turbína Semi-Kaplan

---

Turbína Semi-Kaplan (stejně tak jako Kaplan-S a turbína vrtulová) patří mezi nejčastěji používané hnací stroje na nově budovaných malospádových vodních elektrárnách. Bývá použita i při přestavbě starších vodních děl - původně osazených vertikální Francisovou turbínou. Osazují se s ní především vodní díla jezová a také vodní díla derivační s otevřeným přivaděčem na menších spádech. Stejně jako Kaplan-S má esovitě tvarovanou savky a je turbínou horizontální. Používá se výhradně pro pohon generátorů a to především asynchronních.

Toto technické uspořádání umožňuje využití spádů stejné jako u strojů typu Kaplan-S a má i stejné instalační výhody. Navíc je levnější, protože odpadá složité ovládání lopatek axiálního rozváděče. Bohužel použití neregulovatelného rozváděče omezuje řízení turbíny pouze na regulaci lopatek oběžného kola. To se v praxi projevuje menším regulačním rozsahem a rychlejším poklesem účinnost a výkonu pří měnších průtocích. Samotným oběžným kolem také nelze zcela zastavit průtok strojem a navíc je uzavírání poměrně pomalé. Před vstup do turbíny se proto vždy osazuje rychlouzávěr. Bývá jím nejčastěji hydraulicky ovládané stavidlo, klapka nebo padací hradící deska.

Ač se pevným rozváděčem stroj výrazně zjednodušil, stále zůstává technologicky náročná výroba náboje oběžného kola s regulačními táhly, křížovou hlavou a ovládacím servomechanismem. I když je regulační charakteristika tohoto stroje užší než klasické Kaplanovy turbíny (zaručená účinnost v rozsahu od 60...100% otevření), je stále výhodnější, než kdyby byly lopatky oběžného kola napevno a regulace se prováděla pouze rozváděčem. Navíc použitím pevného rozváděče odpadly kompromisy geometrie spojené s jeho regulovatelností. Tím se zvýšila hltnost a při stejném průměru obežného kola vykazuje tato turbína vyšší výkon. Tento typ turbíny je vhodné instalovat na lokality průtočné (bez možnosti akumulace vody) na kterých průtok během roku příliš nemění nebo jako hlavní stroj v kombinaci s další - neregulovanou vrtulovou turbínou, která pojme jarní tání a ostatní zvýšené průtoky. Stroj je (stejně jako většina rychloběžných strojů) citlivý na dodržení přesného spádu a otáček. Určitou nevýhodu (ve srovnání s kašnovou nebo Tomannovou turbínou) je nutnost údržby dvou hřídelových ucpávek a nepřístupné ložisko pod vodou. Tam, kde je během roku velmi kolísavý průtok nebude Semi-Kaplan dávat uspokojivé výsledky a v takovém případě bude vhodnější použít turbínu s regulací RK i OK, tedy například Kaplan-S a to i za cenu vyšších pořizovacích nákladů.

Vlastní turbína je umístěna přímo ve spodní části strojovny a přes přírubu spojena s přechodovým kusem, který zajišťuje přívod vody. Voda vtéká do difuzéru stroje, který se kuželovitě zužuje. Tím se rychlost vody zvýší. Následně vstupuje mezi pevné rozváděcí lopatky, které současně tvoří centrační kříž náboje s ložisky. Lopatky upraví směr a rychlost vody pro vstup do oběžného kola. Lopatky jsou poměrně málo zakřiveny, pouze tak, aby přizpůsobily směr vody pro vstup do oběžného kola, ale současně dovolily maximální průtok turbínou. 0běžné kolo je umístěno v nejužším průřezu celého stroje, kde je rychlost proudění vody nejvyšší. Plášť stroje je v tomto místě mírně kulovitě vyklenutý, aby dovoloval změnu sklonu lopatek oběžného kola bez toho, že by zachytily o stěnu. Počet lopatek oběžného kola je (s ohledem na jejich ovládání) sudý. Nejčastěji jsou čtyři. Nové rychloběžnější stroje mohou být v ojedinělých případech i třílopatkové. Jejich zakřivení je voleno tak, aby se mezilopatkové kanály ve směru proudění zužovaly. Navíc je tvar listu zvolen tak, aby bylo možno turbínu co nejvíce uzavřít. Voda za provozu opouští oběžné kolo poměrně značnou zbytkovou energií a často také vytéká ve šroubovité rotaci. Tuto energii částečně využívá savka turbíny a transformuje ji na zápornou tlakovou energii, která podporuje průtok vody strojem. Savka může končit ve vývařišti (na obrázku). Její okraj musí být i při zastavené turbíně pod hladinou. U větších strojů savka plynule přechází do vodorovně orientovaného obdélného průřezu, který se rozšiřuje a plynule přechází do odpadního kanálu.

Schema uspořádání:

Popis:

Přechodový kus má takový tvar, aby minimalizoval kontrakci a voda vstupovala do stroje v celém průřezu stejnou rychlostí. Díl je při stavbě zabetonovaný a při demontáži nebo opravách soustrojí zůstává na svém místě. Vstupní kuželovitý díl má uvnitř navařeny rozváděcí lopatky. Těch by měl být jiný počet než lopatek oběžného kola, často lichý. Například 5, 7 nebo 9 kusů, aby nedocházelo ke "střihu" vody a zbytečným vibracím a hluku. Lopatky se uprostřed sbíhají na náboji, ve kterém se nachází ložisko. Za rozváděcími lopatkami následuje krátký volný prostor, kde se po průchodu rozváděčem proudová vlákna spojí a sjednotí si směr pro vstup do oběžného kola. Obežné kolo se stejně jako u všech ostatních Kaplanových turbín skládá z dutého náboje, který skrývá tzv. křížovou hlavu, která přes soustavu táhel zabezpečuje synchronní natáčení lopatek. Ovládání oběžného kola provádí nejčastěji hladinová automatika. Automatika je nejčastěji hydraulická a dnes téměř všude řízená počítačem. Hřídel vychází z vodního prostoru do strojovny kolenem savky. V místě průchodu bývá obyčejná provazcová ucpávka umožňující navíc tepelnou dilataci dlouhého hřídele. Za touto ucpávkou následuje masivní radiální ložisko, které zachycuje síly od převodů ke generátoru. Na konci hřídele je umístěn hydraulický válec, olejový rozváděč pro přívod oleje do hlavy nebo jiné zařízení (např. axiální ložisko) kterým se provádí regulace oběžného kola.

Technické detaily:

• Turbíny od různých výrobců se mohou, co do detailů konstrukčního uspořádání, lišit.
• Při jejich opravách, montážích i demontážích buďte velmi opatrní. Bez podrobné znalosti výkresové dokumentace můžete velmi snadno přehlédnout nějaký zdánlivě bezvýznamný šroubek schovaný pod vrstvou silikonového tmelu nebo strhnout nepřiměřeně tenký šroub. Pokud jste zvyklí na starší konstrukce strojů, které snesly i tvrdší zacházení, budete se muset silně ovládat a mnohdy pracovat s hodinářským přístupem.
• Projeví-li se u strojů tohoto typu nějaká malá závada, je zapotřebí ji odstranit ihned, nikoli ji odložit na "někdy jindy". Mohli by jste si velmi snadno zadělat na značně drahou opravu.
• Náboj s ložisky je pro pracovníka přístupný pouze po úplném vypuštění vody, pokud proleze přívodním mezikusem. V opačném případě je nutné celý stroj demontovat a vyzdvihnout jeřábem.
• Náboj držený rozváděcími lopatkami je sestaven z několika vzájemně sešroubovaných prstenců tvořící složitý celek propojený průvrty a kanály. Při demontáži a zpětné montáži je bezpodmínečně nutné dbát na jejich správnou polohu.
• Rozváděcími lopatkami procházejí podélné kanály, kterými se z prostoru strojovny do ložiskového prostoru obklopeného vodou nalévá nebo vypouští olejová náplň, kontroluje její hladina a další kanál slouží k odvodu průsaku z ucpávky nebo gufera.
• Při použití silikonových těsnících tmelů k utěsnění náboje nezapomeňte olejový prostor vypláchnout a překontrolovat průchodnost všech kanálů.
• V náboji v centru pevného rozváděče je umístěno jednak ložisko radiální, ložisko axiální, soustava gufer zabranující úniku oleje a speciální čelní rotační těsnění (ucpávka) bránící vniknutí vody.
• Životnost těsnícího elementu je závislá na konstrukčních otáčkách turbíny, kvalitě povrchu vůči kterému těsní a především na obsahu abrazivních částic obsažených ve vodě. Kalná voda ještě nemusí znamenat nebezpečné abrazivní částice, ale například přítomnost mikroorganismů. Naopak zdánlivě křišťálově čistá voda může plavit zrníčka křemenného písku.
• Na dobrou těsnost elementu jsou zde kladeny vyšší nároky než u standardní Kaplanovy turbíny. Uzavřením lopatek obežného kola bez možnosti současně uzavřít rozváděč narůstá v prostoru předního ložiska výrazně tlak. Ten s větším otevřením turbíny klesá.
• Pokud z kontrolního otvoru prosakuje voda, je zapotřebí těsnící element seřídit nebo vyměnit, nikoliv se zbavit problému pouhým ucpáním otvoru a doufat, že gufera vodu do oleje nepustí, jak bývá v praxi často zvykem (to už je lepší nechat vodu z otvoru volně odtékat).
• Hřídel je většinou v náboji zakončený maticí, kterou se reguluje přítlak a těsnost ucpávky. Přitahujte pouze opatrně. Nepomůže-li již další přitažení, nezbývá, než třecí ucpávku vyměnit a často i její protikus.
• Není-li plášť turbíny v místě kulovitého rozšíření pro oběžné kolo dělený na dvě poloviny (levnější stroje), bývá obtížné ze stroje oběžné kolo bez úhony vytáhnout. Podaří se to pouze při určitém natočení lopatek oběžného kola (jako ježek v kleci).
• U menších strojů je pohyb křížové hlavy řešen dlouhým táhlem procházejícím hlavním hřídelem (pro nedostatek místa v náboji) a teprve na jeho konci je ovládací servomotor. U vetších je hydraulický servomotor umístěný přímo v náboji oběžného kola.
• Lopatky jsou v místě průchodu z náboje oběžného kola těsněny těsnícími kroužky, vnitřní prostor náboje má olejovou náplň. K její kontrole a případné výměně slouží zátka zapuštěná do povrchu náboje. Ve vnějším plášti stroje bývá často kontrolní otvor zaslepený víčkem, který umožňuje odšroubování zátky a výměnu olejové náplně bez demontáže turbíny.

Výroba a vývoj turbín tohoto typu v ČR je spjat s firmami Hydrohrom a ČKD Turbo Technics s.r.o. viz. obsah zajímavé odkazy. Vývoj strojů stále pokračuje. Zaměřuje se jak na zdokonalení regulace, tak i na použití novch materiálů, zjednodužšení konstrukčních uzlů a na unifukaci.

Pokud nelze regulaci oběžného kola provádět přímo za chodu stroje, pak turbína není Semi-Kaplanovou turbínou, ale neregulovatelnou turbínou vrtulovou nebo vrtulovou turbínou s lopatkami přestavitelnými za klidu. S nimi má shodné i provozní vlastnosti a použití.

---

[ O turbínách ]