Turbiny wodne

Podział i klasyfikacja

Z równania Bernoullie'go dla płynu nieściśliwego wynika, że całkowita energia strumienia cieczy składa się z: energii położenia gz, energii ciśnienia p/p określanej wysokością H spadu wody w metrach oraz energii kinetycznej c2/2. Każda z wymienionych energii może być przetworzona na pracę mechaniczną w odpowiednio skonstruowanym silniku wodnym. Energię kinetyczną i częściowo energię ciśnienia wykorzystuje się w turbinach wodnych. Ich działanie polega na tym, że woda zasila łopatki wirnika strumieniem swobodnym lub przepływa przez kanały międzyłopatkowe wirnika i wywiera napór hydrodynamiczny na jego łopatki, wprawiając wirnik w ruch obrotowy. Moment obrotowy wału wirnika turbiny jest przekazywany do napędzanej maszyny.
Zależnie od przebiegu zjawisk energetycznych przy przepływie wody przez wirnik, turbiny wodne dzieli się na: akcyjne, w. których ciśnienie wody przy wlocie na wirnik jest równe ciśnieniu atmosferycznemu oraz reakcyjne, w których ciśnienie wody przy wejściu na łopatki wirnika jest wyższe od atmosferycznego i maleje w czasie przepływu
przez przestrzenie międzyłopatkowe wirnika. Obecnie zastosowanie znajdują turbiny reakcyjne Francisa i Kaplana oraz turbiny akcyjne Peltona.
Zależnie od kierunku przepływu strumienia wody przez wirnik rozróżnia się turbiny promieniowe, promieniówo-osiowe i osiowe. Ponadto turbiny mogą być wolnobieżne, średniobieżne i szybkobieżne, jedno i wielowirnikowe oraz jedno i wielodyszowe (turbiny Peltona).
Pojęcia podstawowe

W strumieniu płynącej cieczy energia występuje w trzech różnych postaciach, jako energia położenia, ciśnienia i ruchu. Całkowita energia cieczy doskonałej w ruchu jest sumą tych trzech składowych i opisuje ją równanie Bernóullie'go:

z którego wynika, że jeżeli ciecz doskonała znajduje się w ruchu ustalonym, to suma energii położenia, ciśnienia i ruchu wzdłuż linii prądu jest stała. Pierwszy człon równania określa energię położenia cieczy. Jeżeli pewna ilość cieczy 0 objętości V i gęstości p znajduje się nad poziomem odniesienia na wysokości z, mierzonej do środka ciężkości, to ma ona w stosunku do tego poziomu energię położenia równą

a w odniesieniu do 1 kg cieczy mamy

Drugi człon równania określa energię ciśnienia cieczy. Jeżeli na tłok o powierzchni A
wywierane jest ciśnienie p, które spowoduje przesunięcie tłoka o drogę s, wówczas wykonana praca wyniesie

a w odniesieniu do 1 kg cieczy mamy

Trzeci człon równania określa energię kinetyczną cieczy. Jeżeli pewna ilość cieczy ci objętości V i gęstości p porusza się z prędkością c, to ciecz ta ma energię kinetyczną

a w odniesieniu do 1 kg cieczy mamy

Równanie Bernoullie'go można przedstawić również w postaci

gdzie wszystkie składniki mają wymiar długości w metrach i są nazywane odpowiednie wysokością prędkości, wysokością ciśnienia i wysokością położenia. Graficzny obraz równania Bernoullie'go przedstawiono na rysunku .1.

Rys. 1. Graficzny obraz równania Bernonllie'go dla przekrojów 1-1-oraz 2-2-strugi cieczy Jeżeli struga cieczy ma kierunek poziomy, to wysokość położenia jest stała, równanie Bernoullie'go można napisać w postaci

Mnożąc obie strony równania przez pg, otrzymuje się inną postacią tego równania

Wielkość pc2/2 ma wymiar ciśnienia i nazywa się ciśnieniem dynamicznym; wielkość p ciśnieniem statycznym, a sumę obu ciśnień nazywa się ciśnieniem całkowitym.
Spad. Dla siłowni wodnej, działającej pomiędzy dwoma poziomami wody górnym i dolnym, różnica wysokości poziomów wynosi Hz (rys. .2.).



Rys. 2. Siłownia wodna
Oznaczywszy wielkości związane z punktem A wskaźnikiem dolnym a, natomiast wielkości związane z punktem B wskaźnikiem dolnym b, oraz poziom odniesienia linią N - N, możemy, napisać zależności określające całkowitą energię wody odniesioną , do jednego kilograma wody


Oznaczając przez HZ różnicę wysokości pomiędzy poziomami wody

można określić funkcję zwaną ;,spadem" siłowni wodnej

Dla turbin reakcyjnych zasilanych bezpośrednio z kanału dopływowego, spad H
można w przybliżeniu uważać zarówny H, gdyż wówczas ca≈cb ; Hz oznacza wówczas różnicę poziomów zwierciadła wody w kanale odpływowym i zwierciadła
wody w pionowej rurce piezometrycztiej , połączonej z wnętrzem rurociągu przy wlocie do komory turbiny : W turbinach Peltom; zasilanych z rurociągu, Hz jest odległością zwierciadła wody w rurce piezometryczanej od najniższego punktu koła stykającego się z osiami swobodnych strumieni wody, natryskiwanych na wirnik.
Napór hydrodynamiczny, W budowie maszyn wodnych ważne jest pojęcie naporu hydrodynamicznego, czyli siły, jaką wywiera struga cieczy na powierzchnię
skierowaną do niej prostopadle. Jeżeli strug cieczy działa na ścianę płaską o dużych
rozmiarach, to napór hydrodynamiczny F można obliczyć z równania , zapisanego w postaci równania ilości ruchu następująco
Po scałkowaniu otrzymujemy

Jeżeli siła naporu jest stała w czasie, to
Do obliczeń praktycznych zamiast ilości substancji m, wygodniej jest stosować strumień objętościowy cieczy V. Ponieważ m = pVt, to ostatecznie napór hydrodynamiczny można obliczyć z zależności

Jeżeli ściana (rys. 3), na którą działa sita F jest nieruchoma (c2 = 0), to napór wyniesie

W przypadku, gdy pod działaniem naporu hydrodynamicznego ściana płaska (np. płaska łopatka koła wodnego) ustawiona prostopadle do strugi przesuwa się z prędkością u < c1 w kierunku strugi (rys. 3), wtedy prędkość końcowa c2 = u. Stąd napór hydrodynamiczny na płaską łopatkę ruchomą wyniesie


Rys. 3. Siły hydrodynamiczne a) napór hydrodynamiczny na ścianę nieruchomą b) napór na ścianę poruszającą się z prędkością u; c) napór na wklęsłą łopatkę akcyjną, odchylającą strumień o 180; d) reakcja hydrodynamiczna; e) działanie łopatki reakcyjnej; R - reakcja

Moc przekazywana na łopatkę płaską wynosi

Moc maksymalną otrzymuje się, gdy skąd , a jej wartość wynosi


Gdyby łopatka miała kształt wklęsły, jak to jest na przykład w przypadku wirnika turbiny Pełtona, to prędkość strugi zmieni kierunek na przeciwny i otrzymuje się ∆c = c1 - (-c2) = c1 + c2, gdzie c2 - prędkość z jaką struga odpływa od łopatki. A więc

Na podstawie twierdzenia o prędkościach ruchu względnego można napisać

Po rozwiązaniu układu równań otrzymuje się

Moc przekazywaną na łopatkę oblicza się, podstawiając wartość c2 obliczoną z wyrażenia do wzoru na moc P = p V(c1 + c2):

Moc maksymalną oblicza się, różniczkując powyższy wzór analogicznie, jak dla łopatki płaskiej , czyli dla . Wówczas na podstawie równania na prędkość obwodową u mamy c2 = 0, co oznacza, że struga przekazuje łopatce całą swoją energię kinetyczną. Wartość największej mocy wynosi

Moc przekazywana przez strugę cieczy na łopatce wklęsłej jest więc dwukrotnie większa niż w przypadku łopatki płaskiej. Z tego powodu taki właśnie kształt mają łopatki wirników turbin. Nazywają się one łopatkami akcyjnymi. Najkorzystniejsza prędkość u łopatki akcyjnej równa jest połowie prędkości wlotowej c1 strugi.
Reakcja hydrodynamiczna strugi. Ważnym dla budowy turbin przypadkiem jest wypływ cieczy z nieruchomego naczynia o zwężającym się przekroju (z zakrzywionej dyszy rys. 3). Teoretyczna prędkość wypływu wynosi , zaś napór hydrodynamiczny strugi F = p Vc. Zgodnie z zasadą działania i przeciwdziałania sił struga wywiera na powierzchnię wewnętrzną naczynia reakcję R równą naporowi F, lecz przeciwnie skierowaną. Zjawisko to nazywa się odrzutem, a siłą R - odporem lub reakcją hydrodynamiczną strugi. Wynosi ona więc

Zjawisko to znalazło praktyczne zastosowanie w turbinach reakcyjnych, w których odpowiednio kształtuje się łopatki wirnika. Reakcja hydrodynamiczna wyniesie wówczas


W celu nadania cieczy dopływającej do łopatek prędkości u, potrzebna jest praca ~' równa energii kinetycznej Ek tej cieczy. Moc przekazywana łopatkom przez ciecz wynosi zatem

Moc ta osiągnie największą wartość, gdy czyli gdy w2 = u. Wówczas c2 = 0, co oznacza, że struga cieczy oddaje całą swoją energię ruchu. Tak więc będzie
Łopatki działające przy wykorzystaniu reakcji hydrodynamicznej nazywa się łopatkami reakcyjnymi. Najkorzystniejsza prędkość łopatek reakcyjnych jest dwukrotnie większa niż łopatek akcyjnych, dla których przy tym samym spadzie wodnym H. Największa przenoszona moc i reakcja hydrodynamiczna są takie same, jak moc i napór hydrodynamiczny dla łopatek akcyjnych.

Turbiny Francisa

Turbiny Francisa stosuje się w zakresie spadów od najniższych do H = 500 m. Należą one do turbin reakcyjnych, o dopływie dośrodkowym, promieniowym. W turbinie Francisa (rys. 4) woda z górnego poziomu wpływa przez kierownicę 5 o nastawialnych łopatkach, zasila na całym obwodzie wirnik 1 i uchodzi przez rurę ssącą 11. Kierownica składa się z pewnej liczby łopatek o kształcie opływowym, rozmieszczonych równomiernie na stałej średnicy dookoła wirnika. Łopatki 6 kierownicy mogą być obracane wokół swych osi, dając w różnych położeniach różne wartości strumienia wody i różne kierunki jej przepływu. Wirnik turbiny Francisa składa się z łopatek wykonanych z blachy stalowej (stopowej lub nierdzewnej) osadzonych w dwóch , staliwnych lub żeliwnych wieńcach. Wieniec górny wraz z piastą osadzony jest na wale. Łopatki wirnika są zakrzywione przestrzennie.
Turbina Francisa jest zabudowana na pewnej wysokości nad poziomem dolnym, co ułatwia-dostęp obsługi do turbiny przy montażu i naprawach. Aby zmniejszyć spowodowaną tym stratę spadu, wodę z wirnika odprowadza się do kanału odpływowego za pomocą rury ssącej 11, której wylot jest zanurzony pod powierzchnią wody. Rura ssąca rozszerza się w kierunku wypływu, dzięki czemu wytwarza się podciśnienie w rurze (na zasadzie działania dyfuzora), co sprawia, że rura zasysa wodę z wirnika, który na wlocie ma nadciśnienie. Na skutek tego rura powoduje przetworzenie części ciśnienia w energię ruchu. Wysokość położenia wylotu wirnika nad poziomem dolnym wody nie może być zbyt duża (najwyżej 6 m) z uwagi na niebezpieczeństwo tzw. kawitacji, powodującej szybkie niszczenie łopatek wirnika i spadek sprawności. turbiny. Nadmierna wysokość rury ssącej mogłaby spowodować tak duży spadek ciśnienia we wnętrzu wirnika, że stałoby się ono niższe od ciśnienia nasycenia wody.
Mogłoby wystąpić wówczas parowanie wody, połączone z wydzielaniem się pęcherzyków rozpuszczonych gazów oraz gwałtowne skraplanie się pary, czemu towarzyszy bardzo znaczny wzrost ciśnienia. Spowodowałoby to powstawanie wżerów wewnątrz turbiny, prowadzących do szybkiego jej zniszczenia.

Rys. 4. Turbina Francisa w komorze otwartej: 1 - wirnik, 2 - wał turbiny, 3 - łożysko, 4 - łopatka kierownicy, 5 - kierownica, 6 - oś łopatki kierownicy, 7 - cięgno, 8 - pierścień regulacyjny, 9 - wałek regulatora, 10 - dźwignia, 11 - rura ssąca
Zasada działania turbiny Francisa jest następująca. Woda płynąca przez kierownicę uzyskuje właściwy kierunek w stosunku do łopatek wirnika, a jednocześnie zwiększa się jej prędkość przepływu, co jest spowodowane tym, że pole przepływu po obwodzie wewnętrznym kierownicy jest mniejsze niż pole przepływu po jego obwodzie
zewnętrznym. Część energii statycznej ciśnienia wody zostaje przy tym przetworzona w kierownicy na energię ruchu. Pozostała część energii statycznej ciśnienia wody przetwarza się w wirniku. Z tego powodu turbiny reakcyjne nazywane są również turbinami nadciśnieniowymi. W wirniku energia statyczna ciśnienia wody zostaje bezpośrednio przetworzona na pracę mechaniczną wskutek sił reakcji hydrodynamicznej, działających na łopatki wirnika, wywołanych naporem strugi wody przepływającej przez kanały łopatek wirnika. Jest to zjawisko, które powstaje w dyszy (rys. 3), w której wypływający strumień wody działa na dyszę siłami reakcji, skierowanymi przeciwnie do kierunku wypływu strumienia. Ponieważ występuje tu również zjawisko akcyjne, turbiny Francisa są w rzeczywistości turbinami reakcyjno-akcyjnymi.
Struga wody przepływa przez wirnik początkowo w kierunku promieniowo-dośrodkowym, a następnie na łopatce wirnika odchyla się o 90 i wypływa w kierunku osiowym do rury ssącej. Każda cząstka wody przepływając wzdłuż łopatek wykonuje ruch złożony (rys. 5): wiruje wraz z wirnikiem z prędkością unoszenia u1, styczną do koła o średnicy zewnętrznej wirnika d1, a jednocześnie przesuwa się wzdłuż łopatki z prędkością względną w1, rozpatrywaną w odniesieniu do obracającego się wirnika. Suma obu tych prędkości stanowi prędkość bezwzględną c1 przepływu cieczy przez wirnik, odniesioną do nieruchomego korpusu. Struga powinna być doprowadzona do wirnika pod takim kątem wlotowym, żeby wektor prędkości względnej w1 miał kierunek styczny do zarysu łopatki na wlocie (wlot bez uderzenia). Podczas przepływu strugi wzdłuż łopatki prędkość unoszenia zmniejsza się od u1, do u2, gdyż d1, > d2. Wskutek zmniejszania się przekroju strugi na wirniku w kierunku wlotu prędkość względna wzrasta od wt do w2, a ciśnienie w strudze maleje.





Rys. 5. Przekrój przez kanał międzyłopatkowy
Aby utrzymać stałą prędkość obrotową wirnika przy zmiennym spadzie i obciążeniu, turbiny Francisa wyposażone są w automatyczny regulator natężenia przepływu wody (przez obracanie łopatek kierownicy). Na rysunku 4 pokazano, że wszystkie łopatki ułożyskowane są obrotowo w dwóch pierścieniach. Obrót łopatek następuje po obróceniu zewnętrznego pierścienia regulacyjnego 8, połączonego cięgnami 7 ze wszystkimi łopatkami. Obrót pierścienia 8 w jedną lub drugą stronę dokonywany jest przez układ dźwigni, poruszany wałkiem 9.
Do głównych zalet turbiny Francisa należy możliwość wykonywania jej w najrozmaitszych układach konstrukcyjnych, dostosowanych do warunków miejscowych. Przy spadach mniejszych niż 2 m stosuje się zawsze turbiny o wale pionowym, zaś przy spadach większych niż 2 m - o wale poziomym lub pionowym. Możliwe jest ponadto osadzenie na wspólnym wale dwóch wirników oraz tworzenie turbin trój- lub czterowirnikowych przez bezpośrednie sprzężenie turbiny dwuwirnikowej z turbiną jedno- lub dwuwirnikową. Stosowanie turbin wielowirnikowych zwiększa ich szybkobieżność.
Średnice wirników turbin Francisa wynoszą 0,2510 m, moc przekracza niekiedy 100 MW, a ich sprawność dochodzi do η0= 0,94. Strumień przepływającej wody dochodzi do kilkudziesięciu m3/s.
Zależnie od wysokości rozporządzalnego spadu, turbiny Francisa wyposażone są w wirniki o różnych wyróżnikach szybkobieżności ns. Wyróżniki te umożliwiają porównanie turbin pod względem szybkobieżności. Wyróżnikiem szybkobieżności ns nazywa się liczbę obrotów wirnika na minutę, przy której geometrycznie podobna turbina wodna ma maksymalną moc 1 KM przy spadzie H = 1 m. Oblicza się go ze wzoru

Wartość wyróżnika szybkobieżności decyduje o podziale wirników na wolnobieżne
(ns = 60150), średniobieżne (ns = 150250) i szybkobieżne (ns = 250500). Wirniki szybkobieżne stosuje się przy najniższych spadach (H < 60 m), a wolnobieżne - przy najwyższych (H = 60500 m).
Rozwój turbin Francisa, polegający na budowie wirników o coraz większej szybkobieżności, doprowadził do wynalezienia nowego systemu turbin wodnych o przepływie osiowym, znanych pod nazwą turbin śmigłowych o szybkobieżności ns = 4001000. Najbardziej znaną turbiną tego systemu jest turbina Kaplana.
Turbiny Kaplana
Turbiny Kaplana pracują na tej samej zasadzie co turbiny Francisa, a różnią się głównie kształtem wirnika przypominającym śrubę okrętową oraz tym, że jego łopatki w liczbie 310 (zwykle 4) są nastawialne. Kierunek przepływu wody przez wirnik jest osiowy. Stosuje się je przy najniższych spadach wynoszących H = 1,580 m. Swą nazwę zawdzięczają Austriakowi V. Kaplanowi, który skonstruował pierwszą turbinę śmigłową o stałych łopatkach wirnika w 1912 r. i ulepszył w 1921 r., wprowadzając nastawialne łopatki. Przepływ strumienia wody w nowoczesnych turbinach Kaplana dochodzi do 500 m3/s. Wirnik tej turbiny (rys. 6) składa się z piasty z osadzonymi na niej kilkoma łopatkami otwartymi, tj. nie mającymi zewnętrznego wieńca. Dzięki temu opory przepływu maleją i wzrasta sprawność turbiny. Zasilanie wirnika odbywa się za pomocą kierownicy o nastawialnych łopatkach; tej samej konstrukcji co w turbinach Francisa. Po przejściu przez kierownicę, woda zmienia kierunek z promieniowego na osiowy, wywiera napór hydrodynamiczny na łopatki wirnika i uchodzi do rury ssącej.
Turbiny Kaplana mają większy wyróżnik szybkobieżności od turbin Francisa, a ich podstawową zaletą jest możliwość osiągania wysokiej sprawności (do ηo= 0,93), dzięki zastosowaniu nastawialnych łopatek.
Na rysunku 6 pokazano przekrój piasty turbiny Kaplana z wbudowanym urządzeniem do nastawiania łopatek. Turbina ma w tym przypadku cztery łopatki 1, ułożyskowane w piaście na czopach. Na czopach tych osadzone są dźwignie połączone cięgnami 3 z płytką 4. Płytka 4 mocowana jest do drążka połączonego z tłokiem hydraulicznym 5. Przesuw tłoka serwomotoru powoduje jednoczesny obrót wszystkich łopatek. Rozdzielacz serwomotoru jest wbudowany w piastę turbiny 7. Drążek regulatora 6, przechodzący przez wydrążony wał turbiny, połączony jest z regulatorem turbiny. Moc turbiny Kaplana wynosi do 80 MW.


Rys. 6. Turbina Kaplana: a) szkic turbiny; b) piasta turbiny z wbudowanym serwomotorem: 1 - wirnik, 2- łopatka kierownicy, 3 - pierścień spiralny, 4 - prądnica, 5 - rura ssawna, 6 - drążek regulatora. 7 - piasta
Turbiny Peltona
Turbina Peltona (rys. 7) jest silnikiem wodnym, stosowanym przy spadach większych niż 500 m. Jest to turbina akcyjna, w której ciśnienie panujące na wlocie i wylocie wirnika jest jednakowe. Podobnie jak inne turbiny, składa się ona z kierownicy strumienia wody i obrotowego wirnika. W kierownicy następuje przekształcenie całego spadu na energię kinetyczną, przekazywaną na łopatki wirnika.

Rys. 7. Turbina Peltona
Kierownica turbiny Peltona jest nieruchoma. Składa się ona z dyszy D i współosiowej iglicy J, której osiowy przesuw umożliwia zmianę otworu wylotowego dyszy, a tym samym regulację strumienia wody, w zależności od obciążenia. Zasilanie wirnika może odbywać się jedną lub kilkoma dyszami. Przy poziomym usytuowaniu osi wirnika stosuje się zwykle dwie dysze, a przy pionowym - cztery. Wirnik turbiny składa się z tarczy zaopatrzonej na swym obwodzie w szereg równomiernie rozmieszczonych łopatek o kształcie podwójnych czarek, rozdzielających strumień zasilający na dwie symetryczne gałęzie i odchylających je niemal o 180. Turbiny Peltom umieszcza się w takiej wysokości nad dolnym poziomem wody, by czarki nie zanurzały się w wodzie, nawet przy najwyższym poziomie wody w kanale odpływowym.
Konstruktorem tej turbiny (zbudowanej w 1880 r.) jest Amerykanin L.A. Pelton. Konstrukcja ta przetrwała do dziś bez zasadniczych zmian. Turbiny Peltona są proste w budowie i mają wysoką sprawność (do 90%). Buduje się je o dużych prędkościach obrotowych i bezpośrednio przyłącza do prądnicy elektrycznej. Moc turbiny może dochodzić do 30 MW. Wiele krajów, np. Szwajcaria, Norwegia, wytwarza niemal cały
zasób energii elektrycznej w siłowniach wodnych za pomocą turbin Peltona. W Polsce I nie znajdują one zastosowania z powodu braku w naszych rzekach i strumieniach dużych spadów.
Moc i sprawność turbiny
Energia oddawana turbinie przez wodę w jednostce czasu (moc), w celu przetworzenia jej na moc użyteczną wynosi

Na skutek straty szczelinowej strumień wody VW oddziaływujący na wirnik jest mniejszy od strumienia dopływającego V Moc przetwarzana przez wirnik PW jest mniejsza od mocy Pt i można ją obliczyć ze wzoru

Stosunek Vw/V = ηw nosi nazwę sprawności objętościowej turbiny. Moc hydrauliczna Pu przeniesiona przez wirnik na wał turbiny jest mniejsza od mocy Pw wskutek strat hydraulicznych, do których zalicza się straty z powodu zmian przekrojów przepływu, straty z powodu zmian kierunku przepływu oraz straty z powodu tarcia w kanałach międzyłopatkowych kierownicy i wirnika, a także w rurze ssawnej turbiny. Straty te uwzględnia sprawność hydrauliczna ηw a więc

Moc użyteczna (efektywna) odbierana z wału turbiny jest pomniejszona o straty z powodu tarcia poza obrębem wnętrza kierownicy i wirnika turbiny w łożyskach, dławnicach i na zewnętrznych powierzchniach wieńców wirnika, ocieranych otaczającą je wodą. Straty te uwzględnia się za pomocą sprawności mechanicznej ηm a zatem

Sprawność efektywna turbiny jest iloczynem poszczególnych sprawności

Zastosowanie turbin wodnych
Elektrownie wodne
Moc elektrowni wodnej zależy od ilości wody kierowanej w jednostce czasu na turbinę oraz od wysokości spadu. Wiemy jednak, że ilość wody w rzekach zmienia się w ciągu roku, jak również w okresach dłuższych. Wahania stanu wody zależą od wielu czynników, takich 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 naukowych obserwacji można przewidzieć stany wody w rzekach zwane stanami przepływu. Przy określaniu zasobów energetycznych rzeki oznacza się tzw. przepływy 50-procentowe i 95-procentowe. Przepływem 50-procentowym (lub 95-procentowym) nazywa się taki przepływ, który trwa 50/0 (lub 95/0) rozpatrywanego czasu obserwacyjnego. Wielkości te przyjmowane są do obliczeń (przepływ obliczeniowi y).
Przy instalowaniu elektrowni wodnej podstawową sprawą jest określenie przepływu obliczeniowego i dobranie spadu.
Przy wyborze przepływu trzeba się kierować możliwościami . przejęcia przez zbiornik wody elektrowni wód powodziowych oraz zadaniami, które elektrownia ma spełniać w zakresie wytwarzania energii elektrycznej.
Nie mniej złożoną ważną sprawą jest dobór spadu. Z punktu widzenia energetyki najkorzystniejszy jest spad jak największy. Jednakże ze wzrostem spadu zwiększa się wysokość zapory spiętrzającej wodę, a tym samym zwiększają się przed zaporą obszary zalane wodą, na których mogą znajdować się cenne gospodarczo i tereny rolne, leśne, przemysłowe i osiedlowe. Wysokie spiętrzenie wody wymagałoby więc z kolei wzniesienia wałów ochronnych zabezpieczających sąsiadujące obiekty. Mogłoby się wtedy okazać, że nadmierne zwiększenie spadku było by nieekonomiczne.
Ostatecznego doboru przepływu i spadu dokonuje się na podstawie gruntownej analizy ekonomicznej szeregu rozwiązań. Spośród wielu rodzajów elektrowni wodnych najczęściej spotyka się elektrownie przepływowe i derywacyjne.
W przepływowej elektrowni wodnej całe jej urządzenie umieszczone jest w jednej budowli bezpośrednio w korycie rzeki. Sama elektrownia może być przedłużeniem zapory przegradzającej rzekę i wtedy spełnia dodatkowo funkcję odcinka zapory, może być również wzniesiona przy zaporze od strony dolnej wody i wtedy budynek elektrowni nie przynosi naporu wody górnej.
Rysunek 8 przedstawia elektrownię wodną przepływową, w której budynek elektrowni wznosi się przy zaporze od strony dolnej wody. Wodę do turbiny 6 doprowadza się przez otwory w zaporze 2 (zamykane zasuwą 4) i krótki kanał dopływowy 5. Z turbiny woda przechodzi do koryta rzeki przez rurę ssawną 8.
Sprzężona z turbiną prądnica 7 zamienia energię mechaniczną turbiny na energię elektryczną.
W elektrowni derywacyjnej (rys. 9) zapora nie tylko spiętrza wodę, ale również ujmuje i doprowadza ją do kanału derywacyjnego 6 0 łagodnym spadku. Na końcu kanału tworzy się zbiornik 7 górnej wody, która rurociągami ciśnieniowymi 8 doprowadzana jest do turbin umieszczonych w budynku elektrowni 9, a następnie kanałem odpływowym 10 do naturalnego koryta rzeki I1. Przepływ wody starym korytem 5 na odcinku między zaporą a budynkiem elektrowni ma miejsce w razie upuszczania wody przez przelewową część zapory 2 z pominięciem turbin.
Straty ciśnienia w urządzeniach derywacyjnych są znacznie mniejsze od strat, które powstałyby przy przepływie wody starym korytem. Wskutek otrzymania umiejscowionego spadku wody powstaje spad użyteczny. Elektrownie derywacyjne stosuje się zwykle na rzekach górskich.

Rys. 8. Elektrownia wodna przepływowa
1 - budynek elektrowni, 2 - zapora, 3 - górna woda, 4 - zasuwa, S - kanał do• pływowy, 6 - turbina, 7 - prądnica, 8 - rura ssawna, 9 - dolna woda

Rys. 9. Elektrownia wodna derywacyjna
1 - górna woda, 2 - zapora przelewowa, 3 - zapora stała, 4 - ujęcie wody, 5 - koryto rzeki,
6 - kanał derywacyjny, 7 - zbiornik górnej wody, 8 - rurociągi turbinowe, 9 - budynek elektrowni, 10 - kanał odpływowy, 11 - dolna woda
Dla prawidłowej pracy elektrownia wodna jest wyposażona w urządzenia do wytwarzania sprężonego powietrza, w instalacje wodociągowe, w urządzenia do przechowywania i oczyszczania y oleju turbinowego i transformatorowego oraz w urządzenia dźwir gowe do obsługi maszyn i zasuw.
Energetyka wodna w kraju
Zasoby energetyczne Polski ocenia się na ok. 1 miliona kW dla przepływu 95% i ok. 2,3 miliona kW dla przepływu 50/0. W obecnej pięciolatce nakłady na gospodarkę wodną w kraju wynoszą 30 mld złotych, z których część przewidziana jest na obiekty wykorzystujące energię wodną.
Do eksploatacji przekazano np. zbiorniki z hydroelektrownią w Dębem na Narwi, zbiornik wodny na Czarnej Przemszy, mający duże znaczenie dla zaopatrzenia w wodę pobliskiej elektrowni Łagina. Ponadto z dużych inwestycji wymienić można kanały Wieprz-Krzna oraz Żerań-Zegrze i wiele innych.
W związku z realizacją planowanych systemów gospodarki wodnej ma powstać 21 elektrowni o łącznej mocy 770 MW. Z tych elektrowni wybudowano już m. in. elektrownię Solina na Sanie (120 MW), elektrownię Tresna na Sole (24 MW) i inne. W wyniku uchwał został zrealizowany stopień i zbiornik wodny na Wiśle we Włocławku z elektrownią o mocy 160 MW.
Planowana rozbudowa gospodarki wodnej prowadząca do zwiększenia wyrównania przepływu w rzekach umożliwi w perspektywie do roku 2000 znaczny rozwój żeglugi, daleko idące wykorzystanie zasobów energii wodnej.