Savka turbíny

pohled na vynořenou savku vertikální Francisovy turbíny

Sací roura nebo zkráceně savka je pojmem vyskytujícím se většinou v souvislosti s přetlakovými turbínami. U turbín rovnotlakých mluvíme o odpadním potrubí. Pouze tehdy, je-li za oběžným kolem sloupcem vody vytvořený podtlak, hovoříme o savce. Očkoliv skutečným otcem savky je německý technik Henschel, její přednosti naplno vynikly až u turbíny Francisovy. Díky savce bylo možno umístit turbínu téměř v libovolné výšce nad spodní hladinou (až do mezí daných kavitací). Stroj tak mohl být snáze přizpůsobený potřebám provozovny i dané lokalitě. Často odpadly složité převody a částečně se eliminovalo nebezpečí zatopení strojovny. To byl jeden ze zásadních důvodů, který způsobil rychlé rozšíření Francisovy turbíny do celého světa.

Hydrostatický účinek savky:

Savka spojovala odtokovou stranu turbíny se spodní vodou. Protože byla po prvním spuštění turbíny zcela vyplněna vodou, choval se v ní sloupec kapaliny G spojitě. I při zavřené turbíně zůstával v savce viset. Turbína za provozu zpracovávala přetlak od horní hladiny po oběžné kolo i podtlak -p vzniklý působením sloupce o výšce H2 od oběžného kola ke spodní hladině (sloupec vody v savce táhl stejně, jako když se stáčí víno).

V praxi už nebylo nutno umisťovat oběžné kolo bezprostředně nad spodní hladinu jako u starších typů turbín. Ba dokonce turbína nemusela mít svislý hřídel. I když byl stroj vodorovně, bylo možno vodu odvádět kolenem. Kolenová savka umožnila v minulosti téměř libovolnou stavební výšku při témže spádu.

Různá výška hřídele nad vodou:

Hydrodynamická funkce savky:

Jednoduché stavební řešení bylo však jen zlomkem pokroku, který použití savky přineslo. Nejdůležitější její funkce spočívá v tom, že dokáže zužitkovat energii vody, která by jinak marnotratně unikala. Voda opouští oběžné kolo poměrně velkou rychlostí. Protože se již dostala mimo dosah lopatek, je tato zbytková energie zdánlivě nevyužitelná. Nikoliv však, použijeme-li za oběžným kolem rozšiřující se savku. Odpadní voda proudící kuželem je nucena zaujímat čím dál tím širší průřez. V širším průřezu kapalina samozřejmě musí proudit pomaleji. Jenže setrvačná síla ji žene dál. Voda se chová jako jakýsi neviditelný píst a projevuje se tím, že za odtékající kapalinou vzniká výrazný podtlak, který se přenáší sloupcen vody zpět až na lopatky oběžného kola. Pro turbínu je tento podtlak totéž, jako by spodní hladina stála níž než ve skutečnosti je. Přeměna pohybové energie na tlakovou se v savce řídí Bernoulliho rovnicí. Účinnost této přeměny u přímých savek dosahuje 70..90% a u savek kolenových 60..85%.

Za běžným kolem je tedy podtlak způsobený nejen pouze tím, že je turbína v určité výšce nad spodní vodou, ale sčítá se s podtlakem vznikajícím zpomalením vody v savce. Při velkých výtokových rychlostech z oběžného kola (zejména u Kaplanových turbin) může být tento podtlak značně velký a může být často jednou z příčin kavitace.

Čím rychloběžnější je turbína, tím větší rychlostí opouští voda její oběžné kolo. Tím by také byla větší ztráta, kdyby za oběžným kolem savka nebyla. Proto pro většinu moderních přetlakových turbín je savka naprostou nezbytností, zaručující jejich dobrou účinnost.

Z toho vyplývá i vztah opačný - jakákoli závada (koroze, netěsnost, deformace) na savce nebo i samotném vývařišti má negativní dopad na práci turbíny.

Výpočet:

pohled na plechovou savku nachystanou pro malou renovovanou Francisovu turbínu

Často se ze zrušené lokality podaří úspěšně demontovat samotnou turbínu. Vysekat zabetonovanou litinovou savku se však podaří jen málo kdy. Většinou pak nezbývá, než vyrobit její plechovou repliku. U starších horizontálních kašnových Francisových turbín se používal pro výpočet savky zjednodušený výpočet, který pro tyto účely docela dobře vyhoví.

Desetinná místa oddělujte tečku, ne čárkou! Výpočet bude korektní pouze tehdy, zadáte-li technicky splnitelná data a reálné rozměry turbíny. Tedy takové rozměry turbíny, která na uvedeném spádu může s danou hltností skutečně pracovat.

Použité vzorce ve výpočtu:

Výpočet velkého průměru savky:

Výpočet délky kužele savky:

Legenda:

D _s - výstupní průměr oběžného kola [metry]
D _ss - konečný průměr savky [metry]
L _s - délka kužele savky [metry]
H - spád [metry]
Q - hltnost turbíny [m ³ /sec.]

Technické detaily:

Výška h2 je omezena spojitostí vodního sloupce a především kavitací, v praxi nepřekračuje 5 metrů, nejčastěji však bývá okolo 1,5 až 2 metrů.
U Francisovy turbíny, nepracuje-li při jmenovitém otevření, vystupuje voda z oběžného kola jako rotující sloupec. Aby mohla být savkou dobře zpracována, musí mít savka kruhový průřez. Nebo u savek betonových kruhový průřez velmi pozvolna přechází v eliptický a posléze v obdélný, vodorovně orientovaný, kterým plynule voda přechází do odpadního kanálu.
Spoj savky a vodního motoru musí být proveden naprosto hermeticky, totéž platí i o čistících otvorech pokud je jimi savka opatřena.
Nejmenší ztráty má přímá kuželovitě se rozšiřující savka. Kolenová savka má ztráty větší. Průchod hřídele savkou narušuje proudění a snižuje účinnost (u Francisovy turbíny více než u Kaplanovy).
Správná funkce savky může být narušována i vzduchem vnikajícím do turbíny netěsnou ucpávkou hřídele nebo strháváním vírů z hladiny.
Společná savka dvojčitých turbín funguje dobře jen tehdy, jsou-li oba rozváděče otevřeny stejně. Jsou-li spřaženy dva stroje o různé hltnosti nebo mají-li být nezávisle regulovány, měly by mít savky samostatné.
Kuželová savka bývá většinou z plechu, v minulosti i z litiny (vydrží déle).
Ač je tlakové namáhání savky ve srovnání s přívodním potrubím poměrně malé, musí být dostatečně pevná, aby nekmitala vnitřní turbulencí vody. Často je zapotřebí tenký plech vyztužit žebry. V opačném případě dojde dříve nebo později k únavě materiálu a k mnoha drobným trhlinám, kterými vniká do savky vzduch. To platí především o svařovaných savkách hranatých průřezů, které se používají u násoskových turbín.
Savka se musí rozšiřovat velmi pozvolna, nanejvýš pod úhlem 10°, jinak by se vodní proud odtrhl od stěny.
Výstupní rychlost vody ze savky má být co nejnižší, aby byla minimalizována výtoková ztráta, ale ještě dostatečně vysoká na to, aby se spolehlivě vyplavovaly bubliny vzduchu. Z toho důvodu by neměla být menší než cca 0,5 [m/sec]. Je-li potřeba z ekonomických důvodů dosáhnout rychlosti ještě nižší, musí to být až ve výstupním vodorovném úseku, kde se bubliny nehromadí (betonové savky nízkotlakých děl).
Turbíny s malou výtokovou rychlostí (vertikální Francisovy na malých spádech) mají savku jen velmi krátkou. Savka pak pouze vzduchotěsně spojuje odtokovou stranu stroje s vodou ve vývařišti. Její hydrodynamický účinek je malý.
Naopak turbíny na velkých spádech mají značnou výtokovou rychlost a hlavním úkolem savky je tuto rychlost snížit. Nedá se to zvládnout na krátkém úseku, proto musí být savka dostatečně dlouhá.
Délka savky může dosahovat běžně šestinásobku jejího průměru a rozšiřovat se na dvoj- i vícenásobek svého původního průměru, jaký má za oběžným kolem.
Dno pod savkami spirálních turbín pracujících na velkých spádech bývalo v minulosti opancéřováno nebo do něj byl osazen litinový rozrážecí kužel. Voda rozbíhající se po velké základové ploše kuželu se chovala stejně, jako by byla savka ještě delší a stále se rozšiřovala. Navíc se tímto řešením do jisté míry omezily erozní účinky způsobené rychle proudící vodou.
Aby se proud vody mohl pod savkou ve vývařišti rovnoměrně rozptýlit do všech stran a nebyl ovlivňován prouděním směřujícím z vývařiště do odpadního kanálu, zřizovala se v ojedinělých případech (zejména u rychloběžných turbín) ve vývařišti betonová deska postavená na pilířích pod savkou. Zatím co se proud ze savky rozděloval nad deskou do stran, pod deskou mohla voda nerušeně proudit směrem k odpadnímu kanálu.
V minulosti se různí konstruktéři pokoušeli (zejména na lokalitách s malým spádem a značným nadbytkem vody) zvýšit výkon a hltnost turbíny tak, že zavedli část nadbytečné vody do zvláštně upravené savky (na způsob ejektoru). Vytvořili tak dodatečně za oběžným kolem mírný podtlak, který se projevoval stejně, jako kdyby lokalita měla k dispozici větší spád. (Stejného efektu lze docílit i zaústěním odpadního kanálu pod šikmý jez do místa vývařiště s nejnižší hladinou). Účelnost úpravy je sporná a byla jedním ze slepých řešení v době, kdy nebyly k dispozici rychloběžné turbíny s velkou hltností.
Savka musí být zanořena i za klidu stroje. Tvar vývařiště musí být takový, aby v něm zůstal dostatek vody i když odpadním kanálem žádná voda neprotéká. Spodní hrana savky se nesmí vynořit, jinak by do turbíny vnikl vzduch a souvislý sloupec vody v savce by se přerušil.
V dnešní době je snahou na MVE místo klasických svislých savek používat v maximální míře savky šikmé nebo vodorovné. Mají menší nároky na rozměry vývařiště a vlivem téměř přímé dráhy vody vykazují menší ztráty.