www.malavoda.cz

Vodní motor - turbína.

Vodní motor, nebo chcete-li vodní turbína.
Po delší úvaze jsem si pro výrobu zvolil vodní turbínu typu Banki.
Historii vynálezu ani autora zde popisovat nemá smysl, protože vyčerpávající informace lze nalézt na internetu.
Jiné vodní motory, kromě již výše zmíněného, zde popisovat nemohu, protože je znám pouze teoreticky a nikdy jsem se je nepokoušel postavit.
Turbína Banki je vcelku konstrukčně jednoduchá, relativně snadno amatérsky vyrobitelná, jak se říká „na koleně v garáži“.
Turbína je průtočná dvojčinná. To znamená, že tryskou nám voda vstupuje do oběžného kola, kde odvede část práce a při opuštění oběžného kola nám odvede další díl své energie.
Viz obr. níže.

Abychom mohli postavit turbínu, potřebujeme nejprve vypočítat a stanovit její parametry.
Některé nám vyplynou z lokality (spád, průtok) a některé musíme pracně vypočítat. Hlavně si musíme ujasnit jak velkou turbínu chceme a jaké by měla mít parametry. Vše se asi nejlépe pochopí na příkladu.
Řekněme, že máme lokalitu kde jsme naměřili v průměrně srážkovém létě, průtok 15lit/s.
Na jaře nám tam teče 6x tolik vody, na podzim 3x tolik a v zimě asi 2x tolik. Přívalové deště pomíjím, protože se na těchto tocích většinou zanese sací koš a turbína stejně jede omezeně. Pro výpočet velikosti turbíny si musíme zvolit hltnost, tj. kolik vody, při daném spádu, chceme aby turbína pohltila. Z výše uvedených údajů zvolíme zlatou střední cestou požadovanou hltnost turbíny Q = 30litrů/sec.
Spád máme změřený, řekněme že je H = 4m.
A nyní můžeme přistoupit ke konstrukčním výpočtům.
Nejdůležitější je zvolit vhodný poměr mezi šířkou L (délkou lopatky) a průměrem oběžného kola D. Poměr L/D nazveme součinitelem k_ld, je omezený pevností lopatky a proto je závislý na velikosti spádu. Pro naše potoční turbíny se mi osvědčil
součinitel k_ld = 1,5.

Rozměr trysky "s".
Z rychlosti proudění vody při daném spádu vypočítáme plochu potřebnou pro dýzu při maximálním otevření. Jinak řečeno. Při ploše trysky 0,5m² proteče jiné množství vody než při ploše 0,25m². Kdybychom vyrobili trysku příliš malou, tak nám tím otvorem potřebné množství vody neproteče. Ze spádu tedy vypočítáme, dle níže uvedeného vzorce, vstupní rychlost vody:

Při spádu H = 4m bude vstupní rychlost vody po zaokrouhlení C = 8,724m/sec.
Plochu štěrbiny vypočítáme dle vzorce:

a[m²] = Q[lit/sec] / ( 1000 x C[m/sec] )

Z plochy „a“ součinitele k_ld (1,5) a součinitele ostřiku k_ostř vypočítáme největší otevření štěrbiny „s“. Součinitel ostřiku můžeme zvolit. Dříve se používaly hodnoty 0.05...0,1, moderní turbíny používají ostřik až 0,3 a mě se osvědčila hodnota k_ostř = 0,06.
Tryska je u těchto turbín vždy obdélníková a správný rozměr se vypočítá pomocí koeficientu poměru šířky lopatky a průměru oběžného kola k_ld a koeficientu součinitele ostřiku k_ostř.

U mých konstrukcí se osvědčil poměr délky a šířky štěrbiny takový, aby paprsek vody po průchodu první částí oběžného kola, směřoval mírně pod hřídel, tak aby nebyla štěrbina trysky příliš široká a aby paprsek vody nenarážel do hřídele oběžného kola při maximálním otevření.

Průměr oběžného kola D.
Vnější průměr oběžného kola se vypočítá z hodnot plochy štěrbiny a součinitele ostřiku.

Osobně nedoporučuji volit průměr oběžného kola menší než 160mm. Čím větší tím lépe, za dodržení podmínky, že průměr oběžného kola bude 5x až 10x menší než činný spád (po osu hřídele). Potřebnou velikost oběžného kola lze určit dle požadavku na otáčky. Čím menší, tím větší otáčky a naopak. První moji chybou bylo, že jsem volil malé průměry oběžných kol s představou vysokých otáček. Turbíny se pak přehlcovaly a účinnost nebyla valná. Tady doporučím rýsovat a kreslit tak aby byly dodrženy výše zmíněné poznámky ohledně šířky trysky, aby se paprsek vody po prvním průchodu, svojí tloušťkou vešel a vždy směřoval pod hřídel. Pokud potřebujeme vyšší otáčky a tudíž malý průměr oběžného kola, musí být oběžné kolo delší (delší tryska). Délka je však omezena tuhostí lopatek. Čím delší lopatky tím musíme použít pro jejich výrobu silnější materiál a nebo je musíme vyztužit.

Pak vypočítáme vnitřní průměr d na kterém končí vnitřní hrana lopatek:

d[mm] = D[mm] x 0.66

Štěrbina bude mít délku L:

L[mm] = D[mm] x k_ld

Výroba lopatek oběžného kola.
Lopatky se vyrábí jako podélný výřez trubky (kruhová výseč úhlu 75°). Jakou použít trubku vypočítáme z vnějšího průměru oběžného kola D na kterém lopatky končí. Výpočtem zjistíme potřebný vnitřní průměr trubky:

DN[mm] = 0,326 x d[mm] - 2 x tl [mm]
tl = síla stěny použité trubky

V praxi pak použijeme nejbližší normovaný průměr trubky.

Předpokládané otáčky oběžného kola vypočítáme dle vzorce:


c = je vstupní rychlost vody

Při průměru oběžného kola D = 200mm a naší vypočítané rychlosti proudění, budou otáčky oběžného kola při zatížení 432 ot/min a bez zatížení se nám turbína roztočí 1,8x rychleji tedy na 778 ot/min.

Důležité výpočty máme a na základě těchto hodnot může vytvořit konstrukci. Třeba dle obrázků níže.
 

Jestli se vám nechce vše přepočítávat ručně, můžete k výpočtům použít kalkulátor ze stránky : http://mve.energetika.cz/primotlaketurbiny/banki.htm
Najdete tam také trochu sofistikovanější výklad výpočtu.