Vandturbine

Montering af to Pelton-møller i Walchensee-kraftværket

En vandturbine er en turbine, der gør vandkraft anvendelig. I dette tilfælde omdannes kinetisk energi og / eller potentiel energi af vandturbinen i rotationsenergi , hvilket forårsager rotation af turbineakslen. Denne rotation bruges normalt til at drive en generator til generering af elektricitet , men blev tidligere også brugt til direkte kørsel af arbejdsmaskiner eller til transmission af transmissioner .

tekniske grundlæggende

Karakteristisk kort over de mest almindelige vandkraftmaskiner og vandturbiner med en antaget effektivitet η på 85%. Tegnforklaring: Pelton turbine Francis turbine Crossflow eller Ossberger turbine Kaplan turbine hydrodynamisk skrue DIVE turbine VLH turbine vandhjul med division: O flere end s chlächtiges W asserrad; R Ueck s chlächtiges W asserrad; M edium s chlächtiges W asserrad; Zuppinger hjul + afgrødehjul + Poncelet hjul; U nder s chlächtiges W asserrad
 
 
  


Den effekt P (i watt ) af en vandturbine beregnes i den såkaldte turbine ligning fra effektiviteten af turbinen multipliceret med densiteten af det vand  ≈ 1000 kg / m³, den tyngdeaccelerationen g  ≈ 9,81 m / s² , faldhøjden h (m) og volumenstrømmen  (m³ / s) ${\ displaystyle \ eta _ {\ mathrm {T}}}$ ${\ displaystyle \ rho _ {\ mathrm {H_ {2} O}}}$   ${\ displaystyle {\ dot {V}}}$

${\ displaystyle P _ {\ mathrm {Turbine}} = \ eta _ {\ mathrm {T}} \ cdot \ rho _ {\ mathrm {H_ {2} O}} \ cdot g \ cdot h \ cdot {\ dot {V}}}$

Effektiviteten varierer afhængigt af turbinens type, alder og driftspunkt. Nye Francis-møller opnår effektivitetsgevinster på lidt over 94%, dvs.  = 0,94. ${\ displaystyle \ eta _ {\ mathrm {T}}}$

Faldets højde h er mindre end den faktiske højdeforskel mellem det øvre og nedre vand. Det tager allerede højde for tabene på grund af friktion af vandet i rørledningerne . Det har enheden meter.

Dette forhold kan illustreres ved hjælp af den samme formel til en pumpe, der pumper vandet fra det nedre til det øvre vand. Udførelse af denne pumpe til mekanisk effekt, så dens roterende pumpehjul, effektiviteten beregnes ud fra kvoten for den leverede strøm og produktet fra . Her er højden imidlertid kun pumpens aktuelle leveringshoved - dette er også tilfældet med vandturbinen. ${\ displaystyle \ eta _ {\ mathrm {Pump}}}$${\ displaystyle \ rho _ {\ mathrm {H_ {2} O}} \ cdot g \ cdot h \ cdot {\ dot {V}}}$

I nogle få vandkraftværker overføres turbinens rotation til en generator ved hjælp af en gearkasse. Foruden turbintabene tilføjes tabene på grund af gearkassen , og den mekaniske effekt beregnes som følger: ${\ displaystyle \ eta _ {\ mathrm {Getr.}}}$${\ displaystyle P _ {\ mathrm {mech.}}}$

${\ displaystyle P _ {\ mathrm {mech.}} = \ eta _ {\ mathrm {T}} \ cdot \ eta _ {\ mathrm {Getr.}} \ cdot \ rho _ {\ mathrm {H_ {2} O}} \ cdot g \ cdot h \ cdot {\ dot {V}}}$

Generatoren har også tab. Den elektriske kraft, der i sidste ende genereres af turbinen, beregnes ud fra: ${\ displaystyle P _ {\ mathrm {elek.}}}$

${\ displaystyle P _ {\ mathrm {elek.}} = \ eta _ {\ mathrm {T}} \ cdot \ eta _ {\ mathrm {Getr.}} \ cdot \ eta _ {\ mathrm {Gen.}} \ cdot \ rho _ {\ mathrm {H_ {2} O}} \ cdot g \ cdot h \ cdot {\ dot {V}}}$

Fra ligningerne kan det ses, at et stort hoved kan kompensere for en lav vandgennemstrømning og omvendt. Dette betyder: Den relativt lille mængde vand i en bjergstrøm med et stort hoved kan undertiden generere mere elektrisk energi end den store mængde vand i en flod, som kun overvinder højdeforskellen i en overløb .

Turbintyper

Impulsturbiner

I konstant tryk turbiner , den vand tryk ændrer ikke når strømmer gennem turbinen: kun kinetisk energi fra flowhastigheden overføres til vingehjulet, som reduceres tilsvarende. Dette betyder, at undervandet skal strømme væk med et tilsvarende større tværsnit. Impulsturbinerne inkluderer Girard-turbinen , Pelton-turbinen (fri-jet- turbine ) og tværstrøms-turbinen (fx Ossberger-turbine).

Overtryk møller

I en overtryksturbine er vandets tryk højest, når det kommer ind og falder, indtil det kommer ud, så primært den potentielle energi fra faldhøjden overføres til pumpehjulet. Dette gælder for Francis-turbinen og Kaplan-turbinen eller deres forenklede design som propelturbine. Også for diagonal turbine (for eksempel Deriaz turbine ), som kun sjældent blev bygget. Diagonale vindmøller af Lawaczeck-designet ( Lawaczeck-turbinen ) blev installeret i det amerikanske kraftværk Grand-Coulee .

Hvis (som i tilfældet med den konstante turbine) strømningstværsnittet øges på samme tid, og flowhastigheden reduceres, kan dens kinetiske energi også bruges. En diffusor har en lignende virkning i nedstrømsstrømmen bag turbinen, hvis reduktion i flowhastighed fungerer som sugning (sugning) på trykforskellen over turbinen.

Oversigt

Turbine:	Pelton-turbine	Cross-flow turbine	Francis turbine	Kaplan-turbine	Propelturbine	Diagonal turbine
Alternative navne	Gratis jet turbine	Cross-flow turbine Banki turbine Michell turbine Ossberger turbine		Propelturbine med justerbare rotorblade	Kaplan-turbine med faste vinger	Deriaz turbine Kviatovsky turbine Lawaczeck turbine
Kontrolelementer vist i grønt i grafikken
Volumenstrøm [m 3 / s]	≈ 0,5-50	≈0,5-8	.60,6-1000	-12-1000	≈ 1-600	≈ 1,6-300
Faldhøjde [m]	-2100-2000	-15-150	≈20-700	≈10-60	–5–20	-130-120
Effekt [MW]	≈0,5-250	≈ 0,025-1	≈ 0,04-1000	≈ 0,4-150	≈ 0,05-50	≈ 1-100
Effektivitet	op til 90%	ca. 80%	ca. 90%	op til 96%	op til 96%	op til 90%
driftsområde	Lagerkraftværker	Flodkraftværker	universel	Flodkraftværker	Flodkraftværker	Lagerkraftværker
Sårbar over for kavitation	Ingen	Ingen	Ja	Ja	Ingen	Ingen
Turbintype	Impulsturbine		Overtryk turbine
Bølgeposition	lodret eller vandret	vandret	hovedsagelig lodret, sjældent vandret	klassisk lodret som en vandret pæreturbine	vandret eller skrånende	lodret

Faldets højder, volumenstrømme og ydelsesværdier blev aflæst fra diagrammer fra Escher-Wyss (eller Voith).

Også:

• Brøndturbine til store mængder vand med periodisk skiftende strømningsretning til brug i bølgekraftværker
• Diagonal turbine , f.eks. B. Deriaz-turbinen , Kviatovsky-turbinen og Lawaczeck-turbinen , alle overtryksturbiner ifølge Paul Deriaz / Kviatovsky / Lawaczeck

og især til små vandkraftværker :

• Hamann-turbine til lav strømningshastighed
• Vandhvirvelturbine med langsom hastighed til lave gradienter
• Vandkraft skrue med lav hastighed til ændring af strømningshastigheder
• Foldevingerotor med langsom hastighed

Konstruktive detaljer

En Fourneyron-turbine fra det 19. århundrede

For at opnå optimal effektivitet skal turbinen tilpasses de forskellige hoveder og vandstrømningshastigheder. Et lagerkraftværk i bjergene har derfor brug for en anden turbine end et vandløbskraftværk ved en flod.

Vandturbiner er designet med output på omkring 200 watt op til tusind megawatt. Turbinerne til de store kraftværker er designet og fremstillet individuelt, inden de endelig samles på kraftværkskonstruktionsstedet. Hjulene på sådanne møller har en diameter på op til 11 m. Vandmøller kan imidlertid ikke miniaturiseres efter ønske, da små møller, der svarer til en lignende indsats for at kontrollere, har så store møller og er særligt følsomme over for vandforurening .

Et specielt træk ved vandturbinen er den komplekse styring af dens hastighed med den altid svingende vandstrøm. De designede regulatorer holder hastigheden konstant med hydraulisk betjente aktuatorer ( beslag og styreskovle ) og beskytter også turbinen mod " løb væk ", hvis momentet på generatorakslen falder, f.eks. På grund af tomgang .

Vandkraftværk fra 1891 i Schöngeising med Francis-møller ⊙48.137202 11.208085

En hastighedskontrol kan undgås i tilfælde af små vindmøller, der er i drift, da generatoren holdes på en konstant hastighed på grund af netfrekvensen, når den føres ind i lysnettet. I tilfælde af strømsvigt skal vandforsyningen dog afbrydes ved hjælp af klapper eller afskærmninger for at forhindre løb, hvis turbinen og generatoren ikke er designet til tomgangshastighed. Normalt er dette cirka to til to og en halv gange driftshastigheden.

Andelen af ​​turbine og controller i den samlede investering i et vandkraftværk er betydelig. Denne omkostningsandel er op til 50 % for små systemer og  10 til 20% for store systemer. På den anden side er vandturbiner kendetegnet ved en lang levetid; maskiner har været i brug i nogle kraftværker siden slutningen af første verdenskrig . I dette tilfælde er de blandt de tekniske monumenter , der stadig er i drift.

Pumpeturbiner i moderne pumpelager

Såkaldte pumpeturbiner installeres i stigende grad i pumpeanlæg . De skifter mellem vandmøller og pumper afhængigt af retningen, i hvilken strømningen strømmer gennem dem (vending af rotationsretning). Der er radiale og aksiale typer, der skal bygges. Målet er at minimere investeringsomkostninger , reducere pladsbehov og optimere hydraulisk effektivitet . Store radiale pumpeturbiner bygget i dag siges at ligne Francis-turbinerne . Bohl påpeger, at på grund af energitabet fra Eulers hovedligning følger det, at hastigheden ved pumpedrift skal være større end ved turbindrift. Citat: " Kaplan-pumpeturbinerne" installeret i Moselle-kraftværket i Detzem skal have en hastighed på 45% højere i pumpedrift end ved turbindrift ". Ved samme hastighed ville en pumpeturbine som en pumpe derfor pumpe en mindre volumenstrøm i sammenligning med den volumenstrøm, der ville strømme gennem den i turbindrift ved denne hastighed.

Den "Isogyre vendbare turbine" (efter Fa.Charmilles) er også en af ​​pumpeturbinerne. Ifølge figuren har den et spejlsymmetrisk løbehjul, som kan fungere som en pumpe eller en turbine i begge tilfælde, når strømmen strømmer fra den ene eller den anden side, afhængigt af hvilken retning løbehjulets aksel roterer. I begge tilfælde er den eneste afgørende faktor, om der tages energi fra akslen (turbindrift) eller leveres (pumpedrift). Den del af huset på Isogyren-vendemøllen, gennem hvilken der strømmer, er også spejlsymmetrisk.

Til leveringshøjder / slagvandshøjder på over 90 m anvendes diagonale vindmøller ifølge P. Deriaz også som pumpeturbiner (sandsynligvis typer med justerbare styreskovle).

Teknologihistorie

De teknologiske og historiske forgængere for vandturbinerne var vandhjul med en lodret anbragt aksel , som kom i brug i det 18. og 19. århundrede. Navnet turbine stammer fra Claude Burdin (1790–1873), der kaldte sin opfindelse det i 1824. I 1826 havde den franske Société d'encouragement i Paris annonceret en pris på 6.000 franske franc til fremstilling af møller. De første ansøgninger mislykkedes, indtil det først i 1833 lykkedes den franske ingeniør Benoît Fourneyron at vinde prisen med turbinen opkaldt efter ham, hvis teori blev bestemt af Jean-Victor Poncelet i 1838 .

Fourneyron-turbinen (fra 1833)

De Fourneyron turbine fungerer på samme måde til Francis turbine, følger det, bortset fra at ledeskovlene har en fast position, og vandet strømmer fra indersiden på pumpehjulet på ydersiden. (I Francis-turbiner strømmer vandet udefra og indefra, og statoren er på ydersiden.) Designet var velegnet til ensartet vandtilstrømning og sejrede mod underhotet vandhjul inden for få år . Med en optimal vandstrøm når turbineeffektiviteten 85%. På trods af sin enkle struktur fremstilles den ikke længere i dag. For at være i stand til at tilpasse Fourneyron-turbinen til det tilgængelige procesvand blev der fastgjort et bevægeligt låg til indersiden af ​​de ydre knive, ved hjælp af hvilken vandstrømmen kunne ændres.

Fourneyron-møllen er blevet forbedret flere gange:

• 1837 af tyskeren Karl Anton Henschel
• 1838 af amerikaneren Samuel B. Howd , der flyttede skovlhjulet ind i halen
• af engelskmanden James Thomson (1822-1892), der udviklede de justerbare styreskovle og de buede løberblade

Museer om vandkraft og turbinteknologi

• Informationscentret ved kraftværket i Hemfurth-Edersee på Edertalsperre giver information om dannelsen af ​​Edersee og funktionen af pumpekraftværker . Waldeck II- hulkraftværket kan besøges som en del af guidede ture .

• af minedrift i Harzen var forbundet med omfattende brug af vandkraft ( returhjul , vanddrænningsgalleri osv.), at elektricitet mange steder bruges og dokumenteres i adskillige museer og turistattraktioner (se: Harz Vandhylde )

Ziegenrück Hydroelectric Museum

Turbineudstilling i vandkraftmuseet i Ziegenrück

Et af de ældste vandløbskraftværker i Tyskland (omkring 1900), Fernmühle, ligger i Ziegenrück i Thüringen . Det drives som et museum og delvist stadig aktivt brugt til at generere elektricitet. Funktionaliteten ved generering af elektrisk energi ved hjælp af vandturbiner formidles på basis af eksisterende gamle systemer (nogle kun bevaret til demonstrationsformål) samt de nye teknologier i store vandkraftværker ved dæmninger. En omfattende friluftsudstilling med forskellige vandmøller vises på grund af Ziegenrück vandkraftmuseum. Den Ziegenrück vandkraft Museet må ikke forveksles med den nedlægges Conrod kraftværket i Ziegenrück.

Beregning af møller

Se:

• Turbine # Eulers turbine ligning .

litteratur

• Adolf J. Schwab : elektriske energisystemer. Produktion, transport, transmission og distribution af elektrisk energi. Springer, Berlin et al. 2006, ISBN 3-540-29664-6 .
• Georg Küffner (red.): Fra vandets kraft. Deutsche Verlags-Anstalt, München 2006, ISBN 3-421-05898-9 .
• Julius Weisbach: Tekstbog til ingeniørarbejde og maskinmekanik, anden del: Praktisk mekanik, Verlag Friedrich Vieweg og Son, Braunschweig 1846, kapitel fire "Fra de lodrette vandhjul" s. 154-243, Stolzenad (fig. 219 og 220) og Staberad pp 201-202; Kapitel fem "Fra vandrette vandhjul" (turbiner) s. 243–334 (geometrisk struktur og beregning af mange forskellige vandhjul og turbiner)
• Willi Bohl: Turbomaskiner 1, struktur og driftsform, Vogel Fachbuch Verlag Würzburg, 8. udgave 2002, ISBN 3-8023-1935-4 , kapitel syv: vandturbiner s. 111-135 (struktur, beregning, karakteristiske felter / områder af anvendelse og sektionstegninger af vandturbiner)

Weblinks

Wiktionary: Vandturbine  - forklaringer på betydninger, ordets oprindelse, synonymer, oversættelser

Artikel om diagonalturbinen med et billede af en Deriaz-turbineinfoside på Deriaz-turbinen

Individuelle beviser

1. ↑ Willi Bohl: Turbomaskiner 1, struktur og driftsform, Vogel Fachbuch Verlag Würzburg, 8. udgave 2002, ISBN 3-8023-1935-4 , klassificering af vandmøller efter driftsform s. 113
2. ↑ Willi Bohl: Turbomaskiner 1, struktur og driftsform, Vogel Fachbuch Verlag Würzburg, 8. udgave 2002, ISBN 3-8023-1935-4 , klassificering af vandmøller efter driftsform s. 113
3. ↑ Willi Bohl: Turbomaskiner 1, struktur og driftsform, Vogel Fachbuch Verlag Würzburg, 8. udgave 2002, ISBN 3-8023-1935-4 , klassificering af vandmøller efter driftsform s. 113 og 130, diagonalturbine og deriac turbine
4. ↑ Peter Hakenesch: Strømning af væsker. Kapitel 4, del 3. I: Slides til foredraget Fluid Mechanics. S.45 , adgang til den 4. februar 2016 . 
5. I Willi Bohl: Turbomaskiner 1, struktur og driftsform, Vogel Fachbuch Verlag Würzburg, 8. udgave 2002, ISBN 3-8023-1935-4 , diagram 7.4 / S. 114 og diagram 7.5 / s. 116, driftsområde for vandmøller
6. ↑ Willi Bohl: Turbomaskiner 1, struktur og driftsform, Vogel Fachbuch Verlag Würzburg, 8. udgave 2002, ISBN 3-8023-1935-4 , klassificering af vandmøllerne efter driftsform, diagonal og deriac turbine, pp . 113 og 130
7. ↑ Willi Bohl: Turbomaskiner 1, struktur og driftsform, Vogel Fachbuch Verlag Würzburg, 8. udgave 2002, ISBN 3-8023-1935-4 , kapitel: 7.8: Pumpeturbiner (i pumpeaflagsanlæg ) s. 133-135
8. ↑ Willi Bohl: Turbomaskiner 1, struktur og funktionsmåde, Vogel Fachbuch Verlag Würzburg, 8. udgave 2002, ISBN 3-8023-1935-4 , Isogyre vendemølle s.116
9. ↑ [1] Brug af Deriaz-turbinen som pumpeturbine
10. ↑ https://www.edersee.com/de/erleben/ausflugstipps/infozentrum-100-jahre-edersee Info center ved kraftværket i Hemfurth-Edersee
11. ↑ wasserkraftmuseum.de Hjemmeside for vandkraftmuseet i Ziegenrück
12. ↑ Informationsside om staten Thüringen på Ziegenrück vandkraftmuseum