Koło wodne było pierwszą maszyna, która zastąpiła siłę mięśni ludzkich. Pierwsze koła wodne o poziomym wale istniały już w I wieku p.n.e. na terenach państwa rzymskiego, opisał je nadworny architekt cesarza Oktawiana Augusta, Marcus Witruwiusz. Młyn wodny opisany przez Marcusa miał już przekładnię zębata poprzez którą napędzano kamień młyński osadzony na drugim wale pionowym. Młyn ten nazwano w literaturze młynem rzymskim. Przypuszcza się, że jeszcze wcześniej powstały nieco inne konstrukcje młynów z kołami wodnymi osadzonymi na wale pionowym obracające się w płaszczyźnie poziomej. Ten typ młynów w literaturze nazywany jest tureckimi lub turbinowymi.
Rys.1 Młyn turecki
1-rura doprowadzająca wodę, 2- łopatki
Młyny tureckie nie znalazły wielkiego zainteresowania, podczas gdy rzymskie były stale ulepszane stając się zalążkiem rozwoju energetyki wodnej.
Obecnie wyróżnia się trzy typy kół wodnych:
– podsiębierne
– śródsiębierne
– nadsiębierne
W Polsce na Podhalu można jeszcze spotkać inny typ koła wodnego zwanego popularnie „Wołoską„. Jego budowa została opisana w książce Henryka Josta pt. „Ludowe urządzenia energetyczne i mechaniczne o napędzie wodnym na Podhalu”.
Rys.2 Koła wodne: a) nadsiębierne, b) śródsiębierne, c) podsiębierne
Rys.3 Koło wodne Wałaska.
1 rynna doprowadzająca wodę, 2- odprowadzenie wody
Najmniej wysiłku przy instalacji wymagało koło podsiębierne (łopatkowe), zwane walnym, używane zwykle na terenach płaskich. Posiadało ono na obwodzie łopatki. Dolną część koła zanurzano w przepływającej wodzie, aby jej nacisk na łopatki powodował jego obrót. Tego typu koła były największe, a ich sprawność (procent przetworzenia energii wody na pracę) wynosiła zaledwie 22-30 proc. Jego pracy zagrozić mogły przepływające gałęzie i konary drzew, a prędkość obrotu zależała od siły nurtu oraz wahań poziomu wody w rzece lub strumieniu. Z problemami tymi radzono sobie poprzez częściową regulację cieku wodnego w rejonie młyna, a więc umacnianie brzegów, pogłębianie koryta i przesuwanie głównego nurtu. W miastach, dużych wsiach i majątkach ziemskich przekopywano tzw. młynówki, czyli sztuczne odnogi rzek, w których starano się utrzymywać stały poziom i przepływ wody. Stosowano też dobór odpowiednich przełożeń (przekładni) w samym młynie.
Nieco mniejsze bywały napędzane „od góry” koła nasiębierne (korytkowe), czyli korzeczne, posiadające na obwodzie korytka, które napełniał strumień spadającej wody. Pod jej ciężarem i w wyniku siły uderzenia następował obrót koła. Pojawiło się w V wieku w Atenach. Jego sprawność wynosiła aż 63- 70 proc., ale prawidłowe funkcjonowanie tego drugiego typu koła wodnego wymagało już poważniejszych prac z zakresu inżynierii wodnej. Niezbędne tu było zróżnicowane poziomo ukształtowanie terenu w okolicach młyna. Przede wszystkim należało zapewnić ciągły dopływ na koło strumienia wody o określonej prędkości. W tym celu spiętrzano wodę w tzw. stawie górnym, zakładanym powyżej młyna. Stały poziom lustra wody w tym stawie utrzymywało tzw. stawidło (jaz zastawkowy), czyli przesuwane w pionowych prowadnicach zastawy na śluzie, które podnoszono lub opuszczano za pomocą mechanizmu łańcuchowego lub poruszanej korbą przekładni zębatej. Zazwyczaj istniał też odprowadzający nadmiar wody kanał odpływowy (burzowy, ulgowy). Woda ze stawu górnego spływała na koło kanałem roboczym, który niekiedy przybierał postać drewnianego koryta o niewielkim spadku, wspartego na słupach wbitych w podłoże. Po wykonaniu pracy, tj. po obróceniu koła, woda spływała do zbiornika usytuowanego nieco poniżej budynku młyna, czyli do tzw. stawu dolnego, a stamtąd płynęła sobie do cieku głównego (rzeki lub strumienia), albo zaopatrywała rybne stawy hodowlane.
Najrzadziej spotykanym kołem wodnym było koło śródsiębierne, które do połowy zanurzano w nurcie rzeki, zwiększając powierzchnię nacisku. Dzięki temu starano się maksymalnie spożytkować energię potencjalną i kinetyczną wody. Wprowadził je do użytku John Smeaton, angielski inżynier budowlany i konstruktor maszyn. Młyny wyposażone w tego typu koła zaczęto budować w połowie XVIII wieku. Sprawność koła śródsiębiernego dochodziła nawet do 80 proc.
Stało się ono pierwowzorem turbiny wodnej, rozpowszechnionej w wieku XIX. Jej konstruktorem był Benoit Fourneyron, francuski inżynier mechanik, który swoją turbinę reakcyjną uruchomił w roku 1827. Turbina, w następnych dziesięcioleciach wielokrotnie modyfikowana, rozwiązała problemy z kołem wodnym, zapewniając większą moc i wydajność. W Polsce pierwsza taka turbina pracowała w 1838 roku w Minasówce, w tamtejszym młynie. Wcześniej jednak, w roku 1828, francuski inżynier Filip de Girard skonstruował w Dowspudzie turbinę akcyjną, którą napędzano młockarnię. Przeciętna moc średniego koła wodnego wynosiła 4-7 kW, ale w zespołach (kilkanaście razem pracujących kół) mogła przekraczać 50 kW. Wielkie koła przemysłowe o średnicy 20 m osiągały moc 150 kW.
Koła wodne napędzały różnego rodzaju urządzenia w zakładach przetwórczych jak: młyny zbożowe, prochowe, folusznicze. Były popularnie stosowane w tartakach do napędu pił i kuźniach zwanych młotowniami. Pod koniec średniowiecza były najważniejszym źródłem siły mechanicznej.
Turbiny wodne – były kolejnym etapem rozwoju silnikow wodnych. Umożliwienie ich powstania zawdzięczamy pracom Bernoulliego i Eulera, a także doświadczeniom Segnera (młynek Segnera) i Bourdina (po raz pierwszy użył określenia turbina). Pierwszą turbinę wodną w dzisiejszym słowa tego znaczeniu zbudowano dopiero w r. 1827. Twórcą jej był francuski inżynier Fourneyron. Turbina Fourneyrona była konstrukcją o promieniowym przepływie wody. Na ówczesne czasy była to prawdziwa sensacja.
Rys.4 Trzy rodzaje pierwszych turbin wodnych. a)- Fourneyrona , b)- Girarda , c)-Henschela (1-wirnik, 2- kierownica, 3-dyfazor)
W roku 1828 Girard opracowuje inny model turbiny o przepływie osiowym, bez zmiany kierunku. Jedne z pierwszych konstrukcji zostają zamocowane w dobrach gen. Ludwika Paca w Dawspudzie, gdzie stanowiły napęd wielkich młocarni. Nieco inny model turbiny o osiowym przepływie opracowuje też w 1841 roku Henschel. Turbina ta nazywana jest często turbiną Jonuala. Henschel w swej konstrukcji zastosował po raz pierwszy stożkową rurę ssawną, zwaną początkowo osiowym dyfusorem. Prawdziwym przełomem w wykorzystaniu energii wody stała się jednak turbina reakcyjna Francisa (1849) o przepływie osiowo-promieniowym. Pierwsze turbiny Francisa miały nieruchome łopatki kierownicze, a dopiero w 1859 r. Fink opracował aparat kierowniczy, z przestawialnymi łopatkami kierowniczymi, umożliwiającymi uzyskanie regulacji oddawanej mocy oraz wysokich sprawności przy szerokim zakresie obciążeń . Ten typ turbiny jest do dnia dzisiejszego powszechnie stosowany dla średnich spadów.
W roku 1884 Amerykanin Allen Pelton wynalazł turbinę akcyjną stosowaną dla wysokich spadów wody, na ogól powyżej 300 m i dlatego u nas jest bardzo rzadko stosowana. Olbrzymim postępem w budownictwie turbin wodnych był wynalazek (1918 r.) prof. Wiktora Kaplana, który opracował wirnik typu śmigłowego z przestawialnymi łopatkami wirnika, współpracujący z regulowanym aparatem kierowniczym. Rozwiązanie to, dzięki podwójnej regulacji, charakteryzuje się bardzo wysokimi sprawnościami w zakresie obciążenia 20 do 100% oraz odpowiednio dużymi przełykami szczególnie przy niezbyt wysokich spadach. Ten typ wirników – które są stosowane w najróżniejszych układach doprowadzenia wody do wirnika jak i położenia wału – są obecnie najbardziej rozpowszechnionym typem turbin dla niskich spadów i to zarówno dla małych, jak i wielkich turbozespołów.
Pewną modyfikacją tych turbin jest turbina typu Deriaza z wirnikiem o rozwiązaniu diagonalnym (łopatki wirnika są ustawione ukośnie w stosunku do osi wału turbiny). Do olbrzymiego rozwoju turbin wodnych na całym świecie przyczyniło się w końcu ubiegłego stulecia ich sprzężenie z generatorami elektrycznymi, a następnie – dzięki transformacji na wysokie i bardzo wysokie napięcie – powstała możliwość przesyłania energii elektrycznej na znaczne odległości. Obecnie największą na świecie jest elektrownia ITAIPU na granicznej rzece Parana między Brazylią i Paragwajem o całkowitej mocy 12 800 MW.
Rys.5 Turbina Kaplana
1.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 do czyszczenia krat
Elektrownie w Polsce
W okresie międzywojennym na terenie Polski w jej ówczesnych granicach znajdowało się około 6500 zakładów mających napęd za pomocą silników wodnych. Największą elektrownią wodną w Polsce w 1939 r. była elektrownia Żur na rzece Wdzie, uruchomiona w grudniu 1929 r. po 16 miesięcznym okresie budowy, z dwiema turbinami Kaplana – każdą o mocy 4,5 MW. W końcowym etapie budowy znajdowała się elektrownia wodna przy wielozadaniowym zbiorniku w Rożnowie na Dunajcu o mocy 50,0 MW, którą oddano do ruchu w 1942 r. W okresie po II wojnie światowej energetyka zawodowa przejęła liczne elektrownie wodne znajdujące się na terenach odzyskanych, wśród których największą była elektrownia szczytowa z członem pompowym w Dychowie na rzece Bóbr. Elektrownia ta miała trzy turbozespoły pionowe z turbinami Kaplana – każdy o mocy 27 MW oraz dwie pompy akumulacyjne – każda o mocy 5,2 MW. Urządzenia powyższe zostały zdemontowane w 1945 r. przez armię ZSRR jako reparacje wojenne. Ponowne uruchomienie – w oparciu o turbozespoły zakupione w ZSRR – nastąpiło w 1951 r. Kolejną elektrownią wodną uruchomioną po II wojnie światowej była elektrownia Porąbka na Sole, którą dobudowano do zapory betonowej zbiornika wielozadaniowego oddanego do eksploatacji w 1936 r. Moc tej elektrowni wynosi 2×6,0+0,5 MW. W roku 1955 nastąpiło uruchomienie elektrowni w Czchowie o mocy 4,0+4,4 MW z turbinami Kaplana. Zbiornik w Czchowie wyrównuje przepływy szczytowej elektrowni Rożnów. Elektrownia Myczkowce na Sanie – której budowa rozpoczęta była w okresie międzywojennym – została przekazana do eksploatacji w 1961 r. Z większych elektrowni wodnych obudowanych w okresie powojennym należy wymienić Koronowe na Brdzie 26 MW (1960/61 r.), Dębe na Narwi 20 MW (1963 r.), Tresna na Sole 21 MW (1967 r.). Wielkim osiągnięciem polskiej hydroenergetyki było zbudowanie największej w kraju zapory betonowej na Sanie w Solinie (objętość betonów 760000 m3), która utworzyła wielki zbiornik retencyjny o pojemności 474 min m3, a przy nim elektrownię szczytową z członem pompowym. Zainstalowano w tej elektrowni 2 turbozespoły pionowe z turbinami Francisa , każdy o mocy 48 MW i 2 turbozespoły z turbozespołami odwracalnymi Francisa – każdy o mocy 22,5 MW. Były to pierwsze w Polsce (a zarazem w całej Europie Wschodniej) turbozespoły odwracalne. W 1970 r. uruchomiono pierwszą klasyczną elektrownię pompową w Żydowie wyposażoną w 2 turbozespoły odwracalne o mocy po 50 MW i jeden turbozespół klasyczny o mocy 52 MW. W dniu Święta Energetyka w 1973 r. nadano tej elektrowni imię wybitnego polskiego energetyka prof. Alfonsa Hofftnanna. Także w 1970 r. przekazano do eksploatacji pierwszą dużą elektrownie wodną na dolnej Wiśle we Włocławku z 6 turbozespołami wyposażonymi w turbiny Kapłana o sumarycznej mocy 162 MW. Kolejnym osiągnięciem było uruchomienie elektrowni pompowej w Porąbce-Żar z czterema turbozespołami odwracalnymi, każdy o mocy 125 MW w pracy turbinowej. Jest to pierwsza w kraju elektrownia wykonana w całości w rozwiązaniu podziemnym. Jej przekazanie do eksploatacji nastąpiło w 1979 r. Ostatnią wielką elektrownią wodną jaką zbudowano w Polsce po wojnie, jest elektrownia pompowa Żarnowiec – ma cztery turbozespoły odwracalne o łącznej mocy 680 MW i jest największą elektrownią pompową w Polsce. Niestety, rozpoczęta budowa kolejnej elektrowni pompowej w Młotach (3 x 250 MW) została wstrzymana.
Źródło:
– instsani.pl