Archimedean schroef hydro turbine

De Archimedean schroef hydro turbine is een relatieve nieuwkomer in de kleinschalige hydro wereld omdat hij pas in de laatste tien jaar op het toneel is verschenen. Ze bestaan echter al vele tientallen jaren als pompen, waarvan er wereldwijd tienduizenden zijn geïnstalleerd, met name in rioolwaterzuiveringsinstallaties. Dezelfde fabrikanten die de pompenmarkt domineren, zijn nu ook de belangrijkste leveranciers op de waterkrachtmarkt.

Zoals de naam al suggereert, wordt Archimedes algemeen erkend als de uitvinder van de schroef in 250 v.Chr., hoewel de eer ten onrechte is toegekend omdat ze eigenlijk al vele jaren daarvoor in Egypte in gebruik waren. Historisch werden ze gebruikt in irrigatie om water naar een hoger niveau te tillen en werden ze meestal aangedreven door ossen, of zelfs mensen op kleinere versies. Het basisprincipe van een Archimedesvijzelpomp is in het bovenstaande schema weergegeven. Als de hendel bovenaan tegen de wijzers van de klok in wordt gedraaid, wordt het water van het onderste niveau naar het bovenste getrokken.

Bij gebruik als hydroturbine is het principe hetzelfde, maar werkt het omgekeerd. Het water komt bovenaan de schroef binnen en het gewicht van het water duwt op de spiraalvormige schoepen, waardoor het water naar het lagere niveau valt en de schroef gaat draaien. Deze rotatie-energie kan vervolgens worden onttrokken door een elektrische generator die op de hoofdas van de schroef is aangesloten.

Archimediaschroeven voor waterkracht worden gebruikt op locaties met een lage opvoerhoogte en een hoog debiet. Zij kunnen efficiënt werken bij opvoerhoogten tot 1 meter, maar worden in het algemeen niet gebruikt bij opvoerhoogten van minder dan 1,5 m (meer om economische dan om technische redenen). Enkelvoudige schroeven kunnen werken op opvoerhoogtes tot 8 meter, maar daarboven worden meestal meervoudige schroeven gebruikt, hoewel er in veel gevallen voor opvoerhoogtes boven 8 meter geschiktere turbines beschikbaar zijn met een veel kleinere voetafdruk.

Het maximale debiet door een Archimedeschroef wordt bepaald door de schroefdiameter. De kleinste schroeven hebben slechts een diameter van 1 meter en kunnen 250 liter/seconde doorlaten, daarna gaan ze in stappen van 250 mm helemaal omhoog tot een diameter van 5 meter met een maximumdebiet van ongeveer 14,5 m3/s. Het maximum van 5 meter is in feite gebaseerd op praktische leveringsbeperkingen, en in veel gevallen is 3 meter de maximale diameter die op een locatie kan worden geleverd. Als er meer debiet beschikbaar is, kunnen meerdere schroeven parallel worden geïnstalleerd.

In termen van vermogen kunnen de allerkleinste Archimedeschroeven slechts 5 kW produceren, en de grootste 500 kW.

De belangrijkste onderdelen van een Archimedeschroef die als hydrogenerator wordt gebruikt, zijn hieronder afgebeeld. De eigenlijke schroef bevindt zich onder het bovenste lager. De spiraalvormige schroef of “meenemers” zijn gemaakt van gewalste platte staalplaat die vervolgens is gelast aan een centrale stalen kern. De meeste Archimedeschroeven hebben drie vluchten, of drie afzonderlijke schroeflijnen die zich om de centrale kern wikkelen.

Archimedeschroeven draaien doorgaans met ongeveer 26 omwentelingen per minuut, dus wordt de top van de schroef aangesloten op een tandwielkast om de rotatiesnelheid op te voeren tot 750 à 1500 omwentelingen per minuut, zodat hij compatibel is met standaardgeneratoren. Hoewel ze relatief langzaam draaien Archimedes schroeven kunnen spatten water rond, hoewel dit aanzienlijk wordt verminderd door het gebruik van een splash guard afgebeeld lopen langs de linkerkant van de schroef, zoals hieronder afgebeeld.

Ook zijn er heel wat Archimedeaanse schroeven zijn geïnstalleerd zonder enige beschermende bewaking over de schroef zelf, hoewel we zouden aanraden met de hele schroef bedekt om te voorkomen dat grote brokstukken, dieren of zelfs mensen vallen in en raken verstrikt. De bescherming kan sympathiek worden ontworpen, zodat de schroef nog steeds zichtbaar is indien nodig.

Archimedean Screw hydro turbine schroeven zijn normaal ingesteld op een hoek van 22 graden van horizontaal, dat is het optimum voor de meest kosteneffectieve installaties. Er is ruimte om de hoek iets aan te passen als de site dat vereist (om in een bepaalde ruimte te passen bijvoorbeeld).

De beste Archimedean Screw hydro turbine schroeven zijn variabel in werking, wat betekent dat de rotatiesnelheid van de schroef kan worden verhoogd of verlaagd, afhankelijk van het debiet dat beschikbaar is in de rivier. Dit is veel beter dan het hebben van een schroef met een vaste snelheid en het variëren van het debiet door een geautomatiseerde sluis, wat leidt tot hoge opvoerhoogte verliezen en invloed heeft op de totale efficiëntie van het systeem. Schroeven met variabele snelheid zijn ook stiller in bedrijf en hebben geen last van ‘back slap’ aan de uitlaatzijde van de schroef.

Een typische efficiencycurve voor een Archimediaschroef met variabele snelheid van goede kwaliteit is hieronder weergegeven. Dit is de mechanische efficiëntie, dus niet de tandwielkast, generator en omvormer verliezen (deze zijn ongeveer 15% op in totaal). Het is vermeldenswaard dat er een aantal Archimedes schroef leveranciers die “over de verkoop” van de efficiëntie van schroeven, dus wees voorzichtig bij het vergelijken van de prestaties. Een lagere beweerde efficiëntie misschien niet omdat een bepaalde schroef inferieur is, het zou gewoon kunnen zijn dat de leverancier eerlijker is!

Een Archimedean Schroef hydroturbine van goede kwaliteit heeft een ontwerplevensduur van 30 jaar, en deze kan worden verlengd met een grote revisie waarbij ook de schroefvluchten opnieuw worden getapt.

Een belangrijk voordeel van een Archimedean Schroef hydro turbine is hun puin tolerantie. Door de relatief grote afmetingen van de schroefvinnen en de lage rotatiesnelheid kunnen relatief grote brokstukken ongehinderd en zonder schade aan de schroef passeren, en zeker alle kleine brokstukken zoals bladeren kunnen zonder enig probleem passeren. Dit betekent dat fijne zeven bij de inlaat van de schroef niet nodig zijn en dat kan worden volstaan met grove zeven met een staafafstand van 100 of 150 mm. Dit leidt tot relatief bescheiden hoeveelheden vuil op het inlaatrooster en maakt (dure) automatische inlaatroosterreinigers overbodig, die normaal gesproken nodig zijn op grotere waterkrachtcentrales met een laag debiet.

Door de lage rotatiesnelheid en de grote stromings-doorlaatafmetingen van de Archimedeaanse-schroef-hydroturbineschroeven kunnen vissen ook in relatieve veiligheid stroomafwaarts door de schroef passeren. Archimedeschroeven worden vaak aangeprezen als ‘visvriendelijke’ hydro turbines, wat ze ongetwijfeld zijn, hoewel wij bij Renewables First zouden zeggen dat alle hydro systemen visvriendelijk moeten zijn, ongeacht het type turbine. Bij waterkrachtcentrales zonder schroef betekent dit dat er goed ontworpen inlaatschermen en vispassages/omleidingen nodig zijn. Merk op dat als stroomopwaartse vispassage vereist is op een locatie met een Archimedeschroef hydro turbine, een vispassage vereist zal zijn.

Het laatste voordeel van de Archimedeschroef hydro turbine is vereenvoudiging van civieltechnische werken en funderingen. Omdat vijzels geen trekbuizen of afvoerputten hebben, betekent dit dat de diepte van eventuele betonwerken aan de stroomafwaartse zijde van de vijzel relatief gering is, wat de bouwkosten drukt. Ook de civiele werken zijn relatief eenvoudig, met als belangrijkste onderdeel de dragende funderingen onder de bovenste en onderste lagers. In zachtere bodemomstandigheden kunnen de dragende funderingen worden geheid.

Terug naar Hydro Learning Centre