Vattenturbin – funktion, historia och användning för elproduktion

Swirl

Vattenhjul har använts i tusentals år för industriell kraftförsörjning. Deras största brist är storleken, som begränsar den flödeshastighet och fallhöjd som kan användas.

Övergången från vattenhjul till moderna turbiner tog ungefär hundra år. Utvecklingen skedde under den industriella revolutionen med hjälp av vetenskapliga principer och metoder. Man använde sig också i stor utsträckning av nya material och tillverkningsmetoder som utvecklades vid den tiden.

Ordet turbin myntades av den franske ingenjören Claude Bourdin i början av 1800-talet och kommer från det latinska ordet för "virvlande" eller "virvel". Den viktigaste skillnaden mellan tidiga vattenturbiner och vattenhjul är att vattnet har en virvelkomponent som överför energi till en snurrande rotor. Denna ytterligare rörelsekomponent gjorde att turbinen kunde vara mindre än ett vattenhjul med samma effekt. De kunde bearbeta mer vatten genom att snurra snabbare och kunde använda mycket större fallhöjder. (Senare utvecklades impulsturbiner som inte använde sig av virveln).

Tidslinje

Ján Andrej Segner utvecklade en reaktiv vattenturbin i mitten av 1600-talet. Den hade en horisontell axel och var en föregångare till moderna vattenturbiner. Det är en mycket enkel maskin som fortfarande tillverkas i dag för användning i små vattenkraftverk. Segner arbetade tillsammans med Euler med några av de tidiga matematiska teorierna om turbinkonstruktion.

År 1820 utvecklade Jean-Victor Poncelet en inåtriktad turbin.

År 1826 utvecklade Benoit Fourneyron en utåtriktad turbin. Detta var en effektiv maskin (~80 %) som skickade vatten genom en löprör med blad som var böjda i en dimension. Det stationära utloppet hade också böjda guider.

År 1844 utvecklade Uriah A. Boyden en utåtriktad turbin som förbättrade Fourneyron-turbinens prestanda. Dess form liknade den för en Francis-turbin.

År 1849 förbättrade James B. Francis den inåtriktade reaktionsturbinen till över 90 % effektivitet. Han utförde också sofistikerade tester och utvecklade tekniska metoder för konstruktion av vattenturbiner. Francis-turbinen, som är uppkallad efter honom, är den första moderna vattenturbinen. Det är fortfarande den mest använda vattenturbinen i världen i dag.

Vattenturbiner med inåtriktat flöde har en bättre mekanisk konstruktion och alla moderna reaktionsturbiner är av denna typ. När den virvlande vattenmassan snurrar in i en tätare rotation försöker den också öka hastigheten för att spara energi. Denna egenskap verkar på löparen, utöver vattnets fallande vikt och virvlande rörelse. Vattnets tryck sjunker till noll när det passerar genom turbinbladen och avger sin energi.

Runt 1890 uppfanns det moderna vätskelagret, som numera används allmänt för att stödja turbinspindlar för tunga vattenkraftverk. År 2002 tycks vätskelager ha en genomsnittlig tid mellan fel på mer än 1 300 år.

Runt 1913 skapade Victor Kaplan Kaplan-turbinen, en propellerliknande maskin. Den var en vidareutveckling av Francis-turbinen men revolutionerade möjligheten att utveckla vattenkraftverk med låg vattenkraftshöjd.

Ett nytt koncept

Alla vanliga vattenmaskiner fram till slutet av 1800-talet (inklusive vattenhjul) var reaktionsmaskiner; vattnets tryckhuvud verkade på maskinen och producerade arbete. En reaktionsturbin måste innehålla vattnet helt och hållet under energiöverföringen.

År 1866 uppfann Samuel Knight, en kalifornisk fabriksarbetare, en maskin som fungerade enligt ett helt annat koncept. Med inspiration från de högtrycksstrålesystem som användes vid hydraulisk gruvdrift på guldfälten utvecklade Knight ett hjul med skopor som fångade upp energin från en fri stråle, som hade omvandlat en hög vattenhöjd (hundratals vertikala fot i ett rör eller en tryckledning) till rörelseenergi. Detta kallas en impulsturbin eller tangentiell turbin. Vattnets hastighet, som är ungefär dubbelt så stor som hastigheten vid skopans periferi, gör en u-sväng i skopan och faller ut ur löpröret med 0 hastighet.

År 1879 utvecklade Lester Pelton, som experimenterade med ett Knight-hjul, en konstruktion med dubbla hinkar, där vattnet rann ut åt sidan, vilket eliminerade en del av energiförlusten från Knight-hjulet, där en del av vattnet rann tillbaka mot hjulets mitt. Omkring 1895 förbättrade William Doble Peltons halvcylindriska hink med en elliptisk hink som hade ett snitt för att ge strålen en renare ingång i hinken. Detta är den moderna formen av Peltonturbinen som idag uppnår upp till 92 % verkningsgrad. Pelton hade varit en ganska effektiv marknadsförare av sin konstruktion och även om Doble tog över Peltonföretaget ändrade han inte namnet till Doble eftersom det hade ett känt varumärke.

Turgo- och Crossflow-turbinerna var senare impulskonstruktioner.

Flödande vatten riktas mot turbinbladet, vilket skapar en kraft på bladen. Eftersom löpröret snurrar verkar kraften över en sträcka (en kraft som verkar över en sträcka är definitionen av arbete). På detta sätt överförs energi från vattenflödet till turbinen.

Vattenturbiner delas in i två grupper: reaktionsturbiner och impulsturbiner.

Reaktionsturbiner

Reaktionsturbiner påverkas av vatten som ändrar tryck när det rör sig genom turbinen och avger sin energi. De måste vara inkapslade för att hålla vattentrycket (eller sugningen), eller så måste de vara helt nedsänkta i vattenflödet.

Newtons tredje rörelselag beskriver energiöverföringen för reaktionsturbiner.

De flesta vattenturbiner som används är reaktionsturbiner. De används vid låga och medelhöga fallhöjder.

Impulsturbiner

Impulsturbiner ändrar hastigheten på en vattenstråle. Strålen trycker på turbinens böjda blad som vänder strömmen. Den resulterande förändringen av rörelsemängd (impuls) orsakar en kraft på turbinbladen. Eftersom turbinen snurrar verkar kraften genom ett avstånd (arbete) och det omledda vattenflödet lämnas med minskad energi.

Innan vattnet träffar turbinbladen omvandlas trycket (potentiell energi) till kinetisk energi i ett munstycke och fokuseras på turbinen. Ingen tryckförändring sker vid turbinbladen, och turbinen behöver inget hölje för att fungera. Newtons andra rörelselag beskriver energiöverföringen för impulsturbiner.

Impulsturbiner används oftast i tillämpningar med mycket höga flöden.

Effekt

Den kraft som finns i en vattenström är;

P = η ⋅ ρ ⋅ g ⋅ h ⋅ v ˙ {\\displaystyle P=\eta \cdot \rho \cdot g\cdot h\cdot {\dot {v}}}

där:

• P = {\displaystyle P=} effekt (J/s eller watt)
• η = {\displaystyle \eta =} turbinens verkningsgrad
• ρ = {\displaystyle \rho =} vattnets densitet (kg/m³ )
• g = {\displaystyle g=} gravitationsacceleration (9,81 m/s² )
• h = {\displaystyle h=} huvudet (m). För stillastående vatten är detta höjdskillnaden mellan inlopps- och utloppsytorna. För rörligt vatten läggs ytterligare en komponent till för att ta hänsyn till den kinetiska energin i flödet. Den totala fallhöjden är lika med tryckhöjden plus hastighetshöjden.

• v ˙ {\displaystyle {\dot {v}}}} = flödeshastighet (m³ /s)

Pumpad lagring

Vissa vattenturbiner är konstruerade för vattenkraft med pumpad lagring. De kan vända flödet och fungera som en pump för att fylla en hög reservoar under lågkonjunktur och sedan återgå till en turbin för elproduktion under högkonjunktur. Denna typ av turbin är vanligen av Deriaz- eller Francis-typ.

Effektivitet

Stora moderna vattenturbiner har en mekanisk verkningsgrad på över 90 % (inte att förväxla med termodynamisk verkningsgrad).

Reaktionsturbiner:

• Francis
• Kaplan, propeller, glödlampa, rör, strafflo
• Tyson
• Vattenhjul

Impulsturbiner:

• Pelton
• Turgo
• Michell-Banki (även känd som Crossflow- eller Ossberger-turbinen).

Turbinvalet baseras främst på den tillgängliga vattenhöjden och i mindre utsträckning på den tillgängliga flödeshastigheten. I allmänhet används impulsturbiner vid höga fallhöjder och reaktionsturbiner vid låga fallhöjder. Kaplanturbiner är väl lämpade för stora områden av flödes- eller fallhöjdsförhållanden, eftersom deras högsta verkningsgrad kan uppnås under ett stort antal flödesförhållanden.

Små turbiner (oftast under 10 MW) kan ha horisontella axlar, och även ganska stora turbiner av bulbtyp på upp till 100 MW eller så kan vara horisontella. Mycket stora Francis- och Kaplan-maskiner har vanligen vertikala axlar eftersom detta gör att den tillgängliga fallhöjden utnyttjas på bästa sätt och att installationen av en generator blir mer ekonomisk. Peltonhjul kan vara maskiner med antingen vertikal eller horisontell axel eftersom maskinens storlek är så mycket mindre än den tillgängliga fallhöjden. I vissa impulsturbiner används flera vattenstrålar per löpare för att öka den specifika hastigheten och balansera axelns dragkraft.

Typiskt utbud av huvuden

• Kaplan 2 < H < 40 (H = höjd i meter)
• Francis 10 < H < 350
• Pelton 50 < H < 1300
• Turgo 50 < H < 250

Turbiner är konstruerade för att fungera i årtionden med mycket lite underhåll av de viktigaste delarna; översynsintervallen är i storleksordningen flera år. Underhållet av löparna och de delar som är utsatta för vatten omfattar borttagning, inspektion och reparation av slitna delar.

Normalt slitage är gropning från kavitation, utmattningssprickor och nötning från suspenderade fasta ämnen i vattnet. Stålelement repareras genom svetsning, vanligtvis med stänger av rostfritt stål. Skadade områden skärs eller slipas ut och svetsas sedan tillbaka till sin ursprungliga eller en förbättrad profil. Gamla turbinlöpare kan ha fått en betydande mängd rostfritt stål tillsatt på detta sätt i slutet av sin livstid. Utförliga svetsförfaranden kan användas för att uppnå reparationer av högsta kvalitet.

Andra delar som måste inspekteras och repareras vid översyner är lager, packningsboxar och axelhylsor, servomotorer, kylsystem för lager och generatorspolar, tätningsringar, kopplingselement för grindar och alla ytor.

Vattenkraftverk har haft både positiva och negativa effekter på miljön.

De är en av de renaste elproducenterna, som ersätter förbränning av fossila bränslen och eliminerar kärnavfall. Förbränning av fossila bränslen ger upphov till rök och aska samt giftiga gaser som kolmonoxid. Kärnavfall avger farlig strålning och är svårt att göra sig av med. De använder en förnybar energikälla och är utformade för att fungera i årtionden. De producerar betydande mängder av världens elförsörjning.

Historiskt sett har det också haft negativa konsekvenser. De roterande bladen eller de inbyggda löparna i vattenturbiner kan störa flodernas naturliga ekologi, döda fisk, stoppa vandringar och störa människors försörjning. Till exempel hade indianstammar i nordvästra Stilla havet ett levebröd som byggde på laxfiske, men aggressiva dammbyggen förstörde deras livsstil. Sedan slutet av 1900-talet har det varit möjligt att bygga vattenkraftsystem som avleder fisk och andra organismer från turbinintag utan betydande skador eller energiförluster. I Förenta staterna är det nu olagligt att hindra fiskens vandring, så dammbyggarna måste tillhandahålla fisktrapporterna.

• Vattenkraft
• Vattenkraft
• Turbin