Turbina wodna ze śrubą Archimedesa

Turbina wodna ze śrubą Archimedesa jest względną nowością w świecie małej energetyki wodnej, pojawiła się na scenie dopiero w ciągu ostatnich dziesięciu lat. Są one jednak dostępne od wielu dziesięcioleci jako pompy, których dziesiątki tysięcy zostały zainstalowane na całym świecie, w szczególności w oczyszczalniach ścieków. Ci sami producenci, którzy dominują na rynku pomp, są obecnie głównymi dostawcami również na rynek energii wodnej.

Jak sama nazwa wskazuje, Archimedes jest powszechnie uznawany za wynalazcę śruby w 250 r. p.n.e., chociaż zasługa ta została błędnie przypisana, ponieważ w rzeczywistości były one używane w Egipcie wiele lat wcześniej. Historycznie były one używane w irygacji do podnoszenia wody na wyższy poziom i były zazwyczaj napędzane przez woły, a nawet ludzi w mniejszych wersjach. Podstawowa zasada działania archimedesowej pompy śrubowej została przedstawiona na powyższym schemacie. Jeśli uchwyt na górze został obrócony w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, będzie przyciągał wodę z niższego poziomu na górę.

Gdy jest używana jako turbina wodna, zasada jest taka sama, ale działa w odwrotnym kierunku. Woda dostaje się do śruby na górze, a ciężar wody naciska na lotki spiralne, pozwalając wodzie opaść na niższy poziom i powodując obrót śruby. Ta energia obrotowa może być następnie odzyskana przez generator elektryczny podłączony do głównego wału śruby.

Śruby Archimedesowe dla energetyki wodnej są używane w miejscach o niskiej wysokości podnoszenia i wysokim przepływie. Mogą one pracować wydajnie na głowicach tak niskich jak 1 metr, choć nie są ogólnie stosowane na głowicach mniejszych niż 1,5 m (bardziej ze względów ekonomicznych niż technicznych). Pojedyncze śruby mogą pracować na głowicach do 8 metrów, ale powyżej tej wartości zazwyczaj stosuje się wiele śrub, chociaż w wielu przypadkach dla głowic powyżej 8 metrów mogą być dostępne bardziej odpowiednie turbiny o znacznie mniejszym rozmiarze.

Maksymalne natężenie przepływu przez śrubę Archimedesa jest określane przez średnicę śruby. Najmniejsze śruby mają tylko 1 metr średnicy i mogą przepuścić 250 litrów/sekundę, następnie zwiększają się w krokach co 250 mm aż do 5 metrów średnicy z maksymalnym przepływem około 14,5 m3/s. Maksymalna średnica 5 metrów wynika z praktycznych ograniczeń w dostawach, a w wielu przypadkach 3 metry to maksymalna średnica, jaką można dostarczyć na miejsce. Jeśli dostępny jest większy przepływ, można zainstalować kilka śrub równolegle.

Jeśli chodzi o moc wyjściową, najmniejsze śruby Archimedesa mogą wytwarzać zaledwie 5 kW, a największe 500 kW.

Główne części śruby Archimedesa używanej jako generator wodny pokazano poniżej. Właściwa śruba znajduje się poniżej górnego łożyska. Śruba spiralna lub „loty” są wykonane z walcowanej płaskiej blachy stalowej, która jest następnie spawana do centralnego rdzenia stalowego. Większość śrub Archimedesa ma trzy loty, czyli trzy oddzielne spirale wijące się wokół centralnego rdzenia.

Śruby Archimedesa zwykle obracają się z prędkością około 26 obr, więc górna część śruby łączy się z przekładnią, aby zwiększyć prędkość obrotową do 750-1500 obrotów na minutę, aby uczynić ją kompatybilną ze standardowymi generatorami. Mimo że obracają się one stosunkowo wolno, śruby Archimedesa mogą rozbryzgiwać wodę, chociaż jest to znacznie zredukowane przez zastosowanie osłony przeciwbryzgowej biegnącej w dół po lewej stronie śruby, jak pokazano poniżej.

Dość dużo śrub Archimedesowych zostało również zainstalowanych bez żadnej osłony ochronnej nad samą śrubą, chociaż zalecamy, aby cała śruba była osłonięta, aby zapobiec wpadnięciu i uwięzieniu dużych odłamków, zwierząt lub nawet ludzi. Osłona może być zaprojektowana w taki sposób, aby śruba była nadal widoczna, jeśli jest to wymagane.

Śruby hydro turbinowe Archimedean Screw są zwykle ustawione pod kątem 22 stopni od poziomu, co jest optymalne dla najbardziej opłacalnych instalacji. Istnieje możliwość nieznacznego dostosowania kąta, jeśli wymaga tego miejsce (na przykład w celu dopasowania do konkretnej przestrzeni).

Najlepsze śruby turbinowe Archimedean Screw są zmiennoobrotowe w działaniu, co oznacza, że prędkość obrotowa śruby może być zwiększona lub zmniejszona w zależności od natężenia przepływu dostępnego w rzece. Jest to znacznie lepsze rozwiązanie niż posiadanie ślimaka o stałej prędkości i zmienianie natężenia przepływu przez automatyczną śluzę, co powoduje duże straty wysokościowe i wpływa na ogólną wydajność systemu. Śruby o zmiennej prędkości są również cichsze w działaniu i nie cierpią z powodu „uderzenia wstecznego” na końcu wylotu śruby.

Poniżej przedstawiono typową krzywą sprawności dla dobrej jakości śruby Archimedesa o zmiennej prędkości. Jest to sprawność mechaniczna, więc nie obejmuje ona strat w przekładni, generatorze i falowniku (łącznie wynoszą one około 15%). Warto zauważyć, że są niektórzy dostawcy śrub Archimedesa, którzy „zawyżają” wydajność śrub, więc należy być ostrożnym przy porównywaniu wydajności. Niższa deklarowana wydajność może nie wynikać z tego, że dana śruba jest gorsza; może być po prostu tak, że dostawca jest bardziej uczciwy!

Dobrej jakości turbina wodna ze śrubą Archimedesa ma projektowaną żywotność 30 lat, a okres ten może być przedłużony przy remoncie kapitalnym, który obejmuje ponowne zawiązanie lotów śrub.

Ważną zaletą turbiny wodnej ze śrubą archimedesową jest tolerancja na zanieczyszczenia. Ze względu na stosunkowo duże wymiary lotów śruby i niską prędkość obrotową, stosunkowo duże zanieczyszczenia mogą przechodzić bez przeszkód i bez uszkodzenia śruby, a z pewnością wszystkie małe zanieczyszczenia, takie jak liście, mogą przechodzić bez żadnych problemów. Oznacza to, że drobne sita nie są wymagane na wlocie do ślimaka i mogą sobie poradzić z sitami o rozstawie prętów 100 lub 150 mm. Prowadzi to do stosunkowo niewielkiej ilości zanieczyszczeń gromadzących się na sicie i eliminuje wymóg (drogiego) automatycznego czyszczenia sit wlotowych, które są zwykle wymagane w większych systemach hydroenergetycznych o niskiej głowicy.

Niska prędkość obrotowa i duże wymiary przepływu-przepustu śruby archimedesowej turbiny wodnej pozwalają również rybom przechodzić w dół rzeki przez śrubę w stosunkowo bezpieczny sposób. Śruby archimedesowe są często reklamowane jako turbiny wodne „przyjazne dla ryb”, którymi niewątpliwie są, chociaż my w Renewables First powiedzielibyśmy, że wszystkie systemy wodne powinny być przyjazne dla ryb, niezależnie od typu turbiny. W przypadku systemów wodnych innych niż śrubowe oznacza to po prostu dobrze zaprojektowane ekrany wlotowe oraz przepławki/przejścia dla ryb. Należy pamiętać, że jeśli przejście dla ryb w górę rzeki jest wymagane w przypadku turbiny śrubowej Archimedesa, wymagana będzie przepławka dla ryb.

Ostatnią zaletą turbiny śrubowej Archimedesa jest uproszczenie prac inżynierii lądowej i fundamentów. Ponieważ ślimaki nie posiadają rur spustowych ani studzienek ściekowych, oznacza to, że głębokość wszelkich robót betonowych po stronie dolnej ślimaka jest stosunkowo niewielka, co obniża koszty budowy. Roboty ziemne są również stosunkowo proste, a ich główną część stanowią fundamenty nośne pod górnym i dolnym łożyskiem. W bardziej miękkich warunkach gruntowych fundamenty nośne mogą być palowane.

Powrót do Centrum Szkolenia Hydrotechnicznego