Archimédova šroubová vodní turbína

Archimédova šroubová vodní turbína je ve světě malých vodních elektráren relativním nováčkem, který přišel na scénu teprve v posledních deseti letech. Existují však již mnoho desetiletí jako čerpadla, jichž byly po celém světě instalovány desítky tisíc, zejména v čistírnách odpadních vod. Stejní výrobci, kteří dominují trhu s čerpadly, jsou nyní hlavními dodavateli i na trh s vodními elektrárnami.

Jak název napovídá, Archimédes je všeobecně považován za vynálezce šroubu již v roce 250 př. n. l., ačkoli zásluhy jsou mu připisovány neprávem, protože ve skutečnosti se v Egyptě používaly již mnoho let předtím. Historicky se používaly při zavlažování ke zvedání vody do vyšších hladin a obvykle byly poháněny voly nebo u menších verzí i lidmi. Základní princip Archimédova šroubového čerpadla je znázorněn na obrázku výše. Pokud se rukojeť nahoře otáčí proti směru hodinových ručiček, vytahuje vodu z nižší hladiny nahoru.

Při použití jako vodní turbína je princip stejný, ale působí opačně. Voda vstupuje do šroubu nahoře a hmotnost vody tlačí na šroubovicové lety, čímž voda klesá do nižší hladiny a způsobuje otáčení šroubu. Tuto rotační energii pak může získat elektrický generátor připojený k hlavní hřídeli šroubu.

Archimédovy šrouby pro vodní elektrárny se používají na místech s nízkým spádem/vysokým průtokem. Mohou účinně pracovat při výšce hladiny až 1 m, avšak obecně se nepoužívají při výšce hladiny menší než 1,5 m (spíše z ekonomických než technických důvodů). Jednotlivé šrouby mohou pracovat na výškách do 8 metrů, ale nad touto výškou se obvykle používají vícenásobné šrouby, i když v mnoha případech mohou být pro výšky nad 8 metrů k dispozici vhodnější turbíny s mnohem menšími rozměry.

Maximální průtok Archimédovým šroubem je určen průměrem šroubu. Nejmenší šneky mají průměr pouhý 1 metr a mohou propouštět 250 litrů za sekundu, poté se zvyšují po 250mm krocích až do průměru 5 metrů s maximálním průtokem kolem 14,5 m3/s. Maximální průměr 5 metrů skutečně vychází z praktických omezení při dodávkách a v mnoha případech je maximální průměr, který lze na stavbu dodat, 3 metry. Pokud je k dispozici větší průtok, lze paralelně instalovat více šneků.

Pokud jde o výkon, nejmenší Archimédovy šneky mohou produkovat pouhých 5 kW a největší 500 kW.

Hlavní části Archimédova šneku používaného jako vodní generátor jsou uvedeny níže. Vlastní šroub je pod horním ložiskem. Šroubovice neboli „lety“ jsou vyrobeny z válcovaného plochého ocelového plechu, který je následně přivařen k centrálnímu ocelovému jádru. Většina archimédovských šroubů má tři lety nebo tři samostatné šroubovice vinoucí se kolem centrálního jádra.

Archimédovy šrouby se obvykle otáčejí rychlostí přibližně 26 otáček za minutu, proto se horní část šroubu připojuje k převodovce, která zvyšuje rychlost otáčení na 750 až 1500 ot/min, aby byla kompatibilní se standardními generátory. Přestože se Archimédovy šrouby otáčejí relativně pomalu, může na ně stříkat voda, což je však výrazně omezeno použitím ochrany proti stříkající vodě, která se nachází na levé straně šroubu, jak je znázorněno níže.

Také poměrně málo Archimédových šroubů bylo instalováno bez jakéhokoli ochranného krytu nad samotným šroubem, ačkoli bychom doporučovali mít celý šroub zakrytý, aby se zabránilo pádu velkých nečistot, zvířat nebo dokonce lidí a jejich zachycení. Ochranný kryt lze navrhnout sympaticky tak, aby byl šroub v případě potřeby stále viditelný.

Archimédovy šrouby pro vodní turbíny se obvykle nastavují pod úhlem 22 stupňů od vodorovné roviny, což je optimální pro nejhospodárnější instalace. Pokud to místo vyžaduje (například aby se vešlo do určitého prostoru), je možné úhel mírně upravit.

Nejlepší šrouby vodních turbín Archimedean Screw pracují s proměnnou rychlostí, což znamená, že rychlost otáčení šroubu lze zvýšit nebo snížit v závislosti na průtoku, který je v řece k dispozici. To je mnohem lepší než mít šnek s pevnou rychlostí a měnit průtok přes automatické stavidlo, což vytváří vysoké ztráty výšky a ovlivňuje celkovou účinnost systému. Šneky s proměnlivou rychlostí jsou také tišší v provozu a netrpí „zpětným rázem“ na výtlačném konci šneku.

Typická křivka účinnosti kvalitního archimédovského šneku s proměnlivou rychlostí je uvedena níže. Jedná se o mechanickou účinnost, takže nezahrnuje ztráty převodovky, generátoru a měniče (ty činí celkem přibližně 15 %). Stojí za zmínku, že někteří dodavatelé archimédovských šroubů „přeceňují“ účinnost šroubů, proto buďte při porovnávání výkonu opatrní. Nižší deklarovaná účinnost nemusí být způsobena horší kvalitou konkrétního šroubu; může to být jen tím, že dodavatel je upřímnější!

Kvalitní vodní turbína s Archimédovým šroubem má konstrukční životnost 30 let, kterou lze prodloužit generální opravou, jejíž součástí je i přelepení let šroubu.

Významnou výhodou archimédovských šroubových vodních turbín je jejich tolerance vůči nečistotám. Vzhledem k poměrně velkým rozměrům letů šroubu a pomalé rychlosti otáčení mohou poměrně velké nečistoty projít bez překážek a bez poškození šroubu a zcela jistě mohou bez problémů projít všechny malé nečistoty, jako je například listí. To znamená, že jemná síta na vstupu do šneku nejsou nutná a vystačí si s průběžnými síty s roztečí prutů 100 nebo 150 mm. To vede k relativně malému množství nečistot nahromaděných na sítu a odstraňuje požadavek na (drahé) automatické čističe vstupního síta, které jsou obvykle vyžadovány u větších vodních elektráren s nízkou výškou hladiny.

Nízké otáčky a velké průtočné rozměry archimédových šroubů vodních turbín také umožňují relativně bezpečný průchod ryb po proudu šroubem. Archimédovy šrouby jsou často označovány za vodní turbíny „šetrné k rybám“, což bezpochyby jsou, i když my v Renewables First bychom řekli, že všechny vodní systémy by měly být šetrné k rybám bez ohledu na typ turbíny. U hydroelektrických systémů bez šroubů to znamená, že je zapotřebí dobře navržených sběrných sít a rybích přechodů/obtoků. Všimněte si, že pokud je u šroubové vodní turbíny vyžadován rybí přechod proti proudu, bude vyžadován rybí přechod.

Poslední výhodou šroubové vodní turbíny je zjednodušení stavebních prací a základů. Protože šrouby nemají vtahové trubky ani výtlačné jímky, znamená to, že hloubka případných betonářských prací na navazující straně šroubu je relativně malá, což snižuje stavební náklady. Stavební práce jsou rovněž relativně jednoduché, hlavní částí jsou nosné základy pod horním a dolním ložiskem. V měkčích půdních podmínkách mohou být nosné základy pilotové.

Zpět na Hydro Learning Centre