Overfallshjul.
Vannkraftmaskin er en maskin som omsetter den effekt som fremkommer ved at en vannføring faller en viss høyde, til mekanisk effekt.
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). Styring og anordning for utjevning av trykket er komplisert ved denne løsningen.
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 totale 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 pådragsområdet som vanligvis benyttes.
Vertikal, aksial fallturbin i åpen kum. Skjematisk antydes hvordan vannet fra en ledekanal strømmer gjennom hjulet.
Turbiner som utnytter vannets bevegelsesenergi er nå praktisk talt enerådende som vannkraftmaskiner. Ved et stillestående ledeapparat (ledehjul) føres vannet inn på løpehjulet 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 (reaksjonsturbin/ fullturbin). Man får i begge tilfeller den fulle reaksjonsvirkning mot løpehjulskovlene, men turbinens egenskaper blir vesentlig forskjellig.
Av de vanlige turbintypene som brukes i kraftverk er både francisturbinen og kaplanturbinen såkalte reaksjonsturbiner. Det betyr at disse turbintypene utnytter både trykket inn på turbinen og suget (undertrykket) som oppstår ut fra turbinen. Dette i motsetning til peltonturbinen, som utnytter kun trykket (fallhøyden) ned til turbinrøret (partialturbin).
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.
Teorier for vannturbin ble første gang offentliggjort rundt år 1750 av Leonhard Euler.
Peltonturbin med regulator. Stråleavbøyeren står under jevn drift helt ut av strålen, den rykkes bare inn under plutselige kraftavslag, og føres ut igjen idet nålen langsomt forsnevrer munnstykkets utløpsareal.
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 cirka 400 meter (2300 meter i 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 prosent, 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 én eller to stråler, men det kan også brukes flere, fortrinnsvis ved vertikale turbiner. For eksempel er peltonturbiner med fem stråler, ytelse 315 MW for 885 meter netto fall, levert til Sima kraftverk i Hardanger.
Francisturbin
Francisturbinen er en radial fullturbin med løpehjulet liggende innenfor ledehjulet. Skovlene på ledeapparatet 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 mye. 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 (nedadgående) retning for å fortsette gjennom dette og helt fylle det tett tilsluttende sugerøret, 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 (fristråleturbiner) når pådraget avtar. På den annen side ligger francisturbinens maksimale virkningsgrad høyere enn peltonturbinens, og kan nå opp i 95–96 prosent. 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 meter. Ved store fallhøyder og omdreiningstall må turbinen dykkes. Eksempel på en slik turbin i Norge er ved Kvilldal kraftverk (Ulla–Førre), 310 MW, 535 meter, 333 omdreininger per minutt. 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 meter, 428 omdreininger per minutt. Under pumping fungerer generatoren som motor (se pumpeturbin).
Løpehjul for kaplanturbin. Til venstre lukkede skovler, liten ytelse. Til høyre åpne skovler, stor ytelse.
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 de aller laveste fall og med til dels meget store vannføringer. De svingbare ledeskovlene 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, for eksempel ved hjelp av en sentral stang, aksialt forskyvbar i den hule turbinakselen.
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 prosent 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 meter. Løpehjulet må da dykkes, det vil si legges vesentlig lavere enn undervannsspeilet for å forhindre vakuumdannelse og kavitasjon i hjulet.
For de laveste fallhøyder, under 30 meter, 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. På en nyere type, Strafloturbinen, er generatorens rotor anordnet som en krans på turbinens løpehjul.
Regulatoren skal automatisk innstille turbinens pådrag etter belastningen slik at omløpstallet, og derved frekvensen i strømnettet, 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 i omdreiningstallet 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 trykkstigningen 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.
Kommentarer
Kommentarer til artikkelen blir synlig for alle. Ikke skriv inn sensitive opplysninger, for eksempel helseopplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan. Det kan ta tid før du får svar.
Du må være logget inn for å kommentere.