Snaha po racionelním využití všech přírodních sil směřuje v prvé řadě k využití jednoho z největších zdrojů energie – k využití energie tekoucí vody. Úkolem tohoto článku by bylo poukázati na to, co ve stavbě hydrocentrál a specielně vodních turbin bylo vykonáno našimi inženýry, jakých výsledků dodělala se naše turbinářská technika a jak dalece přiblížili jsme se na tomto poli světové úrovni. Vývin naší turbinářské techniky jeví se nejlépe na domácích hydrocentrálách, jichž strojní zařízení bylo našimi závody dodáno. Budou proto v dalším některé typické hydrocentrály, ovšem, jen zcela zběžně, popsány.
Předválečné poměry neposkytovaly naším turbinářským závodům dostatečného vývinu, neboť elektrisace neprováděla se v tak značné míře, aby výstavba hydrocentrál zaručovala jim plného rozvinutí technické turbinářské práce. Přes to však postavena byla u nás celá řada vodních děl, jichž strojní zařízení bylo na stejné úrovni s výrobky zahraničních světových firem, zvláště švýcarských a německých. Zmínky zasluhují zde obě pražské hydrocentrály „Na Štvanici“ a „Na Těšňově“, jichž strojní zařízení dodáno bylo fou E. A. S. dř. Kolben.
Hydrocentrála „Na Štvanici“ vybudována jest se třemi vertikálními trojčitými turbinami Francisovými, které jsou přímo spojeny s vertikálními generátory. Každý agregát záleží tudíž za třech turbin na společném hřídeli a ve společné betonové kašně. Jedna turbina má ssací troubu betonovou, druhá a třetí plochovou, která ústí pak do společné ssací trouby všech tří turbin. Každá turbina zpracuje při spádu 2,9 m množství vody 4,66 m3/sec, takže celý agregát postaven jest na 14,0 m3/sec vody. Řešením pomocí trojčité turbiny docílí se jednak axiálního odlehčení, jednak větší rychloběžnosti turbiny. Prvá výhoda způsobena jest nesymetrickým uložením a počtem oběžných kol, takže výsledný axiální tlak, způsobený tlakem vody na věnce oběžného kola, působí proti směru tíže, čímž celý agregát odlehčuje. Počet otáček jest pak as 1,73kráte větší, než kdyby celé množství vody tohoto agregátu zpracováno bylo jedním oběžným kolem stejného typu, ovšem větších rozměrů.
Vlastní agregát jest sice při tomto řešení třístupňovou turbinou komplikovanější, ale za to výhoda vyšších otáček jeví se v tom, že možno použíti přímého spojení turbiny s generátorem, tudíž bez dalšího převodu. Výhoda tato vystupuje markantněji, uvážíme-li, že převod znamená vždy jednak nový člen v agregátu a jednak ztráty v převodu, které dosahují značných ročních hodnot ve ztracených Kw.
Teprve v době poválečné nabyla u nás myšlenka využití vodní energie plného významu. Zásada šetřiti drahým uhlím, jehož zásoby nejsou nevyčerpatelné, zdůraznila nutnost rychlého vybudování vodních děl. Ale i jiné zájmy národohospodářské, jako meliorace, splavnění řek atd. přispěly k využití vodní energie. A tak teprve vlastně v posledních letech můžeme u nás konstatovati značný rozvoj turbinářského průmyslu. Stavby velkých hydrocentrál, prováděné především státem, daly našim technikům příležitost k plnému rozvinu. Výsledky našimi turbinovými závody získané dosahují dnes skutečně úrovně světové, a to v prvé řadě v prvotřídním provedení a ve vyzbrojení hydrocentrál všemi prostředky, které odpovídají těžkým požadavkům moderního, nerušeného provozu. Naši technikové neměli sice, bohužel, příležitost prokázati svoje schopnosti ve stavbě agregátů tak velkých, jaké postavili jejich kolegové zahraniční, ale doufejme, že uskutečněním myšlenky hydrocentrál ve Střekově a ve Štěchovicích bude jim i v tomto směru dána příležitost k triumfu jejich práce.
Jako typický příklad hydrocentrály nízkotlakové uvedena budiž nejdříve menší hydrocentrála na řece Vltavě v Letošticích.
Třemi Francisovými vertikálními turbinami využito zde při spádu 3,2 m celkem 48 m3 vody za 1 sec. Turbiny postaveny v otevřených betonových spirálních komorách, které umožňují správný přítok vody do oběžného kola. Oběžná kola trubin jsou značně rychloběžná a vykazují velmi dobré stupně účinnosti (83,2 %). Výkon turbin přenáší se pomocí Citroenova soukolí na horizontální hřídel třífázového generátoru. Axialní tlaky zachyceny jsou specielním axiálním segmentovým ložiskem, které uloženo v ocelolitinové traverse. Pro přenášení tak velkých výkonů, jako v tomto případě (510 HP), činil by přechod smíšeným ozubením značných obtíží a proto použito bylo převodu pomocí soukolí se šípovým ozubením, které u nás vyrábí s velkým úspěchem Škodovy závody a jichž výrobky těší se velmi dobré pověsti i za hranicemi. Správně vyrobené a uložené soukolí vykazuje klidný běh a docílí se jím nejmenších ztrát v převodu, tudíž i nejracionelnějšího řešení.
Právě tak i axiální segmentové ložisko, konstruované v tomto případu pro tlak 35 000 kg, je poslední vymožeností techniky v tomto oboru a umožňuje jediné hospodárné zachycení tak velikých tlaků, při minimálních ztrátách. Oproti prstencovému axiálnímu ložisku ušetří se ložiskem segmentovým v daném případě asi 2 % z maximálního výkonu, což znamená roční zisk as 80 0000 Kw hod.
Z ostatního strojního zařízení této centrály bylo by ještě poukázati na česlice, které zhotoveny z patentovaného česlicového profilu rybinovitého. Česlice znamenají totiž vždy, vzhledem k zmenšení průtokové plochy, určitou ztrátu na spádu, která dosahuje často velmi značných hodnot. Okolnost tato bývá velmi často přehlížena, ačkoliv právě ztráta na spádu v česlicích bývá, zvláště při nízkotlakých centrálách, jednou z největších ztrátových položek. Proto snažil se konstruktér nejen volbou správné velikosti průtočné plochy a správně polohy česlicových prutů, ale i tvarem těchto prutů dosíci minimálních ztrát. Pokusy a měření právě v letoštické hydrocentrále provedené potvrdily úplně výhody tohoto speciálního profilu.
Turbiny opatřeny jsou automatickými olejovými regulátory, o nichž možno právem tvrditi, že dosahují úrovně stejných strojů světových firem.
Na řece Labi postavena byla podobná hydrocentrála při jezu v Lázních Poděbradech, jejíž strojní zařízení dodáno bylo fou
J. Prokopa synové, Pardubice. Hydrocentrála tato vybudována jest na 60 m3 vody za vteřinu při spádu 2,5 m. Vodní energie využita jest čtyřmi Francisovými turbinami a vertikálním hřídelem, které spojeny opět převodem Citroenovým soukolím s horizontálními generátory a opatřeny automatickými olejovými regulátory.
V celkovém uspořádání liší se tato hydrocentrála od popsané hydrocentrály letoštické úpravou spirální komory, která v tomto případě je řešena jako zavřená kašna, totiž s horním stropem. Tímto uspořádáním zvýší se sice poněkud stavební náklad, ale naproti tomu docílí se správnějšího přítoku vody do turbiny. Zavřená betonová kašna umožňuje také užití tzv. vnější regulace, které v tomto případě jest použito. Natáčení regulačních lopatek děje se mechanismem, který umístěn jest nad stropem kašny a jest tudíž celý i za chodu turbiny přístupný.
Uložení Citroenových kol řešeno je pomocí litinové tříramenné traversy za účelem řádného uložení soukolí. V nejnovějších stavbách upustila firma od tohoto způsobu a zavádí uložení pomocí kopulovitě upravené nosné konstrukce, kterýmžto řešením hodlá zvětšiti bezpečnost provozu s ohledem na opotřebení a klidných chod soukolí a ložisek. Ostatní domácí závody, jakož i většina zahraničních, používají těžkých masivních dvouramenných travers.
Značných zkušeností a velkého pokroku před ostatními zahraničními závody získaly naše domácí turbinářské firmy ve stavbě Kaplanových turbin, nešetříce nákladu na rozsáhlé zkoušky, které podmiňují úspěch každého nového vynálezu. Moderně vypravené pokusné stanice, které jsou první podmínkou zdárného rozvoje vodních motorů, umožnily získáním bohatých zkušeností nabýti našim technikům primát ve stavbě Kaplanových turbin. Teprve v poslední době snaží se němečtí a švédští inženýři shrnouti na sebe vedení ve stavbě těchto turbin, ale doufejme, že našim technikům podaří se těžce vydobytých zkušeností využíti tou měrou, že výsledky jejich prací budou i nadále friumfovati nad pracemi jejich zahraničních kolegů.
Z celé řady menších hydrocentrál, vybudovaných Kaplanovými turbinami, budiž poukázáno na hydrocentrálu v Kroměříži, jejíž strojní zařízení dodáno bylo fou Ignác Storek v Brně.
Při spádu 4,4 m využito je zde dvěma Kaplanovými turbinami celkem 20 m3 vody za sek. Turbiny s vertikálním hřídelem, uložené v zavřené spirální betonové kašně a opatřené betonovou ssací troubou, spojeny jsou přímo s generátory na třífázový proud a opatřeny automatickými olejovými regulátory. Regulaci Kaplanových trubin možno prováděti buď natáčením lopatek rozváděcích, nebo oběžných, nebo obojích současně. V případě našem působí regulátor na lopatky kola oběžného, kdežto lopatky kola rozváděcího natáčeny jsou ručně.
Ssací trouba, ve svém tvaru zcela odlišná v podstatě od ssacích trub Francisových trubin, provedena jest z betonu. Způsob natáčení lopatek oběžného kola, jakož i tvar ssací trouby, jsou význačnými rozdíly od postavených trubin zahraničních firem. (Tyto používají ssací trouby téměř stejné, jako u trubin Francisových).
Výhoda Kaplanovy turbiny spočívá v tom, že umožňuje využití vodní energie, vzhledem k ostatním typům vodních turbin, způsobem nejracionelnějším. Toho docílí se jednak značnou rychloběžností, takže možno použíti přímého spojení a tudíž vyloučiti ztráty převodem, a jednak natáčením lopatek oběžného kola. Stupeň účinnosti turbiny Francisovy jest maximální asi při ¾ až 7/8 plnění a klesá s klesajícím plněním tím více, čím rychloběžnější je turbina. V důsledku toho pracuje turbina již při polovičním zatížení nehospodárně. Tato nevýhoda odstraněna jest ve značné míře u Kaplanovy turbiny natáčením oběžných lopatek, takže využití vodní energie Kaplanovými turbinami jeví se i po této stránce jako mnohem racionelnější. Aby stejných výsledků dosáhlo se turbinami Francisovými, bylo by nutno voliti více agregátů, čímž rostly by značně náklady stavební.
Turbina Kaplanova znamená velký pokrok ve stavbě vodních turbin a je potěšitelným zjevem, že právě při této turbině dopracovali se v její stavbě naši inženýři vedoucího místa.
Největší a nejmodernější naší nízkotlakou centrálou je hydrocentrála na řece Labi v Nymburce se strojním a elektrickým zařízením fy Českomoravská Kolben. 4 turbiny Francisovy a jedna Kaplanova využijí zde při spádu 2,2 m celkem 91,0 m3 vody, takže maximální výkon centrály činí asi 2100 HP. Francisovy turbiny spojeny jsou s generátory převodem Citroenovým soukolím, kdežto u Kaplanovy turbiny použito jest přímého spojení. Turbiny, uložené v uzavřených spirálních betonových kašnách, opatřeny jsou vnější regulací, moderního provedení. Pro závěs použito opět axiálního segmentového ložiska a uložení pomocí dvouramenné ocelolitinové traversy. Hřídel pastorku jest zároveň hřídelem generátoru, takže odpadá uspořádání pružné spojky.
Automatický olejový regulátor značné velikosti vypraven jest všemi moderními zařízeními, jakých vyžaduje moderní provoz hydrocentrály. Opatřen jest samostatným plechovým větrníkem, do něhož čerpá se tlakový olej ozubenou pumpou s rovněž samostatným pohonem přímo od turbinového hřídele.
Česlice zhotoveny opět ze specielního česlicového rybinovitého profilu a obsluhovány budou specielním elektrickým čisticím jeřábem, který bude pojížděti na lávce česlicové.
Stavidla mají pohon jednak ruční, jednak elektrický, ze společného průběžného hřídele. Jejich zdvihání a spouštění děje se elektromotorem, při čemž stavidla samočinně se ve své nejvyšší neb nejnižší poloze z pohybu vypnou. Každá poloha označena jest na rozvodné desce světelnými signály, takže jejich obsluha je velmi pohodlná.
Právě tak jako ve stavbě centrál nízkotlakých, tak i ve stavbě centrál o vyšším spádu, provedeny jsou našimi inženýry stavby, které potvrzují vysokou úroveň naší turbinářské techniky.
Tak z trubin kotlových budiž poukázáno na hydrocentrálu při přehradě v Třemešné. První českomoravskou továrnou postaveny zde byly dvě dvojčité kotlové turbiny Francisovy o celkovém výkonu 2060 HP. Jelikož při stavbě vodní nádrže nebylo počítáno s využitím vodní energie, bylo nutno pro jímání vody použíti 2 již postavených výpustí, jejichž litinové potrubí prodlouženo bylo plechovým nýtovaným potrubím o průměru 1700 mm. Před betonovým vtokem do potrubí upraveny hrubé a jemné česlice s čisticím mechanismem, který jest obsluhován za samostatné nýtované věže.
Potrubí opatřeno, krom stávajících šoupátkových uzávěrů ve vlastní přehradové zdi, před vtokem do turbin uzavírací klapkou, ručně pohybovanou. Za touto uzávěrkou rozšiřuje se potrubí ve vlastní nýtovaný kotel, v němž uložena dvojčitá turbina, která při spádu 16,7 zkonsumuje 6,0 m3 vody za sek. Turbiny spojený jsou pevnou spojkou, vytvořenou zároveň jako setrvačník s hřídelem třífázového generátoru. Automatickou regulaci obstarávají olejové regulátory, výrobek teplické strojírny.
Na řece Černé v Kaplici u Budějovic postavena jest hydrocentrála, vybudovaná spirálními trubinami Francisovými o celkovém výkonu 1760 HP, jejíž strojní e elektrické zařízení dodáno bylo firmou Českomoravská Kolben.
Ve vodní vyrovnávací komoře upraveny jsou jednak česlice, jednak padací stavidla. Tato mají za úkol v případě poruchy potrubí neb jiné vážné nehody v elektrárně uzavříti samočinně přístup vody do potrubí. Za normálního provozu jsou stavidla zavěšena převodem na elektrickém magnetu. V případě nebezpečí vypne se elektromagnet samočinně přerušením proudu a stavidla spadnou do své spodní polohy, čímž uzavřou přístup vody do potrubí.
Za stavidly přechází betonová nádrž litinovým konusem do plechového nýtovaného potrubí, zhotoveného firmou Breitfeld Daněk, o světlém průměru 1350 mm.
Vlastní 2 spirální trubiny, které při spádu 59 m zpracují každá 1370 litrů vody za vteřinu, spojeny jsou přímo s třífázovými generátory, s nimiž umístěny jsou na společné základní desce. Oběžné kolo upraveno jest letmo na hřídeli generátoru a opatřenou bronzovými lopatkami. Regulace oběžného kola je samozřejmě vnější. První ložisko vedle turbiny, bohatě dimenzované, vytvořeno jest zároveň jako ložisko axiální se segmentovým zachycením axiálních tlaků. Mezi ložiskem a generátorem umístěn jest ocelolitinový setrvačník.
Turbiny opatřeny jsou hydraulickými uzavíracími šoupátky moderní konstrukce, jejichž rozvod tlakové vody obstarává zvláštní rozvodné šoupátko se zpětným vedením. Tímto zařízením docíleno jest toho, že šoupátko zcela klidně dosedne na svou dosedací plochu a manipulace s ním jest nadmíru jednoduchá a pohodlná, spočívajíc v točení malým ručním kolečkem. V poslední době provádí dotyčná firma tento rozvod tak, že kolečkem natáčí malý motorek, obsluhovaný dvěma knoflíky od rozváděcí desky.
Regulaci obstarávají jednak regulátory otáček, podobné konstrukce jako v Letošticích a Nymburce, jednak regulátor tlaku v potrubí. Při náhlém zavření turbiny stoupnul by totiž značně tlak v potrubí, takže je nutno vodu, která jinak protéká za provozu turbinou, vypustiti jiným zařízením, které by se sice stejně rychle otevřelo jako turbina uzavřela, ale pak pozvolna se opět zavíralo, aby tlak v potrubí nepřestoupil určitou mez. Tuto úlohu obstarává zmíněný regulátor tlaku v potrubí.
Hydrocentrála opatřena krom toho všemi moderními provozními prostředky, o nichž není možno zde se dále zmiňovati.
Největší naší vysokotlakou hydrocentrálou bude právě stavěná hydrocentrála v Jasenie na Slovensku o celkovém výkonu 3000 HP, vybavená Peltonovými turbinami o spádu 200 m.
Z uvedených příkladů našich postavených hydrocentrál vysvítá jistě jasně vyspělost naší turbinářské techniky. Pokroky, kterých naši technikové ve stavbě vodních trubin docílili, podmíněny jsou v první řadě vysokou úrovní našeho strojnického průmyslu. Jak v předu zdůrazněno, přispěly však k tomu ve značné míře i pokusné turbinové stanice, bez nichž je dnes zdárný rozvoj vodních turbin téměř nemyslitelný. Doufejme, že i v budoucnu bude stavbou velkých hydrocentrál dána našim inženýrům příležitost pokračovati na dráze turbinového rozvoje, aby tak přispěli k dobré pověsti naší strojní techniky.
Ing. Jaroslav Loebl, 1925