Eine Wasserturbine ist ein Rotationskolbenmotor, der Energie von bewegendem Wasser nimmt.

Wasserturbinen wurden im 19. Jahrhundert entwickelt und wurden für die Industriemacht vor dem elektrischen Bratrost weit verwendet. Jetzt werden sie größtenteils für die elektrische Energieerzeugung verwendet. Sie spannen eine saubere und erneuerbare Energiequelle an.

Geschichte

Wasserräder sind seit Tausenden von Jahren für die Industriemacht verwendet worden. Ihr Hauptfehler ist Größe, die den Durchfluss beschränkt und gehen Sie, der angespannt werden kann.

Die Wanderung von Wasserrädern bis moderne Turbinen hat ungefähr hundert Jahre genommen. Entwicklung ist während der Industriellen Revolution, mit wissenschaftlichen Grundsätzen und Methoden vorgekommen. Sie haben auch umfassenden Gebrauch von neuen Materialien und Produktionsmethoden entwickelt zurzeit gemacht.

Strudel

Die Wortturbine wurde vom französischen Ingenieur Claude Burdin am Anfang des 19. Jahrhunderts eingeführt und wird aus dem lateinischen Wort für "das Wirbeln" oder einen "Wirbelwind" abgeleitet. Der Hauptunterschied zwischen frühen Wasserturbinen und Wasserrädern ist ein Strudel-Bestandteil des Wassers, das Energie zu einem spinnenden Rotor passiert. Dieser zusätzliche Bestandteil der Bewegung hat der Turbine erlaubt, kleiner zu sein, als ein Wasserrad derselben Macht. Sie konnten mehr Wasser bearbeiten, indem sie schneller gesponnen haben, und konnten viel größere Köpfe anspannen. (Später wurden Impuls-Turbinen entwickelt, der Strudel nicht verwendet hat).

Zeitleiste

Das frühste bekannte Wasserturbinendatum zum römischen Reich. Zwei Mühle-Seiten der Spirale-Turbine fast des identischen Designs wurden an Chemtou und Testour, das modern-tägige Tunesien gefunden, zum späten 3. oder Anfang des 4. Jahrhunderts n.Chr. datierend. Das horizontale Wasserrad mit winkligen Klingen wurde an der Unterseite von einer wassergefüllten, kreisförmigen Welle installiert. Das Wasser von der Mühle-Rasse ist tangential in die Grube eingegangen, eine wirbelnde Wassersäule schaffend, die das völlig untergetauchte Rad wie eine wahre Turbine hat handeln lassen.

Ján Andrej Segner hat eine reaktive Wasserturbine Mitte des 18. Jahrhunderts entwickelt. Es hatte eine horizontale Achse und war ein Vorgänger zu modernen Wasserturbinen. Es ist eine sehr einfache Maschine, die noch heute für den Gebrauch in kleinen Wasserdruckprüfungsseiten erzeugt wird. Segner hat mit Euler an einigen der frühen mathematischen Theorien des Turbinendesigns gearbeitet.

1820 hat Jean-Victor Poncelet eine Turbine des innerlichen Flusses entwickelt.

1826 hat Benoit Fourneyron eine Turbine des äußeren Flusses entwickelt. Das war eine effiziente Maschine (~80 %), die Wasser durch einen Läufer mit in einer Dimension gebogenen Klingen gesandt haben. Der stationäre Ausgang hatte auch Handbücher gebogen.

1844 hat Uriah A. Boyden eine äußere Fluss-Turbine entwickelt, die die Leistung der Turbine von Fourneyron übertroffen hat. Seine Läufer-Gestalt war dieser einer Turbine von Francis ähnlich.

1849 hat James B. Francis die innerliche Fluss-Reaktionsturbine zu mehr als 90 % Leistungsfähigkeit verbessert. Er hat auch hoch entwickelte Tests geführt und hat Technikmethoden für das Wasserturbinendesign entwickelt. Die Turbine von Francis, die für ihn genannt ist, ist die erste moderne Wasserturbine. Es ist noch die am weitesten verwendete Wasserturbine in der Welt heute. Die Turbine von Francis wird auch eine radiale Fluss-Turbine seit Wasserflüssen vom Außenkreisumfang zum Zentrum des Läufers genannt.

Fließen Sie nach innen Wasserturbinen haben eine bessere mechanische Einordnung, und alle modernen Reaktionswasserturbinen sind von diesem Design. Da das Wasser nach innen wirbelt, beschleunigt es sich, und überträgt Energie dem Läufer. Wasserdruck-Abnahmen zum atmosphärischen, oder in einigen Fällen subatmosphärisch, weil das Wasser die Turbinenklingen durchführt und Energie verliert.

1890 wurde das moderne flüssige Lager erfunden, jetzt allgemein verwendet, um schwere Wasserturbinenspindeln zu unterstützen. Bezüglich 2002 scheinen flüssige Lager, eine mittlere Zeit zwischen Misserfolgen von mehr als 1300 Jahren zu haben.

1913 hat Viktor Kaplan die Turbine von Kaplan, eine Maschine des Propeller-Typs geschaffen. Es war eine Evolution der Turbine von Francis, aber hat die Fähigkeit revolutioniert, Wasserdruckprüfungsseiten des niedrigen Kopfs zu entwickeln.

Ein neues Konzept

Alle allgemeinen Wassermaschinen bis zum Ende des 19. Jahrhunderts (einschließlich Wasserräder) waren grundsätzlich Reaktionsmaschinen; Wasserdruck-Kopf hat der Maschine gefolgt und hat Arbeit erzeugt. Eine Reaktionsturbine muss das Wasser während der Energieübertragung völlig enthalten.

1866 hat Mühlenbauer von Kalifornien Samuel Knight eine Maschine erfunden, die das Impuls-System in ein neues Niveau gebracht hat. Begeistert durch die Strahlsysteme des Hochdrucks, die im hydraulischen Bergwerk in den Goldfeldern verwendet sind, hat Knight ein geschöpftes Rad entwickelt, das die Energie eines freien Strahles gewonnen hat, das einen hohen Kopf (Hunderte von vertikalen Füßen in einer Pfeife oder Stauanlage) Wassers zur kinetischen Energie umgewandelt hatte. Das wird einen Impuls oder tangentiale Turbine genannt. Die Geschwindigkeit von Wasser, grob zweimal die Geschwindigkeit der Eimer-Peripherie, tut eine Wende im Eimer und fällt aus dem Läufer an der niedrigen Geschwindigkeit heraus.

1879 hat Lester Pelton (1829-1908), mit einem Ritter-Rad experimentierend, ein doppeltes Eimer-Design entwickelt, das das Wasser beiseite erschöpft hat, einen Energieverlust des Ritter-Rades beseitigend, das etwas Wasser zurück gegen das Zentrum des Rades erschöpft hat. Ungefähr 1895 hat William Doble die halbzylindrische Eimer-Form von Pelton mit einem elliptischen Eimer übertroffen, der eine Kürzung darin eingeschlossen hat, um dem Strahl einen saubereren Eimer-Zugang zu erlauben. Das ist die moderne Form der Turbine von Pelton, die heute bis zu 92 % Leistungsfähigkeit erreicht. Pelton war ganz ein wirksamer Befürworter seines Designs gewesen, und obwohl Doble die Gesellschaft von Pelton übernommen hat, hat er den Namen in Doble nicht geändert, weil es Markenname-Anerkennung hatte.

Turgo und Turbinen von Crossflow waren spätere Impuls-Designs.

Theorie der Operation

Fließendes Wasser wird auf den Klingen eines Turbinenläufers geleitet, eine Kraft auf den Klingen schaffend. Da der Läufer spinnt, die Kraft-Taten durch eine Entfernung (ist Kraft, die durch eine Entfernung handelt, die Definition der Arbeit). Auf diese Weise wird Energie vom Wasserfluss bis die Turbine übertragen

Wasserturbinen werden in zwei Gruppen geteilt; Reaktionsturbinen und Impuls-Turbinen.

Die genaue Gestalt von Wasserturbinenklingen ist eine Funktion des Versorgungsdrucks von Wasser und des Typs des ausgewählten Flügelrades.

Reaktionsturbinen

Reaktionsturbinen werden durch Wasser gefolgt, das Druck ändert, als es sich durch die Turbine bewegt und seine Energie aufgibt. Sie müssen eingeschlossen werden, um den Wasserdruck (oder Ansaugen) zu enthalten, oder sie müssen im Wasserfluss völlig untergetaucht werden.

Das dritte Gesetz des Newtons beschreibt die Übertragung der Energie für Reaktionsturbinen.

Die meisten Wasserturbinen im Gebrauch sind Reaktionsturbinen und werden im niedrigen verwendet (

Macht

Die in einem Strom von Wasser verfügbare Macht ist;

wo:

• Macht (J/s oder Watt)

• Turbinenleistungsfähigkeit

• Dichte von Wasser (Kg/M ³)

• Beschleunigung des Ernstes (9.81 m/s ²)

• Kopf (m). Für ruhiges Wasser ist das der Unterschied in der Höhe zwischen der kleinen Bucht und den Ausgang-Oberflächen. Bewegendes Wasser hat einen zusätzlichen Bestandteil, der hinzugefügt ist, um für die kinetische Energie des Flusses verantwortlich zu sein. Der Gesamtkopf kommt dem Druck-Kopf plus der Geschwindigkeitskopf gleich.
• = Durchfluss (M ³/s)

Gepumpte Lagerung

Einige Wasserturbinen werden für die gepumpte Lagerungshydroelektrizität entworfen. Sie können Fluss umkehren und als eine Pumpe funktionieren, um ein hohes Reservoir während unter der Spitze liegender elektrischer Stunden zu füllen, und dann zu einer Turbine für die Energieerzeugung während der elektrischen Maximalnachfrage zurückzukehren. Dieser Typ der Turbine ist gewöhnlich ein Deriaz oder Francis im Design.

Leistungsfähigkeit

Große moderne Wasserturbinen funktionieren an der mechanischen Wirksamkeit, die größer ist als 90 % (um mit der thermodynamischen Leistungsfähigkeit nicht verwirrt zu sein).

Typen von Wasserturbinen

Reaktionsturbinen:

• Francis
• Kaplan, Propeller, Zwiebel, Tube, Straflo
• Tyson
• Gorlov

Impuls-Turbine

• Wasserrad
• Pelton
• Turgo
• Crossflow (auch bekannt als die Turbine von Michell-Banki oder Ossberger)
• Turbine von Jonval
• Rückseite hat über Wasserrad hinausgeschossen
• Die Schraube-Turbine von Archimedes

Design und Anwendung

Turbinenauswahl basiert größtenteils auf dem verfügbaren Wasserkopf, und weniger auf dem verfügbaren Durchfluss. Im Allgemeinen werden Impuls-Turbinen für hohe Hauptseiten verwendet, und Reaktionsturbinen werden für niedrige Hauptseiten verwendet. Turbinen von Kaplan mit dem regulierbaren Klinge-Wurf werden an breite Reihen des Flusses oder der Hauptbedingungen gut angepasst, da ihre Maximalleistungsfähigkeit über eine breite Reihe von Fluss-Bedingungen erreicht werden kann.

Kleine Turbinen (größtenteils unter 10 MW) können horizontale Wellen und sogar ziemlich große Turbinen des Zwiebel-Typs haben ungefähr bis zu 100 MW können horizontal sein. Sehr große Maschinen von Francis und Kaplan haben gewöhnlich vertikale Wellen, weil das besten Gebrauch des verfügbaren Kopfs macht, und Installation eines Generators mehr wirtschaftlich macht. Räder von Pelton können entweder vertikale oder horizontale Welle-Maschinen sein, weil die Größe der Maschine so viel weniger ist als der verfügbare Kopf. Einige Impuls-Turbinen verwenden vielfache Wasserstrahlen pro Läufer, um spezifische Geschwindigkeit und Gleichgewicht-Welle-Stoß zu vergrößern.

Typische Reihe von Köpfen

· Hydraulische Radturbine

· Die Schraube-Turbine von Archimedes

· Kaplan

· Francis

· Pelton

· Turgo

0.2

1

2

10

50

50

Spezifische Geschwindigkeit

Die spezifische Geschwindigkeit einer Turbine charakterisiert die Gestalt der Turbine in einem Weg, der mit seiner Größe nicht verbunden ist. Das erlaubt einem neuen Turbinendesign, von einem vorhandenen Design der bekannten Leistung erklettert zu werden. Die spezifische Geschwindigkeit ist auch die Hauptkriterien, für eine spezifische Wasserdruckprüfungsseite mit dem richtigen Turbinentyp zu vergleichen.

Die spezifische Geschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich die Turbine für eine besondere Entladung Q mit dem Einheitskopf dreht und dadurch im Stande ist, Einheitsmacht zu erzeugen.

Sympathie-Gesetze

Sympathie-Gesetze erlauben der Produktion einer Turbine, gestützt auf Mustertests vorausgesagt zu werden. Eine Miniaturreplik eines vorgeschlagenen Designs, ungefähr ein Fuß (0.3 m) im Durchmesser, kann geprüft werden, und die Labormaße auf die Endanwendung mit dem hohen Vertrauen angewandt. Sympathie-Gesetze werden durch das Verlangen der Ähnlichkeit zwischen dem Testmodell und der Anwendung abgeleitet.

Fluss die Turbine wird entweder von einer großen Klappe oder von um die Außenseite des Turbinenläufers eingeordneten Pförtchen-Toren kontrolliert. Differenzialkopf und Fluss können für mehrere verschiedene Werte der Tor-Öffnung geplant werden, das Erzeugen eines Hügel-Diagramms hat gepflegt, die Leistungsfähigkeit der Turbine an unterschiedlichen Bedingungen zu zeigen.

Flüchtige Geschwindigkeit

Die flüchtige Geschwindigkeit einer Wasserturbine ist seine Geschwindigkeit am vollen Fluss und keine Welle-Last. Die Turbine wird entworfen, um die mechanischen Kräfte dieser Geschwindigkeit zu überleben. Der Hersteller wird die flüchtige Geschwindigkeitsschätzung liefern.

Wartung

Turbinen werden entworfen, um seit Jahrzehnten mit sehr wenig Wartung der Hauptelemente zu laufen; Überholungszwischenräume sind auf der Ordnung von mehreren Jahren. Die Wartung der Läufer und zu Wasser ausgestellten Teile schließt Eliminierung, Inspektion und Reparatur von getragenen Teilen ein.

Normale Abnutzung schließt punktförmige Korrosion von cavitation, das Erschöpfungsknacken und Abreiben von aufgehobenen Festkörpern im Wasser ein. Stahlelemente werden durch das Schweißen gewöhnlich mit Stangen des rostfreien Stahls repariert. Beschädigte Gebiete werden geschnitten oder gründen sich, dann geschweißt zurück bis zu ihrem Original oder einem verbesserten Profil. Alte Turbinenläufer können einen bedeutenden Betrag von rostfreiem Stahl haben hat dieser Weg am Ende ihrer Lebenszeit beigetragen. Wohl durchdachte Schweißverfahren können verwendet werden, um die Reparaturen der höchsten Qualität zu erreichen.

Andere Elemente, die Inspektion und Reparatur während Überholungen verlangen, schließen Lager ein, Kasten und Welle-Ärmel, Servomotoren, Kühlsysteme für die Lager und Generator-Rollen, Siegel-Ringe, Pförtchen-Tor-Verbindungselemente und alle Oberflächen einpackend.

Umweltauswirkung

Wasserturbinen werden allgemein als ein sauberer Macht-Erzeuger betrachtet, weil die Turbine im Wesentlichen keine Änderung zum Wasser verursacht. Sie verwenden eine erneuerbare Energiequelle und werden entworfen, um seit Jahrzehnten zu funktionieren. Sie erzeugen bedeutende Beträge der elektrischen Versorgung in der Welt.

Historisch hat es auch negative Folgen gegeben, die größtenteils mit den für die Energieerzeugung normalerweise erforderlichen Dämmen vereinigt sind. Dämme verändern die natürliche Ökologie von Flüssen, potenziell Fisch tötend, Wanderungen aufhörend, und den Lebensunterhalt von Völkern störend. Zum Beispiel haben Indianerstämme im Pazifischen Nordwesten Lebensunterhalt um die Lachs-Fischerei bauen lassen, aber aggressives Dammgebäude hat ihre Lebensweise zerstört. Dämme verursachen auch weniger offensichtliche aber potenziell ernste Folgen, einschließlich der vergrößerten Eindampfung von Wasser (besonders in trockenen Gebieten), entwickeln sich des Schlamms hinter dem Damm und der Änderungen zur Wassertemperatur und den Fluss-Mustern. Einige Menschen glauben, dass es möglich ist, Wasserkraft-Systeme zu bauen, die Fisch und andere Organismen weg von Turbinenaufnahmen ohne bedeutenden Schaden oder Verlust der Macht ablenken; die historische Leistung von Ablenkungsstrukturen ist schwach gewesen. In den Vereinigten Staaten ist es jetzt ungesetzlich, die Wanderung des Fisches, zum Beispiel des gefährdeten großen weißen Störs in Nordamerika zu blockieren, so müssen Fischleitern von Dammbaumeistern zur Verfügung gestellt werden. Die wirkliche Leistung von Fischleitern ist häufig schwach.

Siehe auch

• Die Schraube von Archimedes
• Turbine von Banki
• Gorlov spiralenförmige Turbine
• Hydroelektrizität
• Wasserkraft
• Wasserrad

Quellen

Außenverbindungen

• Einleitende Turbinenmathematik
• Veröffentlichung von Europäischer Union, das Wasserkraft-Handbuch des Laien, 12 Mb pdf
• "Hydraulische Reaktionsturbinen", US-Büro von der Reklamationsveröffentlichung, 48 Mb pdf auswählend
• "Laboratorium für hydraulique Maschinen", Lausanne (die Schweiz)
• DoradoVista, kleine Wasserdruckprüfungsmacht-Information