Archimedean screw hydro turbine

Typical Archimedean Screw cross section

The Archimedean screw hydro turbine is a relative newcomer to the small-scale hydro world having only arrived on the scene over the last ten years. No entanto, elas existem há muitas décadas como bombas onde foram instaladas dezenas de milhares em todo o mundo, particularmente em obras de tratamento de esgotos. Os mesmos fabricantes que dominam o mercado de bombas são agora os principais fornecedores também no mercado de energia hidrelétrica.

p>Basic layout of an Archimedean screw pump

Como o nome sugere, Archimedes é amplamente reconhecido como o inventor do parafuso em 250 a.C., embora o crédito tenha sido erroneamente atribuído porque eles estavam realmente em uso no Egito muitos anos antes disso. Historicamente eles eram usados na irrigação para elevar a água a um nível superior e eram geralmente alimentados por bois, ou mesmo humanos em versões menores. O princípio básico de uma bomba de parafuso Archimedean é mostrado no diagrama acima. Se o cabo em cima fosse girado no sentido contrário ao dos ponteiros do relógio, ele puxaria a água do nível inferior para cima.

Quando usado como turbina hidráulica o princípio é o mesmo, mas age no sentido inverso. A água entra no parafuso na parte superior e o peso da água empurra nos voos helicoidais, permitindo que a água caia para o nível inferior e fazendo com que o parafuso gire. Esta energia rotacional pode então ser extraída por um gerador elétrico conectado ao eixo principal do parafuso.

Arquímedesan parafusos para energia hidrelétrica são utilizados em locais de baixa cabeça/alta vazão. Eles podem trabalhar eficientemente em cabeçotes tão baixos quanto 1 metro, embora geralmente não sejam usados em cabeçotes inferiores a 1,5 m (mais por razões econômicas do que técnicas). Parafusos simples podem trabalhar em cabeçotes de até 8 metros, mas acima destes múltiplos parafusos são geralmente usados, embora em muitos casos para cabeçotes acima de 8 metros possa haver turbinas mais apropriadas disponíveis com pegadas muito menores.

O fluxo máximo através de um parafuso Archimedean é determinado pelo diâmetro do parafuso. Os parafusos menores têm apenas 1 metro de diâmetro e podem passar 250 litros/segundo, depois aumentam em passos de 250 mm até 5 metros de diâmetro com uma vazão máxima de cerca de 14,5 m3/s. O máximo de 5 metros é realmente baseado em restrições práticas de entrega, e em muitos casos 3 metros é o diâmetro máximo que pode ser entregue a um local. Se houver mais vazão disponível, vários parafusos podem ser instalados em paralelo.

Em termos de potência de saída, os menores parafusos Arquimedesianos podem produzir tão pouco quanto 5 kW, e os maiores 500 kW.

As partes principais de um parafuso Arquimedesiano usado como um hidrogerador são mostradas abaixo. O parafuso real está abaixo do rolamento superior. O parafuso helicoidal ou ‘flights’ é feito de chapa de aço plana laminada que é depois soldada a um núcleo central de aço. A maioria dos parafusos Archimedean tem três lances, ou três helices separados que enrolam ao redor do núcleo central.

p>Peças principais na extremidade superior de um hidrogerador de parafuso Archimedean

Parafusos Arquimedeanos normalmente giram em torno de 26 rpm, para que a parte superior do parafuso se ligue a um redutor para aumentar a velocidade de rotação entre 750 e 1500 rpm para torná-lo compatível com os geradores padrão. Apesar de rodarem relativamente devagar os parafusos Archimedean podem salpicar água ao redor, embora isso seja reduzido significativamente pelo uso de uma proteção contra respingos mostrada correndo pelo lado esquerdo do parafuso, como mostrado abaixo.

p>Corpo do parafuso Archimedean para turbinas hidroeléctricas

Também foram instalados vários parafusos Archimedean sem nenhuma proteção sobre o parafuso em si, embora nós recomendaríamos ter o parafuso inteiro coberto para evitar que grandes detritos, animais ou até mesmo pessoas caiam e fiquem presos. A proteção pode ser projetada simpaticamente para que o parafuso ainda seja visível se necessário.

Arquímedesan Os parafusos de turbina hidroeléctrica são normalmente colocados a um ângulo de 22 graus da horizontal, o que é o ideal para as instalações mais econômicas. Há espaço para ajustar ligeiramente o ângulo se o local o requerer (para caber num espaço particular, por exemplo).

Os melhores parafusos para turbinas hidroeléctricas Archimedean são de velocidade variável em operação, o que significa que a velocidade de rotação do parafuso pode ser aumentada ou diminuída, dependendo da vazão disponível no rio. Isto é muito melhor do que ter um parafuso de velocidade fixa e variar a vazão através de uma eclusa automatizada, o que cria altas perdas de carga e impacta a eficiência geral do sistema. Os parafusos de velocidade variável também são mais silenciosos na operação e não sofrem de ‘tapa traseira’ na extremidade de descarga do parafuso.

Uma curva de eficiência típica para um parafuso Archimedean de boa qualidade de velocidade variável é mostrada abaixo. Esta é a eficiência mecânica, por isso não inclui as perdas na caixa de velocidades, gerador e inversor (estas são aproximadamente 15% no total). É importante notar que existem alguns fornecedores de parafusos Archimedean que “vendem em excesso” a eficiência dos parafusos, portanto tenha cuidado ao comparar o desempenho. Uma menor eficiência reivindicada pode não ser porque um determinado parafuso é inferior; poderia ser apenas porque o fornecedor é mais honesto!

p>Typical Archimedean Screw hydro turbine efficiency curve

Uma boa qualidade Archimedean Screw hydro turbine tem uma vida útil de 30 anos, e isso pode ser prolongado com uma grande revisão que inclui a re-equipagem dos vôos do parafuso.

Uma vantagem significativa de uma turbina hidroeléctrica de parafuso Archimedean é a sua tolerância aos detritos. Devido às dimensões relativamente grandes do vôo do parafuso e à velocidade de rotação lenta, detritos relativamente grandes podem passar sem obstáculos e sem danificar o parafuso, e certamente todos os detritos pequenos, como folhas, podem passar sem qualquer problema. Isto significa que não são necessárias peneiras finas na entrada do parafuso e que podem ser manejadas com peneiras de curso com 100 ou 150 mm de espaçamento entre barras. Isto leva a uma quantidade relativamente modesta de detritos acumulados na tela da camada e elimina a necessidade de limpadores automáticos de tela de admissão (caros), que normalmente são necessários em sistemas hidrelétricos maiores de cabeça baixa.

Arquimedean-aparafuso-deserranca-instalação

A baixa velocidade de rotação e as grandes dimensões de passagem de fluxo dos parafusos de turbina hidroeléctrica de parafuso de parafuso de arcimedean também permitem que os peixes passem a jusante através do parafuso em relativa segurança. Os parafusos Archimedean são muitas vezes considerados ‘amigos dos peixes’ das turbinas hidráulicas, o que sem dúvida são, embora nós da Renewables First digamos que todos os sistemas hídricos devem ser amigos dos peixes, independentemente do tipo de turbina. Em sistemas hidroeléctricos sem parafusos, isto apenas significa que serão necessárias telas de admissão bem desenhadas e passagens de peixe / por passagens. Note que se a passagem de peixes a montante for necessária em um local com turbina hidrelétrica parafuso Archimedean, será necessário um passe de peixes.

O lado de admissão de uma instalação de parafuso Archimedean

A vantagem final da turbina hidrelétrica parafuso Archimedean é a simplificação das obras de engenharia civil e fundações. Como os parafusos não possuem tubos de tracção ou sumidouros de descarga, significa que a profundidade de qualquer obra de betão no lado a jusante do parafuso é relativamente rasa, o que reduz os custos de construção. As obras civis também são relativamente simples, sendo a parte principal as fundações de suporte de carga por baixo dos rolamentos superior e inferior. Em condições de solo mais suave, as fundações portantes podem ser empilhadas.

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