obrázek zobrazuje menší horizontální stroj starší konstrukce, jaký se vyskytoval v minulosti na menších vodních dílech. Vlastní turbína je umístěna na podlaze strojovny a přes řemenový převod pohání generátor. Na vstupu vody do spirální skříně je osazena klapka, kterou se reguluje průtok turbínou. Klapka většinou slouží i jako hlavní uzavírací orgán stroje. K lité spirální skříni je zleva našroubováno koleno savky. Nepracuje-li turbína při jmenovitém průtoku (a to je vzhledem k našim hydrologickým poměrům často), dochází za oběžným kolem k rotaci vodního sloupce (tak jak je naznačeno na obrázcích). Nemá-li docházet k velkým ztrátám, nesmí působit savka tomuto proudění odpor. Proto je její profil kruhový. Na koleni savky je malé víko kontrolního a čistíciho otvoru, kterým lze zkontrolovat výstupní stranu oběžného kola bez nutnosti demontovat celé koleno. Na vrcholu spirály je odvzdušňovací kohout, kterým se před spuštěním stroje vypustí vzduch ze spirální skříně tak, aby byla celá zaplněná vodou. V nejnižší části spirály je vypouštěcí kohout, kterým se vypustí zbyek vody při delší odstávce a zabrání se tak zamrznutí a roztržení spirály v zimním období. Z pravé strany je spirální skříň uzavřena víkem, kterým prochází hřídel. Na kuželovém konci hřídele je letmo nasazeno oběžné kolo Francisova typu a maticí pevně zajištěno. Znázorněné kolo je tzv. normálové , ale může být použito i kolo rychloběžnější. Hřídel je ve víku utěsněn provazcovou ucpávkou a nesen kluzným kroužkomazným vodícím ložiskem. Axiální síla, která se snaží vtáhnout oběžné kolo do savky a část sil od tahu řemene zachycuje opěrné ložisko na pravém konci hřídele. Turbína má stejné vlastnosti, jako turbína Francisova osazená sejným oběžným kolem s tím rozdílem, že při uzavírání charakteristika její účinnosti klesá rychleji, než při použití Finkovy regulace.

Reiffensteinova spirála:

Legenda:

Výpočet:

Vstupní úhel alfa je vstupní úhel vody do oběžného kola a je závislý na volbě a konstrukci tohoto kola. Jedná se o stejný úhel, pod kterým by byly skloněny rozváděcí lopatky, kdyby se jednalo o standardní turbínu s rozváděčem. Jeho hodnota se pohybuje většinou od 9 do 25 stupňů. Vlastní spirála má čtvercový až obdélníkový průřez se šířkou B , který by měl být 3,5 až 4,5 násobkem výstupu b , kterým vtéká voda do oběžného kola. Tato hodnota, stejně jako poloměr Rb u ostruhy spirály se volí podle konstrukčních potřeb. Pokud je turbína vrtulová, je b rovno současně i délce lopatky oběžného kola. Spirála se od své ostruhy rozevírá tak, aby v každém jejím místě byla zachována stejná rychlost proudění vody. Konečný velký poloměr Ra , stejně tak, jako jednotlivé body pláště spirály ležící na poloměru Rx , se vypočítají:

Vzorec:

Technické detaily:

• Přechodka redukující tvar přívodního potrubí před vstupem do spirály má průřez hranatého výstupu který je menší než průřez vstupujícího kruhového potrubí. Tím se rychlost ještě před vtokem do spirály zvýší. Vstupní průřez je dán průměrem potrubí a v něm zvolenou rychlostí, zaím co výsttupná průřez vyjde výpočtem při konsrukci a prorýsování samotné spirály.
• Větší spirální skříně nebo skříně na větších spádech by nebyly dostatečně pevné a proto musí být v blízkosti oběžného kola opatřeny výztužnými žebry nebo svorníky, které stahují obě čela skříně k sobě. Většinou jsou tyto prvky tři a mají stejný tvar, jako by se jednalo o běžné rozváděcí lopatky (protože tak kladou vodě nejmenší odpor). Jejich úkol je však pouze pevnostní, nikoli hydrodynamický.
• Klapka má zakřivení středního proudového vlákna v daném místě průřezu. Je uložená oboustranně, protože je v uzavřené poloze značně namáhána. Její čep může být průchozí nebo je z každé strany do tělesa klapky nasazen a pojištěn kolíkem. Bez vyjmutí čepů nelze klapku ze spirály demntovat. V ojedinělých případech může být ve stěně spirály velké víko (nesoucí i jedno z ložisek klapky, po jeho demontáži se klapka z tělesa vysune do strany). Čepy klapky jsou uloženy v bronzových nebo plasových pouzdrech. Jejich mazání proti přetlaku vody je problém. Proto se v praxi dává přednost samomazným materiálům (texgumoid, teflon aj.). Těsnění průchozího čepu je řešeno lojovou provazcovou ucpávkou.

Kaplan-Reiffensteinova turbína (příp. vrtulová):

Do Reiffensteinovy spirály, zobrazené výše, může být umístěno i jiné oběžné kolo než Francisovo. Níže uvedený obrázek znázorňuje turbínu s oběžným kolem vrtulovým. Jedná se tedy o Propeler-Reiffensteinovu turbínu. Obrázek ukazuje průřez turbínou moderní koncepce, s kompaktním vřeteníkem, hřídelem uloženým na valivých ložiskách a těsněným grafito-keramickým čelním těsněním. Spirální skříň není už řešená jako drahý odlitek, ale je svařená z plechových výpalků. To je pro kusovou výrobu malého stroje pro MVE výhodnější. V tomto případě není nutné zužovat spirálu směrem k oběžnému kolu soustavou dvou kuželových ploch jako v předešlém případě. Mezikruží, kterým voda vtéká do prostoru oběžného kola je zde posunuto asymetricky k pravé straně, zatím co levá hrana je výrazně zaoblena navařeným prstencem stočeným z kulatiny, aby se předešlo kontrakci. Průměr spirály se tím výrazně zmenší a její výroba zjednodužší. Stejné řešení by se použilo, kdyby se jednalo o turbínu Kaplanovu. Ta by však měla navíc vyvedené ovládání lopatek oběžného kola osou hřídele až za řemenici.

Schema uspořádání:

Regulace:

Regulace průtoku turbínou se provádí pomocí klapky na vstupu do spirály. Plně otevřená turbína pracuje s velmi dobrou účinností, protože klapka proudění ve spirále neovlivňuje. Díky velkým průtokovým průřezům projdou strojem i větší nečistoty. Propeler-Reiffensteinova a Kaplan-Reiffensteinova turbína si vystačí s řídkými česly. Při uzavírání klapky je voda tlačena ke stěně spirály a před vstupem do oběžného kola oběhne spirálu několikrát. Síla potřebná k natáčení klapky je srovnatelná se silou, jakou potřebuje ovládání standardních rozváděcích lopatek u Francisovy turbíny, takže je možno použít stejné regulátory. Touto přídavnou cirkulací a vířením za klapkou se však mění úhel vstupu vody do oběžného kola a dochází ke snížení účinnosi. Tento nepříjemný efekt se projevuje tím více, čím rychloběžnější je oběžné kolo. Proto se uplatňuje nejvíce u turbín vrtulových, méně pak u Francisových. Je-li stroj osazen turbínou Kaplanovou, lze změnu vstupního úhlu eliminovat nakloněním lopatek oběžného kola. Je-li oběžné kolo opatřeno dostatečně širokými lopatkami (aby jejich uzavřením bylo možno zastavit průtok turbínou), může klapka ve spirále úplně odpadnout a celá turbína se pak reguluje pouze natáčením lopatek oběžného kola, stejně jako v případě turbíny Tomannovy. Pokud bude klapka jednozvratná a její čep bude umístěn v blízkosti ostruhy spirály, bude proudění ve spirále při uzavírání mnohem příznivější. Na regulační mechanismus však bude působit velmi značná síla (ve směru proti uzavírání). Takto řešený stroj se nazývá Kvjatkovského turbína.

Použití:

Turbína je konstrukčně jednoduchá a vyhoví především na tocích se stálým průtokem nebo všude tam, kde je k dispozici akumulační nádrž a MVE pracuje cyklicky. Pak bude po věšinu provozní doby pracovat s plným otevřením, vyniknou její přednosti a negativa se neuplatní. Naopak není vhodná pro plnoprůtočné elektrárny bez akumulace, které pracují s proměnným zatížením na malých potocích s kolísavým průtokem. Zejména tehdy, když je vyžadován provoz převážně v suchém období roku. V minulosti se používala především na horských pilách, když měly k dispozici rybník. V dnešní době je vhodné kombinovat ji především s asynchronním generátorem. Při použití vrtulového oběžného kola nebo Kaplanova kola dosahuje snadno vysokých specifických otáček. Lze ji osadit na místo kašnových turbín tam, kde již nelze kašnu rekonstruovat nebo všude tam, kde je voda přiváděna tlakovým potrubím. Výrobně je mnohem jednodužší než klasická spirální turbína s radiálním rozváděčem. Je také vhodným doplňkem k MVE s Francisovou turbínou, kde poslouží pro zpracování větších průtoků, které převyšují hltnost původního stroje. Na proměnných tocích vyhová tam, kde není prvořadá vysoká účinnost, ale spolehlivost nebo všude, kde by se jiný typ přetlakové turbíny často ucpával - například u přenosných elektrárniček.

Násoskové uspořádání:

Jako hermeticky uzavřený stroj může Reiffensteinova turbína pracovat jako turbína násosková. Celá spirála může být nad horní hladinou. Bez ohledu na umístění stroje vůči nadjezí je zpracováván pouze výškový rozdíl H a průtok strojem Q , zbytek nespotřebované vody přepadá přes korunu jezu. Tento způsob lze použít jen tehdy, když se výška oběžného kola h 1 nad spodní vodou neblíží kavitační hranici (cca 6 metrů). Stroj se zastavuje vpuštěním vzduchu do spirály a spouští se jeho vyčerpáním vývěvou nebo ejektorem. Není-li vyžadována regulace, nepotřebuje stroj žádný další uzavírací orgán. Toto netradiční řešení najde uplatnění v povodňových oblastech, u přenosných elektrárniček nebo umožní osadit stroj na hráz rybníka bez stavby výpusti a narušení hrázní statiky.