Inleiding
Dit artikel bespreekt verschillende typen waterkracht turbines, hun ontwerpen, classificaties, en typische toepassingen. Zowel impuls als reactie turbines worden behandeld, evenals de kenmerken van elk type. Francis, Kaplan, en Pelton waterkracht turbines worden in detail besproken, samen met hun werkingsprincipes.
Korte Geschiedenis
Waterraderen zijn de voorlopers van moderne waterkracht turbines. Het moderne equivalent van een waterrad wordt tegenwoordig een turbinerotor genoemd. Turbinerotorontwerpen zijn aanzienlijk geëvolueerd in de afgelopen duizend jaar, maar hun doel is hetzelfde gebleven. Het doel van een waterkracht turbinerotor is om potentiële energie om te zetten in mechanische energie. Deze mechanische energie kan worden gebruikt om nuttig werk te verrichten, zoals het aandrijven van pompimpellers in pompen, of rotoren in elektrische generatoren. In deze video richten we ons op de gangbare waterkracht turbinerotor ontwerpen die worden gebruikt in de energie-engineering sector.
Waterrad
Veelvoorkomende Turbinerotors
De drie meest voorkomende turbinerotors zijn de Francis, Kaplan, en Pelton turbinerotors. De Francis en Pelton turbines werden in de 19e eeuw uitgevonden door James Francis en Lester Pelton respectievelijk. Het variabele pitch propeller type rotor werd in het begin van de 20e eeuw uitgevonden door Victor Kaplan. Vaste propeller type rotors bestaan, maar alleen het variabele pitch propeller type wordt een Kaplan turbinerotor genoemd. Er zijn andere rotorontwerpen zoals de Deriaz en cross-flow ontwerpen, maar deze zijn minder gebruikelijk. Elke rotor heeft verschillende operationele kenmerken, en elke rotor is alleen geschikt voor bepaalde operationele hoogtes en debieten; het is echter mogelijk dat verschillende rotorontwerpen geschikt kunnen zijn voor een gedeelde toepassing.
Waterkracht Turbinerotor Classificatie
Waterkracht turbinerotors kunnen op verschillende manieren worden gecategoriseerd:
-
De drie gebruikelijke waterkracht turbine ontwerpen zijn de Kaplan, Pelton, en Francis ontwerpen.
-
Er zijn reactie (Kaplan en Francis) en impuls (Pelton) turbines, die respectievelijk druk en drukloos zijn.
-
Op basis van het type stroom door of op de rotor bladen of emmers (axiaal, gemengd, tangentiëel, en radiaal stroming turbines).
-
Op basis van de volumetrische stroom die naar de rotor wordt gevoerd.
-
Op basis van de specifieke snelheid van de rotor.
-
Op basis van de operationele drukhoogte.
Geniet je van dit artikel? Zorg er dan voor dat je onze Waterkrachtcentrales Videocursus bekijkt! De cursus bevat een quiz, handboek, en je ontvangt een certificaat wanneer je de cursus voltooit. Geniet ervan!
Classificatie op Energie
Reactie turbines zijn druk type turbines en vertrouwen op een doorlopende watermassa van het bovenwater naar het benedenwater. Reactie turbines gebruiken de vorm van de rotorbladen om een druk verschil te creëren over de zuig- en afvoerkant van de bladen. De verandering in druk over de bladen vertegenwoordigt de hoeveelheid energie die wordt omgezet in mechanische energie, hoewel ook kinetische energie wordt omgezet in mechanische energie door dit type turbine. Francis en Kaplan rotors zijn reactie type rotors.
Reactie Turbine Werkingsprincipe
Impuls turbines zijn drukloze type turbines. Impuls turbines vertrouwen op waterstralen die tangentiëel op emmers worden gericht. Terwijl het water op elke emmer slaat, bewegen de emmers weg van elke straal en wordt koppel toegepast op de rotor as, waardoor deze gaat draaien. Pelton turbine rotors kunnen worden aangedreven door een of meerdere waterstralen. De Pelton rotor is het meest voorkomende type impuls rotor.
Impuls Turbine Werkingsprincipe
Classificatie op Stroom
Rotors kunnen worden geclassificeerd als axiaal, gemengd, radiaal, kruis, of tangentiëel stroming. Waar water parallel over de rotor stroomt, is het een axiale stroming rotor. Waar water radiaal over de rotor stroomt, hetzij naar binnen of naar buiten, is het een radiale stroming rotor. Rotors die zowel axiale als radiale stroming gebruiken, worden gemengde stroming rotors genoemd. In de praktijk zijn reactie type rotors meestal axiaal of gemengde stroming. Kaplan rotors worden geclassificeerd als axiale stroming rotors, terwijl Francis rotors worden geclassificeerd als gemengde stroming rotors. Pelton rotors zijn tangentiële stroming rotors, omdat het water de emmers tangentiëel raakt. Kruis-stroming turbine rotors worden gecategoriseerd als gebruikmakend van transversale stroming, omdat het water aan de ene kant van de rotor binnenkomt en aan de andere kant uitstroomt.
Classificatie op Snelheid
De specifieke snelheid wordt gegeven in omwentelingen per minuut (rpm), het heeft betrekking op de snelheid van de rotor als deze wordt verkleind tot een grootte waarbij het één eenheid vermogen genereert. Het verkleinen van de rotor tot een grootte waarbij het slechts één eenheid vermogen genereert, stelt ons in staat om de specifieke snelheid van turbine rotors van verschillende ontwerpen te vergelijken.
-
Lage specifieke snelheid turbines zijn die met een specifieke snelheid van minder dan 50.
-
Middelhoge specifieke snelheid turbines hebben een specifieke snelheid van tussen 50 en 250.
-
Hoge specifieke snelheid turbines werken bij specifieke snelheden van meer dan 250.
Classificatie op Drukhoogte
De drukhoogte wordt gemeten door het verschil in hoogte tussen het bovenwater en benedenwater. Een lage hoogte turbine heeft een operationele hoogte van 30m of minder, een middelhoge hoogte turbine heeft een operationele hoogte van tussen 30 tot 300m, en een hoge hoogte centrale heeft een operationele hoogte van meer dan 300m.
Factoren die de Efficiëntie Beïnvloeden
Ongeacht het ontwerp van de turbinerotor, hangt de hoeveelheid potentiële energie die kan worden omgezet in mechanische energie af van drie hoofdvariabelen:
-
Beschikbare hoogte
-
Stroomdebiet
-
Turbinerotor efficiëntie
De hoogte is het verschil in hoogte tussen het bovenwater en benedenwater. Het stroomdebiet wordt bepaald door de doorsnede van de watergeleiders en de stroomsnelheid. De turbine efficiëntie is afhankelijk van het ontwerp en de toepassing van de turbinerotor; als de juiste rotor wordt gebruikt voor de juiste toepassing, kunnen vaak efficiënties van meer dan 90% worden bereikt voor alle gebruikelijke rotorontwerpen.
Hydro Turbine Rotors
Impuls turbines, reactie turbines, en de drie meest voorkomende hydro turbinerotor ontwerpen zijn kort besproken. Dit artikel zal nu elk rotorontwerp in meer detail bekijken.
Francis Turbines
Francis rotors bestaan uit een reeks vaste bladen verbonden aan een rotor kroon aan de bovenkant, en een rotor band aan de onderkant. Dit type rotor zet zowel drukenergie als kinetische energie om in mechanische energie.
Francis Turbine Werkingsprincipe
Het uiterlijk van Francis rotors kan aanzienlijk variëren, dit komt door de omstandigheden en snelheid waarin de rotor wordt verwacht te werken. Francis rotors hebben een breed operationeel bereik en kunnen worden gebruikt voor veel hoogte- en stroomtoepassingen, wat ze een zeer gebruikelijk type rotor maakt.
In tegenstelling tot andere turbinerotor ontwerpen, vermindert de efficiëntie van de Francis turbine niet aanzienlijk totdat de belasting daalt tot ongeveer 40%, en het heeft de unieke eigenschap om zowel als pomp als turbine te kunnen functioneren.
Francis Turbine Rotor
Francis rotors kunnen worden gebruikt over een breed scala aan drukken en stroomdebieten; ze zijn gebruikt voor toepassingen van meer dan 800 MW.
Kaplan Turbines
Kaplan rotors bestaan uit een reeks bladen gemonteerd op een centrale naaf. Elk blad kan binnen zijn montage draaien, wat betekent dat de pitch verstelbaar is; dit is de onderscheidende factor tussen Kaplan turbines en vaste propeller type turbines. Typisch gebruiken Kaplan turbines tussen drie tot zes bladen, hoewel tot tien bladen mogelijk zijn. De verstelbare pitch bladen kunnen worden gebruikt om de rotatiesnelheid van de rotor te regelen, en daarmee ook de hoeveelheid potentiële energie die kan worden onttrokken aan het stromende water.
Kaplan Turbine Werkingsprincipe
Kaplan turbines worden gebruikt voor lage hoogte toepassingen waar een middel tot hoog stroomdebiet aanwezig is; dit maakt ze een ideale keuze voor run-of-the-river, en getijden waterkrachtcentrales. Kaplan rotors zijn gebruikt voor toepassingen van meer dan 200 MW.
Kaplan Turbine Rotor
Pelton Turbines
Pelton rotors hebben het meest onderscheidende uiterlijk van alle waterkracht turbines. De buitenste omtrek van de rotor bevat een reeks emmers verbonden aan een cirkelvormige schijf. Een waterstraal wordt op deze emmers gespoten vanuit een spuitmond, en de resulterende impulsieve kracht die op de rotor wordt uitgeoefend, zorgt ervoor dat deze draait. Het aantal stralen hangt af van de grootte van de Pelton rotor, hoewel meestal tussen één tot zes stralen worden gebruikt.
Pelton Turbine Werkingsprincipe
Een naald wordt gebruikt om de waterstroom door de spuitmond te starten, stoppen, en te regelen. De naald is een kegelvormig item dat in of uit de spuitmond kan worden geschoven om de stroom te regelen; het wordt meestal handmatig of elektrisch bediend. Het is de spuitmond die de drukenergie van het water omzet in kinetische energie, die vervolgens door de rotor wordt omgezet in mechanische energie. Merk op dat de Pelton rotor geen drukenergie omzet in mechanische energie, omdat deze onder atmosferische omstandigheden werkt. In plaats daarvan wordt water direct vanuit de Pelton rotor emmers afgevoerd naar een afvoerput, en vervolgens naar de afvoergoot.
Pelton turbines kunnen worden geïnstalleerd met een horizontale of verticale oriëntatie. Kleinere eenheden worden meestal horizontaal geïnstalleerd, terwijl grotere eenheden verticaal worden geïnstalleerd.
Pelton turbines worden alleen gebruikt voor hoge hoogte, lage stroom toepassingen. Pelton rotors zijn gebruikt voor toepassingen van meer dan 400 MW.
Samenvatting
In dit artikel hebben we geleerd hoe impuls- en reactieturbines werken. We hebben geleerd hoe Francis, Kaplan, en Pelton turbines werken, en voor welke toepassing elke turbine geschikt is.
De inhoud van dit artikel is afkomstig uit onze Introductie tot Waterkrachtcentrale Engineering Cursus.
Gerelateerde Online Engineering Cursussen
Introductie tot Waterkrachtcentrales
Overzicht van Waterkrachtcentrales
Aanvullende Bronnen
https://en.wikipedia.org/wiki/Water_turbine