Vírová turbína

Výroba elektrické energie ve vodních elektrárnách funguje na principu přeměny potenciální energie – dané rozdílem hladin toku tj. spádem – ve vodní turbíně na kinetickou energii otáčivého pohybu. Turbína pak otáčí rotorem generátoru, který generuje elektřinu. Vývoj vodních elektráren přinesl různé typy turbín. Mezi nejzákladnější patří turbína Francisova, Kaplanova a Peltonova. V ČR se nejčastěji používá Kaplanova a Francisova turbína, které jsou vyvinuty především pro zpracování nízkých spádů. Potenciál velkých řek je u nás víceméně vyčerpán, a proto se výzkum zaměřuje na možnosti instalace vodních děl pro nízké spády na menších řekách či říčkách. Vhodnou turbínou pro takové podmínky může být vírová turbína.

Historie

Vírovou turbínu navrhl před deseti lety na Vysokém učení technickém v Brně (fakultě strojního inženýrství, odboru fluidního inženýrství Viktora Kaplana) tým vedený profesorem Františkem Pochylým. 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.

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.

Vhodné lokality pro instalaci vírové turbíny

Míst pro instalaci těchto turbín se nabízí několik druhů. Mohou to být rekonstrukce starých malých vodních elektráren (MVE), jezy, staré náhony, například pro vodní mlýny, apod. Instalace vírových turbín jsou zatím čistě českou záležitostí a českým patentem.

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.

Projekty instalované v praxi

Prototyp vírové turbíny byl odzkoušen na VUT Brno a laboratorně bylo soustrojí provozováno za ideálních podmínek při spádu 3,5 m s účinností 86 %.

V ČR existují zatím pouze dvě komerční instalace vírových turbín – na MVE Krásněves na Vysočině a na MVE Podhradí ve Slezsku na řece Moravici. V MVE Krásněves jsou instalovány 3 vírové turbíny v násoskovém uspořádání o celkovém instalovaném výkonu 13,5 kW. Přímoproudá varianta je instalována na MVE Podhradí. Jedná se o jedno turbosoustrojí o výkonu 43 kW. MVE Podhradí obsahuje rozváděcí kolo, které požadoval objednatel jako uzávěr proudu vody pro odstavení. V provozu je kolo plně otevřené.

V současné době se připravují další komerční projekty v ČR.

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.

Výhody vírové turbíny

Výhodou vírové turbíny je nepřítomnost rozváděcího kola a vysoké otáčky, což umožňuje provoz generátoru bez převodovky. Tyto skutečnosti jsou především ekonomickými výhodami, ale zároveň jednoduchost zvyšuje spolehlivost, protože v uspořádání je méně zdrojů potenciálních poruch.

Další výhodou je vysoká hltnost, hydraulická účinnost stroje a odolnost proti kavitaci. Navíc jsou ekonomicky malé vodní elektrárny podporovány v podobě zelených bonusů státními dotacemi za vyrobenou kWh.

Zdroje:

Hes Stanislav: Hydroenergetické využití velmi malých spádů v závislosti na ekonomické efektivitě, ČVUT Praha

Veselý Radek: prezentace Vírová turbína, konference CI‑IKE Skupina ČEZ 2012

http://www.setrime-energie.cz/clanky/tipy-vodni-energie/virova-turbina-vedcu-z-brna-je-prislibem-pro-vyuziti-mensich-vodnich-toku

http://www.cez.cz/cs/vyzkum-a-vzdelavani/veda-a-vyzkum/aktuality-z-vyzkumu-a-vyvoje-cez/11.html

http://www.vutbr.cz/tiskove-zpravy-f19527/virove-turbiny-z-vut-budou-instalovany-na-rekach-v-brne-jesenikach-i-na-sumave-d58478