Rozwiązania z turbinami rurowymi

Turbiny rurowe skonstruowano dążąc do uproszczenia i potanienia poprzednich konstrukcji. Wirnik typu Kapłana (ewentualnie śmigłowy - o nieprzestawnych łopatkach) umieszczono w przewodzie o przekroju kołowym. Dzięki temu zrezygnowano - w porównaniu z analogiczną turbiną Kapłana - z obszernych komór turbinowych lub skomplikowanych spiral wlotowych, spłycono posadowienie elektrowni oraz zwiększono obroty, przełyk i moc elektrowni (o kilka procent). W przypadku urządzeń o mocy od kilkudziesięciu do kilkuset kilowatów stosuje się często wersję uproszczoną, mianowicie rezygnuje się z przestawianych łopatek kierownicy przed wirnikiem. Wówczas regulacja odbywa się za pomocą łopatek wirnika, a na skutek braku możliwości zaniknięcia wody niezbędne jest zastosowanie przed turbiną odpowiednio szybko działającego zamknięcia lub umieszczenie turbiny w przewodzie lewarowym - ponad poziomem górnej wody.

W ciągu ponad trzydziestu lat stosowania-turbin rurowych pojawiło się wiele różnych rozwiązań układów konstrukcyjnych elektrowni. Jednym z pierwszych był turbozespół gruszkowy zainstalowany w latach trzydziestych w elektrowni Rościno na Parsęcie (rys.1). Obudowa turbozespołu i pomieszczenie elektrowni umieszczono pod przelewami jazu. Prądnica, z ewentualną przekładnią i kołem zamachowym, znajduje się w gruszce szczelnej umieszczonej przed wirnikiem. Na zewnątrz gruszki. poprzez łopatkę wsporczą są wprowadzone przewody mocy i sterowania.

Rys. 1.  Mała elektrownia wodna z turbozespołem gruszkowym wbudowanym w próg jazu (Rościno na Parsęcie);

  1 - wirnik z przesławnymi łopatkami. 2 - obudowa prądnicy, łożysk i elementów regulacji („gruszka"). 3 - regulator turbiny, 4 - zamknięcie awaryjne (zawór motylowy), 5 - kraty wlotowe, 6 - wnęki zamknięcia remontowego wlotu, 7 - klapowe zamkniecie remontowe rury ssącej, 8 -klapowe zamkniecie jazu

Na rysunku 1 ,  przedstawiono urządzenia elektrowni wbudowane w próg jazu z zamknieciem klapowym. Ponieważ układ gruszkowy ogranicza możliwość doboru prądnicy i przekładni (a zwłaszcza ich wymiarów) oraz utrudnia rozwiązanie chłodzenia smarowania, sterowania, uszczelnienia i napraw turbozespołu, opracowano rozwiązania pozwalające na usunięcie prądnicy poza gruszkę. Jedno z nich przedstawiono na rys. 2. W gruszce pozostała przekładnia kątowa, łożyska i elementy układu sterowania. W zależności od rodzaju prądnicy można jej nadać położenie pionowe lub poziome z  boku turbiny. Istnieje też rozwiązanie (firmy VOEST-ALPINF), w którym napęd z gruszki jest wyprowadzany do prądnicy za pomocą kilku pasków klinowych w szczelnej obudowie.

Rys. 2. Turbozespół z przekładnią kątową w „gruszce" (Elektrownia Rościno po przebudowie);

 1 - wirnik z przesławnymi łopatkami, 2 -przekładnia zębata kątowa. 3 - prądnica z kołem zamachowym,  4 - zamkniecie awaryjne (zawór motylowy), 5 - kraty wlotowe, 6 - wnęki zamknięcia remontowego wlotu, 7 - klapowe zamknięcie remontowe rury ssącej. 8 -klapowe zamknięcie jazu

Jednym z najbardziej wyszukanych układów, pozwalających na usuniecie prądnicy poza turbiną rurową, jest konstrukcja firmy ESCHER WYSS (znana jako STRAFLO), produkowana obecnie przez Zakłady ACEC (Belgia). W konstrukcji tej fragmentem stalowej rury stanowiącej obudowę turbiny jest ruchomy pierścień zdylatowany w stosunku do poprzedniego i tylnego fragmentu obudowy. Wewnątrz pierścienia jest zamocowany wirnik turbiny o nieprzestawnych łopatkach, a na zewnątrz znajduje się wirnik prądnicy. Całość obraca się podczas przepływu wody, generując prąd w nieruchomym stojanie prądnicy. Turbozespoły takie produkuje się dla znacznych mocy, przekraczających 1 MW. Dla elektrowni o mocy 100 kW — 2 MW, w celu stypizowania prądnic firma ACEC opracowała inne rozwiązanie, w którym - zamiast wirnika prądnicy - na zewnątrz, ruchomego pierścienia osadzone jest koło pasowe przekładni (rys. 3). Drugie koło pasowe jest osadzone na zewnątrz obudowy turbiny, a od niego prowadzi wał do prądnicy. W obu przedstawionych przypadkach wymagana jest wysoka precyzja wykonania dość skomplikowanego uszczelnienia turbiny.

Rys. 3.  Zmodyfikowane rozwiązanie turbozespołu STRAFLO z kołem pasowym na obręczy wirnika (ACHC);

 1- wirnik turbiny (łopatki regulowane lub stale). 2 - obudowa łożysk i elementów regulacji, 3 - stale łopatki kierownicze. 4 - system pierścieni uszczelniających, 5 - koło pasowe na obwodzie wirnika, 6 - pas transmisyjny, 7 - prądnica. 8 - szafa sterowniczo-rozdzielcza, 9 - studzienka zbiorcza przecieków, 10 - przewody odwadniające ..gruszkę" i uszczelnienia wirnika. 11 -szybkoopadająca zasuwa awaryjna. 12 - wnęki zamknięcia remontowego rury ssącej, 13 - kraty wlotowe

Do najbardziej popularnych obecnie turbin rurowych należą turbiny kolanowe. Charakteryzują się tym, że stalowa nira ssąca jest wygięta w dół (na podobieństwo kolana), co pozwala na wprowadzenie wału poza obudowę turbiny i dość swobodny dobór typu i wielkości przekładni oraz prądnicy. Poszczególne rozwiązania różnią się między sobą kształtem rury ssącej (wygięta pojedynczo lub podwójnie), położeniem wału turbiny (poziomy lub odchylony do góry), kierunkiem wyprowadzenia wału (ku wodzie dolnej lub górnej), lecz ogólne rozwiązanie elektrowni pozostaje jak na rys. 4, na którym przedstawiono elektrownię z turbiną kolanową firmy CKD Blansko, produkowaną z wirnikiem o średnicy 1-35 m, dla spadów 2—10 m, przełyków 1,4-100 m/s i mocy 400-5000 kW. Na wlocie do turbiny  zastosowano zawór motylowy, który stosuje się także w przypadku poprowadzenia wody za pomocą rurociągu. W przypadku elektrowni przyzbiomikowej lub elektrowni przy kanale otwartym wystarczy nieco tańsza zasuwa płaska. Przy mniejszych turbozespołach może ona być nawetdrewniana. Większość wytwórni, zwłaszcza w przypadku niewielkich turbin o średnicy 1-2 m, rezygnuje z ruchomych łopatek kierówniczych stosując pojedynczy system regulacji za pomocą łopatek wirnika. Elektrownie z turbinami rurowymi będą szeroko stosowane w Polsce: Zakłady Remontowe Energetyki w Gdańsku podjęły się produkcji tych urządzeń. Istotną barierą są - jak dotąd - koszty. Turbina kolanowa odznacza się dużym zużyciem stali (na wykonanie obudowy), co zwłaszcza dla małych jednostek, o mocy poniżej 100 k W. zwiększa koszty inwestycji. Dlatego też w przypadku tak małych mocy lepiej stosować inne rozwiązania.

Rys. 4. Mała elektrownia wodna z turbiną rurową kolanową (ĆKD - Blansko);

 1- wirnik turbiny z przestawnymi łopatkami, 2 - łożysko oporowe turbiny, 3 - koło zamachowe, 4 - przekładnia zębata. 5 - prądnica. 6 - zawór awaryjny motylowy (nie występuje w przypadku regulowanych łopatek kierownicy). 7 - wnęki zaniknięcia remontowego wlotu, 8 - kraty wlotowe, 9 - czyszczarka krat, 10- wnęki zaniknięcia remontowego rury ssącej, 11 - agregat odwadniający. 12 - suwnica montażowa. 13 - luk nad płaszczyzną montażową.

Turbiny rurowe mogą być też wykonywane w układzie pionowym. Na rysunku 5 przedstawiono takie obiekty firmy BOFORS-NOHAB. dla dużych spadów z rurociągiem, dla najmniejszych spadów - ze szczelną komorą lewarową. To drugie rozwiązanie pozwala na uniknięcie awaryjnego zamknięcia na wlocie do turbiny, dopływ wody odcina się bowiem przez napowietrzenie komory - na skutek otwarcia zaworu w stropie.

Spośród turbin rurowych znane jest jeszcze jedno rozwiąyanie, w którym prądnica jest umieszczona poza obudowę prowadzącą wodę. Jest to wariant z prądnicą studniową: woda napływa do elektrowni dwoma zamkniętymi kanalami opływającymi otwarte od góry wąskie pomieszczenie (studnię), w którym jest umieszczona prądnica lub przekładnia. Za tym pomieszczeniem kanały łączą się w jeden przewód, w którym pracuje wirnik turbiny. Dalej znajduje się rura ssącaopadająca skośnie w dół. Obecnie rozwiązanie to rzadko występuje. W Polsce zastosowano je w elektrowni Smardzewice na Pilicy (turbozespoły firmy GANZ).

Rys. 5.  Rozwiązania MEW z turbinami rurowymi w układzie pionowym (BO-FORS-NOIIAB): 

a) z komorą lewarową, b) z doprowadzeniem rurociągami, 1 - wirnik turbiny z przesławnymi łopatkami, 2 - nieruchome łopatki kierownicy turbiny, 3 - obudowa łożyska oporowego i przekładni zębatej. 4 - prądnica. 5 - szary sterowniczo-rozdzielcze, 6 - układ odpowietrzania komory lewarowej, 7 - zawór awaryjny motylowy z zamknięciem ciężarowym, 8 - kraty wlotowe, 9 - wnęki zamknięcia remontowego rury ssącej, 10 - rurociąg doprowadzający, 11 - luk montażowy