Precesní odvalovací turbína – vynález českých vědců

Precesní odvalovací turbína – patentovaný vynález českých vědců prof. Františka Maršíka z Ústavu termomechaniky AV ČR a dr. Miroslava Sedláčka z ČVUT v Praze a jejich slovenského spolupracovníka doc. Stanislava Hostinu z Univerzity sv. Cyrila a Metoda v Trnavě – představuje významné zdokonalení tzv. odvalovacího tekutinového stroje. Ten může fungovat jako turbína generující mechanický výkon z pohybující se tekutiny nebo jako čerpadlo přenášející mechanický výkon do tekutiny. Stroj je v praxi rozšířen pod názvem mikroturbína Setur.

Fota: Archiv ÚTM AV ČR
Instalace odvalovací miniturbíny s rotorem 126 mm v německém Tannenbergu (obr. 5)

 

Badatelé z ÚT AV ČR její původní řešení zdokonalili o možnosti efektivnějšího fungování na velmi nízkém a nestabilním spádu. Zdokonalená podoba odvalovacího stroje, která je předmětem uděleného českého patentu číslo 302 361, jehož je ústav majitelem, vznikala postupně a v několika etapách. Východiskem tohoto zdokonalení se stala teoretická analýza prof. F. Maršíka o základních souvislostech fungování odvalovacího principu, který nastává jako důsledek spontánně generované nestability (cirkulace) tekutiny ve vhodně tvarovaném výtokovém konfuzoru, jak je schematicky znázorněno na obr. 1. Prostřednictvím této cirkulace se odvaluje těleso osově symetrického tvaru po vnitřní stěně konfuzoru a energie pohybující se tekutiny se transformuje v energii rotujícího tělesa.

 

 

Síly, jimiž proudící tekutina působí na těleso a opačně pohybující se těleso na tekutiny, mají svůj původ ve viskozitě tekutin. Ke kvantitativnímu vyhodnocení těch­­to sil lze využít alternativní formulaci bilance hybnosti (rovnováhy sil), tzv. Croccovu větu. Z této věty je možno přímo vyvodit, že proudící tekutina působí na obtékané těleso pouze tehdy, je-li proudové pole vířivé, tj. jestliže integrací rychlosti tekutiny po nějaké uzavřené křivce vně obvodu tělesa (vně mezní vrstvy) dostaneme nenulovou hodnotu, tzv. cirkulaci rychlosti. Tato cirkulace však může vzniknout pouze ve viskózní tekutině, ve které se na povrchu obtékaného tělesa tvoří tenká smyková vrstva, tzv. mezní vrstva. Ta vznikne jen díky viskozitě tekutiny, neboť jen viskozita zajišťuje, že tekutina na povrchu tělesa vždy ulpí. Díky existenci této mezní vrstvy může na povrchu docházet k odpovídajícímu rozložení tlaku a třecích sil, jejichž výslednicí je vzájemná silová interakce tekutiny a obtékaného tělesa. Je tudíž zřejmé, že síla působící na těleso vzniká jen v důsledku toho, že část mechanické energie tekutiny se v mezních (obecně smykových) vrstvách přemění na teplo – disipuje – a produkuje entropii. Mírou přeměny jedné formy energie na druhou je obecně entropie a rozhodujícím parametrem kvantifikujícím silovou interakci tekutiny a obtékaného tělesa je právě gradient entropie. Obecně může být gradient entropie vyvolán v tekutině i chemickými reakcemi (hořením paliva) anebo fázovými přechody (např. kondenzací). I takto vzniklý gradient entropie generuje objemové síly (analogicky síle gravitační či Corriolisově). Typickým příkladem takových procesů jsou např. tropické cyklóny a tornáda, jejichž mechanická energie je získávána z kondenzace vodní páry v atmosféře, tedy obecně z gradientu entropie.

 

Ve výtokovém konfuzoru dochází k nestabilitě proudící tekutiny, která uvede do rotačního pohybu veškerou protékající tekutinu. Energie rotující tekutiny se přenáší na rotor turbíny a při jeho odvalování generuje mechanický výkon. Ten lze odebírat přímo z osy rotoru
(obr. 2a a 2b).

 

Teoretická analýza odvalovacího jevu ukázala možnost alternativního uspořádání soustavy rotor-stator a specifikovala, které geometrické parametry mají rozhodující vliv na účinnost turbíny. Správnost této analýzy byla ověřena praktickými pokusy na prototypech. Výsledky výzkumu prokázaly reálnou možnost praktického uplatnění odvalovacích turbín i při velmi nízkých spádech, které se prozatím k energetickým účelům téměř vůbec nevyužívají. Přitom právě nízké spády by mohly s pomocí odvalovacích turbín poskytnout užitečné a dostatečně efektivní výstupy nejen na říčních tocích, ale také v oblasti mořských proudů, které nedosahují vyšších rychlostí než 2–3 m/sec.

 

 

Z principiálního hlediska, jak potvrdila vypracovaná teorie, funguje obtékání rotoru odvalovací turbíny ve výtokovém konfuzoru téměř se stejnou účinností při spádu 0,3 m nebo 0,6 m. Je tedy možné očekávat, že především teoreticky navržené tvary rotorů a výtokových konfuzorů odvalovacích turbín se v blízké budoucnosti intenzivněji prakticky uplatní. Potvrdilo se to jak na mezinárodním veletrhu Hannover Messe v dubnu tohoto roku, kde byla precesní odvalovací turbína v modelové podobě předváděna, tak i následně při návštěvě odborníků z významné energetické firmy Vattenfall v červnu v Praze.

Co se týče praktické podoby odvalovacích strojů, jejich uspořádání odpovídá dvěma základním koncepcím. Při první je rotor v konfuzoru podepřen a při druhé je zavěšen, jak názorně ukazuje obr. 1. Možnost provozovat odvalovací stroj (obecně turbínu či čerpadlo) ve verzi s podepřeným rotorem vyplynula jako důsledek hydrodynamické analýzy. Tato varianta nabízí odebírání výkonu dvěma způsoby. Buď přímo z rotující hřídele, anebo pomocí převodu z obíhání rotoru uvnitř konfuzoru, tedy z precesně se pohybujícího hřídele, jak je schematicky zobrazeno na obr. 1. Jednou z výhod obou uvedených uspořádání je relativně malá výrobní a materiálová náročnost (rotor i stator mohou být zhotoveny z laminátů odolných vůči korozi) a k převodu mechanické energie na elektrickou je možné využít standardní zařízení používaná pro větrné elektrárny.

Dosavadní zkušenosti s fungováním odvalovacího principu prokázaly, že se uplatní ve velmi široké škále spádů a průtoků. Například nejmenší rotor, který byl prakticky testován, měl průměr 6 mm, jak dokládá obr. 3. Největší odvalovací stroj, který vědci prozatím sestrojili a prakticky vyzkoušeli, měl rotor s průměrem 600 mm, pracoval s průtokem v řádech stovek litrů za sekundu a byl instalován na řece Berounce, jak zachycuje obr. 4. Jeho elektrický výkon se pohyboval okolo 0,8 kW.

V poslední době byly doma i v zahraničí nejčastěji instalovány precesní odvalovací stroje s průměrem rotoru 126 mm, které velmi efektivně pracují s průtoky 6–12 litrů vody za sekundu na spádech 3–6 metrů. Jejich mechanická účinnost obyčejně překračuje 50 % a soustrojí dodává napětí 24 voltů. Získaná energie se akumuluje a následně využívá prostřednictvím měniče 24 V/230 V s běžnými elektrickými spotřebiči. Dlouhodobým testováním badatelé ověřili, že tento typ odvalovacích miniturbín může fungovat i s částečně znečištěnou vodou a nemá negativní vliv na životní prostředí. Praxe také potvrdila, že využívání uvedené miniturbíny v ostrovním provozu, kdy se veškerá vyrobená elektřina spotřebuje v místě výroby, může znamenat naprostou nezávislost takové instalace na dodávkách elektrické energie zvenčí. Například při průtoku 10 litrů vody za sekundu na spádu pěti metrů dokáže miniturbína s průměrem rotoru 126 mm vyrobit (naakumulovat) za jeden den (24 hod.) až 4 kWh elektrické energie. Na obr č. 5 je zachycena instalace tohoto typu miniturbíny v německém Tannenbergu. Lze předpokládat, že s dalším zdokonalováním strojů, především cestou optimalizace tvarů rotoru a výtokového konfuzoru, se odvalovací turbíny uplatní v praxi mnohem více než doposud.  

FRANTIŠEK MARŠÍK,
Ústav termomechaniky AV ČR, v. v. i.