Francisova horizonální turbína

V minulosti často používané vodní kolo sloužilo jako pohon pro mlýny nebo hamry. Jeho nevýhodou byla ale nedostatečná efektivita. V 19. století se podařilo jeho efektivitu zvýšit natolik, že vodní turbína mohla úspěšně soupeřit s parním strojem.

V roce 1826 Benoit Fourneyron vyvinul vysoce efektivní (80%) vodní turbínu, kde voda vtékala na oběžné kolo tangenciálně. Jean-Victor Poncelet vyvinul v roce 1820 turbínu na podobném principu. S. B. Howd získal v USA v roce 1838 patent pro další turbínu tohoto typu.

V roce 1848 James B. Francis vylepšil tyto předchozí turbíny a podařilo se mu dosáhnout celkové 90% efektivity. Pomocí vědeckých postupů a sady testů a měření vytvořil maximálně efektivní turbínu. Jeho metody výpočtů a měření navíc značně pozvedly technologii návrhu a stavby turbín. Pomocí jeho analytických metod lze navrhnout maximálně efektivní turbínu, která bude přesně odpovídat požadavkům na konkrétní zařízení.

Horizontální kašnová Francisova turbína patří k nejrozšířenějším přetlakovým vodním motorům v minulosti. Osazovala se jí většinou vodní díla derivační s otevřeným přivaděčem nebo tlakovým přivaděčem avšak s otevřenou kašnou. Vyráběly se v typizovaných výrobních řadách, odstupňované podle průměru oběžného kola. Výrobní řady byly zvoleny tak, že na každý spád a průtok se našla vhodná turbína nebo kombinace dvou různě velkých turbín. Používaly se nejčastěji jako hlavní nebo doplňkový přímý mechanický pohon mlýnů, pil a drobných živností. Mnoho těchto strojů se do dnešních dnů zachovalo. Některé z nich jsou provozovány jako MVE. Jiné po desítkách let nucené nečinnosti čekají na svou opravu.

Toto technické uspořádání se používá na spádech od 2 do 8 metrů při malých a středních průtocích (přibližně od 100 do 2000 ltr./sec.) Ve srovnání s vertikální turbínou má turbína horizontální o nějaké procento nižší účinnost. To je však vyváženo spoustou jiných výhod. Mezi hlavní z nich patří vodorovný hřídel, vycházející z turbíny přímo do prostoru strojovny. Tím se výrazně zjednodužší převody. Často se vystačí jen s řemenovým převodem a tak se celková bilance účinnosti vyrovnává. Většinou jsou tyto turbíny tzv. normáloběžné , pouze větší turbíny na malé spády, případně turbíny přímo spojené s generátorem mohou být rychloběžnější.

Vlastní turbína je umístěna ve stěně turbínové kašny naplněné vodou. Její osa je dostatečně vysoko nad spodní vodou, aby nehrozilo zaplavení stroje. 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 oběžném kole voda předává svoji energii a po výtoku z oběžného kola se odvádí do odpadního kanálu. Protože je turbína ve stěně kašny a vysoko nad spodní hladinou, řeší se to pomocí kolenové savky. Kolenová savka kruhového průřezu je pro toto horizonální uspořádání typická. 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 má její koleno velký poloměr ohybu, aby si v něm mohl sloupec nerušeně rotovat. Toto koleno může být vedeno uvnitř kašny - pak hovoříme o savce mokré nebo strojovnou - pak hovoříme o savce suché.

Horizontální turbína s "mokrou savkou"

Její použití vyžaduje zřídit dostatečně velké vývařiště a to přímo pod vlastní kašnou. To jde především u kašny postavené mimo vlastní strojovnu. Často se nachází tam, kde byla kašna postavena na místě bývalé lednice vodního kola, tam je k dispozici dostatečná hloubka. Nepoužívá se v případě, že je kašna značně hluboká nebo je-li postavena na nestabilním podloží (navážce). Výhodou je, že turbína ve strojovně zabírá málo místa a prosak se snižuje na minimum. Mokrá savka byla v minulosti typická hlavně pro turbíny z prvorepublikové produkce firmy Českomoravská Kolben-Daněk Blansko.

Schema uspořádání:

Popis:

V čelní nebo v boční stěně kašny je zabetonovaný tzv. pozední kruh. V něm je nasazený štít, nesoucí hlavní ložisko a čepy natáčivých rozváděcích lopatek. Uvnitř kašny jsou konce lopatkových čepů spojené litinovým prstencem. K tomuto prstenci je přišroubované koleno savky a po jeho obvodu se otáčí regulační kruh. Od kruhu vedou krátká táhla, ke každé rozváděcí lopatce, kterou natáčejí. Otáčení celého regulačního kruhu zabezpečují (stejně jako u většiny Francisových turbín s Finkovou regulací) táhla vedoucí k regulačnímu srdíčku. Srdíčko je naklínováno na jednom konci regulačního hřídele. Regulační hřídel prochází přes stěnu kašny do strojovny a je utěsněn lojovou šňůrou. Hřídel je natáčen ručně, otáčkovým nebo hladinovým regulátorem. Průchod hlavního hřídele do vodního prostoru bývá těsněn ucpávkou, veden hlavním ložiskem ve štítě a nesen opěrným ložiskem na betonovém základu. Turbíny s lehkým oběžným kolem vystačí se dvěma ložisky. Více namáhané turbíny musí mít navíc ještě zadní opěrné ložisko, které podpírá hřídel až v koleni savky (tak jak je to znázorněno na obrázku). Toto ložisko je kluzné a bývá schopné zachytit i axiální sílu. Maže se dlouhým potrubím ze speciální maznice. Hřídel procházející prostorem kolenové savky narušuje proudění a proto tyto turbíny mají nižší účinnost než jednodužší turbíny s letmo uloženým oběžným kolem bez zadního ložiska. Savka ústí do vývařiště pod kašnou. Její okraj musí být i při zastavené turbíně pod hladinou.

Technické detaily:

• Oběžné kolo bývá na průběžném hřídeli naklínováno. U turbín s letmým uložením je oběžné kolo nasazeno na kužel a pojištěno maticí. Často bývá malým šroubkem pojištěna samotná matice.
• Rozváděcí lopatky se otáčejí na nehybných čepech. Jsou uloženy na kluzných pouzdrech (litinových nebo bronzových).
• Závity a matice šroubů procházejících do strojovny jsou proti vodě těsněny kaší z grafitu, molybdensulfidu a lněné fermeže (lze použít i silikonový tmel). Ostatní šrouby jsou pod vodou namazány směsí grafitu, molybdensulfidu a vazelíny A4, stejně tak jako čepy lopatek a táhla. Při opravách se však doporučuje jak čepy, tak i kolíky rozváděcích lopatek a všechny šrouby v kašně použít nerezové.
• Jednotlivé odlitky bývají utěsněny klingeritovým těsněním nebo dehtovou lepenkou. Při opravách je potřeba dodržet jeho správnou tloušťku (zejména pod kolenem savky), jinak může dojít k příčení hřídele.
• Hřídelové těsnění tvoří několik prstenců běžné lojové těsnící šňůry. Jednotlivé kroužky jsou skládány na sebe střídavě tak, aby se jejich spoje překrývaly. Příruba ucpávky se dotahuje jen málo.
• 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 kašny. Tím se snižuje namáhání ložisek axiálními silami.
• Hlavní i opěrné ložisko bývá kluzné. Nekalený hřídel se točí v pánvi vylité cínoolověnou kompozicí. Často je ložisková pánev uložená v kulovitém loži (Sellersovo ložisko). Ložisko je kroužkomazné s olejovou náplní. Opěrné ložisko může být i kuličkové nebo kombinované a často zachycuje i axiální síly.
• Zadní ložisko na koleni savky se vyskytuje většinou jen u turbín s hodně namáhaným hřídelem (velký spád, těžké oběžné kolo). Toto ložisko pracuje přímo pod vodou. Je kluzné - bronzové nebo s cínovou kompozicí. Maže se vazelínou. Ta se do něj dopravuje dlouhým mazacím potrubím tzv. "tukovodem" z mazacího lisu. Jeho píst je obsluhovaný ze strojovny. Dříve si z ropnými látkami ve vodě těžkou hlavu nedělali, dnes toto ložisko komplikuje provoz a je zapotřebí použít ekologicky odbouratelná maziva nebo hřídel uložit do samomazného pouzdra.

Horizontální turbína se "suchou savkou"

Toto řešení se používá tehdy, když pod kašnou nemůže být vývařiště. Je výhodné tam, kde odpadní kanál vede pod strojovnou. Vlastní kašna může být menší, hlubší a protože je její dno dobře podepřeno, bývá stabilní i na navážkách. Proto se používá často u strojoven postavených v blízkosti rybničních hrází. Turbína v kašně zabírá jen málo místa a tak zůstává dostatek volného prostoru na případné montážní práce. Při celkovém čistění stroje stačí demontovat štít v kašně, zbytek stroje není nutné rozebírat. Nevýhodou je, že koleno savky zasahuje do prostoru strojovny a že turbína musí mít vždy jedno ložisko pracující pod vodou. Navíc hřídel procházející savkou snižuje její účinnost. To je často vynahrazeno tím, že savka ústí do vývařiště šikmo, nemusí opisovat tak velký oblouk a proto klade menší odpor. Suchá savka byla v minulosti typická pro turbíny z produkce Továrny mlýnských strojů Josefa Prokopa synové Pardubice nebo Martínek Přerov.

Schema uspořádání:

Popis:

V čelní, méně často v boční stěně kašny je zabetonovaný tzv. pozední kruh. V něm je nasazené koleno savky s kontrolním otvorem. Koleno tvoří hlavní těleso stroje. Má odlitou konzolu, která nese hlavní ložisko. Součástí kolena je i ucpávkové těleso, kterým prochází hřídel do vodního prostoru. Z hlavního litinového dílu turbíny vyčnívají do prostoru prostoru kašny ocelové čepy natáčivých rozváděcích lopatek. Uvnitř kašny je na druhý konec lopatkových čepů nasazený štít turbíny ve kterém je opěrné ložiko hřídele a na jeho obvodě se otáčí regulační kruh. Od kruhu vedou malá táhla, samostatně ke každé rozváděcí lopatce. Kruh je ovládán stejně jako v předešlém případě. Hlavní hřídel je za provozu vytlačován do strojovny a proto musí být opěrné ložisko na betonovém základě schopné zachytit i axiální sílu. Šikmá savka odvádí vodu do vývařiště pod strojovnou. Její okraj musí být i při zastavené turbíně pod hladinou, aby se do ní nedostal vzduch. Na jejím správném ustavení před zabetonováním velmi záleží, protože dělá podpěru hlavnímu ložisku turbíny.

Technické detaily:

• Oběžné kolo bývá na průběžném hřídeli naklínováno.
• Rozváděcí lopaky se otáčejí na stojících čepech. Jsou uloženy na kluzných pouzdrech (litinových nebo bronzových).
• Závity a matice šroubů procházejících do strojovny jsou proti vodě těsněny kaší z grafitu, molybdensulfidu a lněné fermeže (lze použít i silikonový tmel). Ostatní šrouby pod vodou jsou mazány směsí grafitu, molybdensulfidu a vazelíny A4. Při opravách se však doporučuje jak čepy a kolíky rozváděcích lopatek, tak i všechny šrouby v kašně použít nerezové.
• Jednotlivé odlitky bývají utěsněny klingeritovým těsněním. Při opravách je potřeba dodržet jeho správnou tloušťku (zejména pod kolenem savky), jinak může dojít k příčení hřídele.
• Hřídelové těsnění tvoří několik prstenců běžné lojové těsnící šňůry. Jednotlivé kroužky jsou skládány na sebe střídavě tak, aby se jejich spoje překrývaly. Příruba ucpávky se dotahuje jen málo.
• 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 se odsává ze zadní strany oběžného kola voda a vzniklým podtlakem se vyrovnává axiální tah pracujícího oběžného kola, což snižuje namáhání ložisek.
• Hlavní a opěrné ložisko bývá kluzné. Nekalený hřídel se točí v pánvi vylité cínoolověnou kompozicí. Často je ložisková pánev uložená v kulovitém loži (Sellersovo ložisko). Ložisko je kroužkomazné s olejovou náplní. Opěrné ložisko na betonovém základě může být i kuličkové nebo kombinované a často zachycuje i axiální síly.
• Zadní ložisko na koleni savky přímo pod vodou. Je kluzné, bronzové nebo s kompozicí. Maže se vazelínou. Ta se do ně dopravuje dlouhým mazacím potrubím tzv. "tukovodem" z mazacího lisu. Jeho píst je obsluhovaný ze strojovny a je zapotřebí použít ekologicky odbouratelná maziva nebo hřídel uložit do samomazného pouzdra.
• Kontrolní otvor na koleni savky i hřídelová ucpávka musí řádně těsnit. V opačném případě vniká vzduch do savky a výrazně snižuje výkon turbíny.
• Některé turbíny mají speciálně upravené dva nebo tři horní čepy rozváděcích lopatek. Lze je povolit a vytáhnout bez toho, aby se musela celá turbína rozdělávat. Dá se tak snadno zkontrolovat oběžné kolo a odstranit nečistoty zachycené na lopatkách.

Přes horizontální turbínu lze kašnu vypustit pouze částečně (hladina zůstane stát na úrovni spodní hrany oběžného kola). Kašna je proto opatřena výpustnou zátkou, jejíž kanálek vede do vývařiště. Zbytek vody se vypustí jejím zdvižením.