Objašnjavajući strukturu prirode i kosmosa, još su starogrčki filozofi postavili koncept da su vatra, zemlja, vazduh i voda četiri osnovna elementa pomoću kojih se ostvaruje pojavna ili suštinska egzistencija svih postojećih stvari i svega od čega se te stvari sastoje. Iza takvog gledišta stoji višemilenijumsko posmatranje prirode, kao i ljudski napor da te elemente savlada, iskoristi za svoje potrebe i upotrebi ih praktično. Snagu vode, može se reći, ljudi su zapazili na početku svog razvoja, a savremena nauka potvrđuje da je razvoj civilizacije usko vezan za korišćenje energije vode.
Pretpostavlja se da je čovek počeo da koristi najpre snagu rečnog toka i to za transport drveta i drvne građe. Takav način transporta, sa viših planinskih područja ka podnožju, održao se i do današnjih dana. Tako se, recimo, na Drini drveni trupci i balvani povezuju u splavove koji se spuštaju niz reku. Čak se i u bogatoj Švedskoj koristi sličan, ali usavršeni način transporta drvne građe. Tamo se, naime, svaki trupac obeležava oznakom određene firme kako bi se izbeglo mešanje građe više preduzeća koja koriste isti vodni put. A pojedini vodni putevi su i podužno podeljeni trupcima, pa svaka firma ima svoj vodni put.
Šema Kaplanove turbine HE „Đerdap 1“
Prva vodna kola
Smatra se da je vodno kolo počelo da se koristi u Mesopotamiji pre više od dve hiljade godina. Za potrebe navodnjavanja korišćeni su beskrajni lanci sa koficama kojima je podizana voda sa nižeg na viši nivo. Podatke o tome kako je iskorišćena energija vodenog toka za pogon tog uređaja dao je Filon Vizantijski u 3. veku pre nove ere. Inače, hroničari razvoja nauke kažu da je vodni točak sa lopaticama izmislio izvesni Ktesibije iz Aleksandrije 135. godine pre nove ere. Njegov učenik Heron Aleksandrijski je desetak godina kasnije otkrio princip reakcije, i pokazao dejstvo mlaza vodene pare u „obrtnoj lopti”, prototipu parne turbine.
Zabeleženo je i da su se u 2. veku stare ere u Iliriji, koja je obuhvatala zapadni deo Balkanskog poluostrva, koristila vodna kola sa vertikalnim vratilom kojim je pokretan vodenični kamen za mlevenje žita. U publikaciji „Vek elektrike” navodi se da su otvoreno vodenično kolo, kao preteču vodne turbine, u Evropu doneli Mavari, preko Severne Afrike i Španije. Vodna kola su bila u upotrebi veoma dugo, a njihov razvoj i usavršavanje počinju od srednjeg veka. Prva istraživanja i proučavanja dejstva vode na vodno kolo potiču iz vremena Galileja.
Vodna kola su se koristila za pogon vodeničnih kamenova za mlevenje žita, za valjanje sukna, kasnije kao pogon kovačkih čekića za kovanje metala, u rudarstvu za izvlačenje rude... Vodno kolo nije menjalo svoj oblik sve do 19. veka, kada počinje izgradnja vodnih turbina i njihovim korišćenjem proizvodnja električne energije.
Od vrtloga do turbine
Istorija modernih turbina počinje sredinom 18. veka, kada je nemački fizičar Johan fon Segner, prvi put, iskoristio reaktivne sile za dobijanje vodenog mlaza. On je, naime, napravio vodno kolo koje je koristilo potencijalnu energiju vode, pa je pritisak vode proizvodio kružno gibanje (slično kao kod prskalica za zalivanje trave). Ovaj princip kasnije je iskoristio Amerikanac Lester Pelton za konstrukciju svoje „akcijske slobodnomlazne turbine”, po njemu nazvane – Peltonova turbina.
Svoj najveći razvoj turbine su doživele u 19. veku, u vreme industrijske revolucije, kada je došlo do velikih naučnih otkrića. Tom razvoju doprinela je i pojava novih materijala i novih metoda proizvodnje.
Inače, samu reč „turbina” uveo je francuski inženjer Klod Borden početkom 19. veka i potiče od latinske reči turbina koja je označavala pojmove „vrtlog” i „vrtloženje”. Vodna turbina je vrlo slična vodnom kolu kao obrtnoj mašini koja energiju vode transformiše u mehaničku energiju.
Od 1905. godine počela je da se koristi Fransisova vodna turbina, nazvana po svom konstruktoru, Džemsu Fransisu. Ove turbine našle su najširu primenu u izgradnji hidroenergetskih postrojenja. Prečnik njihovog radnog kola kreće se od 0,35 pa do 9,5 metara, a snaga od 5 kilovata do 800 megavata.
U pomenutoj publikaciji dati su podaci i za Kaplanovu turbinu – austrijski inženjer Viktor Kaplan je u periodu od 1913. do 1922. godine razvio osnu turbinu sa promenljivim nagibom lopatica radnog kola.
Daljim razvojem išlo se na poboljšanje izbora najkvalitetnijih materijala (legirani čelici) i odgovarajuće tehnologije izrade pojedinih delova turbina.
Fransisova turbina na HE „Bistrica“
Prve turbine u Srbiji
Konstruktor prve vodne turbine u Srbiji bio je inženjer Todor Selesković. Turbina je izrađena u Vojno-tehničkom zavodu u Kragujevcu 1885. godine, za potrebe strugare na Stolovima. Radila je sa protokom 22,24 litra u sekundi, pri padu vode od 27 metara i sa učestanošću obrtanja od 229,3 u minuti. A četiri godine kasnije (1889), u okviru obeležavanja petstote godišnjice bitke na Kosovu, započela je izgradnja hidroelektrane u okviru nove barutane „Obilićevo” kod Kruševca. Za ovu elektranu izrađene su još tri turbine istog oblika kao što je bila ona na Stolovima.
Proizvodnja hidrauličnih turbina u Srbiji započela je osnivanjem privatnog preduzeća „Fabrika mašina i livnica Pejić-Stevanović i kompanija” 1900. godine u Pirotu. Pored turbina, fabrika je proizvodila i mašine za ciglarstvo, rezervne delove za flotaciju „Trepča” i flotaciju pumpe. Četiri godine po osnivanju, fabrika je preseljena u Niš, a posle Drugog svetskog rata ona je nacionalizovana i radila je pod imenom „Jastrebac”. Do 1940. godine u toj fabrici proizvedeno je 14 Francisovih turbina za osam hidroelektrana („Sokolja”, „Kuršumlija”, „Istok”, „Vučje”, „Temac”, „Brus”, „Žagubica” i „Sumrakovac”).
Inače, prva Kaplanova turbina u ondašnjoj Jugoslaviji izrađena je na Tehničkom fakultetu u Beogradu, a njen konstruktor je bio Nikola Obradović, profesor na Mašinskom fakultetu.
Danas, u 16 hidroelektrana „Elektroprivrede Srbije” montirano je 50 turbina: 24 Kaplanove (na obe đerdapske elektrane 16, u HE „Zvornik” četiri, i u obe „Elektromoravine” elektrane po dve), 22 Francisove (po dve turbine su u tri „Vrle”, u bajnobaštanskoj reverzibilki, „Pirotu”, „Bistrici” i „Kokinom Brodu”, „Bajina Bašta” ih ima četiri, „Potpeć” tri, i „Uvac” jednu). Jedine „Peltonke”, njih četiri – nalaze se na „Vrli 1”. Ukupna snaga 50 hidroagregata je 2.835 megavata.
Posebnu vrednost u sistemu „Elektroprivrede Srbije” ima reverzibilna hidroelektrana „Bajina Bašta”. Ova elektrana je specifična po tome što ima u svom sastavu gornju i donju akumulaciju, koje su između sebe povezane cevovodom sa hidrauličnom mašinom, koja može da radi naizmenično, i kao pumpa i kao turbina. Kada u elektroenergetskom sistemu ima viška energije, agregati ove elektrane rade u pumpnom režimu, troše električnu energiju iz sistema i tada transportuju, pumpaju vodu iz donje u gornju akumulaciju. Kada je sistemu potrebna električna energija, ovo postrojenje koristi vodu podignutu na visinu i počinje da radi kao turbina.
Pre 50 godina, 7. septembra 1964, predsednici Jugoslavije i Rumunije su otkrivanjem spomen-ploča označili početak izgradnje hidroenergetskog i plovidbenog sistema „Đerdap”. „Tog ponedeljka, već od ranih jutarnjih časova hiljade ljudi su se kretale prema Sipu, mestu na Dunavu gde je počinjala izgradnja giganta” – zapisano je u jednoj od mnogobrojnih publikacija o izgradnji ove elektrane. Kada je nekoliko godina kasnije (1971) ugrađeno po šest hidro-agregata u elektrane, na obe strane, bile su to najveće jedinice te vrste u svetu. Prečnik vertikalnih Kaplanovih turbina iznosi 9,5 metara, a instalisani protok vode je 800 metara kubnih u sekundi. Prečnik rotora generatora je gotovo 15 metara, njegova težina 640 tona. Na drugoj đerdapskoj hidroelektrani ugrađeno je 10 cevnih turbina, a generatori su postavljeni u blindiranom oklopu i sa turbinama čine jednu konstruktivnu celinu. Ovakvi cevni agregati danas imaju veliku primenu.
S. Roslavcev