Bankiho turbína

(Teoreticky vynalezena australským inženýrem A.G.M. Mitchelem v r.1903, pro praktické použití ji dopracoval maďarský profesor D. Banki v r.1918, její další vývoj je spojen zejména s firmami Ossberg, Cink a ČKD Turbo Technics s.r.o.) Typově se jedná o příčně dvojnásobně protékanou turbínu s parciálním ostřikem. Která na prvním dostředivém průtoku pracuje přetlakově nebo mezně, druhý odstředivý průtok je pouze rovnotlaký. Účinnost 78 až 84%.

Rozsah použití:

spád [m]	průtok [ltr./sec.]
(min.1) 2 až 30 (max.200)	(min. 0,5) 20 až 2000 (max.9000)

schema turbíny

Legenda:

H...činný spád [metry]
H₂...spád v kole [metry]
H_ztr...výška nad spod.vodou [metry]
D...vnější průměr kola [mm]
d...kružnice na níž končí lopatky [mm]
dh...průměr hřídele [mm]
k_ld...poměr délky L k průměru D
k_ostř....poměr otevření štěrbiny s k průměru D
n...otáčky turbíny [ot./min.]
lop. ...počet lopatek [ks]
c₁...vstupní rychlost vody do lopatek [m/sec.]
a...plocha štěrbiny [m²]
s...jmenovité otevření štěrbiny [mm]
L...délka štěrbiny [mm]
L1...délka lopatky [mm]
R...poloměr zakřivení lopatek [mm]
Q...jmenovitý průtok [ltr./sec.]

Princip turbíny:
Voda je přiváděna k turbíně potrubím, kruhového průřezu. Před turbínou je umístěn mezikus, který mění kruhový průřez na obdélný. Na konci tohoto vstupního dílu je umístěn regulační orgán, nejčastěji klapka. Ve štěrbině mezi zakřivenou stěnou a klapkou se celý spád vody přetransformuje na pohybovou energii. Voda vstoupí tangenciálně do oběžného kola hustě osazeného dlouhými lopatkami. Lopatky se snaží odklonit směr tekoucí vody do středu kola k hřídeli. Změna směru způsobí předání energie oběžnému kolu. Při prvním průtoku lopatkami se turbíně předává asi 79% z celkového výkonu. Vlivem souběhu mezi rychlostí vody a otáčením kola nemíří vytékající parsek na hřídel turbíny, ale mine jej volným zavzdušněným prostorem. Potom vstoupí do lopatek na protější straně lopatkového věnce. Voda je opět přinucena změnit směr a předává lopatkám další díl své energie, odpovídající 21% z celkového výkonu turbíny. Po opuštění lopatkového věnce volně vytéká pod oběžné kolo. Plně je využitý spád "H", částečně i spád "H₂". Výškový rozdíl mezi oběžným kolem a spodní hladinou "H_ztr" je spád ztracený.

Použití:
Tato turbína má velmi široké využití. Vyhoví zejména na malých tocích, všude tam, kdy by jiný stroj (s plným ostřikem) vycházel malý a choulostivý. Turbína je však vhodná pouze tehdy, kdy je její průměr nejméně 5x...10x menší, než spád "H". Nevýhodou je část ztraceného spádu (to lze řešit savkou). Nehodí se tam, kde hrozí vzestup spodní vody. Je ideálním motorem na lokalitách, kde bylo v minulosti instalováno kolo na horní vodu a někdy i tam, kde byla (v důsledku módního trendu ve dvacátých letech minulého století) instalována Francisova turbína. Charakteristika Bánkiho turbíny je plochá a vykazuje dobrou účinnost v rozsahu od 30 do 100% plnění. U turbíny dvojsekční (při poměru sekcí 1/4 ku 3/4) dokonce jen do 8% plnění. Je velmi jednoduchá na výpočet a výrobně snadno realizovatelná i v amatérských podmínkách. I při drobných nepřesnostech dává zaručený výsledek. Nevyžaduje použití žádných speciálních materiálů, běžně vyhoví i obyčejný plech. Výrazně okysličuje vodu. Je snadno a rychle regulovatelná. Mimo uzavírací orgám je tato turbína podstatně méně citlivá na nečistoty, než turbíny s dostředivým průtokem. Je odolná proti abrazi pískem. Změna jejího zatížení má pouze nepatrný vliv na průtok. Běh bez zatížení ji nevadí. Není náchylná ke kavitaci. Ložiska jsou mimo vodu, takže je možno pracovat i s pitnou vodou bez nebezpečí jejího znečištění. Hřídel není nutné těsnit (pokud není použita savka). Turbína se může točit bez vody a neklade odpor - to je výhodné na přečerpávacích elektrárnách a při kombinování více turbín k jednomu generátoru kdy se nemusí spojkou odpojovat. Vhodnou volbou šířky kola nebo dělením do více sekcí ji lze téměř libovolně přispůsobit hydrologickým podmínkám lopality.

Rozměry:
Pro stanovení rozměrů turbíny je nejdůležitější zvolit vhodný poměr mezi šířkou L oběžného kola (délkou lopatky) a jeho průměrem D. Tento poměr L/D nazveme součinitelem k_ld, je omezený pevností lopatky a proto je závislý na velikosti spádu.

Na obrázku je vidět v jak širokém rozsahu se může šířka měnit. Pokud není návrh turbíny něčím omezen a lopatky nejsou nějak zvlášť vyztuženy, je vhodné řídit se následujícím grafem:

graf pro volbu šířky turbíny podle spádu

Postup výpočtu:

Na levé straně grafu odečtěte hodnotu součinitele k_ld pro konkrétní provozní spád.

Ze spádu H se vypočítá vstupní rychlost vody c₁:

Tuto rychlost c₁ spolu s požadovanou hltností stroje Q dosaďte do dalšího vzorce a získáte plochu štěrbiny a:

Z této plochy a, součinitele k_ld (z grafu) a součinitele ostřiku k_ostř. vypočítáte největší otevření štěrbiny s. Součinitel ostřiku můžete zvolit. Dříve se používalo 0.05...0,1, současné moderní turbíny používají ostřik až 0,3. (Pro amatérskou výrobu však doporučuji zlatou střední cestu o hodnotě 0,2.):

Ze získaných hodnot vypočítáte vnější průměr oběžného kola D:

Následně vypočtěte vnitřní průměr d₂ na kterém končí vnitřní hrana lopatek:

Štěrbina bude mít délku L:

...vlastní lopatka a tedy i vzdálenost mezi disky oběžného kola L₂ by měla být o 5 až 15 mm větší.

Lopatka se většinou vyrábí jako podélný výřez z trubky:
Světlost DN této trubky (vnitřní průměr) se vypočítá z vnějšího průměru oběžného kola turbíny D:

V praxi se použije nejbližší typizovaný rozměr trubky. Síla stěny tl. se pohybuje od 3,5 do 8 mm podle délky lopatky a jejího namáhání.

Jmenovité otáčky turbíny n vycházejí z průměru D a vstupní rychlosti vody c₁:

...naprázdno se však turbína rozběhne na otáčky 1,8-krát vyšší.

Přibližný průměr hřídele dh lze vypočítat ze vzorce:

Konstrukční detaily:

Vůle mezi kolem a nátrubkem je 2..3 mm.
Voda je do kola naváděna po zakřivené stěně (evolventa nebo rádius) tak, aby v okamžiku vstupu svírala s kolmicí vedenou od okraje kola do středu hřídele úhel 75^o. Totéž platí pro tvar klapky.
Minimální počet lopatek je 28 ks, ale doporučuje se 32 ks. Pokud se předpokládá častý provoz při malém průtoku, pak až 36 ks.
Náběžná hrana lopatky je přiostřená a svírá s tečnou úhel 30^o.
Výstupní hrana lopatky je taktéž přiostřená a míří přesně do středu hřídele.
Do disků je vhodné vyvrtat otvory, jimiž se na odvrácenou stranu lopatky nasává vzduch:

Omezí se tím podtlak při odtržení vodního proudu a sníží nebezpečí kavitace. Význam to má však pouze u úzkých oběžných kol a při velkých spádech.
Dlouhé lopatky bývají uprostřed zesíleny prstencovitou výztuhu z kulatiny o průměru 10...16 mm, která spojuje na obvodu všechny lopatky a je k nim přivařená.
Pokud nevadí rozstřik, nemusí být turbína kapotována, pokud ano, bývá skříň společná s prostorem přívodní štěrbiny a je opatřena jedním nebo několika čistícími otvory.
Oběžné kolo se otáčí ve skříni volně, prostor je zavzdušněn.
Pokud pracuje turbína bez savky volně do odpadu, není prostup hřídele ze skříně utěsněn, jen opatřen odstřikovými kroužky, aby voda nestékala po hřídeli do ložisek.
Je-li použita savka, má čtvercový nebo obdélný průřez. Její spodní konec musí být zanořen do odpadního kanálu a pod ní musí být dostatečně velké vývařiště. Turbína musí mít hermeticky utěsněný hřídel. Provozem turbíny postupně vzniká v savce podtlak, hladina v savce stoupá vzhůru. Vzniklý rozdíl hladin H₃ se přičítá ke spádu H a zvyšuje výkon turbíny. Na skříni turbíny musí být zavzdušňovací ventil, který samočinně vpustí do turbíny vzduch, když v savce vznikne tak velký podtlak, který zdvihl hladinu v savce až úplně k oběžnému kolu. Hlídá, aby se oběžné kolo nikdy nebrodilo ve vodě (i když i to se testuje). Doporučuji však v každém konkrétním případě výpočtem prověřit, zda je použití savky natolik přínosné, aby vyvážilo složitost řešení. Pokud ji přesto použijete pokuste se raději umístit turbínu co možno nejníž. Vyhnete se tak zbytečným problémům s těsněním velkých rozdílů tlaku a s kavitací.
Bude-li pracovat turbína na velmi proměnném toku, je vhodné její oběžné kolo rozdělit na dvě různě dlouhé sekce. Při pohonu jednoho generátoru se dělává rozdělení v poměru ¹/₃ a ²/₃ s tou podmínkou, aby délka větší sekce vyhovovala součiniteli k_ld pro daný spád H. (Druhá, která je poloviční této podmínce samozřejmě vždy vyhovuje.) Každá sekce má svou samostatně ovládanou klapku. Při plném průtoku pracují obě půlky turbíny současně. Jakmile vody ubývá, přivírá se nejprve úzká klapka, tak dlouho, až je malá sekce zcela uzavřena a pracuje pouze velká. To nastane při 66% hltnosti Q. Při stále klesajícím průtoku se začne zavírat i širší sekce. Jakmile dojde k jejímu uzavření asi na polovinu, zavře se úplně a současně se zcela otevře malá sekce. To se odehraje když průtok poklesne na 33% hltnosti Q. Veškerý zbývající průtok převezme úzké kolo turbíny, protože široké při uzavření klapky začalo pracovat s horší účinností. Malou sekci je možno stále uzavírat až do hodnoty 16% jmenovité hltnosti Q celé turbíny. Při tomto zavření poklesne už účinnost turbíny natolik, že je lépe vodu akumulovat a pracovat v cyklickém režimu.
Průtok do turbíny se běžně reguluje klapkou. Ta může být v nejjednodužším případě jednozvratná. Tento systém je vhodný pro všechny amatérské konstrukce a nižší hodnoty ostřikového součinitele k_otř.. Navíc má výhodu v tom, že je klapka v oblasti svého kořene snadno těsnitelná gumovou lištou. Voda se klapku snaží velkou silou otevřít a při větších spádech je ji nutno vyvážit závažím. Profesionální konstrukce používají k regulaci klapku dvojzvratnou, která vyvažování nepotřebuje nebo ji zastupuje segmentový uzávěr. Starší turbíny používaly deskovité regulační hradítko, ale turbína s ním má nižší účinnost.
Turbína se většinou staví jako horizontální: Názorný průřez touto turbínou jasně ukazuje, že se skládá ze základového rámu, na kterém jsou našroubovány ložiskové domky a který přesně přiléhá na otvor v podlaze. V ložiskách se otáčí svařenec hřídele s oběžným kolem opatřený i soustavou ostřikových kotoučů bránících, aby se voda nedostala do ložisek. Shora na rámu sedí skříň, která kryje oběžné kolo a zajišťuje správný směr nátoku vody do oběžného kola. Její součástí je i hřídel s regulační klapkou. Průchod hřídele není u klapky těsněn. Pryžový ostřikový kroužek pouze omezuje přímý vstřik vody a nečistot do ložiska hřídele, těsnící kroužek uvnitř pouzdra brání vnikání vody. Aby bylo možno nasadit vlastní skříň na oběžné kolo, jsou v ní po straně výřezy až k její spodní hraně.

Při použití nízké hodnoty součinitele k_ld není vyloučena její vertikální montáž. Tím je generátor dobře chráněn před zvýšenou spodní vodou. Takto řešenou turbínu není nutno kapotovat.

Pro spády menší než 2 metry se Bánkiho turbína většinou nestaví. Výkon oběžného kola limituje pevnost nepodepřené délky lopatky a ohyb hřídele. Větší průtok je nutné rozdělit na více strojů nebo použít přetlakové turbíny s velkou hltností. (seznam zajímavých odkazů)

zpět na "O turbínách..."