Vírová turbína Františka Pochylého

Vírová turbína Františka Pochylého byla vyvinuta roku 2000 týmem prof. Ing. Fr. Pochylého, Csc., na Odboru fluidního inženýrství Victora Kaplana z FSI VUT v Brně. . Za tento objev mu byla udělena Cena města Brna za technický pokrok, Cena ministryně školství, mládeže a tělovýchovy za výzkum, Cena inženýrské akademie ČR a především cena Česká hlava v kategorii ministra životního prostředí. Vírová turbína tedy vznikla na stejném místě jako v letech 1910 až 1912 turbína Kaplanova. I ona se na začátku své existence setkávala s nedůvěrou, což provází většinu nových myšlenek.

Vychází z Kaplanovy turbíny, je ovšem zjednodušena, pracuje bez rozvaděče, což představuje úsporu nákladů.
Jedná se o nový typ turbíny patentovaný v České republice. Je určena pro nízké spády 1-5 m a relativně vysoké průtoky. Dosahuje účinnosti až 86 %. Má vyšší otáčky než Kaplanova turbína. Specifické otáčky vírové turbíny jsou v rozmezí 950-1150.
Při spádech nad 3 m se však jeví jako vhodnější standardní Kaplanova turbína. V roce 2013 plánuje elektrárenská společnost ČEZ nasazení několika těchto turbín, např. na Vydře na Šumavě. V témže roce ohlásilo VUT novou dvoustupňovou verzi turbíny v kaskádovém uspořádání pro až dvojnásobné spády vyvinutou pro lokalitu Jezerní potok.











Princip
Základní princip činnosti vírové turbíny je opačný než u Kaplanovy. Kaplanova turbína používá na vstupu rozváděcí lopatky, které udělí proudu vody rotaci. Vírová turbína nepoužívá rozváděcí kolo, proud na ni vstupuje rovnoběžně s osou a po průchodu lopatkami vírové turbíny vychází rotující proud vody.

Na středovém náboji turbíny na válcové části jsou umístěny minimálně dvě oběžné lopatky tvaru zborcené šroubové plochy. Specifický tvar lopatek umožňuje rychlootáčkový provoz turbíny, a proto je možné soustrojí provozovat bez převodovky na generátor. Start turbosoustrojí probíhá v intervalu půl minuty až řádově jednotek minut. Rozběh zajišťuje generátor v motorickém režimu. K odstavení dochází prakticky okamžitě přerušením sacího efektu turbíny otevřením klapky na nejvýše položeném místě potrubí.

Výhody

Základní výhodou vírové turbíny je to, že kapalina vstupuje do oběžného kola axiálně. To znamená, že tato turbína nemusí být vybavena rozváděcími lopatkami. To výrazně zjednodušuje a zlevňuje výrobu. Dále může použita v násoskovém provedení, to výrazně snižuje úpravy jezu a tím jsou opět uspořeny investiční náklady. Vzhledem k rychloběžnosti umožňuje přímé napojení rotoru generátoru na hřídel turbíny, bez nutnosti převodů.

Nevýhody vírové turbíny
Mezi nevýhody vírové turbíny patří skutečnost, že zatím existuje jen několik málo jejích aplikací. To znamená, že provozované turbíny jsou prototypy a žádná turbína zatím nebyla vyrobena sériově; to zvyšuje především projekční náklady a snižuje spolehlivost. Tento fakt ale postihuje veškeré nové produkty ve všech oborech a tzv. dětskými nemocemi si musí projít téměř každá nová myšlenka.


Varianty uspořádání vírové turbíny

Násosková varianta
Tato konfigurace je charakteristická umístěním turbíny do potrubí, které propojuje horní a dolní hladinu toku. Do horní hladiny nádrže je ponořeno ústí potrubí, které vede směrem vzhůru ke hraně nádrže. Mezi hranou nádrže a ústím potrubí leží uvnitř vírová turbína, která je spojena hřídelí s generátorem. Přes hranu nádrže potrubí přechází k dolní hladině, kde je systém zakončen pod hladinou. Rozběh soustrojí zajišťuje motorický režim generátoru – vytvoření sacího efektu turbíny. Rozběh například u 3kW turbíny trvá přibližně 30 s. Tato varianta nevyžaduje náročné stavební úpravy na stávajících hrázích a je vhodná na tocích se stabilním průtokem.

Přímoproudá varianta
Tato konfigurace je stejná jako u klasických vodních turbín nižších spádů. Voda proudí dolů od horní hladiny potrubím skrze hráz, ve které umístěna strojovna s turbínou, generátorem a ostatními zařízeními. Voda je vypouštěna za hrází do dolní hladiny toku. Přímoproudá varianta vyžaduje více prostoru a složitější stavební úpravy.

Varianty uspořádání vírové turbíny a lokality kde byla vírová turbína instalována.

Přímoproudá varianta	Turbína v tomto uspořádání je realizována v Podhradí na povodí Odry.
Násoskové provedení	Turbína v tomto uspořádání je umístěna v laboratoři Odboru fluidního inženýrství. Její tři varianty jsou v provozu na malé vodní elektrárně v Lokalitě Krásněves.
Varianta s prstencovým motorem	Jedná se o velmi kompaktní jednoduché provedení. Instalace této turbíny je provedena v elektrárně Josefov u Hradce králové.
Varianta s diskovým motorem	Přednost této varianty spočívá v tom, že umožňuje snadnou regulaci turbíny s ohledem na změnu spádu.
Varianta s kaskádovou mříží	Tato modifikace vírové turbíny je určena pro zpracování vyšších spádů.

---

Předlohou byla mikroelektrárna rakouského vynálezce Franze Zotlöterera z městečka Obergrafendorf.

Při vytváření tohoto neobyčejného projektu myslel jeho autor v prvé řadě na ekosystémy, které trpí díky elektrárnám, a to především vodním elektrárnám. Dokonce i vodní mini-elektrárny na říčkách a kanálech nejsou dokonalé. Ale vynálezce paradoxně našel způsob, jak zvýšit účinnost takových zařízení.

Neobvyklé schéma pro malé vodní elektrárny našel rakouský vynálezce Franz Zotlöterer z městečka Obergrafendorf se svým projektem «Technika vodního víru» (Wasserwirbeltechnik). Především zjistil, že postavení přehrady přes celou šířku řeky není účelné, ale škodlivé. Místo toho navrhl, aby část toku poblíž břehu byla odvedena do speciálního kanálu, který přivádí vodu k přehradě.

Ta má rovněž neobvyklý tvar. Je to betonový cylindr, ke kterému je voda vpřiváděna po tečně, a uprostřed padá do hloubky. Tím se v centrální časti vytváří vodní vír, který otáčí turbínou.

Výhod u tohoto typu vodní minielektrárny Zotlöterer objevil celou řadu.

Obvykle má řeka spoustu meandrů, vířivé proudění, ve kterém vzniká aerace vody. V kanále s přehradami vodních minielektráren k tomu nedochází. Ale když se zamění obyčejné přehrady za «vířivé», pak se přírodní aerace obnoví.

Za prvé, účinnost přetvoření energie padající vody na elektrický proud je až 73%, což je velmi dobrý výsledek. A to Franz použil ne úplně nejmodernější elektrický generátor.

S přestávkami elektrárna začala dodávat proud do veřejné sítě už v září 2005, nepřetžitě od března 2006. Za poslední rok nepřetržité práce jeho «Gravitační vířívá elektrárna» (jak působivě nazval němec nový tip vodní elektrárny), umístěná na jakémsi potoku, vyrobila přes 50 megawatt hodin elektřiny při pracovním přepadu vody 1,3 metrů (ve skutečnosti docházelo ke kolísání) a spotřebě přibližně 1 m³ za sekundu. Maximální elektrická kapacita této mini elektrárny dosahuje 9,5 kW. V průměru to postačuje na zásobování 10 – 15 rodinných domů (s ohledem na nerovnoměrnost odběru).

Za druhé, rychlost rotace turbíny se ukázala jako poměrně nízká, takže pro ryby, které se dostanou do vodního víru, lopaktky kola nepředstavují nebezpečí. Tím spíše, že lopatky nerozsekávají vodu, ale synchronně se otáčejí spolu s vodním vírem.

Autor inovace poukazuje na relativní jednoduchost a nízkou cenu stavby jeho vodní elektrárny. Přesto nehledě na miniaturnost, elektrárna se jako «dospělá» zúčastňuje zásobování země elekrickou energií.

Za třetí, vodní vír promíchává nečistoty a současně provzdušňuje vodu, což pomáhá intenzivní práci mikroorganismů, které ji čistí přirozeným způsobem.
Tato vlastnost elektrárny obnovuje procesy, které probíhají v obyčejné řece s velkým počtem zákrut. Ve velkých přímých korytech kanálů a vodních nádržích téměř laminární tok způsobuje ztrátu aerace vody, a jako důsledek, ztrátu její schopnosti samočištění.

Za čtvrté, vodní vír pomáhá termoregulaci ve vodní nádrži. Zvětšená plocha kontaktu vody se vzduchem způsbuje její ochlazování díky vypařování během horkého léta.

V zimě vodní elektrárna pokračuje v práci i pod ledem. Nejhustší voda (s teplotou kolem 4°C) má tendenci směřovat do centra víru. Na okrajích trychtýře se vytváří ledová vrstva, která má funkci ohřívače, ten zabraňuje přílišnému ochlazování ve středu víru.

Ve skutečnosti vodní vír pracuje jako stroj, který má v určité chvíli tendenci v zimě snižovat teplotu protékající vody na 4°C, což vlastně může mít pozitivní vliv na život na dolním toku (tady autor vodní elektrárny bližší podrobnosti neuvádí).

Za to uvádí ještě jeden důležitý argument, který opodstatňuje konstrukci jeho elektrárny. Tato elektrárna stojí přibližně 7,5 tis. USD, což je levnější než kapacitně analogická vodní mini elektrárna postavena klasickým způsobem.

Tímto ale vyhody elektrárny, pracující na principu vodního víru, nekončí. Franz vyzvedává lepší podmínky pro opravy a rekonstrukci, podstatně nižší složitost a periodicitu obsluhy, velmi jednoduchou konstrukci a jiné technologické výhody této elektrárny.

Vynálezce je přesvědčen, že takovéto schéma je nejoptimálnější pro budování vodních elektráren s kapacitou do 150 kW. Přičemž konstrukce začíná mít výhody (vykazuje vynikající výkonnost turbíny) už při přepadu vody z výšky pouze 0,7 metru.

Samozřejmě existují i jiné modely malých vodních elektráren, které pracují bez přepadu z výšek (jednoduše využívají pouze proud). Rakušan je ale přesvědčen, že ve «vírových» vodních elektrárnách je skloubena vysoká efektivnost (jak z pohledu fyziky, tak i z pohledu finnančních nákladů) s maximálními ohledy na živou přírodu.

Přesto není Zotlöterer ještě úplně spokojen se svými výsledky. Pokračuje ve zdokonalování svého projektu a počítá s tím, že zvýší kapacitu své vodní mini elektrárny.