MIKROELEKTROWNIA WODNA.doc

(Artykuł z pisma UROB SI SAM przetłumaczony później w Młodym Techniku nr 1 i 2 - 1987 r.)

    W Polsce oraz w wielu innych krajach jest dużo domków wypoczynkowych (rekreacyjnych) i altan nie podłączonych do sieci elektrycznej, w pobliżu których przepływają strumyki (potoki). Nawet mały strumyk może być dostatecznym źródłem energii do oświetlenia i radiofonizacji domku (czy też np. obozu harcerskiego).

Turbina przedstawiona na fotografiach jest pionową turbiną śrubową, która połączona z prądnicą lub alternatorem tworzy dostateczne źródło światła dla oświetlenia domku. Jak zapewnia autor (niniejszy artykuł jest opracowaniem na podst. czasopisma „Urob si sam”) turbina była użytkowana w ciągu sześciu lat przy spadku 0,95 m i przepływie 23 1/s. Na zaciskach prądnicy uzyskiwano moc 75 W przy napięciu akumulatorów 25 V, które prądnica ładowała prądem 3 A. Turbina wodna została wykonana prostym sposobem łącznie z odlewaniem niektórych części z aluminium.

W tabeli poniżej przedstawione są wartości odnoszące się do turbiny mogącej pracować przy spadkach do 2 m.

Tabela nr 1

Turbina zbudowana jest jako pionowa, komorowa, z promieniowym wlotem do kierownicy. Główne łożysko wału turbiny znajduje się na górnym poziomie, na wieku komory. Na zestawieniowym rysunku 1 (zestawu turbiny śrubowej) podane są także główne wymiary wykonawcze poszczególnych części. Podkreślamy, że wymiary samej turbiny muszą być koniecznie zachowane, natomiast pozostałe wymiary należy wykonać wg dostępnych materiałów.

Długość wału (1), długość rury ochronnej (5) i długość rury ssawnej (23) muszą być dostosowane do wielkości użytkowego spadu strumienia. Budowa turbiny wymaga także umiejętności obróbki metali i drewna, niektóre części pomimo tego muszą być wykonane w warsztacie rzemieślniczym, gdzie jest możliwość wykonania robót na wiertarce, tokarce, a także lutowania.

Rys. 1

Wykonanie elementów

Wał (1) wykonamy ze stali, jego wielkość musi być dostosowana do wielkości spadu. Musimy przy tym pamiętać, aby maksymalna długość wału była zachowana wg tabeli 1. Śrubę (2) tworzy piasta (2.1) z mosiężnej rury z czterema przylutowanymi łopatkami (2.2) z ocynkowanej blachy (rys. 2). Lutowanie łopatek na masywnej piaście (3) może być utrudnione ze względu na intensywne odprowadzanie ciepła, jednak lutowanie bez niej może być powodem deformacji tulei (2.1) co byłoby bardzo niekorzystne. Oczywiście spoina na łączeniu łopatek z piastą musi być wysokiej jakości. Od jakości i dokładności wykonania łopatek (2.2) zależy dobra praca całej turbiny, dlatego ich wykonaniu musimy poświęcić więcej czasu i zrobić je bardzo starannie.

Łopatki (2.2) zrobimy z cynkowanej blachy grubości 0,8 mm, wg szablonu wykreślonego i wykonanego wg rysunków 3, 4 i 5. Forma i kształt tego szablonu odpowiada kątom wejścia i wyjścia łopatek kierownicy, której praca odpowiada parametrom podanym w tabeli na str. 55. Szablony łopatek wykonamy też samodzielnie. Z deseczek z twardego drewna grubości dokładnie 5 mm wystrugamy warstwy szablonu wg rysunku 3, zachowując rozmiary i kąt pokazane na płytkach 1-6. Kąty w stopniach odpowiadają kątom o punkcie zaczepienia promienia R, z którego poprowadzone są łuki o promieniach 20, 30, 40, 50 i 60 mm. Na dokładnie wyciętych deseczkach wykreślimy dobrym, kolorowym ołówkiem obrys warstwic. Na każdej następnej oznaczone jest linią przerywaną i cyfrą położenie deseczki poprzedniej. Na rys. 4 pokazany jest obrys łopaty wyznaczony liniami połączenia warstwic.

Na deseczce 1 linia prosta 0-0 oznacza początek linii krzywej wyznaczonej promieniem R = 20. Ta linia będzie odpowiadać wejściu krawędzi łopaty. W ten sposób przygotowane deseczki skleimy i uzyskamy kształt szablonu (rys. 5) stopniowany tak, jak te wyznaczone warstwami 6, 5 i 4. Następnie modelarskim, zagiętym tarnikiem i papierem ściernym obrabiamy szablon, pamiętając o tym, aby nie znikły linie oznaczające warstwice. Końcowym zabiegiem jest wygładzenie i wypolerowanie powierzchni formowania łopaty. Do szablonu dorobimy metalową (lub z twardego drewna) pokrywkę, przykręcaną dwiema śrubami do górnej powierzchni szablonu (rys. 5); pokrywka ma wymiary 40x40 mm, a jej grubość 4 lub 5 mm. Przykrywka będzie służyć do uchwycenia wycinka blachy przyszłej łopatki, podczas formowania.

Mając przygotowany szablon możemy zabrać się do wykonania wycinków blachy, z których będą kształtowane łopatki. Z ocynkowanej, stalowej blachy wycina się kształt przybliżony do zarysu widocznego na rys. 5, z dodatkowym występem (40x40 mm) dla uchwycenia blachy pokrywką (z dociskiem). W przygotowanej blasze wiercimy dwa otwory dopowiadające otworom szablonu, pod dwie śruby. Po przymocowaniu wyciętej blachy do deseczki wyklepujemy ją w taki sposób, aby dobrze przylegała do szablonu. Po wyklepaniu łopatki odejmujemy ją od szablonu i dokładnie wyrównujemy. Od dokładnie wyrównanej łopatki odcinamy część służącą do zamocowania jej w szablonie (po linii 0 - 0). Przeciwległe krawędzie blachy łopatki (na wejściu i wyjściu) dokładnie opiłowujemy. Wykonane wg szablonu łopatki dokładnie kontrolujemy i koniecznie poprawiamy wszystkie nieścisłości. W ten sposób wyginamy wszystkie cztery łopatki oraz ewentualnie rezerwowe.

Do przylutowania do tulei wybierzemy cztery łopatki wykonane możliwe jednakowo, a przynajmniej najlepiej. Jeżeli nie mamy zamiaru używać szablonu do kształtowania dalszych łopatek, to możemy posłużyć się nim jako przyrządem do lutowania. Musimy tylko usunąć część służącą do mocowania tj. odciąć szablon wzdłuż linii 0-0. Uzyskany w ten sposób przyrząd umocujemy na podstawce zrobionej z drewnianej deski z  40 mm, do którego wkładamy tuleję. Łopatkę kładziemy na skośnejÆotworem  powierzchni przyrządu tak, aby wstępna krawędź pokryła się z krawędzią 0-0. Łopatkę przyciskamy do przyrządu i miękkim lutem lutujemy do tulei. Tuleję z przylutowaną łopatką obracamy o 90° i w ten sam co poprzednio sposób lutujemy pozostałe łopatki. Po przylutowaniu łopatek z jednej strony, lutujemy, już bez przyrządu, z drugiej strony. Następnie dokładnie opiłowujemy pilnikiem spoiny, usuwając nadmiar lutu. W czasie tych prac śrubę statycznie wyważamy. Na tuleję (3), wykonaną ze stali, nasuwamy gotowe koło łopatkowe (2) i w razie potrzeby zabezpieczamy przed obracaniem się.

Kierownicę (4) wykonamy z ocynkowanej stalowej blachy, również grubości 0,8 mm (rys. 6). Składa się ona z dwu pierścieni kołowych (4.1 i 4.2), między które wlutowuje się miękkim lutem szesnaście łopatek (4.3). Ważne jest by kąt wypływu wynosił 58°30', odchyłka nie może być większa niż 1°.

Na ochronną rurę (5) użyjemy stalowej rury, jej długość musimy ustalić wg wielkości spadu. Średnicę rury pokazanej na rysunku 1 należy dobrać bardzo starannie, a osadzenie jej na górnym i dolnym końcu przygotować wg tegoż rysunku. Dolne, przelotowe łożysko (6) wykonamy ze stali, dopasujemy do niego tuleję (7) z mosiądzu, brązu lub teflonu i cały ten zestaw wmontujemy do rury ochronnej (5).
Piasta rozdzielcza koła (8) została odlana z aluminium. W tym przypadku trzeba wykonać formę tak, by uwzględnić naddatek na obróbkę. Zarys elipsy odpowiada elipsie o osiach a = 50 mm i b = 42,5 mm.
Podkładkę (9) pod kierownicę zrobimy z drewnianych segmentów, które muszą być zaimpregnowane. Gotową podkładkę przykręcamy przy montażu do dna komory turbinowej (24).
Dopasowany klin (19) o wymiarach 5x5 mm wykonamy ze stali i osadzimy w wałku (1) i tulei (3).
Grot koła (11) może być robiony z aluminium lub ze stali. Śrubę (12) uzyskamy ze śruby M6 w ten sposób, że odcinamy jej łeb, a na trzonie nacinamy kanałek pod wkrętak. Pod tę śrubę trzeba włożyć do otworu miękką podkładkę (13) z miedzi lub ołowiu, dla ochrony przed odkręcaniem. Sześć śrub M6 (14) i sześć śrub M5 (15) służy do połączenia kierownicy (4) z tuleją (8).
Łożysko (16) 6302 (15x42x13 mm) ma za zadanie przenoszenie osiowych i promieniowych sił działających na wał (1).
Dwudzielny krążek (17) wykonany z twardej stali, przenosi osiowe siły z wału (1) na łożysko (16). Włożymy go do kanałka szerokości 5 mm w wałku; dlatego musi on być zrobiony z dwóch połówek.
Przesuwny krążek (18) wykonamy także ze stali. Przy montażu przewleczemy przez dwudzielny krążek (17) włożony na wał zabezpieczający pierścień Segera (19). Klin (29) o wymiarze 5x5 mm wykonamy ze stali i osadzimy na czopie wału.
Przykrywkę (21) górnego łożyska (16) zrobimy ze stalowej blachy grubości 0,5 mm metodą wyoblania na tokarce, na drewnianym szablonie.
Tuleja (22), w której jest osadzone łożysko służy także jako kołnierz do zamocowania prądnicy lub alternatora. Możemy go także odlać z aluminium, podobnie jak tuleję (8).
Rurę ssącą (23) wykonamy z ocynkowanej blachy grubości 0,8 -1 mm, wg rysunku 7.
Aby nie pogorszyć sprawności turbiny rura musi tworzyć stożek, którego kąt boczny wynosi 3,5°. Oznacza to, że średnica ssawki nie może powiększyć się na końcu więcej niż o 140 mm na 1 m długości. Długość rury ssawnej musimy naturalnie przysposobić do wielkości wykorzystywanego spadu, a na górnym, walcowym końcu ssawki należy przymocować kołnierz.
Ssawkę wsuwamy do podkładki-klocka (9), przy montażu kołnierz przykręcimy przez uszczelkę (25) do dna komory turbinowej (24); jako uszczelka może posłużyć np. gruby karton nasycony pokostem.
Turbinę łopatkową wykonaną wg powyższego opisu montuje się do drewnianej komory turbinowej.

Budowa komory turbinowej

Komora może być dwojakiego typu:
- z mimośrodowym umieszczeniem turbiny i blaszaną spiralną wkładką (rys. 8), albo
- ze środkowym doprowadzeniem wody w górnej części komory (rys. 11).

W komorze pierwszego typu, ze spiralą, wykorzystuje się energię kinetyczną wody doprowadzonej rurą dopływową do komory. Wystarczy przeto mniejszy przekrój rury, której wylot przymocowany jest do czołowej ściany mimośrodowej komory. Komora nie musi być tak głęboka jak komora bez spirali, przeto spodni wieniec kierownicy może być umieszczony na równi z dnem rury dopływowej. Wymiary komory również mogą być mniejsze niż wymiary komory drugiego typu.

Komora drugiego typu ma wylot rury dopływowej doprowadzony do czołowej ściany. Ogólne wymiary komory muszą być większe niż poprzednie dlatego, że kierownica musi być umieszczona pod poziomem dna rury dopływowej (lub rynny), aby woda mogła równomiernie (promieniowo) przepływać przez cały obwód kierownicy.

Głębokość komory musi być w obu przypadkach przystosowana do długości wału (a zatem wielkości spadu), zależy więc od miejscowych warunków.
Komorę ze spiralą wykonamy wg rys. 8, 9, 10. Bez względu na typ, komorę wykonamy z drewnianych, wyrównanych i wygładzonych desek, grubości 20 mm. W celu lepszego uszczelnienia, warto użyć desek łączonych na wpusty. Do zmontowanych bocznych ścian przykręcimy wkrętami do drewna beleczki z łat o przekroju 60 x 25 mm. W dnie komory (24) musimy wyciąć otwór Æ 125 mm dla rury ssawnej. Naokoło tego otworu umocujemy drewniany pierścień-podkładkę (9). Tylną ścianę (28) usztywnimy i połączymy tylko jedną beleczką.
W przedniej ścianie (31) musimy wyciąć mimośrodowo umieszczony otwór o wymiarach 250x250 lub 300x300 mm. Otwór ten otoczymy (wzmocnimy) kołnierzem (32). Całą komorę możemy już zmontować wg rys. 8. Przykrywę komory (29) zrobimy z desek skręconych dwoma kawałkami kątownika (34) o przekroju 30x30x4 mm. W przykrywie musimy wyciąć otwór o średnicy 70 mm, dla kołnierza (22) z łożyskiem turbiny. Jeżeli uznamy to za konieczne, to wzmocnimy ten otwór dwiema beleczkami (39).
Rurę dopływową (36) zrobimy z ocynkowanej blachy grubości 1-1,5 mm, o wymiarach 250 x 250 lub 300 x 300 mm, zależnie od tego, jaką wybierzemy spiralę (49). Na końcu rury przylutujemy lub przynitujemy obrzeże z kątownika 30 x 30 x 4 mm. Do tego kątownika przykręcimy drewniany kołnierz (33) wykonany z desek grubości 20 mm, szerokości 75 mm.
Z ocynkowanej blachy grubości 1 mm zwijamy spiralę (40), którą włożymy do komory i zamocujemy wkrętami w miejscach styku ze ścianami, oraz drewnianymi rozpórkami narożnymi (38). Przykręcimy ją również do wkładki (39); jej kształt przygotujemy tak, aby wypełniła przestrzeń przy zakończeniu spirali.

Komorę ze środkowym dopływem - wykonamy wg rysunku 11, przy czym postępujemy podobnie jak podczas budowy komory ze spiralą. Różnica polega jedynie na wymiarach ścian, dna i przykrywki. Do tej komory wykonamy rurę dopływową o przekroju kwadratowym 300 x 300 mm, którą w miejscu połączenia z komorą możemy rozszerzyć do wymiaru 300 x 400 mm...