Kaplanova turbína vznikla ve sklepní laboratoři

Tisíce takzvaných Kaplanových turbín se začaly téměř před sto lety rodit v Brně. Připomínají jméno vynálezce vodní turbíny, a především jeho zásluhy o rozvoj využití vodní energie. Profesora brněnské techniky Viktora Kaplana proto představuje další díl seriálu Brněnského deníku Rovnost Jihomoravané, kteří dobyli svět.

Viktor Kaplan nebyl Čech, ani se v Brně nenarodil. Prožil tam ale většinu svého života a přišel tam i na svůj vynález, který od té doby využívá celý svět. Už před první světovou válkou v roce 1912 navrhl vlastní, velmi originální typ vrtulové vodní turbíny s nastavitelnými lopatkami oběžného kola.

Narodil se 27. listopadu 1876 v rakouském městečku Mürzzuschlag. Po dokončení Vysoké školy technické ve Vídni, kde studoval stavbu strojů a dieselových motorů si odbyl roční vojenskou službu u rakouského válečného námořnictva v nyní chorvatském přístavu Pula. První místo přijal v továrně na výbušné motory v rakouském Leobersdorfu. Zajímal se tam o vývoj spalovacích motorů a přihlásil tam svůj první patent na zlepšení tepelné účinnosti motoru. Ten však firma nepřijala. Jeho druhá práce u firmy spočívala ve využití vysoce stlačených plynů v provozu tepelných motorů.

Dvakrát účinnější

V roce 1903 nastoupil na Německou vysokou školu technickou v Brně jako konstruktér Ústavu nauky o strojích, kinetice a strojírenství. Už v té době se živě zajímal o vodní turbíny a ekonomické využití vodních toků. „Průmyslová revoluce vyžadovala stále více zdrojů energie, proto chtěli vědci využít i vodní toky s malým spádem. Na ně se tehdy obvyklé Francisovy turbíny nehodily,“ popisuje dobu technického boomu Pavel Krafka z Českého vysokého učení technického v Praze. V roce 1909 se z Kaplana stal doktor technických věd a v témže roce si vzal za manželku vídeňskou rodačku Margaretu Strasserovou. Měl s ní dvě dcery Gertraud a Margarettu.

Po založení samostatné katedry vodních strojů byl Kaplan v roce 1918 jmenován řádným profesorem této katedry. V malé turbínové laboratoři, kterou ve sklepních prostorách na německé technice v Brně vybudoval, vytvořil postupně turbínu zcela nového typu. „Nejprve snížením počtu lopatek a zúžením jejich profilu snížil ztráty vzniklé třením, později zkonstruoval lopatky, které se daly za chodu turbíny natáčet a přizpůsobovat změněným průtokovým podmínkám. To umožnilo hospodárně využívat i silně proměnlivé vodní toky,“ vysvětluje technické změny na turbíně Krafka.

Kaplan předtím zkoušel vylepšit i Francisovu turbínu. Je to vodní přetlaková turbína, to znamená, že voda během cesty strojem mění tlak a při tom odevzdává svou energii. Ve své laboratoři sestrojil Kaplan extrémní Francisovu turbínu. Avšak její vlastnosti ho zklamaly, a proto se začal zabývat zcela novou konstrukcí. Šlo mu o to najít co nejvhodnější parametry pro různě velké průtoky a spády vody a vylepšit tak účinnost stroje. „Při pokusech s prouděním vody měnil počet lopatek, různě je tvaroval, nastavoval a modeloval tvar sací trubky i oběžného kola. Postupně objevoval, že lopatky rychloběžné turbíny se musejí tvarem podobat lodnímu šroubu a podle množství protékající vody je zapotřebí je i natáčet. Malým počtem lopatek získala turbína účinnost třiadevadesáti procent. Téměř na koleně vytvořil funkční turbínu s nepředstavitelnými osmi sty otáčkami za minutu. To bylo dvakrát víc, než měla v té době nejúčinnější turbína Francisova,“ upozorňuje Krafka.

Spory o patenty

Všechny vynálezy si Kaplan mezi lety 1912 až 1914 nechal patentovat. Německým, švýcarským a švédským firmám, které se zabývaly výrobou zavedených turbín a investovaly nemalé prostředky do vývoje Francisových turbín, se Kaplanovy vynálezy nelíbily a o patentová práva se s ním začaly soudit. V té době byl Kaplanovou velkou oporou jeho asistent na technice Jaroslav Slavík.

První světová válka a patentové spory odsunuly využití Kaplanových vynálezů až do roku 1918, kdy brněnská strojírna a slévárna Ignáce Storka vyrobila první Kaplanovu turbínu pro přádelnu v dolnorakouském Velmu. Její zkušební provoz zahájil profesor vídeňské techniky Artur Budau. Poté následovala výroba turbín do dalších vodních elektráren a mezinárodní spolupráce s firmami sdruženými v Kaplanturbinenkonzernu.

Pracovní vypětí a boj o uznání vynálezů vyústily u Kaplana v dlouhodobé nervové onemocnění. „Většinu starostí o spolupráci s týmy pracovníků licenčních firem, konstrukci, provoz a patenty přebral od roku 1922 Slavík,“ dodává Krafka. Novými Kaplanovými turbínami pak byla vybavená řada hydrocentrál například v Loučné, Rapotíně, Kroměříži, italské Gorizii a švédském Lilla Edet. Celkem podal Kaplan na své vynálezy 280 patentových přihlášek v sedmadvaceti státech světa.

V roce 1926 ocenila Kaplanovu práci Pražská vysoká škola technická udělením čestného doktorátu technických věd. V roce 1931 se Kaplan odstěhoval do malé usedlosti v Rochuspointu v hornorakouské Solné komoře. Postavil si tam vlastní dílny a malou elektrárnu. Tam také 23. srpna 1934, krátce po udělení čestného doktorátu technických věd na brněnské technice, Viktor Kaplan zemřel.

Osobnost UNESCO

V Brně je významnému vynálezci a konstruktéru turbíny věnována část expozice Vodní motory v Technickém muzeu. Muzeum se také chlubí rozsáhlou písemnou pozůstalostí Viktora Kaplana i jeho asistenta Jaroslava Slavíka. Sedmnáct archivních kartonů ukrývá originály patentů udělených vynálezům Kaplana v jednotlivých státech, materiály vzniklé po dobu Kaplanovy vědecké práce i dokumenty z patentových řízení.

Pozůstalost získalo muzeum od Jaroslava Slavíka, městské rady z Murzzuschlagu a z dalších pramenů. „Zahrnuje Kaplanovu korespondenci, patentové přihlášky, brzdové diagramy, protokoly ze zkoušek různých oběžných kol a savek nebo například garanční zkoušky Kaplanových turbín ve zkušebně firmy Storek. Jsou v ní i doklady o placení zmeškaných patentových poplatků,“ uvádí vedoucí expozice Ondřej Merta. Patenty byly Kaplanovi uděleny v Japonsku, Egyptě, Německu, Jugoslávii, Polsku, Norsku, Francii, Rakousku, Rumunsku, Španělsku, Švédsku, Švýcarsku nebo třeba v Anglii.

V Brně na křižovatce ulic Údolní a Úvoz, před budovou bývalé Německé vysoké školy technické stojí uprostřed trávníku bronzová busta Viktora Kaplana. Je osazená na protáhle šestiúhelníkovém pylonu s prolomenými boky. Do červena zbarvená žula nese zlacené nápisy jména vynálezce, jehož turbína se během 20. století rozšířila do celého světa. Od roku 1976 je datum narození Viktora Kaplana zařazené mezi světová kulturní výročí UNESCO.

Točí se i pod přehradní zdí v Brně

Vrtulová vodní turbína s nastavitelnými lopatkami a s přívodem vody ve směru osy otáčení se pod jménem svého konstruktéra jako Kaplanova turbína stala jedním z pilířů moderní hydroenergetiky. Kromě jiného Kaplanova turbína patří mezi nejčastěji používané hnací stroje na nově budovaných malospádových vodních elektrárnách. „Je určená především pro elektrárny na přehradních jezerech velkých řek,“ vysvětluje technik Libor Buček.

Odborníci dnes vědí, že Kaplanova turbína má klady i zápory. „Velkou výhodou tohoto stroje je malá stavební výška, možnost instalace do malých strojoven u jezových elektráren nebo v jezových pilířích. Mechanicky se jedná o kompaktní technologický blok. Nevýhodou zařízení je jeho značná mechanická složitost a od toho se odvíjející vysoká cena a vyšší náklady na údržbu,“ podotýká Buček.

Místo původní nová

Výrazným znakem Kaplanových turbín je možnost nastavování lopatek rozváděcího i oběžného kola podle množství protékající vody. „Aby nedocházelo k víření vody, které ohrožuje hladký chod turbíny, má oběžné kolo jen čtyři lopatky,“ popisuje Buček. Kaplanovu turbínu lze nalézt také v elektrárně Kníničky pod hrází Brněnské přehrady. Při odstávce elektrárny po vypuštění a čištění přehrady nahradili technici starou turbínu ze čtyřicátých let minulého století novou. „Původní zařízení už dělalo z elektrárny fungující technickou památku,“ vysvětlil Jiří Synek, technik přípravy provozu firmy ČEZ.

Elektrárna pod Brněnskou přehradou v městské části Bystrc byla původně určená k vykrývání zvýšené spotřeby elektrické energie v čase ranních a večerních energetických špiček. V roce 1914 ji navrhl profesor české techniky v Brně Vladimír List. V současné době elektrárna pokryje roční spotřebu energie více než dvou tisíc domácností krajského města.