Vesiturbiini
Vesiturbiini on pyörivä moottori, joka ottaa energiaa liikkuvasta vedestä.
Vesiturbiinit kehitettiin 1800-luvulla, ja niitä käytettiin laajalti teollisuudessa ennen sähköverkkoja. Nyt niitä käytetään enimmäkseen sähkövoiman tuottamiseen. Ne hyödyntävät puhdasta ja uusiutuvaa energialähdettä.
Kaplan-turbiinin ja sähkögeneraattorin leikkausnäkymä.
Historia
Swirl
Vesipyöriä on käytetty teollisuuden voimanlähteenä tuhansia vuosia. Niiden suurin puute on niiden koko, joka rajoittaa käytettävää virtausnopeutta ja nostokorkeutta.
Siirtyminen vesipyöristä nykyaikaisiin turbiineihin kesti noin sata vuotta. Kehitys tapahtui teollisen vallankumouksen aikana tieteellisten periaatteiden ja menetelmien avulla. Niissä hyödynnettiin myös laajasti tuolloin kehitettyjä uusia materiaaleja ja valmistusmenetelmiä.
Sanan turbiini keksi ranskalainen insinööri Claude Bourdin 1800-luvun alussa, ja se on peräisin latinan kielen sanasta "pyörre" tai "pyörre". Tärkein ero varhaisen vesiturbiinin ja vesipyörän välillä on veden pyörteisyys, joka siirtää energiaa pyörivään roottoriin. Tämän ylimääräisen liikekomponentin ansiosta turbiini oli pienempi kuin saman tehoinen vesipyörä. Ne pystyivät käsittelemään enemmän vettä pyörimällä nopeammin ja käyttämään paljon suurempia vedenkorkeuksia. (Myöhemmin kehitettiin impulssiturbiinit, jotka eivät käyttäneet pyörteitä).
Aikajana
Ján Andrej Segner kehitti reaktiivisen vesiturbiinin 1700-luvun puolivälissä. Siinä oli vaaka-akseli, ja se oli nykyaikaisten vesiturbiinien edeltäjä. Kyseessä on hyvin yksinkertainen kone, jota valmistetaan yhä nykyäänkin pienvesivoimalaitoksissa käytettäväksi. Segner työskenteli Eulerin kanssa joidenkin turbiinien suunnittelun varhaisten matemaattisten teorioiden parissa.
Vuonna 1820 Jean-Victor Poncelet kehitti sisäänpäin virtaavan turbiinin.
Vuonna 1826 Benoit Fourneyron kehitti ulospäin virtaavan turbiinin. Se oli tehokas kone (~80 %), joka lähetti vettä juoksupyörän läpi, jonka lavat olivat yhden ulottuvuuden suhteen kaarevat. Myös paikallaan olevassa ulostuloaukossa oli kaarevat ohjaimet.
Vuonna 1844 Uriah A. Boyden kehitti ulosvirtausturbiinin, joka paransi Fourneyronin turbiinin suorituskykyä. Sen juoksuputken muoto muistutti Francis-turbiinia.
Vuonna 1849 James B. Francis paransi sisäänpäin virtaavan reaktioturbiinin hyötysuhteen yli 90 prosenttiin. Hän suoritti myös hienostuneita testejä ja kehitti vesiturbiinien suunnittelumenetelmiä. Francis-turbiini, joka on nimetty hänen mukaansa, on ensimmäinen nykyaikainen vesiturbiini. Se on edelleen maailman käytetyin vesiturbiini.
Sisäänpäin virtaavissa vesiturbiineissa on parempi mekaaninen järjestely, ja kaikki nykyaikaiset reaktioveden turbiinit ovat tätä mallia. Kun pyörteinen vesimassa pyörii tiiviimmin, se pyrkii myös nopeuttamaan pyörimisnopeutta energian säästämiseksi. Tämä ominaisuus vaikuttaa juoksupyörään veden putoavan painon ja pyörimisliikkeen lisäksi. Veden paine laskee nollaan, kun se kulkee turbiinin siipien läpi ja luovuttaa energiansa.
Noin vuonna 1890 keksittiin nykyaikainen nestelaakeri, jota käytetään nykyään yleisesti raskaiden vesiturbiinien karojen tukemiseen. Vuodesta 2002 lähtien nestelaakereiden keskimääräinen vikaantumisaika näyttää olevan yli 1300 vuotta.
Noin vuonna 1913 Victor Kaplan kehitti Kaplanin turbiinin, joka oli potkurityyppinen kone. Se oli Francis-turbiinin kehitysversio, mutta mullisti mahdollisuuden kehittää matalan vedenkorkeuden vesivoimalaitoksia.
Uusi käsite
Kaikki yleiset vesikoneet 1800-luvun loppupuolelle asti (mukaan lukien vesipyörät) olivat reaktiokoneistoja; veden painepää vaikutti koneeseen ja tuotti työtä. Reaktioturbiinissa veden on oltava täysin suljettuna energiansiirron aikana.
Vuonna 1866 kalifornialainen myllynrakentaja Samuel Knight keksi koneen, joka toimi täysin erilaisen konseptin pohjalta. Kultakenttien hydraulisessa kaivostoiminnassa käytettyjen korkeapainesuihkujärjestelmien innoittamana Knight kehitti kauhapyörän, joka otti talteen suuren vedenpinnan korkeuden (satoja pystysuoria metrejä putkessa tai putkiputkessa) muuttaneen vesisuihkun energian liike-energiaksi. Tätä kutsutaan impulssi- tai tangentiaaliturbiiniksi. Veden nopeus, joka on noin kaksi kertaa suurempi kuin kauhan kehän nopeus, tekee u-käännöksen kauhassa ja putoaa ulos juoksuputkesta nopeudella 0.
Vuonna 1879 Lester Pelton, joka kokeili Knight-pyörää, kehitti kaksoiskauhamallin, joka poisti veden sivulle, mikä poisti osan Knight-pyörän energiahäviöstä, joka poisti osan vedestä takaisin pyörän keskelle. Noin vuonna 1895 William Doble paransi Peltonin puoliksi sylinterimäistä kauhan muotoa elliptisellä kauhalla, johon oli tehty leikkaus, jotta suihku pääsisi puhtaammin kauhaan. Tämä on Peltonin turbiinin nykyaikainen muoto, jolla saavutetaan nykyään jopa 92 prosentin hyötysuhde. Pelton oli ollut varsin tehokas suunnittelunsa edistäjä, ja vaikka Doble otti Pelton-yhtiön haltuunsa, hän ei muuttanut nimeä Dobleksi, koska se oli tunnettu tuotemerkki.
Turgo- ja Crossflow-turbiinit olivat myöhempiä impulssimalleja.
Lähes miljoonan hevosvoiman Francis-turbiinin juoksupyörä, jota asennetaan Grand Couleen patoon.
Toimintateoria
Virtaava vesi ohjataan turbiinin juoksupyörän siipiin, jolloin siipiin kohdistuu voima. Koska juoksupyörä pyörii, voima vaikuttaa etäisyyden kautta (etäisyyden kautta vaikuttava voima on työn määritelmä). Näin energiaa siirtyy vesivirrasta turbiiniin.
Vesiturbiinit jaetaan kahteen ryhmään: reaktioturbiineihin ja sysäysturbiineihin.
Reaktioturbiinit
Reaktioturbiineihin vaikuttaa vesi, jonka paine muuttuu turbiinin läpi kulkiessaan ja joka luovuttaa energiaa. Turbiinit on koteloitava, jotta veden paine (tai imu) pysyy kurissa, tai ne on upotettava kokonaan vesivirtaan.
Newtonin kolmas liikkeen laki kuvaa reaktioturbiinien energiansiirtoa.
Useimmat käytössä olevat vesiturbiinit ovat reaktioturbiineja. Niitä käytetään matalan ja keskikorkean vedenkorkeuden sovelluksissa.
Impulssiturbiinit
Impulssiturbiinit muuttavat vesisuihkun nopeutta. Suihku työntää turbiinin kaarevia siipiä, jotka kääntävät virtauksen. Tästä aiheutuva muutos momentissa (impulssi) aiheuttaa voiman turbiinin lapoihin. Koska turbiini pyörii, voima vaikuttaa etäisyyden kautta (työ), ja käännetyn vesivirran energia vähenee.
Ennen turbiinin lapoihin osumista veden paine (potentiaalienergia) muutetaan suuttimessa liike-energiaksi ja keskitetään turbiiniin. Turbiinin siivissä ei tapahdu paineenmuutosta, eikä turbiini tarvitse koteloa toimiakseen. Newtonin toinen liikkeen laki kuvaa impulssiturbiinien energiansiirtoa.
Impulssiturbiineja käytetään useimmiten erittäin suurissa vedenpinnan korkeuksissa.
Teho
Vesivirran käytettävissä oleva voima on;
P = η ⋅ ρ ⋅ g ⋅ h ⋅ v ˙ {\displaystyle P=\eta \cdot \rho \cdot g\cdot h\cdot {\dot {\dot {v}}} 
missä:
- P = {\displaystyle P=}
teho (J/s tai wattia) - η = {\displaystyle \eta =}
turbiinin hyötysuhde - ρ = {\displaystyle \rho =}
veden tiheys (kg/m3 ) - g = {\displaystyle g=}
painovoiman kiihtyvyys (9,81 m/s2 ) - h = {\displaystyle h=}
pää (m). Tyynessä vedessä tämä on tulo- ja poistopintojen välinen korkeusero. Liikkuvaan veteen lisätään lisäkomponentti, joka ottaa huomioon virtauksen liike-energian. Kokonaiskorkeus on yhtä suuri kuin painekorkeus ja nopeuskorkeus.
- v ˙ {\displaystyle {\dot {v}}}
= virtausnopeus (m3 /s)
Pumpattu varastointi
Jotkin vesiturbiinit on suunniteltu pumppuvesivoimaa varten. Ne voivat kääntää virtauksen ja toimia pumppuna korkean säiliön täyttämiseksi sähköhuipputuntien ulkopuolella ja palata sitten turbiiniksi sähköntuotantoa varten sähköhuipputarpeen aikana. Tämäntyyppinen turbiini on yleensä rakenteeltaan Deriaz- tai Francis-turbiini.
Tehokkuus
Suurten nykyaikaisten vesiturbiinien mekaaninen hyötysuhde on yli 90 % (ei pidä sekoittaa termodynaamiseen hyötysuhteeseen).
Vesiturbiinityypit
Reaktioturbiinit:
- Francis
- Kaplan, potkuri, polttimo, putki, Straflo
- Tyson
- Vesipyörä
Impulssiturbiinit:
- Pelton
- Turgo
- Michell-Banki (tunnetaan myös nimellä Crossflow- tai Ossberger-turbiini).
Suunnittelu ja soveltaminen
Turbiinin valinta perustuu enimmäkseen käytettävissä olevaan vedenkorkeuteen ja vähemmän käytettävissä olevaan virtausnopeuteen. Yleensä impulssiturbiineja käytetään kohteissa, joissa vedenkorkeus on suuri, ja reaktioturbiineja kohteissa, joissa vedenkorkeus on pieni. Kaplan-turbiinit soveltuvat hyvin laajoille virtaama- tai vedenkorkeusalueille, koska niiden huippuhyötysuhde voidaan saavuttaa laajalla virtaama-alueella.
Pienissä (useimmiten alle 10 MW:n) turbiineissa voi olla vaakasuora akseli, ja jopa melko suuret, noin 100 MW:n polttoaineturbiinit voivat olla vaakasuoria. Erittäin suurissa Francis- ja Kaplan-turbiinikoneissa on yleensä pystyakselit, koska näin voidaan hyödyntää parhaiten käytettävissä oleva korkeus ja generaattorin asennus on taloudellisempaa. Pelton-pyörät voivat olla joko pysty- tai vaaka-akselisia, koska koneen koko on niin paljon pienempi kuin käytettävissä oleva korkeus. Joissakin impulssiturbiineissa käytetään useita vesisuihkuja juoksupyörää kohti ominaisnopeuden lisäämiseksi ja akselin työntövoiman tasapainottamiseksi.
Tyypilliset päät
- Kaplan 2 < H < 40 (H = korkeus metreinä)
- Francis 10 < H < 350
- Pelton 50 < H < 1300
- Turgo 50 < H < 250
Vesiturbiinin sovellustaulukko.
Huolto
Turbiinit on suunniteltu toimimaan vuosikymmeniä siten, että niiden tärkeimpiä osia huolletaan hyvin vähän; kunnossapitovälit ovat useiden vuosien luokkaa. Juoksupyörien ja veden kanssa kosketuksiin joutuvien osien kunnossapitoon kuuluu kuluneiden osien irrottaminen, tarkastaminen ja korjaaminen.
Normaalia kulumista ovat kavitaatiosta johtuva kuoppaantuminen, väsymissäröily ja vedessä olevien kiintoaineiden aiheuttama kuluminen. Teräsosat korjataan hitsaamalla, yleensä ruostumattomasta teräksestä valmistetulla puikolla. Vaurioalueet leikataan tai hiotaan pois, minkä jälkeen ne hitsataan takaisin alkuperäiseen tai parannettuun profiiliin. Vanhoihin turbiinien juoksuputkiin saatetaan lisätä tällä tavoin huomattava määrä ruostumatonta terästä niiden käyttöiän loppuun mennessä. Laadukkaimpien korjausten aikaansaamiseksi voidaan käyttää monimutkaisia hitsausmenetelmiä.
Muita osia, jotka vaativat tarkastusta ja korjausta peruskorjauksen aikana, ovat laakerit, pakkauslaatikko ja akselihylsyt, servomoottorit, laakereiden ja generaattorikäämien jäähdytysjärjestelmät, tiivisterenkaat, porttiliitäntäelementit ja kaikki pinnat.
Francis-turbiini elinkaarensa lopussa, jossa näkyy kavitaatiolöydöksiä, väsymissäröjä ja katastrofaalinen vikaantuminen. Aiemmat korjaustyöt, joissa käytettiin ruostumattomasta teräksestä valmistettuja hitsauspuikkoja, ovat näkyvissä.
Ympäristövaikutukset
Vesiturbiinilla on ollut sekä myönteisiä että kielteisiä vaikutuksia ympäristöön.
Ne ovat yksi puhtaimmista sähköntuottajista, sillä ne korvaavat fossiilisten polttoaineiden polton ja poistavat ydinjätteen. Fossiilisten polttoaineiden polttaminen tuottaa savua ja tuhkaa sekä myrkyllisiä kaasuja, kuten hiilimonoksidia. Ydinjäte tuottaa vaarallista säteilyä, ja sitä on vaikea hävittää. Ydinvoimalaitokset käyttävät uusiutuvaa energialähdettä, ja ne on suunniteltu toimimaan vuosikymmeniä. Ne tuottavat merkittävän osan maailman sähköhuollosta.
Historiassa on ollut myös kielteisiä seurauksia. Vesiturbiinien pyörivät lavat tai porttijuoksupyörät voivat häiritä jokien luonnollista ekologiaa, tappaa kaloja, pysäyttää vaellukset ja häiritä ihmisten toimeentuloa. Esimerkiksi Tyynenmeren luoteisosan intiaaniheimojen elinkeino perustui lohen kalastukseen, mutta aggressiivinen patojen rakentaminen tuhosi heidän elämäntapansa. 1900-luvun lopusta lähtien on ollut mahdollista rakentaa vesivoimajärjestelmiä, jotka ohjaavat kalat ja muut eliöt pois turbiinien vedenottoaukoista ilman merkittäviä vahinkoja tai tehon menetyksiä; tällaiset järjestelmät vaativat vähemmän puhdistusta, mutta niiden rakentaminen on huomattavasti kalliimpaa. Yhdysvalloissa on nykyään laitonta estää kalojen vaellus, joten patojen rakentajien on rakennettava kalaportaat.
