Vannkraftmaskin, maskin som omsetter den effekt som fremkommer ved at en vannføring faller en viss høyde, til mekanisk effekt. Har vannfallet en (vertikal) fallhøyde H m og vannkraftmaskinen en vannføring Q m3/s, yter den en effekt N = ŋ·9,8·Q·H kW, når ŋ er prosessens hydrauliske virkningsgrad. Vannkraftmaskiner kan innstille vannføringen (pådraget) etter belastningen. Da virkningsgraden varierer med effekten, er det av betydning for kraftmaskinens effektivitet at virkningsgraden holdes høy over det pådragsområde som vanligvis benyttes.

Tidligere ble vannhjul og vanntrykkmotoren benyttet som vannkraftmaskiner. Vanntrykkmotoren utføres med sylinder og stempel som ved en dampmaskin. Vann tilføres under trykk i lukket system (rør). Styringen og anordning for utjevning av trykket er komplisert ved denne løsning.

Turbiner som utnytter vannets bevegelsesenergi er nå praktisk talt enerådende som vannkraftmaskiner. Ved et stillestående ledeapparat (ledehjul) føres vannet inn på turbinhjulet (løpehjul, festet til en aksel) med en absolutt hastighet (c1) og med en betydelig komponent i løpehjulets bevegelsesretning. Ved valg av passende skovlform og hjulhastighet kan man oppnå at vannet strømmer inn i hjulet uten støt, og forlater det med liten absolutt hastighet (c2) i det vesentlige vinkelrett på hjulets bevegelsesretning. Under løpet gjennom turbinhjulet avbøyes vannstrømmen av hjulets skovler, og løpehjulet settes i rotasjon. Vannets arbeidsevne minus tap ved friksjon, støt og turbulens, blir avgitt til hjulet.

Ved utløpet av ledeapparatet kan vannet uten trykk, men med full hastighet fritt strømme ut i luften og inn på løpehjulet, hvor det under gjennomstrømningen bare delvis fyller kanalene mellom skovlene (partialturbin, aksjons-fristråleturbin). Eller det kan ved innløpet på løpehjulet fremdeles stå under et visst trykk og under gjennomstrømningen helt fylle dets kanaler (fullturbin, reaksjonsturbin). Man får i begge tilfeller den fulle reaksjonsvirkning mot løpehjulskovlene, men turbinens egenskaper blir vesentlig forskjellig.

Bortsett fra hastighetskomponenten i løpehjulets omløpsretning kan vannet fra ledehjulet strømme inn på løpehjulet i aksial eller radial retning, og turbinen kalles etter det aksialturbin, henholdsvis radialturbin. I hvert tilfelle kan turbinakselen være vertikal eller horisontal, vertikalturbin, henholdsvis horisontalturbin.

En teori for vannturbin ble første gang offentliggjort ca. 1750 av Leonhard Euler. Gjennom mange typer førte utviklingen til de tre nå alminnelig brukte: peltonturbinen, francisturbinen og kaplanturbinen.

Peltonturbinen er en partialturbin. Vannets trykkenergi omdannes til bevegelsesenergi, når vannstrålen treffer skovlene på turbinakselens løpehjul og driver hjulet rundt. Peltonturbinen er en typisk høytrykksturbin og brukes vesentlig for fall over ca. 400 m (2300 m Reisseck, Østerrike), men kan ved relativt liten vannføring også brukes for lavere fall.

Ledeapparatet består av et konisk munnstykke og inne i dette en sentral, fortykket nål, som er forskyvbar i aksial retning og tjener til å innstille utløpsarealet og dermed turbinens pådrag. Ledeapparatets form gjør at det helt ned til et minimalt utløpsareal dannes en sylindrisk, kompakt vannstråle. Ved innløpet på løpehjulet kløyves vannstrålen av skovlenes radielt stående midtegg, hvoretter vannet strømmer over og avbøyes av skovlene, slik at det forlater hjulet vesentlig i aksial retning, en halvpart på hver side. Ved endring av pådraget forandres tverrsnittet både av strålen og vannstrømmen over løpehjulskovlene. Vannhastighetene blir imidlertid ikke endret, og dermed holder virkningsgraden seg høy, 92–93 %, over et stort pådragsområde fra full vannføring ned til en forholdsvis liten.

Da turbinhjulet må løpe i luft, tapes på den annen side fallhøyden fra hjulet ned til undervannsspeilet. Vannet ledes til munnstykket ved et krumt tilløpsrør. Gjennom tilløpsrørets rygg føres reguleringsnålen ut. For et løpehjul med horisontal aksel brukes det vanligvis en eller to stråler, men det kan også brukes flere, fortrinnsvis ved vertikale turbiner. F.eks. er peltonturbiner med 5 stråler, ytelse 315 MW for 885 m netto fall, levert til Sima kraftverk i Hardanger.

Francisturbinen er en radial fullturbin med løpehjulet liggende innenfor ledehjulet. Ledeskovlene utføres i ett med hver sin akseltapp, som er ført ut i det fri gjennom tette lagringer i lokket over ledehjulet og kan beveges fra en felles reguleringsring. Ved denne anordning svinges alle ledeskovlene samtidig og like meget. Utløpsarealet av ledehjulet og dermed turbinens pådrag kan derved innstilles kontinuerlig til dets maksimale verdi og med en jevn vanntilførsel rundt løpehjulet. Gjennom løpehjulet avbøyes vannstrømmen til aksial retning for å fortsette gjennom dette og helt fylle det tett tilsluttende sugerør, som er ført ned under laveste undervannsspeil.

Ved endring av pådraget forandres vannhastigheten og trykkfordelingen i løpehjulets kanaler, som fremdeles skal fylles av vannstrømmen. Dette gjør at virkningsgraden synker sterkere enn ved partialturbiner når pådraget avtar. På den annen side ligger francisturbinens maksimale virkningsgrad høyere enn peltonturbinens og kan nå opp i 95–96 %. Den utnytter dessuten fallhøyden helt ned til undervannsspeilet. Den høyde over undervann som turbinen kan anbringes i, avhenger både av fallhøyden og av turbinens omdreiningstall, og er sterkt begrenset.

Francisturbinen egner seg for (lave og) midlere fallhøyder, 40–700 m. Ved store fallhøyder og omdreiningstall må turbinen dykkes. Eksempel på en slik turbin i Norge er ved Kvilldal kraftverk (Ulla–Førre), 310 MW, 535 m, 333 omdreininger/min. Fra francisturbinen er det avledet en tredje type, Deriazturbinen, som kan drives begge veier både som turbin og pumpe. Eksempel på pumpeturbin i Norge er ved Saurdal kraftverk (Ulla–Førre), 160 MW, 390 m, 428 omdreininger/min. Under pumping fungerer generatoren som motor.

Kaplanturbinen, som også er en radialturbin, men med aksial ombøyning av vannstrømmen i hulrommet mellom ledehjulet og løpehjulet, er en type som egner seg for de lavere og laveste fall med til dels meget store vannføringer. De svingbare ledeskovler er beholdt, men løpehjulet har fått form av en propell med få skovler (blad). Antallet avhenger av fallhøyden, og det karakteristiske for kaplanturbinen er at disse er anordnet svingbare i likhet med ledeskovlene og kan innstilles utenfra, f.eks. ved hjelp av en sentral stang, aksialt forskyvbar i den hule turbinaksel.

Både ledehjulets og løpehjulets utløpsareal kan tilpasses pådraget, og derved oppnås at virkningsgraden holder seg godt oppe over et stort pådragsområde. Virkningsgradens maksimale verdi kan være 92–93 % som ved peltonturbinen. Kaplanturbinens fordelaktige egenskap, å kunne tilpasses anlegg med varierende fallhøyde og vannføring (elvekraftverk) med god virkningsgrad, er i senere tid også nyttiggjort for fallhøyder opptil 80 m. Løpehjulet må da dykkes, dvs. legges vesentlig lavere enn undervannsspeilet for å forhindre vakuumdannelse og kavitasjon i hjulet.

For de laveste fallhøyder, under 30 m, brukes ofte kaplanturbiner med horisontal aksel, såkalte rørturbiner. Ved at turbinen med generator plasseres i røret unngås spiraltromme og vertikalt sugerør. Det reduserte byggevolum medfører økonomiske fordeler. I Norge er rørturbiner brukt ved en rekke lavtrykksanlegg. Rørturbiner er også tatt i bruk ved tidevannskraftverk i Frankrike (Rance) og på Kola i Russland. Ved de laveste fallhøyder og omdreiningstall er rørturbiner også utført med giranordning mellom turbin og generator for å heve generatorens omdreiningstall. En nyere type, Strafloturbinen, har generatorens rotor anordnet som en krans på turbinens løpehjul.

Regulatoren skal automatisk innstille turbinens pådrag etter belastningen slik at omløpstallet holdes mest mulig konstant. Pådragsorganets forstilling krever i alminnelighet en så stor kraft at man må benytte en hydraulisk kraftforsterker (en servomotor). For å utjevne variasjoner av omløpstallet som oppstår ved enhver endring i belastningen, forsyner man turbinen med en svingmasse; men for at omløpstallet ved en plutselig avlastning ikke skal stige for høyt eller ved pålastning synke for lavt, må pådraget også omgående forstilles tilsvarende.

Ledes vannet til turbinen i et rør, vil retardasjonen ved et avslag frembringe en trykkstigning i røret. Denne kan ved enkelte kraftverk bli så vidt høy at retardasjonen må begrenses. Ved francisturbiner oppnås dette ved at regulatoren, samtidig med at den minsker pådraget, åpner en ventil med fritt sideutløp, som etter hvert lukker seg, men så langsomt at trykkstigningen begrenses. Ved peltonturbinen oppnås prinsipielt det samme ved at regulatoren ved avslag raskt fører en stråleavbøyer inn i strålen og derved hurtig reduserer ytelsen. Under reguleringsforløpet overtar avbøyeren reguleringen samtidig med at nålen forsnevrer munnstykkets utløpsareal og derved reduserer vannføringen i overensstemmelse med den trykkstigning man kan tillate i røret. Etter endt regulering har strålen den nye, riktige diameter og er fri av stråleavbøyeren. Ved påslag får man omvendt en trykksynkning i røret. Denne kan bare begrenses ved at åpningshastigheten på servomotoren reduseres.

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål om artikkelen? Skriv her, så får du svar fra fagansvarlig eller redaktør.

Du må være logget inn for å kommentere.