Wasserturbine mit archimedischer Schraube

Die Wasserturbine mit archimedischer Schraube ist ein relativer Neuling in der Welt der kleinen Wasserkraftwerke, der erst in den letzten zehn Jahren auf den Plan getreten ist. Als Pumpen gibt es sie jedoch schon seit vielen Jahrzehnten, wo sie weltweit zu Zehntausenden installiert wurden, insbesondere in Kläranlagen. Die gleichen Hersteller, die den Pumpenmarkt beherrschen, sind jetzt auch die Hauptlieferanten für den Wasserkraftmarkt.

Wie der Name schon sagt, gilt Archimedes 250 v. Chr. als Erfinder der Schraubenspindel, auch wenn diese Ehre fälschlicherweise zugeschrieben wird, da sie in Ägypten bereits viele Jahre zuvor verwendet wurde. Historisch gesehen wurden sie bei der Bewässerung eingesetzt, um Wasser auf ein höheres Niveau zu heben, und wurden im Allgemeinen von Ochsen oder bei kleineren Versionen sogar von Menschen angetrieben. Das Grundprinzip einer archimedischen Schraubenpumpe ist in der obigen Abbildung dargestellt. Wenn der Griff an der Spitze gegen den Uhrzeigersinn gedreht wird, zieht er das Wasser von unten nach oben.

Bei der Verwendung als Wasserturbine ist das Prinzip dasselbe, aber es funktioniert umgekehrt. Das Wasser tritt oben in die Schraube ein, und das Gewicht des Wassers drückt auf die schraubenförmigen Flügel, wodurch das Wasser nach unten fällt und die Schraube in Drehung versetzt wird. Diese Rotationsenergie kann dann von einem elektrischen Generator, der mit der Hauptwelle der Schnecke verbunden ist, genutzt werden.

Archimedische Schnecken für die Wasserkraft werden an Standorten mit geringer Fallhöhe und hohem Durchfluss eingesetzt. Sie können bei einer Fallhöhe von bis zu 1 m effizient arbeiten, werden jedoch im Allgemeinen nicht bei Fallhöhen unter 1,5 m eingesetzt (eher aus wirtschaftlichen als aus technischen Gründen). Einzelne Schnecken können bei Fallhöhen bis zu 8 m eingesetzt werden, darüber werden in der Regel mehrere Schnecken verwendet, obwohl es in vielen Fällen für Fallhöhen über 8 m geeignetere Turbinen mit viel kleinerer Grundfläche gibt.

Die maximale Durchflussmenge durch eine archimedische Schnecke wird durch den Schneckendurchmesser bestimmt. Die kleinsten Schnecken haben einen Durchmesser von nur 1 Meter und können 250 Liter/Sekunde durchlassen, dann erhöhen sie sich in 250-mm-Schritten bis zu einem Durchmesser von 5 Metern mit einer maximalen Durchflussmenge von etwa 14,5 m3/s. Der maximale Durchmesser von 5 Metern basiert auf praktischen Einschränkungen bei der Lieferung, und in vielen Fällen sind 3 Meter der maximale Durchmesser, der an einen Standort geliefert werden kann. Wenn mehr Durchfluss zur Verfügung steht, können mehrere Schnecken parallel installiert werden.

In Bezug auf die Leistung können die kleinsten archimedischen Schnecken nur 5 kW und die größten 500 kW erzeugen.

Die wichtigsten Teile einer archimedischen Schnecke, die als Wasserkraftgenerator verwendet wird, sind unten dargestellt. Die eigentliche Schraube befindet sich unterhalb des oberen Lagers. Die schraubenförmigen Schnecken oder „Gänge“ bestehen aus gewalztem Flachstahl, der mit einem zentralen Stahlkern verschweißt wird. Die meisten archimedischen Schnecken haben drei Gänge oder drei separate Spiralen, die sich um den zentralen Kern winden.

Archimedische Schrauben drehen sich in der Regel mit etwa 26 U/min, Daher wird das obere Ende der Schraube mit einem Getriebe verbunden, um die Drehzahl auf 750 bis 1500 Umdrehungen pro Minute zu erhöhen, damit sie mit Standardgeneratoren kompatibel ist. Obwohl sie sich relativ langsam drehen, können Archimedes-Schrauben Wasser verspritzen, was jedoch durch die Verwendung eines Spritzschutzes, der an der linken Seite der Schraube entlangläuft (siehe unten), erheblich reduziert wird.

Auch einige Archimedische Schrauben wurden ohne Schutzvorrichtungen an der Schraube selbst installiert, obwohl wir empfehlen würden, die gesamte Schraube abzudecken, um zu verhindern, dass große Trümmer, Tiere oder sogar Menschen hineinfallen und mitgerissen werden. Die Schutzvorrichtung kann so gestaltet werden, dass die Schraube bei Bedarf immer noch sichtbar ist.

Archimedean Screw Wasserturbinenschrauben werden normalerweise in einem Winkel von 22 Grad zur Horizontalen angebracht, was für die kostengünstigsten Installationen optimal ist. Es besteht die Möglichkeit, den Winkel geringfügig anzupassen, wenn der Standort dies erfordert (z. B. um in einen bestimmten Raum zu passen).

Die besten Archimedean Screw-Wasserturbinenschnecken sind drehzahlvariabel, d. h. die Drehzahl der Schnecke kann je nach der im Fluss verfügbaren Durchflussmenge erhöht oder verringert werden. Dies ist viel besser als eine Schnecke mit fester Drehzahl und variabler Durchflussmenge durch eine automatische Schleuse, die hohe Druckverluste verursacht und die Gesamteffizienz des Systems beeinträchtigt. Schnecken mit variabler Drehzahl sind auch leiser im Betrieb und leiden nicht unter dem „Rückschlag“ am Auslassende der Schnecke.

Eine typische Wirkungsgradkurve für eine hochwertige archimedische Schnecke mit variabler Drehzahl ist unten dargestellt. Dabei handelt es sich um den mechanischen Wirkungsgrad, d. h. ohne Getriebe-, Generator- und Umrichterverluste (diese machen insgesamt etwa 15 % aus). Es sei darauf hingewiesen, dass es einige Anbieter von Archimedischen Schnecken gibt, die den Wirkungsgrad von Schnecken „überhöht“ angeben. Ein geringerer angegebener Wirkungsgrad muss nicht unbedingt darauf zurückzuführen sein, dass eine bestimmte Schraube minderwertig ist; es könnte auch sein, dass der Lieferant einfach ehrlicher ist!

Eine Wasserturbine mit Archimedischer Schraube von guter Qualität hat eine Lebensdauer von 30 Jahren, die durch eine Generalüberholung, bei der auch die Schneckenflügel neu bestückt werden, verlängert werden kann.

Ein wesentlicher Vorteil einer Wasserturbine mit archimedischer Schraube ist ihre Toleranz gegenüber Ablagerungen. Aufgrund der relativ großen Abmessungen der Schneckenflügel und der langsamen Rotationsgeschwindigkeit können relativ große Verunreinigungen ungehindert und ohne Beschädigung der Schnecke passieren, und natürlich können auch alle kleinen Verunreinigungen, wie z.B. Blätter, ohne Probleme passieren. Das bedeutet, dass am Einlauf der Schnecke keine Feinsiebe benötigt werden und man mit Grobsieben mit 100 oder 150 mm Stababstand auskommen kann. Dies führt zu einer relativ geringen Ablagerung von Schmutz auf dem Rechen und macht den Einsatz von (teuren) automatischen Einlaufrechenreinigern überflüssig, die normalerweise bei größeren Wasserkraftanlagen mit geringer Fallhöhe erforderlich sind.

Die niedrige Drehzahl und die großen Durchflussmaße der archimedischen Schnecken-Wasserturbinen ermöglichen es auch den Fischen, die Schnecke in relativer Sicherheit stromabwärts zu passieren. Archimedische Schrauben werden oft als „fischfreundliche“ Wasserturbinen angepriesen, was sie zweifellos sind, obwohl wir von Renewables First sagen, dass alle Wasserkraftanlagen fischfreundlich sein sollten, unabhängig vom Turbinentyp. Bei Wasserkraftanlagen ohne Schnecken bedeutet dies lediglich, dass gut konzipierte Einlaufrechen und Fischpässe / -durchlässe erforderlich sind. Beachten Sie, dass ein Fischpass erforderlich ist, wenn stromaufwärts eine Fischpassage bei einer archimedischen Schraubenturbine erforderlich ist.

Der letzte Vorteil der archimedischen Schraubenturbine ist die Vereinfachung der Tiefbauarbeiten und der Fundamente. Da die Schnecken keine Saugrohre oder Abflusssümpfe haben, ist die Tiefe der Betonarbeiten auf der stromabwärts gelegenen Seite der Schnecke relativ gering, was die Baukosten reduziert. Die Bauarbeiten sind ebenfalls relativ einfach, wobei der Hauptteil aus den tragenden Fundamenten unter dem oberen und unteren Lager besteht. Bei weicheren Bodenverhältnissen können die tragenden Fundamente aufgeschüttet werden.

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