Česká hlava 2011: Brno fandí vodním strojům

Autor toho materiálu, prof. Ing. Frangtišek Pochylý, CSc., je jedním z laureátů 10. ročníku soutěže Česká hlava 2011. Získal Cenu ministra životního prostředí (s několika dalšími spolupracovníky) za vývoj fl exibilní destrifi kační technologie pro řízení kvality vody ve vodních nádržích. Zařízení zbavuje tyto nádrže nebezpečných toxických sinic. Je všeobecně známo, že přibližně v letech 1912 – 1913 představil Viktor Kaplan veřejnosti v Brně svoji turbínu. Již méně je známa skutečnost, že práce spojené s Kaplanovou turbínou probíhaly na tehdejší Německé vysoké škole technické v Brně. Vedle tohoto pracoviště však od roku 1899 existovala i Česká vysoká škola technická v Brně, kde pracoval významný evropský odborník na stavbu vodních turbín profesor Grimm. A právě on pochopil význam Kaplanovy turbíny a také se zasloužil o její realizaci. Profesor Grimm je také považován za zakladatele stavby vodních strojů v Brně. Jeho zásluhou vznikla na České vysoké škole technické stolice, zabývající se stavbou strojů. Toto pracoviště, které řídil, si záhy získalo respekt evropské technické veřejnosti. V tomto duchu se pracoviště, dnešní Odbor fluidního inženýrství Viktora Kaplana, vyvíjí již více než 100 let, zásluhou vynikajících odborníků, jakými byli prof. Nedoma, prof. Kieswetter a prof. Nechleba. Jejich zásluhou si udržuje hydraulika na Moravě krok se světovou úrovní v této oblasti dodnes. Téměř po 100 letech představil Odbor fluidního inženýrství Viktora Kaplana FSI VUT v Brně dva nové principy vodních turbín: vírovou turbínu a turbínu s chaotickou mříží. Myšlenka nové konstrukce vodních turbín vyšla z požadavků provozovatelů a investorů. V uplynulých 20 letech se významně změnila dynamika přenosové sítě, takže vznikly požadavky na rozšíření pásma provozu vodních turbín. Odbor fluidního inženýrství reagoval na tuto výzvu novou patentovanou turbínou. Její novost spočívá v tzv. chaotické mříži. Nerovnoměrné uspořádání lopatek oběžného kola zajišťuje plochou charakteristiku turbíny, takže stroj pracuje s vysokou účinností ve velkém rozsahu výkonů. První model turbíny tohoto druhu byl postaven v ČKD Blansko Engineering a prokázal navíc zvýšení hydraulické účinnosti a snížení tlakových pulzací. Druhá výzva vzešla od investorů malých říčních vodních elektráren. Je známo, že lokality pro stavbu velkých vodních elektráren jsou téměř vyčerpány. Existuje ale velký nevyužitý potenciál říčních toků. Malé vodní elektrárny pro říční toky dnes využívají většinou Kaplanových turbín z počátku století nebo turbínu Bánkiho. Investiční náklady pro spády do 3 m jsou u těchto turbín vzhledem k jejich životnosti tak vysoké, že se nevyplatí elektrárny stavět. To bylo podnětem pro přehodnocení teorie stavby vodních turbín pro nízké spády. Analýzou proudění v savce turbíny a Eulerovy turbínové rovnice vyšlo najevo, že je možno vytvořit novou turbínu, právě na opačném principu, než pracují dosavadní stroje. Princip dnešních turbín je založen na rotaci vody před oběžným kolem. Toho se dosahuje pomocí složitého usměrňovacího aparátu... Po předání energie oběžnému kolu, vytéká voda do sací roury již bez rotace. Z Eulerovy rovnice však po důkladném studiu vyplynulo, že je možný i opačný princip stroje. U nového provedení voda vstupuje do oběžného kola turbíny bez rotace, ale rotuje za oběžným kolem proti smyslu rotace oběžného kola. Tato představa se z počátku zdála nesmyslná, ale ukázalo se, že je věrohodná. Před 10 lety byla postavena první turbína na tomto principu s hydraulickou účinností 80 % při spádu 2 m. Výhodou tohoto provedení oproti Kaplanově turbíně je úspora rozváděcího aparátu a v mnoha případech také převodovky, což významně snižuje náklady na výrobu těchto tzv. vírových turbín. Za vírovou turbínu získala patent Česká republika. Postavily se již dvě elektrárny. První v Krásněvsi a druhá v Podhradí na řece Odře. Významnou podporu vírové turbíně dává ČEZ, který financuje výzkum její nové dvoustupňové varianty. Dnes se v této souvislosti uvažuje o stavbě malých vodních elektráren na Dlouhých Stráních, v Brně Komíně a na řece Vydře. Vývoj vírových turbín za posledních 10 let přinesl i nové varianty a zvýšení hydraulické účinnosti nad 85 %. Varianty jsou čtyři. První využívá spády do 5 m a je vhodná pro všechny říční toky. Lze ji provozovat v přímoproudém a násoskovém provedení. Vhodným umístěním jsou například všechny druhy jezů. Oproti všem dosavadním nízkospádovým turbínám ve většině případů nepotřebuje převodovku, ani rozváděcí aparát, což značně zjednodušuje její konstrukci a snižuje cenu. Turbína pracuje s účinností více než 85procentní. Další variantou je turbína s prstencovým generátorem, kdy oběžné kolo je součástí protékaného generátoru. Tato tzv. krátká varianta je vhodná pro umístění do baterií, zejména využitím stávajících konstrukcí jezů. Turbína byla vyvinuta ve spolupráci se společností VUES Brno. Třetí varianta využívá tzv. diskového generátoru a její provedení je univerzální, neboť lze regulovat otáčky turbíny a tímto i výkon generátoru. Čtvrtou variantou je vírová turbína s kaskádovou mříží, určená pro spády nad 5 m.Tato turbína bude instalována v blízkosti známé přečerpávací elektrárny na Dlouhých Stráních. Výsledky práce Odboru fluidního inženýrství Viktora Kaplana jsou založeny na více než 100leté kontinuitě poznatků předchozích generací. Ty jsou zhodnocovány v závislosti na úrovni současné vědy, metodou týmové práce. Princip inovací vychází z důkladných znalostí teorie a hledání způsobů jejího využití v praktických aplikacích. To je i příběh turbíny s chaotickou mříží a vírové turbíny. PROF. ING. FRANTIŠEK POCHYLÝ, CSC.