Archimédeszi csavaros hidroturbina

Az archimédeszi csavaros hidroturbina viszonylag új belépő a kisléptékű vízerőművek világába, hiszen csak az elmúlt tíz évben jelent meg a színen. Szivattyúként azonban már évtizedek óta létezik, és világszerte több tízezer példányt telepítettek, különösen szennyvíztisztító telepeken. Ugyanazok a gyártók, amelyek a szivattyúk piacát uralják, ma már a vízerőművek piacán is a fő beszállítók.

Amint a neve is mutatja, Archimédészt tartják a csavar feltalálójának Kr. e. 250-ben, bár az érdemet tévesen tulajdonítják neki, mivel Egyiptomban már jóval korábban is használták. Történelmileg az öntözésben használták őket, hogy a vizet magasabb szintre emeljék, és általában ökrök vagy kisebb változatoknál akár emberek is meghajtották őket. Az archimédeszi csigás szivattyú alapelve a fenti ábrán látható. Ha a felső fogantyút az óramutató járásával ellentétes irányba forgatjuk, a vizet az alsó szintről a felső szintre emeli.

Hidroturbinaként használva az elv ugyanez, de fordítva működik. A víz a felső csigába lép, és a víz súlya nyomja a csigavonalakat, így a víz az alsó szintre esik, és a csiga forogni kezd. Ezt a forgási energiát aztán egy, a csiga főtengelyéhez csatlakoztatott elektromos generátor nyerheti ki.

A vízenergia előállítására szolgáló archimédeszi csavarokat alacsony vízállású/nagy vízhozamú helyeken használják. Már 1 méteres vízmagasságnál is hatékonyan működnek, bár 1,5 m-nél kisebb vízmagasságnál általában nem alkalmazzák őket (inkább gazdasági, mint műszaki okokból). Az egyes csigák 8 méteres vízmagasságig működhetnek, de e fölött általában több csigát használnak, bár 8 méteres vízmagasság felett sok esetben sokkal kisebb alapterületű, megfelelőbb turbinák is rendelkezésre állnak.

Az archimédeszi csigán áthaladó maximális áramlási sebességet a csiga átmérője határozza meg. A legkisebb csigák átmérője mindössze 1 méter, és 250 liter/másodperc átfolyásra képesek, majd 250 mm-es lépésekben növekszik egészen 5 méter átmérőig, körülbelül 14,5 m3/s maximális áramlási sebességgel. Az 5 méteres maximális átmérő valójában a gyakorlati szállítási korlátozásokon alapul, és sok esetben 3 méter a maximális átmérő, amely egy helyszínre szállítható. Ha nagyobb áramlás áll rendelkezésre, több csigát is lehet párhuzamosan telepíteni.

A teljesítményt tekintve a legkisebb archimédeszi csigák mindössze 5 kW, a legnagyobbak pedig 500 kW teljesítményűek lehetnek.

A vízfejlesztőként használt archimédeszi csiga fő részei az alábbiakban láthatók. A tényleges csavar a felső csapágy alatt található. A spirális csavar vagy “járatok” hengerelt lapos acéllemezből készülnek, amelyet aztán egy központi acélmaghoz hegesztenek. A legtöbb archimédeszi csavar három járattal, azaz három különálló spirállal rendelkezik, amelyek a központi mag körül tekerednek.

Az archimédeszi csavarok általában 26 fordulat/perc körüli fordulatszámmal forognak, ezért a csavar felső része egy sebességváltóhoz csatlakozik, hogy a fordulatszámot 750 és 1500 ford/perc közötti értékre növelje, és így kompatibilissé tegye a szabványos generátorokkal. Annak ellenére, hogy viszonylag lassan forognak, az archimédeszi csavarok fröcskölhetik a vizet, bár ezt jelentősen csökkenti az alább látható, a csavar bal oldalán végigfutó fröccsenésgátló használata.

Még jó néhány Archimédeszi csavart úgy szereltek be, hogy a csavar maga nem kapott védőburkolatot, bár javasoljuk, hogy az egész csavart fedjék le, hogy megakadályozzák a nagyobb törmelékek, állatok vagy akár emberek beleesését és bejutását. A védőburkolat szimpatikusan megtervezhető úgy, hogy a csavar szükség esetén továbbra is látható maradjon.

Az Archimedean Screw hidroturbina-csavarokat általában a vízszinteshez képest 22 fokos szögben állítják be, ami a legköltséghatékonyabb telepítésekhez optimális. A szög kissé módosítható, ha a helyszín ezt megköveteli (például egy adott helyre való illeszkedés érdekében).

A legjobb Archimedean Screw hidroturbina csigák változó sebességűek, ami azt jelenti, hogy a csiga fordulatszáma a folyóban rendelkezésre álló áramlási sebességtől függően növelhető vagy csökkenthető. Ez sokkal jobb, mintha fix fordulatszámú csigával rendelkeznénk, és az áramlási sebességet egy automatizált zsilipen keresztül változtatnánk, ami nagy fejveszteséget okoz, és befolyásolja a rendszer teljes hatékonyságát. A változtatható sebességű csigák emellett csendesebbek működés közben, és a csiga kiömlő végén nem jelentkezik “visszacsapódás”.

Az alábbiakban egy jó minőségű, változtatható sebességű archimédeszi csiga tipikus hatékonysági görbéje látható. Ez a mechanikai hatásfok, tehát nem tartalmazza a sebességváltó, a generátor és az inverter veszteségeit (ezek összesen körülbelül 15%-ot tesznek ki). Érdemes megjegyezni, hogy vannak olyan archimédeszi csigaszállítók, akik “túlértékesítik” a csigák hatékonyságát, ezért a teljesítmény összehasonlításakor óvatosan kell eljárni. Az alacsonyabbnak feltüntetett hatásfok nem biztos, hogy azért van, mert egy adott csavar rosszabb; lehet, hogy csak a beszállító becsületesebb!

A jó minőségű Archimedeus csavaros hidroturbina tervezett élettartama 30 év, és ez egy nagyjavítással meghosszabbítható, amely magában foglalja a csigák járatainak újbóli rögzítését.

Az Archimedeus csavaros hidroturbina jelentős előnye a törmeléktűrés. A csiga járatainak viszonylag nagy méretei és a lassú forgási sebesség miatt a viszonylag nagy törmelék akadálytalanul és a csiga károsodása nélkül áthaladhat, és természetesen minden kisebb törmelék, például a levelek is gond nélkül áthaladhatnak. Ez azt jelenti, hogy a csiga beömlőnyílásánál nincs szükség finom szűrőkre, és 100 vagy 150 mm-es sávközzel rendelkező rétegszűrőkkel is elboldogulnak. Ez viszonylag szerény mennyiségű törmelék felhalmozódását eredményezi a folyosószűrőn, és megszűnik a (drága) automatikus beszívószűrő tisztítóberendezések szükségessége, amelyekre általában a nagyobb, alacsony vízhozamú vízerőműveken van szükség.

Az archimédeszes csigás vízturbinák csigáinak alacsony fordulatszáma és nagy áramlási átbocsátási méretei azt is lehetővé teszik, hogy a halak viszonylag biztonságosan haladjanak át a csigán. Az archimédeszi csavarokat gyakran “halbarát” vízturbinaként reklámozzák, ami kétségtelenül így is van, bár mi a Renewables Firstnél azt mondjuk, hogy minden vízi rendszernek halbarátnak kell lennie, függetlenül a turbina típusától. A nem csavaros vízerőműveknél ez csak annyit jelent, hogy jól megtervezett szívószűrőkre és halátjárókra/átjárókra van szükség. Megjegyzendő, hogy ha egy archimédeszi csigás vízturbinánál szükség van a halak folyásirányú átjárására, akkor halátjáróra lesz szükség.

Az archimédeszi csigás vízturbina végső előnye az egyszerűbb mélyépítési munkák és alapozás. Mivel a csigáknak nincsenek szívócsöveik vagy ürítőaknáik, ez azt jelenti, hogy a csiga lefelé vezető oldalán az esetleges betonozási munkálatok mélysége viszonylag sekély, ami csökkenti az építési költségeket. A mélyépítési munkálatok is viszonylag egyszerűek, a fő részét a felső és alsó csapágyak alatti teherhordó alapozás teszi ki. Puhább talajviszonyok esetén a teherhordó alapokat cölöpökre lehet rakni.

Vissza a Vízerőmű Tanulási Központhoz