background image

Akademia Górniczo- Hutnicza 

Im. Stanisława Staszica w Krakowie 

 

 

 
 

BADANIE TURBIN WODNYCH

 

 

Część 1.Badanie akcyjnej turbiny wodnej – turbina Peltona 
Część 2.Badanie reakcyjnej turbiny wodnej – turbina Francisa 

 

 

 

 
 
 
 
 
 

Prowadzący: 

mgr inż. Tomasz Siwek 

background image

siwek@agh.edu.pl 

 

1.  Wprowadzenie 
 

1.1.  Zasady wykorzystania energii wodnej 

 
 

Ruch  wody  rzeki  jest  wywołany  pochyleniem  jej  koryta,  w  wyniku  czego  siły 

ciężkości wody powodują jej przepływ. W warunkach naturalnych część energii ruchu 
wody  (energii  cieku)  jest  zużywana  na  tarcie  o  koryto,  rozmywanie  brzegów, 
przenoszenie rumowiska, pokonywanie oporów przy zmianie kierunku przepływu itp.; 
pozostała część jest przy swobodnym przepływie rzeki tracona. Energia cieku może 
być  w  znacznym  stopniu  wykorzystana  przez  zmniejszenie  oporów  przepływu  i 
zmniejszenie jego prędkości, przy jednoczesnym odpowiednim spiętrzeniu rzeki. 
Jeżeli na pewnym odcinku rzeki l(rys.1.) jej spad wynosi: 

𝐻

𝑟

= 𝑧

1

− 𝑧

2

 

gdzie  z

1

  oraz  z

2

 

—  wzniesienia  początku  i  końca  odcinka  rzeki  w  metrach,  to  przy 

swobodnym  przepływie  spad  ten  będzie  miarą  straconej  energii  cieku.  Po 
przegrodzeniu 

rzeki  w końcu rozpatrywanego odcinka zaporą  2 poziom rzeki przed 

zaporą podnosi się prawie do korony zapory. Spad statyczny H

st

 elektrowni 3 (spad 

brutto)  jest  różnicą  poziomów  górnej  i  dolnej  wody  i  może  być  wykorzystany  do 
uruchomienia turbiny wodnej. Straty spadu 

  ∆𝐻 = 𝐻

𝑟

− 𝐻

𝑠𝑡

 

 

 

Rys.1. Schemat energetycznego wykorzystania rzeki 1 

— zbiornik, 2 — budowla 

piętrząca, 3 — elektrownia 

 

wynikają  z  konieczności  utrzymania  ruchu  wody  i  pokonania  oporów  przepływu  w 
zbiorniku  i  przewodach  doprowadzających  wodę  do  elektrowni.  Energia  zawarta  w 
spadzie  H

s t

została  uzyskana  dzięki  zmniejszeniu  prędkości  i  strat  w  przepływie 

przed  zaporą,  wskutek  powiększenia  się  koryta  w  głąb  i  wszerz.  Spad 
wykorzystywany  w  turbinach  elektrowni  nazywamy 

spadem  użytecznym  (spad 

netto),

uwzględniający  różnice  prędkości  strumienia  na  wlocie  i  wylocie  turbiny  oraz 

straty 

h

występujące w trakcie przepływu przez budowle i urządzenia elektrowni: 

𝐻

𝑢

= 𝐻

𝑠𝑡

+

𝑣

1

2

− 𝑣

2

2

2𝑔

−   ∆𝑕         𝑙𝑢𝑏         𝐻

𝑢

= 𝑝

𝑐𝑔

−   𝑝

𝑐𝑑

 

background image

Spadek  użyteczny  możemy  wyrazić  również  przez  różnicę  ciśnień  całkowitych  w 
króćcu wlotowymp

cg

 i wylotowym turbiny p

cd

Zadaniem elektrowni wodnej 

jest zamiana energii potencjalnej spiętrzonej wody na 

energię  mechaniczną  (w  turbinie  wodnej),  a  następnie  na  energię  elektryczną  (w 
prądnicy).  Moc  cieku  (moc  hydrauliczna)P

hyd

, 

która  teoretycznie  mogłaby  być 

zamieniona na energię elektryczną, równa się 

𝑃

𝑕𝑦𝑑

= 𝜌𝑔𝑄𝐻

𝑢

 

gdzie:  Q 

—  strumień  objętości  (natężenie  przepływu  objętości)  wody,  tj.  przełyk 

elektrowni 

(przełyk turbiny). 

Moc  elektrowni wodnej  P, 

wykorzystującej rozpatrywany odcinek rzeki, jest 

mniejsza  od  P

hyd

 

wskutek  różnego  typu  strat  występujących  w  procesie  przetwa-

rzania energii i wynosi: 

𝑃 = 𝜂

𝑒

𝑃

𝑕𝑦𝑑

 

gdzie 

e

 

—  sprawność  elektrowni,  równa  iloczynowi  sprawności  poszczególnych 

urządzeń: turbiny 

t

, 

prądnicy 

g

 i transformatora 

tr,

 czyli 

𝜂

𝑒

= 𝜂

𝑡

𝜂

𝑔

𝜂

𝑡𝑟

 

 

 

Wartości poszczególnych  sprawności  wynoszą  przeciętnie: 

t

  =  0,88

÷0,93;

g

 

= 0,95

÷0,98; 

tr

 = 0,97

÷0,995.Wyższe wartości odnoszą się do maszyn dużej mocy. 

Sprawność  elektrowni  zawiera  się  więc  w  granicach 

e

  =  0,84 

÷  0,875;  we 

wstępnych obliczeniach przyjmuje się na ogół 

e

 = 0,85. 

M

oc  elektrowni  jest  zależna  od  spadu  i  przełyku.  Spad  elektrowni  zależy  od 

war

unków topograficznych doliny rzeki oraz rozwiązania stopnia wodnego i decyduje 

o charakterze elektrowni. Przełyk elektrowni ma zasadniczy wpływ na wymiary turbin 
i budynku elektrowni oraz na wielkość budowli hydrotechnicznych doprowadzających 
wodę  do  elektrowni.  Dobór  tej  wielkości  jest  uzależniony  od  zakresu  przepływów 
wody  w  rzece,  sposobu  zagospodarowania  rzeki  oraz  od  charakteru  pracy 
elektrowni. 

Ilość  wody  w  rzekach  zmienia  się  w  ciągu  roku,  jak  również  w  okresach 

dłuższych. Intensywność wahań stanu wody w rzekach zależy od wielu czynników, 
jak:  źródło  zasilania  rzeki  (jezioro,  lodowiec,  woda  gruntowa),  charakter  terenu 
(równina,  góry),  charakter  gruntu  dorzecza  (piaszczysty,  gliniasty,  skalisty),  ilość 
opadów  w  ciągu  roku  itp.  Na  podstawie  wieloletnich  obserwacji  możnaprzewidzieć 
stany  wody  w  rzekach,  zwane  stanami  przepływu.  Przy  określaniu  zasobów 
energetycznych rzeki oznacza się tzw. przepływy 50% i 95%. Przepływem 50% (lub 
95%)  nazywa  się  taki  przepływ,  który  trwa  50%  (lub  95%)  rozpatrywanego  czasu 
obserwacyjnego.  Wartości  te  są  uwzględniane  przy  wyborze  przepływu 
obliczeniowego (przełyku). 

Wybór  maksymalnego  przepływu  spowodowałby  w  okresie  małych 

przepływów niepełne zasilanie turbin i uniemożliwił ich pracę; przyjęcie minimalnego 
przepływu  pociągnęłoby  za  sobą  konieczność  upuszczenia  przez  zaporę  nadmiaru 
wody  w  okresie  zwiększonych  przepływów  i  tym  samym  nieekonomiczną  pracę 
elektrowni.  Przy  wyborze  przełyku  trzeba  też  kierować  się  możliwościami  przejęcia 
przez zbiornik wód powodziowych. 

Nie  mniej 

złożone  jest  zagadnienie  doboru  spadu.  Z  punktu  widzenia 

energetyki korzystny jest spad jak największy. Jednakże im wyższy jest przewidziany 
spad,  tym  większa  powinna  być  wysokość  zapory  spiętrzającej,  a  tym  samym 
większe  obszary  przed  zaporą  będą  zalane  wodą.  Wysokie  spiętrzenie  wody 

background image

wymaga  też  wzmocnienia  wałów  ochronnych,  zabezpieczających  sąsiadujące 
obiekty.  Jak  więc  widać,  nadmierne  zwiększenie  spadu  może  okazać  się 
nieekonomiczne. Ostatecznego doboru przełyku i spadu dokonuje się na podstawie 
grunto

wnej analizy ekonomicznej szeregu wariantów. 

Elektrownie  wodne  mogą  być  budowane  jako  pojedyncze  obiekty, 

wykorzystujące tylko pewien odcinek rzeki, lub jako szereg wzajemnie powiązanych 
elektrowni,  wykorzystujących  całą  rzekę  lub  jej  części  i  nazywany  kaskadą  rzeki. 
Kaskadowe  wykorzystanie  rzeki  ma  szereg  istotnych  zalet,  łagodząc  wymienione 
wyżej trudności. 

 

1.2. Rodzaje elektrowni wodnych 

 

a. 

W  zależności  od  spadu  w  warunkach  polskich  rozróżniamy  elektrownie 
niskiego spadu H < 15 m, średniego spadu 15 < H < 50 m i wysokiego spadu 
H > 50 m. 

b. 

W zależności od czasu pracy w ciągu roku w układzie elektroenergetycznym 
elektrownie wodne dzieli się na podstawowe, podszczytowe i szczytowe. 

c. 

Sposób  rozwiązania  hydrotechnicznego  pozwala  wyróżnić  elektrownie  przy- 
jazowe (przyzaporowe) oraz elektrownie derywacyjne. 

W przyzaporowej elektrowni wodnej (rys. 2

) całe urządzenie jest umieszczone 

w  jednej  budowli,  bezpośrednio  w  korycie  rzeki.  Sama  elektrownia  może  stanowić 
przedłużenie  zapory  przegradzającej  rzekę  i  wtedy  spełnia  dodatkowo  funkcję 
zapory, może być również wzniesiona przy zaporze od strony dolnej wody 9 i wtedy 
budynek elektrowni nie przenosi naporu wody górnej 3. Budynek elektrowni 1 wznosi 
się  przy  zaporze  od  strony  dolnej  wody.  Wodę  do  turbiny  6  doprowadza  się  przez 
zabezpieczone kratami otwory w zaporze 2, zamykane zasuwą 4, oraz przez kanał 
dopływowy 5. Z turbiny woda przechodzi do koryta rzeki przez rurę ssawną 8. 

 

 

Rys.2. Schemat elektrowni wo

dnej przyzaporowej przepływowej 

— budynek elektrowni, 2 — zapora, 3 — górna woda, 4 — zasuwa, 5 — kanał dopływowy, 

— turbina, 7 — prądnica, 8 — rura ssawna, 9 — dolna woda, 10 — transformator 

 

Bezpośrednio sprzężona z turbiną prądnica 7 zamienia energię mechaniczną 

z turbiny na energię elektryczną, odprowadzaną do sieci przez transformator 10. 

W  elektrowni  derywacyjnej  (rys.

3)  zapora  3  spiętrza  wodę  1  i  przez  ujęcie  4 

odprowadza  ją  do  kanału  derywacyjnego  6  o  łagodnym  spadku.  Na  końcu  kanału 

background image

tworzy  się  zbiornik  7  górnej  wody,  która  rurociągami  ciśnieniowymi  8  jest 
doprowadzana  do  turbin  umieszczonych  w  budynkach  elektrowni  9,a  następnie 
kanałem odpływowym 10 do naturalnego koryta rzeki 11. Przepływ starym korytem 5 
na  odcinku  między  zaporą  i  budynkiem  elektrowni  ma  miejsce  w  przypadku 
upuszczenia  wody  przez  przelewo

wą  część  zapory  2  z  pominięciem  turbin. 

Elektrownie derywacyjne są zwykle budowane na rzekach górskich. 

 

 

Rys.3. Elektrownia wodna derywacyjna 

— górna woda, 2 — przelew zapory, 3 — zapora, 4 — ujęcie, 5 — stare koryto, 6 

— kanał derywacyjny, 7 — zbiornik górnej wody, 8 — rurociągi ciśnieniowe, 9 —• 

elektrownia, 10 

— kanał odpływowy, 11 — naturalne koryto rzeki 

 

d. 

W  zależności  od  sposobu  wykorzystania  zasobów  wodnych  elektrownie 
można podzielić na przepływowe  i  zbiornikowe.  Elektrownie  przepływowe są 
przezn

aczone do pracy ciągłej (podstawowej. Elektrownie zbiornikowe pracują 

głównie  jako  szczytowe.  W  okresie  poza  szczytami  obciążenia  woda  jest  tu 
gromadzona  w  zbiorniku  górnym  przez  naturalny  napływ  lub  pompowanie 
(elektrownie szczytowo-pompowe) i wykorzystyw

ana w szczycie obciążenia. 

e. 

Istnieją też możliwości wykorzystania energii wód morskich przejawiającej się 
w  wahaniach  poziomu  wody,  w  procesie  falowania,  w  prądach  morskich;  w 
strefach  tropikalnych  dodatkowe  źródło  energii  może  stanowić  różnica 
temperatury 

górnych  i  dolnych  warstw  morza.  W  tej  dziedzinie  istnieją 

rozwiązania  francuskie  w  postaci  elektrowni  pływów  morskich  u  brzegów 
Atlantyku. Elektrownia Rence 

jest zainstalowana w zaporach odgradzających 

zatokę od morza, a jej turbiny są dostosowane do pracy przy obu kierunkach 
przepływu,  tj.  zarówno  podczas  przypływu,  jak  i  odpływu  morza.  Morze 
Bałtyckie  wykazuje  bardzo  słabe  ruchy  poziomu  wywołane  pływami,  nie 
stanowi więc istotnego zasobnika energetycznego. 

Z

asoby  energetyczne  rzek  polskich  są  niewielkie,  a  warunki  do  budowy 

elektrowni wodnych 

— niekorzystne, w dodatku tam, gdzie przepływ wody jest duży, 

np. w średniej i dolnej Wiśle, nie ma warunków do spiętrzania wody i przeciwnie — 
na Podkarpaciu są warunki do uzyskania większych spadów, ale przepływy są słabe 
i  nieregularne. 

Istotne  moce  osiągane  są  tylko  w  elektrowniach  szczytowo 

pompowych, których zasadniczą rolą jest regulacja systemu elektro-energetycznego. 

Do  największych  krajowych  elektrowni  wodnychnależą:  Elektrownia  Wodna 

Żarnowiec (szczytowo-pompowa)  — 716 MW, Elektrownia Porąbka-Żar (szczytowo-
pompowa)   

—  500  MW,  Włocławek  (przepływowa)  o  mocy  160  MW,  Solina 

(przepływowo-szczytowo-pompowa)    —  136  MW,  Dychów  —  80  MW,Elektrownia 
Czorsztyn-Niedzica-

Sromowce  Wyżne  (przepływowo-szczytowo-pompowa)—    100 

background image

MW,   

Żydowo  (szczytowo-pompowa)  —150  MW,.  Dla  porównania  —  moc  wielkich 

elektrowni wodnych na rzekach syberyjskich w Rosji wynosi 5000 MW 

—Krasnojarsk 

na Jeniseju, 4500 MW 

— Brack na Angarze. 

Poza  turbinami  i  prądnicami,  stanowiącymi  zasadnicze  wyposażenie 

elektrowni

, jest jeszcze wiele innych urządzeń koniecznych do ich prawidłowej pracy. 

Dla  podwyższenia  napięcia  wytwarzanego  prądu,  niezbędnego  do  przesyłu  na 
dalsze  odległości,  instalowane  są  transformatory,  zwykle  w  otwartej  (odkrytej) 
rozdzielni.  Wyposażenie  pomocnicze  obejmuje:  zamknięcia  na  doprowadzeniach  i 
odprowadzeniach  wody  (zasuwy  lub  zawory,  zastawki  remontowe);  kraty  i 
urządzenia do ich oczyszczania instalowane na wlocie do kanału dopływowego jako 
zabezpieczenie  przed  dostaniem  się  większych  zanieczyszczeń,  urządzenia 
dźwigowe  do  obsługi  maszyn  i  zasuw,  instalację  sprężonego  powietrza  i  olejową, 
urządzenia kontrolno-pomiarowe oraz do regulacji i sterowania. 

 

1.3. Turbiny wodne 

 
Określenie turbozespół wodny obejmuje całość urządzenia służącego do prze-

miany  energii  wody  na  energię  elektryczną.  Przedstawiony  na  rys.4  turbozespół 
wodny  składa  się  z  dwóch  zasadniczych  maszyn:  turbiny  wodnej  i  bezpośrednio 
sprzęgniętej  z  nią  prądnicy  (generatora).  Przy  małych  mocach  możliwy  jest  napęd 
prądnicy za pośrednictwem przekładni, zwykle zębatej. 

 

Rys.4. 

Turbozespół elektrowni wodnej niskospadowej przepływowej z turbiną Kapłana [4] 

— kraty wlotowe, 2 — spirala jako komora wlotowa, 3 — łopatki wsporcze, 4 — aparat 

kierowniczy z łopatkami kierowniczymi, 5 — wirnik, 6 — rura ssawna, 7 — wał, 8 — wirnik 

generatora, 9 

— stojan generatora, 10 — wzbudnica, 11 — łożysko prowadzące dolne, 12 —

łożysko prowadzące górne, 13 — łożysko wzdłużne (oporowe), 14 — wnęki na zastawki 

remontowe, 15 

— główna suwnica montażowa, 16 — suwnice pomocnicze, 17 — maszyna 

background image

do czyszczenia krat 

Turbina  wodna  (typu  Kaplana)  przedstawiona  na  rys

.4  składa  się  z 

następujących zespołów: właściwej maszyny, stanowiącej konstrukcję mechaniczną, 
spirali  doprowadzającej  wodę  do  turbiny,  rury  ssawnej  odprowadzającej  wodę  z 
wirnika  turbiny  oraz  układu  regulacji.  Istnieją  też  rozwiązania  turbin  wodnych  bez 
spirali  lub  rury  ssawnej,  w  których  doprowadzenie  i  odprowadzenie  wody  z  wirnika 
odbywa się w odmienny sposób. 

Generator  z  rys.

4  składa  się  z  następujących  zespołów:  stojana  i  wirnika, 

ułożyskowania części wirujących, układu wzbudzenia i układu chłodzenia. 

W turbozespole woda dopływa przez kraty wlotowe 1, a następnie przechodzi 

przez  spiralę  2,  łopatki  wsporcze  3  do  aparatu  kierowniczego  4  z  ruchomymi 
łopatkami kierowniczymi, służącymi do regulacji przełyku turbiny. Z kierownicy woda 
wpływa  do  wirnika  turbiny  5,  przekazując  mu  swoją  energię,  i  wypływa  przez  rurę 
ssawną  6.  Wirnik  turbiny  przekazuje  z  kolei  energię  mechaniczną  poprzez  wał 
turbozespołu  7  na  wirnik  prądnicy  8.  Wirnik  turbiny,  wał,  wirnik  prądnicy  oraz 
ewentualnie  osadzony  nad  nim  wirnik  wzbudnicy  10,  stanowią  część  wirującą 
turbozesp

ołu. Wał turbiny jest ułożyskowany bezpośrednio przy wirniku w łożysku 11 

turbiny,  stanowiącym  dolne  łożysko  prowadzące.  Górne  łożysko  poprzeczne  — 
łożysko prądnicy 12 —jest umieszczone pod lub nad prądnicą; niekiedy istnieją dwa 
prowadzące  łożyska  prądnicy  umieszczone  z  obu  stron  jej  wirnika.  Napór  osiowy, 
wynikający z ciężaru części wirującej i naporu hydraulicznego na wirnik turbiny, jest 
przejmowany  przez  łożysko  wzdłużne  13,  zwane  łożyskiem  oporowym.  Łożysko  to 
może znajdować się nad prądnicą lub tuż pod nią i wtedy jest często umieszczone 
na konstrukcji opartej na pokrywie turbiny. 

 

1.3.1.  Parametry pracyturbin wodnych  

 

a) 

Moc  użyteczna  (efektywna)  turbiny  P

u

–moc  mechaniczna  na  wale  turbiny, 

możliwa  do  wykorzystania  do  produkcji  energii  elektrycznej,  odebrana  od 
mocy cieku za pomocą organu roboczego (wirnika). 

𝑃

𝑢

= 𝑀𝜔 

 
Gdzie: M - moment na wale , 

ω-prędkość kątowa. 

 

b) 

Sprawność  całkowita  turbiny  η

t

 

–stosunek  mocy  użytecznej  do  mocy 

hydraulicznej cieku zdefiniowanej w punkcie 1.1.: 

𝜂

𝑡

=

𝑃

𝑢

𝑃

𝑕𝑦𝑑

 

Sprawność całkowita turbiny uwzględnia straty: 

 

objętościowe (wolumetryczne), 

v

– związana z nieszczelnościami i przepływami 

ubocznymi, 

  hydrauliczne 

h

 

–obejmujące  straty  energii  płynu  na  skutek  zjawisk 

przepływowych (straty tarcia, mieszania, oderwania itp.), 

  mechaniczne 

m

 

–straty w łożyskach i przekładniach. 

Możemy więc wyrazić sprawność całkowitą iloczynem: 

𝜂

𝑡

= 𝜂

𝑣

𝜂

𝑕

𝜂

𝑚

 

 

c) 

Przełyk  turbiny  Q  –  odpowiada  objętościowemu  natężeniu  przepływu  przez 

turbinę i jest równy iloczynowi prędkości w króćcu dolotowym (górnym) i polu 

background image

przekroju  króćca  dolotowego  turbiny  (odpowiednio  dla  przewodu 
odpływowego/dolnego): 

𝑄 = 𝐴

𝑔

𝑣

𝑔

= 𝐴

𝑑

𝑣

𝑑

 

d) 

Prędkość  obrotowa  n  przy  współpracy  z  generatorem  synchronicznym  –
wynika  z  prędkości  obrotowej  generatora  synchronicznego  i  przy 
bezpośrednim sprzęgnięciu turbiny z prądnicą o liczbie par biegunów p (przy 
częstotliwości sieci 50Hz) wynosi: 

𝑛 =

3000

𝑝

 𝑜𝑏𝑟/𝑚𝑖𝑛 

W  przypadku 

zastosowania  przekładni  należy  tu  jeszcze  uwzględnić  jej 

przełożenie.  Prędkość  obrotowa  jest  w  trakcie  pracy  turbin  wodnych  w 
elektrowniach wpiętych do krajowego systemu energetycznego stała. 
 
e) 

Wyróżnik szybkobieżności n

sp

 

jest to wskaźnik porównawczy, wprowadzony 

dla  porównywania  i  ułatwienia  właściwego  doboru  różnych  typów  wirników 
turbin wodnych do różnych spadów i mocy, określony jako: 

𝑛

𝑠𝑝

= 1,17

𝑛 𝑃

𝑢

 𝐻

𝑠𝑡

5

4

 

Gdzie: 

n – w [obr/min], P

u

 – w [kW], H

st

 – w [m] 

 

1.3.2.  Rodzaje turbin wodnych 

 
Obecnie są stosowane następujące systemy turbin wodnych, nazywane od nazwisk 
konstruktorów  (podano  też  orientacyjne  zakresy  spadów  i  wyróżników 
szybkobieżności): 
 

Rodzaj turbiny 

Wysokość spadu  H [m]  Wyróżnik szybkobieżności n

sp

 

Peltona 

300-2000 

2-35 

Francisa 

25-500 

50-450 

Deriaza 

13-300 

250-500 

Kaplana 

3-80 

300-1000 

 

 

Rys.5. 

Kształty wirników turbin wodnych różnych systemów, zależnie od wyróżnika 

szybkobieżności: a, b) turbiny Peltona, c, d, e) turbiny Francisa, f, g) turbiny Kaplana  

background image

 

 

W ramach systemu turbiny występują różne typy, charakteryzujące się wyróżnikiem 
szybkobieżności  lub  też  układem  turbozespołu.  Turbiny  poszczególnych  systemów 
nazywa  się  szybkobieżnymi,  średniobieżnymi  i  wolnobieżnymi,  zależnie  od 
względnej wartości n

sp

 

w stosunku do wartości granicznych dla tego systemu turbin. 

Kształty  wirników  turbin  różnych  systemów  w  zależności  od  wyróżnika 
sz

ybkobieżności  pokazano  na  rys.  5.  Średnice  wirników  turbin  wodnych  mogą  być 

znaczne, dochodzące do kilkunastu metrów, a osiągane moce do kilkuset MW. 
 

a)  Turbina Peltona 

 
Turbiny  Peltona  są  stosowane  na  największe  spady.  Dwudyszową  turbinę  Peltona 
przedstawiono na rys. 6. Woda jest tu doprowadzana do wirnika 1 dwiema dyszami 
5,  odgr

ywającymi rolę  wieńca kierowniczego turbiny.  Strumień wody  wypływający  z 

każdej  z  dysz  uderza  w  łopatki  wirnika  w  kształcie  czarek  (rys.5  a  i  b).  Czarki  są 
ukształtowane w ten sposób, że rozdzielają strumień na dwie części i jednocześnie 
odchylają  go  w  kierunku  przeciwnym  do  kierunku  prędkości  obwodowej  prawie  o 
180°  (w  praktyce  około  165°).  Dzięki  temu  energia  kinetyczna  strugi  jest 
przekazywana  wirnikowi.  Turbina  może  mieć  jedną  lub  szereg  dysz  (w  przykładzie 
dwie).  Po  spłynięciu  z  czarki  woda  opada  grawitacyjnie  w  komorze  wirnika  i  jest 
odprowadzana  do  wody  dolnej.  Strumień  objętości  wody,  a  więc  i  moc  turbiny, 
można regulować w sposób ciągły, przesuwając osiowo iglicę 4, co zmienia przekrój 
wylotowy  dyszy  z  możliwością  całkowitego  jej  zamknięcia.  Odchylacz  strumienia  6 
umożliwia szybkie przerwanie działania strumienia wody na wirnik przez odchylenie 
go  od  wirnika.  Turbina  Peltona  jest  rzadkim  obecnie  przykładem  turbiny  czysto 
akcyjnej,  w  której  zwiększenie  prędkości  czynnika  ma  miejsce  tylko  w  wieńcu 
kier

owniczym,  natomiast  w  wirniku  następuje  zmiana  krętu  wyłącznie  przez 

odchylenie  strumienia.  Pozostałe  systemy  turbin  wodnych  dotyczą  turbin 
reakcyjnych. 

 

 

 

 

Rys. 6. Dwudyszowa turbina Peltona 

1

— wirnik, 2 — obudowa wirnika, 3 — zbieracz wody, 4 — iglica, J — dysza, 6 — odchylacz 

strumienia, 7 

— rurociąg zasilający 

 

 
 
 

background image

Teoretyczna analiza osiągów turbiny Peltona 
 

Turbina  Peltona 

należy  do  grupy  maszyn  przepływowych  oopierających  swoją 

zasadę  działania  o  zmianę  krętu  czynnika  roboczego.  Struga  rozpędzona  w  dyszy 
opływa  łopatki  specjalnie  oprofilowane  i  zamocowane  na  obwodzie  koła.  Na 
łopatkach  struga  rozdziela  się  na  dwie,  które  odwracają  swój  bieg  o  kąt 

2

~

165°. 

Dzięki temu struga wytraca prawie całą energię kinetyczną i grawitacyjnie spływa do 
kanału. Reakcja dynamiczna strugi wytwarza moment obrotowy na waleobliczany z 
zasady zachowania krętu: 

  𝑀𝑑𝜏

2

1

=   𝑑𝐾

2

1

 

Analizując  sytuację  przedstawioną  na  rysunku  7,  po  prostych  podstawieniach  i 
przekształceniach  matematycznych  dostajemy  ostateczny  wzór  na  moment 
teoretyczny na wale: 
 

𝑀 = 𝜌𝑄𝑟(𝑣 − 𝑢)(1 − 𝑐𝑜𝑠𝛽

2

 
Moc teoretyczna wynosi: 

𝑁 = 𝑀𝜔 

 
Gdzie:v 

—  prędkość  bezwzględna  strugi  na  wylocie  z  dyszy,  u=

r

—  prędkość 

obwodowa  na  promieniu  r; 

 

jest  prędkością  kątową  wirnika.  Maksimum  mocy 

występuje,  gdy  u  =  v/2.  Prędkość  bezwzględna  zależy  od  rozporządzalnej  różnicy 
poziomów H (wzór Torricellego): 
 

𝑣 = 𝜑 2𝑔𝐻  

 
Gdzie: Współczynnik kontrakcji φ=0,92 - 0,98. 
 
 

 

Rys.7. 

Zasada działania  turbiny Peltona 

 

 

background image

b)  Turbina Francisa 

W  turbinie  reakcyjnej  Francisa  (rys.8.a.) 

struga  wody  wypływa  z  łopatek 

kierowniczych,  gdzie  uzyskuje  znaczny  kręt  względem  osi  obrotu,  i  wpływa  do 
kanałów międzyłopatkowych na obwodzie wirnika (rys.  8.b.). W obrębie wirnika kręt  
(i  prędkość  styczna)  ulega  redukcji,  co  ma  swój  równoważnik  dynamiczny  w 
momencie  obrotowym  i 

w  mocy,  przekazywanej  do  generatora.  Wypływ  z  wirnika 

odbywa  się  promieniowo  i  przy  nadciśnieniu.  Dopiero  w  rurze  ssawnej  ciśnienie 
wzrasta do atmosferycznego, kosztem energii kinetycznej. 

a) 

b) 

 

 

Rys. 8.Turbina Fracisa a) widok wirnika turbiny, b) schemat ideowy

 

Zaletom  turbin  Fracisa  (  i  jej  modyfikacji  tj.  turbiny  Derioza)  jest  jej  odwracalne 
działanie, co determinuje ich przeznaczenie do elektrowni szczytowo-pompowych. W 
szczycie  energetycznym  pracują  jako  turbiny  -  oddając  moc  do  systemu 
elektroenergetycznego,  a  poza  szczytem  pracują  jako  pompy  obciążając  system., 
celem jego regulacji.   

Teoretyczna analiza osiągów turbiny Fracisa 

 
Na  rysunku  9  przedstawiono  analizę  kinematyki  przepływu  wody  przez  turbinę 
Fracisa.  Turbina  ta  należy  do  maszyn  przepływowych  krętnych,  więc  o  przyroście 

background image

energii  na  wale  maszyny  decyduje  zmiana 

krętu  czynnika  w  wirniku  i  kierownicach 

maszyny. 

 

Rys. 9.

Analiza przepływu przez turbinę Fracisa a)schemat ideowy kierownic i wirnika, b) 

kinematyka przepływu

 

Zgodnie  z  zasadą  zachowania  krętu  możemy  zapisać  zależność  na  moment 
generowany przez płyn na wale wirnika:  

  𝑀𝑑𝜏

2

1

=   𝑑𝐾

2

1

 

i podzieleniu przez 

Δt otrzymujemy: 

𝑀 = 𝐾 

1

− 𝐾 

2

= 𝑚  ∙ 𝑣

1

∙ 𝑙

1

− 𝑚  ∙ 𝑣

2

∙ 𝑙

2

= 𝑚  ∙  𝑣

1

∙ 𝑙

1

− 𝑣

2

∙ 𝑙

2

  

 

gdzie: 

𝑀 - moment obrotowy, 

 

𝐾 

2

 - strumi

eń krętu czynnika u wylotu, 

 

𝐾 

1

 - 

strumień krętu czynnika u wlotu, 

 

𝑚  - strumień masy, 

 

𝑣

2

, 𝑣

1

 - 

prędkość gazu u wylotu i wlotu wirnika, 

background image

 

𝑙

2,

𝑙

1

  - 

odległość  prędkości  od  osi  wirnika  (normalna  do  kierunku  działania 

prędkości). 

Z  relacji  trygonometryczny

ch  przedstawionych  na  rysunku  9    wynikają  następujące 

zależności: 

𝑙

2

= 𝑟

2

∙ 𝑐𝑜𝑠 𝛼

2

,    𝑙

1

= 𝑟

1

∙ 𝑐𝑜𝑠 𝛼

1

 

Po podstawienia do równania  na moment otrzymujemy: 

𝑀 = 𝑚  ∙  𝑣

1

∙ 𝑟

1

∙ 𝑐𝑜𝑠 𝛼

1

− 𝑣

2

∙ 𝑟

2

∙ 𝑐𝑜𝑠 𝛼

2

  .    

Z trójkątów prędkości na wlocie i wylocie do wirnika wynika, że: 

𝑣

2𝑢

= 𝑣

2

∙ 𝑐𝑜𝑠𝛼

2

,    𝑣

1𝑢

= 𝑣

1

∙ 𝑐𝑜𝑠 𝛼

1   

 

i dalej: 

𝑀 = 𝑚  ∙  𝑣

1𝑢

∙ 𝑟

1

−𝑣

2𝑢

∙ 𝑟

2

  . 

Chcąc przejść na wymiar mocy mnożymy  obydwie  strony  równania  przez prędkość 

obrotową ω: 

𝑁

𝑢𝑡 ∞

= 𝑀 ∙ 𝜔 = 𝑚  ∙ 𝜔 𝑣

1𝑢

∙ 𝑟

1

−𝑣

2𝑢

∙ 𝑟

2

  =    𝑚  ∙  𝑣

1𝑢

∙ 𝑢

1

− 𝑣

2𝑢

∙ 𝑢

2

 ,  

bowiem 

𝑢

2

= 𝑟

2

∙ 𝜔,    𝑢

1

= 𝑟

1

∙ 𝜔  

Moc 

dostarczoną na wał turbiny wyrazić możemy iloczynem strumienia masy i pracy 

jednostkowej: 

𝑁

𝑢𝑡 ∞

= 𝑚  ∙ 𝑙

𝑢𝑡 ∞

,             

z czego wynika, że praca jednostkowa jest rówan:  

𝑙

𝑢𝑡 ∞

= 𝑣

1𝑢

∙ 𝑢

1

− 𝑣

2𝑢

∙ 𝑢

2

 

Jest to pierwsz

a, podstawowa postać równania maszyn przepływowych, zwana 

również  równaniem  Eulera.  Poszczególne  indeksy  mówią,  że  jest  to  jednostkowa 

praca  użyteczna,  teoretyczna  dla  nieskończonej  liczby  łopatek.  W  wirniku 

rzeczywistym występuje skończona ilość łopatek. Fakt ten uwzględnia się za pomocą  

sprawności hydraulicznej (przepływowej) turbiny: 

𝜂

𝑕

=

𝑁

𝑢𝑡 ∞

𝜌𝑔𝑄𝐻

𝑇

 

Gdzie: 

𝐻

𝑇

 

–  spadek  wysokości  ciśnienia  hydraulicznego  w  turbinie  (kierownice  + 

wirnik) . 

Przenalizujmy  wpływ  ustawienia  kierownic  na  prędkość  obrotową  wirnika    przy 
zmiennym przełyku turbiny: 

background image

Na  wlocie  prędkość  bezwzględna  ma  składową  styczną  do  kierunku  obwodowego 
𝑣

1𝑢

 

i normalną (promieniową ) 𝑣

1𝑛

. Wektor prędkości bezwzględnej odchylony jest od 

kierunku obwodowego zgodnie z kątem ustawienia kierownic tj. kątem  𝛼

1   

, zatem: 

𝑣

1𝑢

= 𝑣

1𝑛

𝑐𝑡𝑔 ∝

1

 

Z trójkąt prędkości wynika, że:  

𝑣

1𝑢

= 𝑢

1

+ 𝑣

1𝑛

𝑐𝑡𝑔𝛽

1

Prędkość promieniową możemy wyrazić przez przepustowość (przełyk) Q oraz pole 
przekroju wlotowego wirnika: 

𝑣

1𝑛

=

𝑄

2𝜋𝑟

1

𝑏

1

 

Ostatecznie:  

𝑣

1𝑛

𝑐𝑡𝑔 ∝

1

= 𝑢

1

+ 𝑣

1𝑛

𝑐𝑡𝑔𝛽

1

 

𝑐𝑡𝑔 ∝

1

=

𝑢

1

𝑣

1𝑛

+ 𝑐𝑡𝑔𝛽

1

 

𝑐𝑡𝑔 ∝

1

=

𝜔𝑟

1

𝑣

1𝑛

+ 𝑐𝑡𝑔𝛽

1

 

𝑐𝑡𝑔 ∝

1

=

𝜔2𝜋𝑟

1

2

𝑏

1

𝑄

+ 𝑐𝑡𝑔𝛽

1

 

1

= 𝑎𝑟𝑐𝑐𝑡𝑔  

𝜔2𝜋𝑟

1

2

𝑏

1

𝑄

+ 𝑐𝑡𝑔𝛽

1

  

Ostatni wyrażenie jest algorytmem regulacji kąta ustawienia łopatek przy zmiennym 
przełyku turbiny. Daje możliwość kontroli prędkości obrotowej wału turbiny, poprzez 
zmianę  krętu  czynnika  wlotowego.  W  przypadku  pracy  turbiny  w  systemie 
elektroenergetycznym.  Utrzymanie  stałej  prędkości  obrotowej  wału  turbiny  jest 
konieczne do synchronizacji gener

atora z siecią.  

 

 

 

 

 

 

 

background image

2.  Instrukcja 

– Turbina  Peltona 

 

2.1. 

Cel ćwiczenia 

 

Celem  ćwiczenia  jest    zbadanie  podstawowych  wielkości  charakteryzujących 

pracę turbiny Peltona oraz ich związków z osiągami turbiny. 

 
2.2. 

Obiekt badań i schemat stanowiska pomiarowego 

 

 

 

Rys.8.Turbina Peltona zamontowana w Laboratorium KMCiP (1-

koło pasowe, 2 -

czujnik ciśnienia hydrostatycznego wody, 3-ręczna regulacja obciążenia 

(opcjonalnie), 4-regulacja 

przymknięcia dyszy natryskowej, 5-dysza, 6-króciec 

przyłączeniowy, 7-przewód sygnału z przetwornika ciśnienia. 

 

 

 

Rys.9.Schemat ideowy stanowiska (1-turbina, 2 

–zawór regulacyjno-odcinający, 3-

pompa wytwarzająca wysokość dyspozycyjną, 4-zbiornik wody, B-układ hamujący (n-

pomiar obrotów, M

d

-pomiar momentu na wale , F - pomiar temperatury wody, P-

pomiar ciśnienia hydrostatycznego wody. 

background image

2.3. 

Przebieg ćwiczenia – pomiary  

 
 
2.3.1.  Wyznaczanie kompletu charakterystyk wymiarowych turbiny Peltona 
 

Zadaniem jest wyznaczenie charakterystyk 

turbiny Peltonajako zależności mocy 

użytecznej,  sprawności  całkowitej,  momentu,  przełyku  i  mocy  hydraulicznej  od 
obrotów turbiny. Należy wyznaczyć pięć charakterystyk dla różnych ustawień dyszy 
natryskowej (dane ustawienie odpowiada wybranemu spadowi hydrostatycznemu). 

 

Ustaw. Dyszy / Spad 

[m]  

………….   

Nr 

pomiaru 

Przełyk 

𝑄 [𝑙
⁄ 𝑚𝑖𝑛] 

Moment 

na wale 

[Nm] 

Moc 

użyteczna 

𝑃

𝑢

[𝑊] 

Moc 

hydrauliczna 

𝑃

𝑕𝑦𝑑

[𝑊] 

Sprawność 

całkowita 

𝜂

𝑡

 

Obroty 

[1/min] 

1. 

………….  ………….  …………. 

…………. 

…………. 

 

2. 

………….  ………….  …………. 

…………. 

…………. 

 

… 

 

 

 

 

 

 

 
 

2.4.  

Opracowanie wyników  

 

 
Grupa  ćwiczeniowa  dostaje  wyniki  w  formie  danych  cyfrowych  celem 

zaimportowania  do  programu  umożliwiającego  ich  dalszą  obróbkę  np.  MS  Excel, 
Matlab.  

 
Opracowanie graficzne powinno zawierać: 
 

a. 

Porównanie  na  jednym  wykresie  wyników  pomiarów  z  punktu  2.3.1. 
ujętych  w  formie  charakterystyk  celem  pokazania  wpływu  zmiany 
wysokości dyspozycyjnej na ich kształt i przebieg. 

o  Wykres 1: 𝜂

𝑡

= 𝑓(𝑛 )  dla wszystkich badanych spadów, 

o  Wykres 2: 𝑀, 𝑃

𝑕𝑦𝑑

, 𝑃

𝑢

= 𝑓(𝑛 ) dla wszystkich badanych spadów 

b. 

Wykreślenie  na  jednym  wykresie  zależności  maksymalnej  możliwej 
sprawności  całkowitej  i  maksymalnej  możliwej  mocy  użytecznej  od 
wysokości  dyspozycyjnej  (spadu)  tj.  𝑃

𝑢𝑚𝑎𝑥

, 𝜂

𝑡𝑚𝑎𝑥

= 𝑓(𝐻 ).  Wielkości  te 

ustalić na podstawie charakterystyk z punktu 2.4.a. 

c. 

Wykreślenie  na  jednym  wykresie  zależności  maksymalnej  możliwej 
sprawności  całkowitej  i  maksymalnej  możliwej  mocy  użytecznej  od 
wyróżnika  szybkobieżności  turbiny    tj.  𝑃

𝑢𝑚𝑎𝑥

, 𝜂

𝑡𝑚𝑎𝑥

= 𝑓(𝑛

𝑠𝑝

)    (definicja 

wyróżnika  w  punkcie  1.3.e  –  pamiętać  o  odpowiednim  przeliczeniu 
jednostek  do  wyróżnika).  Wielkości  te  ustalić  na  podstawie 
charakterystyk z punktu 2.4.a. 

 
 

2.5. Sprawozdanie 

 
Sprawozdanie  wykonane  odręcznie  bądź  komputerowo  w  grupach  3  osobowych, 
powinno zawierać: 

background image

 

Tabelę informacyjną (zgodnie z załącznikiem do instrukcji), 

 

Cel ćwiczenia, 

  Schemat stanowiska pomiarowego, 

 

Opracowanie wyników pomiarów zgodnie z wytycznymi punktem 2.4, 

 

Wnioski  wynikające  z  przeprowadzonego  ćwiczenia  (interpretacja  wykresów 

punktu 2.4, własne uwagi i spostrzeżenia) 

 

 

background image

3.  Instrukcja 

– Turbina  Francisa 

 

3.1. 

Cel ćwiczenia 

 

Celem  ćwiczenia  jest    zbadanie  podstawowych  wielkości  charakteryzujących 

pracę turbiny Francisa oraz ich związków z osiągami turbiny.  

 
3.2. 

Obiekt badań i schemat stanowiska pomiarowego 

 

 

 

Rys.8.Turbina Francisa zamontowana w Laboratorium KMCiP (1-

koło pasowe, 2 -

czujnik ciśnienia hydrostatycznego wody, 3-ręczna regulacja obciążenia 

(opcjonalnie), 4-

króciec przyłączeniowy, 5-przewód sygnału z przetwornika ciśnienia, 

6-

przewód wylotowy, 7-wirnik turbiny, 8-kierownice, 9-regulacja kąta ustawienia 

kierownic. 

 

 

Rys.9.Schemat ideowy stanowiska (1-turbina, 2 

–zawór regulacyjno-odcinający, 3-

pompa wytwarzająca wysokość dyspozycyjną, 4-zbiornik wody, B-układ hamujący (n-

pomiar obrotów, M

d

-pomiar momentu na wale , F - pomiar temperatury wody, P-

pomiar ciśnienia hydrostatycznego wody. 

background image

3.3. 

Przebieg ćwiczenia – pomiary  

 
 
3.3.1.  Wyznaczanie kompletu charakterystyk wymiarowych turbiny Francisa 
 

Zadaniem  jest  wyznaczenie  charakterystyk  turbiny  Francisa

jako  zależności 

mocy użytecznej, sprawności całkowitej, momentu, przełyku i mocy hydraulicznej od 
obrotów  turbiny.  Należy  wyznaczyć  komplet  charakterystyk  przepływowych  dla 
różnych ustawień kąta kierownic. 

 

Ustawieniekierownic 

………….   

Nr 

pomiaru 

Przełyk 

𝑄 [𝑙
⁄ 𝑚𝑖𝑛] 

Moment 

na wale 

[Nm] 

Moc 

użyteczna 

𝑃

𝑢

[𝑊] 

Moc 

hydrauliczna 

𝑃

𝑕𝑦𝑑

[𝑊] 

Sprawność 

całkowita 

𝜂

𝑡

 

Obroty 

n  

[1/min] 

1. 

………….  ………….  ………….  …………. 

…………. 

…………. 

2. 

………….  ………….  ………….  …………. 

…………. 

…………. 

… 

 

 

 

 

 

 

 
3.3.2. Wyznaczenie krzywej regulacji turbiny Francisa 
 
 
 

Zadaniem  jest  wyznaczeniem  zależności    mocy  użytecznej,  sprawności 

całkowitej,  momentu,  przełyku  i  mocy  hydraulicznej  od  kąta  ustawienia  kierownic 
turbiny Francisa dla dwóch różnych prędkości obrotowych wirnika.  
 

Prędkość obrotowa 

[1/min]  

 

…………. 

 

Nr 

pomiaru 

Przełyk 

𝑄 [𝑙
⁄ 𝑚𝑖𝑛] 

Moment 

na wale 

[Nm] 

Moc 

użyteczna 

𝑃

𝑢

[𝑊] 

Moc 

hydrauliczna 

𝑃

𝑕𝑦𝑑

[𝑊] 

Sprawność 

całkowita 

𝜂

𝑡

 

Ustawienie 

kierownic 

α[-] 

1. 

………….  ………….  ………….  …………. 

…………. 

…………. 

2. 

………….  ………….  ………….  …………. 

…………. 

…………. 

… 

 

 

 

 

 

 

 
 
 

3.4.  

Opracowanie wyników  

 

 
Opracowanie graficzne powinno zawierać: 
 

a) 

Porównanie  na  jednym  wykresie  wyników  pomiarów  z  punktu  3.3.1. 
ujętych  w  formie  charakterystyk  celem  pokazania  wpływu  zmiany  kąta 
ustawienia kierownic na  

ich kształt i przebieg. 

  Wykres 1: 

𝜂

𝑡

= 𝑓(𝑛 )  dla wszystkich badanych ustawień, 

  Wykres 2: 

𝑀, 𝑃

𝑕𝑦𝑑

, 𝑃

𝑢

= 𝑓(𝑛 ) dla wszystkich badanych ustawień, 

  Wykres 3: 

𝐻

𝑢

= 𝑓(𝑛 )  dla wszystkich badanych ustawień, 

background image

b) 

Porównanie  na  jednym  wykresie  wyników  pomiarów  z  punktu  3.3.2. 
ujętych  w  formie  charakterystyk  celem  pokazania  wpływu  prędkości 
obrotowej wirnika na ich kształt i przebieg. 

a.  Wykres  1: 

𝜂

𝑡

= 𝑓(𝛼 )    dla  wszystkich  badanych  prędkości 

wirnika, 

b.  Wykres 2: 

𝑀, 𝑃

𝑕𝑦𝑑

, 𝑃

𝑢

= 𝑓(𝛼 ) dla wszystkich badanych prędkości 

wirnika, 

 

3.5. Sprawozdanie 

 
Sprawozdanie  wykonane  odręcznie  bądź  komputerowo  w  grupach  3  osobowych, 
powinno zawierać: 

 

Tabelę informacyjną (zgodnie z załącznikiem do instrukcji), 

 

Cel ćwiczenia, 

  Schemat stanowiska pomiarowego, 

 

Opracowanie wyników pomiarów zgodnie z wytycznymi punktem 3.4, 

 

Wnioski  wynikające  z  przeprowadzonego  ćwiczenia  (interpretacja  wykresów 
z punktu 3

.4, własne uwagi i spostrzeżenia)