Water turbine
Een waterturbine is een roterende motor die energie haalt uit bewegend water.
Waterturbines werden ontwikkeld in de negentiende eeuw en werden veel gebruikt voor industriële energie voordat er elektrische netwerken bestonden. Nu worden ze meestal gebruikt voor de opwekking van elektrische energie. Zij maken gebruik van een schone en hernieuwbare energiebron.
Kaplan-turbine en elektrische generator doorsnede.
Geschiedenis
Swirl
Waterraderen worden al duizenden jaren gebruikt voor industriële aandrijving. Hun voornaamste tekortkoming is de omvang, die het debiet en de opvoerhoogte beperkt.
De overgang van waterraderen naar moderne turbines duurde ongeveer honderd jaar. De ontwikkeling vond plaats tijdens de industriële revolutie, waarbij wetenschappelijke principes en methoden werden gebruikt. Er werd ook uitgebreid gebruik gemaakt van nieuwe materialen en fabricagemethoden die toen werden ontwikkeld.
Het woord turbine is bedacht door de Franse ingenieur Claude Bourdin in het begin van de 19e eeuw en is afgeleid van het Latijnse woord voor "wervelen" of een "vortex". Het belangrijkste verschil tussen vroege waterturbines en waterraderen is een wervelcomponent van het water die 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 opvoerhoogtes gebruiken. (Later werden impulsturbines ontwikkeld die geen gebruik maakten van werveling).
Tijdslijn
Ján Andrej Segner ontwikkelde in het midden van de 17e eeuw een reactieve waterturbine. Hij had een horizontale as en was een voorloper van de moderne waterturbines. Het is een zeer eenvoudige machine die vandaag de dag nog steeds wordt geproduceerd voor gebruik in kleine waterkrachtcentrales. Segner werkte samen met Euler aan enkele van de vroege wiskundige theorieën over het ontwerp van turbines.
In 1820 ontwikkelde Jean-Victor Poncelet een turbine met inwaartse stroming.
In 1826 ontwikkelde Benoit Fourneyron een buitenwaartse turbine. Dit was een efficiënte machine (~80%) die water door een loper met in één dimensie gebogen schoepen stuurde. De stationaire uitlaat had ook gebogen geleiders.
In 1844 ontwikkelde Uriah A. Boyden een buitenwaartse turbine die de prestaties van de Fourneyron-turbine verbeterde. De vorm van de turbine was vergelijkbaar met die van een Francis-turbine.
In 1849 verbeterde James B. Francis de inwaartse reactieturbine tot een rendement van meer dan 90%. Hij voerde ook geavanceerde tests uit en ontwikkelde technische methoden voor het ontwerp van waterturbines. De naar hem genoemde Francis-turbine is de eerste moderne waterturbine. Het is vandaag de dag nog steeds de meest gebruikte waterturbine ter wereld.
Inwaarts gerichte waterturbines hebben een betere mechanische opstelling en alle moderne reactiewaterturbines zijn van dit ontwerp. Bovendien probeert de kolkende watermassa, naarmate zij strakker draait, te versnellen om energie te besparen. Deze eigenschap werkt op de loper, naast het vallende gewicht en de wervelende beweging van het water. De waterdruk daalt tot nul wanneer het door de turbinebladen gaat en zijn energie opgeeft.
Rond 1890 werd het moderne vloeistoflager uitgevonden, dat nu universeel wordt gebruikt ter ondersteuning van spindels van zware waterturbines. Vanaf 2002 blijken vloeistoflagers een gemiddelde tijd tussen storingen te hebben van meer dan 1300 jaar.
Rond 1913 ontwikkelde Victor Kaplan de Kaplan-turbine, een propellerturbine. Het was een evolutie van de Francis-turbine, maar zorgde voor een revolutie in de ontwikkeling van waterkrachtcentrales met lage opvoerhoogte.
Een nieuw concept
Alle gangbare watermachines tot het einde van de 19e eeuw (inclusief waterraderen) waren reactiemachines; de druk van het water werkte op de machine en produceerde arbeid. Een reactieturbine moet het water tijdens de energieoverdracht volledig insluiten.
In 1866 vond de Californische molenmaker Samuel Knight een machine uit die werkte volgens een heel ander concept. Geïnspireerd door de hogedrukspuitsystemen die werden gebruikt bij de hydraulische mijnbouw in de goudvelden, ontwikkelde Knight een wiel met emmers dat de energie van een vrije straal, die een grote waterhoogte (honderden verticale meters in een pijp of penstock) had omgezet in kinetische energie, opving. Dit wordt een impuls- of tangentiële turbine genoemd. De snelheid van het water, ongeveer tweemaal de snelheid van de periferie van de emmer, maakt een u-bocht in de emmer en valt met 0 snelheid uit de loper.
In 1879 ontwikkelde Lester Pelton, die experimenteerde met een Knight Wheel, een ontwerp met een dubbele emmer, die het water naar de zijkant afvoerde, waardoor een deel van het energieverlies van het Knight Wheel, dat wat water tegen het midden van het wiel afvoerde, werd geëlimineerd. Rond 1895 verbeterde William Doble de halfcilindrische emmer van Pelton met een elliptische emmer met een inkeping om de straal een schonere ingang te geven. Dit is de moderne vorm van de Pelton-turbine, die tegenwoordig tot 92% rendement 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 merk naamsbekendheid had.
Turgo en Crossflow turbines waren latere impulsontwerpen.
Een Francis turbine die bijna een miljoen pk levert, wordt geïnstalleerd bij de Grand Coulee Dam.
Werking
Stromend water wordt op de bladen van een turbineloper gericht, waardoor een kracht op de bladen ontstaat. Aangezien de rotor draait, werkt de kracht over een afstand (een kracht over een afstand is de definitie van arbeid). Op deze manier wordt energie overgedragen van de waterstroom naar de turbine.
Waterturbines worden verdeeld in twee groepen: reactieturbines en impulsturbines.
Reactieturbines
Reactieturbines worden beïnvloed door water, dat van druk verandert wanneer het door de turbine stroomt en zijn energie afgeeft. Zij moeten worden omhuld om de waterdruk (of zuigkracht) in te dammen, of zij moeten volledig in de waterstroom worden ondergedompeld.
De derde bewegingswet van Newton beschrijft de energieoverdracht voor reactieturbines.
De meeste gebruikte waterturbines zijn reactieturbines. Zij worden gebruikt in toepassingen met lage en gemiddelde opvoerhoogte.
Impulsturbines
Impulsturbines veranderen de snelheid van een waterstraal. De straal duwt de gebogen bladen van de turbine die de stroom omkeren. De resulterende verandering in momentum (impuls) veroorzaakt een kracht op de turbinebladen. Aangezien de turbine draait, werkt de kracht via een afstand (arbeid) en de omgeleide waterstroom blijft achter met verminderde energie.
Voordat het water de turbinebladen raakt, wordt de druk ervan (potentiële energie) door een straalpijp omgezet in kinetische energie en op de turbine gericht. Bij de turbinebladen treedt geen drukverandering op en de turbine heeft geen behuizing nodig om te kunnen werken. De tweede bewegingswet van Newton beschrijft de energieoverdracht bij impulsturbines.
Impulsturbines worden meestal gebruikt in toepassingen met een zeer hoge opvoerhoogte.
Vermogen
De beschikbare kracht in een waterstroom is;
P = η ⋅ ρ ⋅ g ⋅ h ⋅ v ˙ {\displaystyle P= \dot \rho \dot g{cdot h}}}. 
waar:
- P = { {displaystyle P=}
vermogen (J/s of watt) - η = {}
turbinerendement - ρ = {
dichtheid van water (kg/m3 ) - g = {=}
versnelling van de zwaartekracht (9,81 m/s2 ) - h = {=}
opvoerhoogte (m). Voor stilstaand water is dit het hoogteverschil tussen het inlaat- en uitlaatoppervlak. Bewegend water heeft een extra component om rekening te houden met de kinetische energie van de stroming. De totale opvoerhoogte is gelijk aan de drukhoogte plus de snelheidshoogte.
- v ˙ {{displaystyle {v}}}
= debiet (m3 /s)
Gepompte opslag
Sommige waterturbines zijn ontworpen voor hydro-elektriciteit met pompaccumulatie. Zij kunnen de stroming omkeren en als pomp werken om een hoog reservoir te vullen tijdens daluren, en dan terugkeren naar een turbine om stroom op te wekken tijdens piekuren. Dit type turbine is meestal een Deriaz- of Francis-turbine.
Efficiëntie
Grote moderne waterturbines hebben een mechanisch rendement van meer dan 90% (niet te verwarren met het thermodynamisch rendement).
Soorten waterturbines
Reactieturbines:
- Francis
- Kaplan, Schroef, Bol, Buis, Straflo
- Tyson
- Waterrad
Impulsturbines:
- Pelton
- Turgo
- Michell-Banki (ook bekend als de Crossflow of Ossberger turbine)
Ontwerp en toepassing
De keuze van de turbines is vooral gebaseerd op de beschikbare waterhoogte, en minder op het beschikbare debiet. In het algemeen worden impulsturbines gebruikt voor locaties met hoge opvoerhoogte en reactieturbines voor locaties met lage opvoerhoogte. Kaplan-turbines zijn goed aangepast aan een breed scala van debiet- of opvoerhoogten, aangezien hun piekrendement over een breed scala van debietvoorwaarden kan worden bereikt.
Kleine turbines (meestal minder dan 10 MW) kunnen horizontale assen hebben, en zelfs vrij grote bolturbines tot ongeveer 100 MW kunnen horizontaal zijn. Zeer grote Francis- en Kaplan-machines hebben meestal verticale assen omdat dit het beste gebruik maakt van de beschikbare opvoerhoogte en de installatie van een generator economischer maakt. Peltonwielen kunnen zowel verticale als horizontale as machines zijn omdat de grootte van de machine zoveel kleiner is dan de beschikbare opvoerhoogte. Sommige impulsturbines gebruiken meerdere waterstralen per loper om de specifieke snelheid te verhogen en de stuwkracht van de as in evenwicht te houden.
Typische reeks koppen
- Kaplan 2 < H < 40 (H = opvoerhoogte in meters)
- Francis 10 < H < 350
- Pelton 50 < H < 1300
- Turgo 50 < H < 250
Een toepassingskaart voor waterturbines.
Onderhoud
Turbines zijn ontworpen om tientallen jaren te draaien met zeer weinig onderhoud aan de belangrijkste elementen; de revisie-intervallen liggen in de orde van enkele jaren. Het onderhoud van de loopwielen en aan water blootgestelde onderdelen omvat verwijdering, inspectie en reparatie van versleten onderdelen.
Normale slijtage bestaat uit putjes door cavitatie, scheuren door vermoeidheid en slijtage door zwevende deeltjes in het water. Stalen elementen worden gerepareerd door lassen, meestal met roestvrijstalen staven. Beschadigde gebieden worden uitgesneden of weggeslepen en vervolgens weer op hun oorspronkelijke of verbeterde profiel gelast. Aan het einde van hun levensduur kan op deze manier een aanzienlijke hoeveelheid roestvrij staal zijn toegevoegd. Er kunnen uitgebreide lasprocedures worden toegepast om reparaties van de hoogste kwaliteit te bereiken.
Andere elementen die tijdens de revisie moeten worden geïnspecteerd en hersteld zijn de lagers, de pakkingbus en de asbussen, de servomotoren, de koelsystemen voor de lagers en de generatorspoelen, de afdichtingsringen, de elementen van de hefinrichting van de loopdeur en alle oppervlakken.
Een Francis-turbine aan het einde van haar levensduur met cavitatiepitting, vermoeidheidsscheuren en een catastrofale storing. Eerdere reparaties waarbij roestvrijstalen lasstaven werden gebruikt, zijn zichtbaar.
Milieueffecten
Waterturbines hebben zowel positieve als negatieve gevolgen gehad voor het milieu.
Zij zijn een van de schoonste energieproducenten, die de verbranding van fossiele brandstoffen vervangen en nucleair afval elimineren. De verbranding van fossiele brandstoffen produceert rook en as, en giftige gassen zoals koolmonoxide. Kernafval geeft gevaarlijke straling af en is moeilijk te verwijderen. Zij maken gebruik van een hernieuwbare energiebron en zijn ontworpen om tientallen jaren te functioneren. Zij produceren aanzienlijke hoeveelheden van de wereldwijde elektriciteitsvoorziening.
Historisch gezien zijn er ook negatieve gevolgen geweest. De draaiende bladen of schoepen van waterturbines kunnen de natuurlijke ecologie van rivieren onderbreken, waardoor vissen sterven, de migratie stopt en de bestaansmiddelen van de bevolking worden verstoord. Amerikaanse indianenstammen in het noordwesten van de Stille Oceaan leefden bijvoorbeeld van de zalmvangst, maar de agressieve bouw van dammen vernietigde hun manier van leven. Sinds het einde van de 20e eeuw is het mogelijk waterkrachtsystemen te bouwen die vissen en andere organismen wegleiden van de turbine-inlaten zonder aanzienlijke schade of vermogensverlies; dergelijke systemen vereisen minder schoonmaak, maar zijn aanzienlijk duurder om te bouwen. In de Verenigde Staten is het nu illegaal om de migratie van vissen te blokkeren, zodat de bouwers van dammen voor vistrappen moeten zorgen.
