Waterturbine -
Water turbine

Van Wikipedia, de gratis encyclopedie
Kaplanturbine en opengewerkte weergave van de elektrische generator .
De loper van de kleine waterturbine

Een waterturbine is een roterende machine die kinetische energie en potentiële energie van water omzet in mechanisch werk.

Water turbines werden ontwikkeld in de 19e eeuw en werden op grote schaal gebruikt voor industriële macht voorafgaand aan de elektriciteitsnetten . Nu worden ze vooral gebruikt voor de opwekking van elektriciteit. Waterturbines worden meestal gevonden in dammen om elektrische energie op te wekken uit potentiële waterenergie.

Geschiedenis

De bouw van een Ganz- waterturbogenerator in Boedapest in 1886

Waterwielen worden al honderden jaren gebruikt voor industriële energie. Hun belangrijkste tekortkoming is de grootte, die het debiet en de opvoerhoogte die kunnen worden benut , beperkt . De migratie van waterraderen naar moderne turbines duurde ongeveer honderd jaar. Ontwikkeling vond plaats tijdens de industriële revolutie , met behulp van wetenschappelijke principes en methoden. Ze maakten ook uitgebreid gebruik van nieuwe materialen en fabricagemethoden die destijds werden ontwikkeld.

Werveling

Het woord turbine werd in het begin van de 19e eeuw geïntroduceerd door de Franse ingenieur Claude Burdin en is afgeleid van het Griekse woord "τύρβη" voor "wervelend" of een "vortex". Het belangrijkste verschil tussen vroege waterturbines en waterwielen is een wervelcomponent van het water dat energie doorgeeft aan een draaiende rotor. Door deze extra bewegingscomponent kon de turbine kleiner zijn dan een waterrad met hetzelfde vermogen. Ze konden meer water verwerken door sneller te draaien en konden veel grotere hoofden gebruiken. (Later werden impulsturbines ontwikkeld die geen werveling gebruikten.)

Tijdlijn

Romeinse turbinemolen in Chemtou , Tunesië . De tangentiële waterinstroom van de molenrace deed het verzonken horizontale wiel in de as draaien als een echte turbine.
Een Francis turbine runner, met een vermogen van bijna een miljoen pk (750 MW), wordt geïnstalleerd bij de Grand Coulee Dam , Verenigde Staten.
Een propeller-type runner van 28.000 pk (21 MW)

De vroegst bekende waterturbines dateren uit het Romeinse Rijk . Twee helix-turbine molen sites van bijna identiek ontwerp werden gevonden in Chemtou en Testour , het hedendaagse Tunesië , daterend uit de late 3e of vroege 4e eeuw na Christus. Het horizontale waterrad met schuin geplaatste schoepen werd op de bodem van een met water gevulde, cirkelvormige schacht geïnstalleerd. Het water van de molenrace kwam tangentieel de put binnen, waardoor een wervelende waterkolom ontstond waardoor het volledig ondergedompelde wiel als een echte turbine ging werken.

Fausto Veranzio beschreef in zijn boek Machinae Novae (1595) een molen met verticale as met een rotor die lijkt op die van een Francisturbine .

.

In 1820 ontwikkelde Jean-Victor Poncelet een inwaarts stromende turbine.

In 1826 ontwikkelde Benoît Fourneyron een naar buiten stromende turbine. Dit was een efficiënte machine (~ 80%) die water door een loper stuurde met bladen die in één dimensie waren gebogen. De stationaire uitlaat had ook gebogen geleiders.

In 1844 ontwikkelde Uriah A. Boyden een turbine met uitgaande stroming die de prestaties van de Fourneyron-turbine verbeterde. De vorm van de loper was vergelijkbaar met die van een Francisturbine .

In 1849 verbeterde James B. Francis de inwaartse stroomreactieturbine tot meer dan 90% efficiëntie. Hij voerde ook geavanceerde tests uit en ontwikkelde technische methoden voor het ontwerp van waterturbines. De Francisturbine , naar hem genoemd, is de eerste moderne waterturbine. Het is nog steeds de meest gebruikte waterturbine ter wereld. De Francis-turbine wordt ook wel een radiale stromingsturbine genoemd, omdat water van de buitenomtrek naar het midden van de loper stroomt.

Inwaarts stromende waterturbines hebben een betere mechanische opstelling en alle moderne reactiewaterturbines zijn van dit ontwerp. Terwijl het water naar binnen wervelt, versnelt het en brengt het energie over naar de hardloper. De waterdruk daalt tot atmosferisch, of in sommige gevallen subatmosferisch, wanneer het water door de turbinebladen stroomt en energie verliest.

In 1876 demonstreerde John B. McCormick , voortbouwend op Francis' ontwerpen, de eerste moderne mixed-flow turbine met de ontwikkeling van de Hercules-turbine, aanvankelijk vervaardigd door de Holyoke Machine Company en vervolgens verbeterd door ingenieurs in Duitsland en de Verenigde Staten. Het ontwerp combineerde effectief de inwaartse stromingsprincipes van het Francis-ontwerp met de neerwaartse afvoer van de Jonval-turbine , met stroming naar binnen bij de inlaat, axiaal door het wiellichaam en enigszins naar buiten bij de uitlaat. Aanvankelijk optimaal presterend met een efficiëntie van 90% bij lagere snelheden, zou dit ontwerp in de daaropvolgende decennia veel verbeteringen zien in derivaten onder namen als "Victor", "Risdon", "Samson" en "New American", waarmee een nieuw tijdperk van Amerikaanse turbine techniek.

Waterturbines, met name in Amerika, zouden grotendeels gestandaardiseerd worden met de oprichting van de Holyoke Testing Flume , beschreven als het eerste moderne hydraulische laboratorium in de Verenigde Staten door Robert E. Horton en Clemens Herschel , waarvan de laatste zou dienen als de belangrijkste ingenieur voor een tijd. Oorspronkelijk gemaakt in 1872 door James B. Emerson uit de testgoten van Lowell , na 1880 werd het hydraulische laboratorium in Holyoke, Massachusetts gestandaardiseerd door Herschel, die het gebruikte om de Venturi-meter te ontwikkelen , het eerste nauwkeurige middel om grote stromen te meten, om goed te meten waterkrachtefficiëntie door verschillende turbinemodellen. Hoewel Europese hydrologen sceptisch waren over bepaalde stuwberekeningen, maakte de faciliteit tot 1932 standaard efficiëntietesten mogelijk bij grote fabrikanten, toen er meer moderne faciliteiten en methoden waren verspreid.

Rond 1890 werd het moderne vloeistoflager uitgevonden, dat nu universeel wordt gebruikt om turbinespindels voor zwaar water te ondersteunen. Vanaf 2002 lijken vloeistoflagers een gemiddelde tijd tussen storingen van meer dan 1300 jaar te hebben.

Rond 1913 creëerde Viktor Kaplan de Kaplanturbine , een propeller-type machine. Het was een evolutie van de Francis-turbine en bracht een revolutie teweeg in de mogelijkheid om hydrosites met een lage opvoerhoogte te ontwikkelen.

Nieuw concept

Figuur uit het originele patent van Pelton (oktober 1880)

Alle gangbare watermachines tot het einde van de 19e eeuw (inclusief waterraderen) waren in feite reactiemachines; water druk head gehandeld op de machine en geproduceerd werk. Een reactieturbine moet het water volledig bevatten tijdens de energieoverdracht.

In 1866 vond de Californische molenmaker Samuel Knight een machine uit die het impulssysteem naar een nieuw niveau bracht. Geïnspireerd door de hogedrukstraalsystemen die worden gebruikt in de hydraulische mijnbouw in de goudvelden, ontwikkelde Knight een wiel met emmers dat de energie van een vrije straal ving, die een hoge waterkolom (honderden verticale voeten in een pijp of penstock ) had omgezet in kinetische energie. Dit wordt een impuls- of tangentiële turbine genoemd. De snelheid van het water, ongeveer twee keer de snelheid van de omtrek van de bak, maakt een U-bocht in de bak en valt met lage snelheid uit de loper.

dubbele emmer), dat het water naar de zijkant afvoerde, waardoor enig energieverlies van het Ridderwiel werd geëlimineerd, waardoor wat water terug naar het midden van het wiel werd afgevoerd. Rond 1895 verbeterde William Doble de halfcilindrische bakvorm van Pelton met een elliptische bak die een snede bevatte om de straal een schonere emmer binnen te laten. Dit is de moderne vorm van de Pelton-turbine die tegenwoordig een rendement van 92% haalt. Pelton was een behoorlijk effectieve promotor van zijn ontwerp geweest en hoewel Doble het bedrijf Pelton overnam, veranderde hij de naam niet in Doble omdat het merknaamherkenning had.

.

Theorie van de werking

Stromend water wordt op de wieken van een turbineloper gericht, waardoor er een kracht op de wieken ontstaat. Omdat de hardloper draait, werkt de kracht over een afstand (kracht die over een afstand werkt is de definitie van werk ). Op deze manier wordt energie overgedragen van de waterstroom naar de turbine.

Waterturbines zijn onderverdeeld in twee groepen: reactieturbines en impulsturbines .

De precieze vorm van waterturbinebladen is een functie van de toevoerdruk van water en het gekozen type waaier.

Reactieturbines

Reactieturbines worden beïnvloed door water, dat van druk verandert terwijl het door de turbine beweegt en zijn energie opgeeft. Ze moeten omhuld zijn om de waterdruk (of zuigkracht) te bevatten, of ze moeten volledig ondergedompeld zijn in de waterstroom.

De derde wet van Newton beschrijft de overdracht van energie voor reactieturbines.

De meeste waterturbines die in gebruik zijn, zijn reactieturbines en worden gebruikt in toepassingen met een lage (<30 m of 100 ft) en medium (30-300 m of 100-1000 ft) opvoerhoogte. In reactie treedt turbinedrukval op in zowel vaste als bewegende bladen. Het wordt grotendeels gebruikt in dammen en grote energiecentrales

Impulsturbines

Impulsturbines veranderen de snelheid van een waterstraal. De straal duwt op de gebogen bladen van de turbine, waardoor de richting van de stroming verandert. De resulterende verandering in momentum ( impuls ) veroorzaakt een kracht op de turbinebladen. Omdat de turbine draait, werkt de kracht over een afstand (werk) en blijft de omgeleide waterstroom achter met verminderde energie. Een impulsturbine is er een waarin de druk van de vloeistof die over de rotorbladen stroomt constant is en alle werkoutput te wijten is aan de verandering in kinetische energie van de vloeistof.

Voordat het de turbinebladen raakt, wordt de druk van het water ( potentiële energie ) door een mondstuk omgezet in kinetische energie en gericht op de turbine. Er vindt geen drukverandering plaats bij de turbinebladen en de turbine heeft geen behuizing nodig om te werken.

De tweede wet van Newton beschrijft de overdracht van energie voor impulsturbines.

Impulsturbines worden vaak gebruikt in toepassingen met een zeer hoge (>300m/1000 ft) opvoerhoogte.

Stroom

Het beschikbare vermogen in een stroom is;

waar:

  • vermogen (J/s of watt)
  • turbine-efficiëntie
  • dichtheid van vloeistof (kg/m 3 )
  • zwaartekrachtversnelling (9,81 m/s 2 )
  • hoofd (m). Voor stilstaand water is dit het hoogteverschil tussen het inlaat- en uitlaatoppervlak. Bewegend water heeft een extra component toegevoegd om rekening te houden met de kinetische energie van de stroming. De totale opvoerhoogte is gelijk aan de opvoerhoogte plus de snelheidsopvoerhoogte .
  • = debiet (m 3 /s)

Hydro-elektriciteit met pompopslag

Sommige waterturbines zijn ontworpen voor hydro-elektriciteit met pompopslag. Ze kunnen de stroom omkeren en werken als een pomp om een ​​hoog reservoir te vullen tijdens daluren, en vervolgens terugkeren naar een waterturbine voor stroomopwekking tijdens piekuren. Dit type turbine is meestal een Deriaz- of Francisturbine in ontwerp.

Dit type systeem wordt gebruikt in El Hierro, een van de Canarische Eilanden: "Als de windproductie de vraag overtreft, zal overtollige energie water van een lager reservoir op de bodem van een vulkanische kegel naar een hoger reservoir op de top van de vulkaan pompen 700 meter boven zeeniveau. Het onderste reservoir slaat 150.000 kubieke meter water op. Het opgeslagen water werkt als een batterij. De maximale opslagcapaciteit is 270 MWh. Wanneer de vraag stijgt en er onvoldoende windkracht is, wordt het water vrijgegeven aan vier hydro-elektrische turbines met een totaal vermogen van 11 MW."

efficiëntie

Grote moderne waterturbines werken met een mechanisch rendement van meer dan 90%.

Soorten waterturbines

Diverse soorten waterturbinelopers. Van links naar rechts: Peltonwiel, twee typen Francisturbine en Kaplanturbine.

Reactieturbines

Impulsturbine

Ontwerp en toepassing

Water Turbine Chart.png

Turbineselectie is gebaseerd op de beschikbare waterhoogte en minder op het beschikbare debiet. Over het algemeen worden impulsturbines gebruikt voor locaties met een hoge opvoerhoogte en reactieturbines voor locaties met een lage opvoerhoogte . Kaplanturbines met instelbare bladspoed zijn goed aangepast aan een groot aantal stromings- of kopomstandigheden, omdat hun maximale efficiëntie kan worden bereikt over een breed scala aan stromingsomstandigheden.

Kleine turbines (meestal minder dan 10 MW) kunnen horizontale assen hebben, en zelfs vrij grote turbines van het bolvormige type tot 100 MW kunnen horizontaal staan. Zeer grote Francis- en Kaplan-machines hebben meestal verticale assen omdat dit de beschikbare kop optimaal benut en de installatie van een generator zuiniger maakt. Pelton-wielen kunnen machines met verticale of horizontale as zijn, omdat de grootte van de machine zoveel kleiner is dan de beschikbare kop. Sommige impulsturbines gebruiken meerdere jets per runner om de stuwkracht van de as te balanceren. Dit maakt ook het gebruik van een kleinere turbineloper mogelijk, wat de kosten en mechanische verliezen kan verminderen.

Typische reeks koppen

Specifieke snelheid

De specifieke snelheid van een turbine kenmerkt de vorm van de turbine op een manier die niet gerelateerd is aan de grootte. Hierdoor kan een nieuw turbineontwerp worden geschaald van een bestaand ontwerp met bekende prestaties. De specifieke snelheid is ook het belangrijkste criterium om een ​​specifieke hydrosite te matchen met het juiste turbinetype. De specifieke snelheid is de snelheid waarmee de turbine draait voor een bepaalde afvoer Q, met eenheidskop en daardoor in staat is om eenheidsvermogen te produceren.