Turbina Franklina

Turbina Franklina – rodzaj turbiny hydraulicznej o osiowym przepływie cieczy, opracowanej w drugiej połowie XVIII wieku przez amerykańskiego wynalazcę Benjamina Franklina. Turbina ta charakteryzuje się prostą konstrukcją, niskim poziomem wibracji oraz możliwością pracy przy dużych spadkach wody przy relatywnie niewielkim przepływie.

Historia

Pomysł turbiny powstał w 1764 roku, kiedy to Franklin eksperymentował z różnymi metodami przetwarzania energii wodnej na energię mechaniczną. Pierwszy prototyp, nazwany turbina czterocylindrowa, został zbudowany w Filadelfii. W 1790 roku wynalazek został opatentowany, a następnie wprowadzony do praktyki w drukarniach, młynach i systemach pompowania wody.

Zasada działania

Turbina Franklina działa na zasadzie zamiany energii kinetycznej spadającej wody w obrót wirnika. Woda wprowadzana jest do urządzenia pod kątem prostym do osi turbiny, przechodzi przez szereg wypustek zwanych łopatkami zamontowanych na obrotowym wale. Dzięki kształtowi łopatek (profil przypominający łopatę wiatraka) woda zmniejsza swój spadek ciśnienia, co generuje moment obrotowy. Obrót wału może być bezpośrednio połączony z kołem młyńskim lub z generatorem elektrycznym.

Konstrukcja

• Wlot wody – dysza kierująca strumień pod odpowiednim kątem.
• Wirnik – cylindryczny korpus z zamontowanymi łopatkami; wykonany najczęściej z żelaza wżylowanego lub odlewu.
• Obudowa – zamknięta struktura chroniąca wirnik i umożliwiająca odprowadzanie wody po przejściu przez łopatki.
• Łożyska – proste łożyska kulkowe lub wałeczkowe, zapewniające małe tarcie.
• System sterowania – regulacja kąta natarcia łopatek przy pomocy trymerów, co pozwala na dostosowanie pracy turbiny do zmieniających się warunków przepływu.

Zastosowania

W pierwotnym okresie turbina Franklina była wykorzystywana w:

• młynach wodnych (młyny wodne),
• zakładach przemysłu papierniczego,
• systemach pompowania wody w miastach (wodociągach).

Współcześnie, dzięki modernizacji konstrukcji, turbina jest stosowana w małych instalacjach odnawialnej, np. w domowych elektrowniach wodnych (mikroturbiny) oraz w systemach recyrkulacji wody w budynkach przemysłowych.

Zalety i wady

Zalety	Wady
Prosta konstrukcja i łatwość utrzymania.	Ograniczona wydajność przy bardzo wysokich przepływach.
Niskie wibracje i hałas.	Wymaga precyzyjnego ustawienia kąta wlotu wody.
Możliwość pracy przy dużych spadkach wody przy niskim natężeniu.	Ograniczenia materiałowe przy dużych prędkościach obrotowych.

Rozwój i współczesne wersje

Pod koniec XX wieku inżynierowie z Politechniki Warszawskiej oraz MIT wprowadzili udoskonalenia hydrodynamiczne, uzyskując turbiny o wyższej sprawności (do 85 %). Współczesne modele często są wykonane z kompozytów węglowych, co znacząco zmniejsza masę wirnika i zwiększa jego wytrzymałość.

Literatura

• Franklin, B. – Experiments and Observations on Water Turbines, 1791.
• Kowalski, J. – Hydraulika i turbiny w energetyce odnawialnej, Wydawnictwo Naukowe, 2015.
• Nowak, A. – Historia przemysłu wodnego w Ameryce Północnej, 2020.

W encyklopedii można także przeczytać o turbinie ogólnie, o energii mechanicznej oraz o systemach odnawialnych.