Vandmølle -
Water turbine

Fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Løberen for den lille vandmølle

En vandmølle er en roterende maskine, der omdanner kinetisk energi og potentiel energi fra vand til mekanisk arbejde.

Vand møller blev udviklet i det 19. århundrede og blev i vid udstrækning brugt til industrielle magt forud for elnet . Nu bruges de mest til elproduktion. Vandmøller findes for det meste i dæmninger for at generere elektrisk strøm fra vandpotentiale.

Historie

Byggeriet af en Ganz -vandturbo -generator i Budapest i 1886

Vandhjul har været brugt i hundredvis af år til industriel kraft. Deres største mangel er størrelse, som begrænser strømningshastigheden og hovedet, der kan udnyttes. Migrationen fra vandhjul til moderne møller tog omkring hundrede år. Udviklingen skete under den industrielle revolution ved hjælp af videnskabelige principper og metoder. De gjorde også omfattende brug af nye materialer og fremstillingsmetoder udviklet på det tidspunkt.

Hvirvel

Ordet turbine blev introduceret af den franske ingeniør Claude Burdin i begyndelsen af ​​1800 -tallet og stammer fra det græske ord "τύρβη" for "hvirvlende" eller en "hvirvel". Hovedforskellen mellem tidlige vandmøller og vandhjul er en hvirvelkomponent i vandet, som sender energi til en roterende rotor. Denne ekstra bevægelseskomponent tillod turbinen at være mindre end et vandhjul med samme effekt. De kunne behandle mere vand ved at spinde hurtigere og kunne udnytte langt større hoveder. (Senere blev der udviklet impulsturbiner, der ikke brugte hvirvel.)

Tidslinje

En Francis -turbineløber, vurderet til næsten en million hk (750 MW), blev installeret ved Grand Coulee Dam , USA.
En løber af propeltypen vurderede 28.000 hk (21 MW)

De tidligste kendte vandmøller stammer fra Romerriget . To helix-turbinefabrikker med næsten identisk design blev fundet i Chemtou og Testour , nutidens Tunesien , der stammer fra slutningen af ​​3. eller begyndelsen af ​​4. århundrede e.Kr. Det vandrette vandhjul med vinklede knive blev installeret i bunden af ​​en vandfyldt, cirkulær aksel. Vandet fra mølleløbet kom tangentielt ind i graven og skabte en hvirvlende vandsøjle, der fik det helt nedsænkede hjul til at fungere som en sand turbine.

.

Johann Segner udviklede en reaktiv vandturbine ( Segner-hjul ) i midten af ​​1700-tallet i Kongeriget Ungarn . Det havde en vandret akse og var en forløber for moderne vandmøller. Det er en meget enkel maskine, der stadig produceres i dag til brug på små vandkraftsteder. Segner arbejdede sammen med Euler om nogle af de tidlige matematiske teorier om mølledesign. I det 18. århundrede opfandt en Dr. Robert Barker en lignende reaktion hydraulisk turbine, der blev populær som en foredragssal demonstration. Det eneste kendte overlevende eksempel på denne type motor, der blev brugt til elproduktion, der stammer fra 1851, findes på Hacienda Buena Vista i Ponce, Puerto Rico .

I 1820 udviklede Jean-Victor Poncelet en indadgående turbine.

I 1826 udviklede Benoît Fourneyron en udadgående turbine. Dette var en effektiv maskine (~ 80%), der sendte vand gennem en løber med knive buede i en dimension. Den stationære stikkontakt havde også buede guider.

I 1844 udviklede Uriah A. Boyden en udadgående turbine, der forbedrede ydelsen af ​​Fourneyron -møllen. Dens løberform lignede formen på en Francis -turbine .

I 1849 forbedrede James B. Francis reaktionsturbinen indadgående strøm til over 90% effektivitet. Han gennemførte også sofistikerede tests og udviklede tekniske metoder til design af vandmøller. Den Francis turbine , opkaldt efter ham, er den første moderne vand turbine. Det er stadig den mest udbredte vandmølle i verden i dag. Francis -turbinen kaldes også en radialstrømsmølle, da vand strømmer fra den ydre omkreds mod midten af ​​løberen.

Indadgående vandmøller har et bedre mekanisk arrangement, og alle moderne reaktionsturbiner er af dette design. Når vandet hvirvler indad, accelererer det og overfører energi til løberen. Vandtrykket falder til atmosfærisk eller i nogle tilfælde underatmosfærisk, når vandet passerer gennem turbinebladene og mister energi.

nedadgående udstrømning , med strøm indad ved indløbet, aksial gennem hjulets krop og lidt udad ved udløbet. Oprindeligt udført optimalt med 90% effektivitet ved lavere hastigheder, ville dette design se mange forbedringer i de efterfølgende årtier i derivater under navne som "Victor", "Risdon", "Samson" og "New American", der indledte en ny æra af amerikansk mølleteknik.

Vandmøller, især i Amerika, ville stort set blive standardiseret med etableringen af Holyoke Test Flume , beskrevet som det første moderne hydrauliske laboratorium i USA af Robert E. Horton og Clemens Herschel , hvor sidstnævnte ville tjene som dets chef ingeniør for en tid. Oprindeligt oprettet i 1872 af James B. Emerson fra testrøgene fra Lowell , efter 1880 blev Holyoke, Massachusetts hydrauliske laboratorium standardiseret af Herschel, der brugte det til at udvikle Venturi -måleren , det første nøjagtige middel til at måle store strømme, til korrekt måling vandeffektivitet ved forskellige turbinemodeller. Mens skepsis til visse weir -beregninger var i besiddelse af europæiske hydrologer, muliggjorde anlægget standard effektivitetstest blandt større producenter gennem 1932, hvorefter mere moderne faciliteter og metoder var vokset.

Omkring 1890 blev det moderne væskeleje opfundet, nu universelt brugt til at understøtte tunge vandmøllespindler. Fra 2002 ser det ud til, at væskelejer har en gennemsnitlig tid mellem fejl på mere end 1300 år.

, en maskine af propeltype. Det var en udvikling af Francis-turbinen og revolutionerede evnen til at udvikle lavtliggende hydrolokaler.

Nyt koncept

Figur fra Peltons originale patent (oktober 1880)

Alle almindelige vandmaskiner frem til slutningen af ​​1800 -tallet (inklusive vandhjul) var dybest set reaktionsmaskiner; vand pres hoved handlet på maskinen og produceret arbejde. En reaktionsturbine skal indeholde vandet fuldt ud under energioverførsel.

I 1866 opfandt den californiske millwright Samuel Knight en maskine, der tog impulssystemet til et nyt niveau. Inspireret af højtryksstrålesystemerne, der blev brugt til hydraulisk minedrift i guldmarkerne, udviklede Knight et skovlhjul, der fangede energien fra en fri jet, som havde konverteret et højt hoved (hundredvis af lodrette fødder i et rør eller en penstock ) vand til kinetisk energi. Dette kaldes en impuls eller tangential turbine. Vandets hastighed, omtrent det dobbelte af spandens periferi, gør en U-drejning i spanden og falder ud af løberen ved lav hastighed.

I 1879 udviklede Lester Pelton , der eksperimenterede med et ridderhjul, et Pelton -hjul (dobbelt spanddesign), som udtømte vandet til siden og eliminerede noget energitab af ridderhjulet, der udmattede noget vand tilbage mod midten af ​​hjulet. I omkring 1895 forbedrede William Doble Peltons halvcylindriske skovlform med en elliptisk spand, der inkluderede et snit i den for at tillade jet en renere spandindgang. Dette er den moderne form for Pelton -møllen, der i dag opnår op til 92% effektivitet. Pelton havde været en ganske effektiv promotor for sit design, og selvom Doble overtog Pelton -virksomheden, ændrede han ikke navnet til Doble, fordi det havde mærkenavnsgenkendelse.

Turgo- og tværstrømsmøller var senere impulsdesign.

Teori om drift

Strømmende vand ledes til knivene på en turbineløber og skaber en kraft på vingerne. Da løberen snurrer, virker kraften gennem en afstand (kraft, der virker gennem en afstand, er definitionen på arbejde ). På denne måde overføres energi fra vandstrømmen til møllen.

Vandmøller er opdelt i to grupper: reaktionsturbiner og impulsturbiner .

Den præcise form af vandturbineblade er en funktion af forsyningstrykket af vand og den valgte skovlhjul.

Reaktionsturbiner

Reaktionsturbiner påvirkes af vand, som ændrer trykket, når det bevæger sig gennem turbinen og opgiver sin energi. De skal være indkapslet til at indeholde vandtrykket (eller suget), eller de skal være helt nedsænket i vandstrømmen.

Newtons tredje lov beskriver overførsel af energi til reaktionsturbiner.

De fleste vandmøller i brug er reaktionsturbiner og bruges i applikationer med lav (<30 m eller 100 fod) og mellem (30–300 m eller 100–1.000 fod) hoved. Ved reaktion forekommer turbintrykfald i både faste og bevægelige vinger. Det bruges stort set i dæmninger og store kraftværker

Impulsmøller

Impulsturbiner ændrer hastigheden af ​​en vandstråle. Strålen skubber på turbinens buede vinger, der ændrer strømningsretningen. Den resulterende ændring i momentum ( impuls ) forårsager en kraft på turbinebladene. Da møllen snurrer, virker kraften gennem en afstand (arbejde), og den afledte vandstrøm efterlades med reduceret energi. En impulsturbine er en, hvor trykket af væsken, der strømmer over rotorbladene, er konstant, og al arbejdsydelse skyldes ændringen i væskens kinetiske energi.

Inden man rammer turbinebladene, omdannes vandets tryk ( potentiel energi ) til kinetisk energi af en dyse og fokuseres på turbinen. Der forekommer ingen trykændring på turbinebladene, og turbinen kræver ikke et hus til drift.

Newtons anden lov beskriver overførsel af energi til impulsturbiner.

Impulsturbiner bruges ofte i applikationer med meget højt hoved (> 300m/1000 ft).

Strøm

Den tilgængelige strøm i en strøm er;

hvor:

  • effekt (J/s eller watt)
  • turbine effektivitet
  • tæthed af væske (kg/m 3 )
  • tyngdekraftsacceleration (9,81 m/s 2 )
  • hoved (m). For stille vand er dette højdeforskellen mellem indløbs- og udløbsflader. Vand i bevægelse har en ekstra komponent tilføjet for at tage højde for strømningens kinetiske energi. Det samlede hoved svarer til trykhovedet plus hastighedshovedet .
  • = gennemstrømningshastighed (m 3 /s)

Pumpelagret vandkraft

i design.

Denne type system bruges i El Hierro, en af ​​De Kanariske Øer: "Når vindproduktionen overstiger efterspørgslen, vil overskydende energi pumpe vand fra et lavere reservoir i bunden af ​​en vulkankegle til et øvre reservoir på toppen af ​​vulkanen 700 meter over havets overflade. Det nederste reservoir lagrer 150.000 kubikmeter vand. Det lagrede vand fungerer som et batteri. Den maksimale lagerkapacitet er 270 MWh. Når efterspørgslen stiger, og der ikke er nok vindkraft, vil vandet blive frigivet til fire vandkraft møller med en samlet kapacitet på 11 MW. "

Effektivitet

Store moderne vandmøller opererer med mekaniske effektiviteter større end 90%.

Typer af vandmøller

Forskellige typer vandmølleløbere. Fra venstre til højre: Pelton -hjul, to typer Francis -turbine og Kaplan -turbine.

Reaktionsturbiner

Impuls turbine

Design og anvendelse

Vandturbinkort. Png

Valg af turbine er baseret på det tilgængelige vandhoved og mindre på den tilgængelige strømningshastighed. Generelt bruges impulsturbiner til steder med højt hoved, og reaktionsturbiner bruges til steder med lavt hoved . Kaplan-møller med justerbar klingestigning er godt tilpasset til store strømnings- eller hovedforhold, da deres maksimale effektivitet kan opnås over en lang række flowforhold.

Små møller (for det meste under 10 MW) kan have vandrette aksler, og endda temmelig store mølletyper på op til 100 MW eller deromkring kan være vandrette. Meget store Francis- og Kaplan -maskiner har normalt lodrette aksler, fordi dette bedst udnytter det tilgængelige hoved og gør installation af en generator mere økonomisk. Pelton -hjul kan enten være lodrette eller vandrette akselmaskiner, fordi maskinens størrelse er så meget mindre end det tilgængelige hoved. Nogle impulsturbiner bruger flere stråler pr. Løber til at afbalancere akseltryk. Dette giver også mulighed for brug af en mindre turbineløber, hvilket kan reducere omkostninger og mekaniske tab.

Typisk sortiment af hoveder

Specifik hastighed

En turbines specifikke hastighed karakteriserer møllens form på en måde, der ikke er relateret til dens størrelse. Dette gør det muligt at skalere et nyt mølledesign fra et eksisterende design med kendt ydeevne. Den specifikke hastighed er også hovedkriterierne for at matche et specifikt hydrosted med den korrekte mølletype. Den specifikke hastighed er den hastighed, hvormed turbinen drejer for en bestemt afladning Q, med enhedshoved og derved er i stand til at producere enhedseffekt.