Archimedean skruvhydroturbin

Archimedean skruvhydroturbin är en relativt nykomling i den småskaliga vattenkraftsvärlden och har kommit in på scenen först under de senaste tio åren. De har dock funnits i många årtionden som pumpar där tiotusentals har installerats över hela världen, särskilt i avloppsreningsverk. Samma tillverkare som dominerar pumpmarknaden är nu också huvudleverantörer till vattenkraftsmarknaden.

Som namnet antyder är Arkimedes allmänt erkänd som uppfinnare av skruven redan 250 f.Kr., även om äran har tillskrivits felaktigt, eftersom de faktiskt användes i Egypten många år tidigare. Historiskt sett användes de vid bevattning för att lyfta vatten till en högre nivå och drevs i allmänhet av oxar, eller till och med av människor i mindre versioner. Den grundläggande principen för en arkimedisk skruvpump visas i diagrammet ovan. Om handtaget i toppen vreds moturs skulle det dra upp vattnet från den lägre nivån till den övre.

När den används som hydroturbin är principen densamma men fungerar i omvänd riktning. Vattnet kommer in i skruven högst upp och vattnets vikt trycker på de spiralformade skruvfästena, vilket gör att vattnet faller ner till den lägre nivån och får skruven att rotera. Denna rotationsenergi kan sedan utvinnas av en elektrisk generator som är ansluten till skruvens huvudaxel.

Arkimediska skruvar för vattenkraft används på platser med låg fallhöjd/högt flöde. De kan fungera effektivt vid fallhöjder så låga som 1 meter, men används i allmänhet inte vid fallhöjder på mindre än 1,5 meter (mer av ekonomiska skäl än av tekniska). Enstaka skruvar kan fungera på fallhöjder upp till 8 meter, men över detta värde används i allmänhet flera skruvar, även om det i många fall för fallhöjder över 8 meter kan finnas lämpligare turbiner tillgängliga med mycket mindre fotavtryck.

Den maximala flödeshastigheten genom en arkimedisk skruv bestäms av skruvdiametern. De minsta skruvarna är bara 1 meter i diameter och kan passera 250 liter/sekund, sedan ökar de i 250 mm-steg hela vägen upp till 5 meter i diameter med en maximal flödeshastighet på cirka 14,5 m3/s. Den maximala diametern på 5 meter är egentligen baserad på praktiska leveransbegränsningar, och i många fall är 3 meter den maximala diameter som kan levereras till en plats. Om det finns mer flöde tillgängligt kan flera skruvar installeras parallellt.

När det gäller uteffekt kan de allra minsta arkimediska skruvarna producera så lite som 5 kW och de största 500 kW.

Huvuddelarna i en arkimedisk skruv som används som vattenkraftgenerator visas nedan. Själva skruven finns under det övre lagret. Den spiralformade skruven eller ”skruv” är tillverkad av valsad platt stålplåt som sedan svetsas till en central stålkärna. De flesta arkimediska skruvar har tre skruvdrag, eller tre separata spiraler som slingrar sig runt den centrala kärnan.

Arkeimedisk skruv roterar vanligen med cirka 26 varv per minut, så den övre delen av skruven ansluts till en växellåda för att öka rotationshastigheten till mellan 750 och 1500 rpm för att göra den kompatibel med standardgeneratorer. Även om de roterar relativt långsamt kan arkimediska skruvar stänka vatten, även om detta minskas avsevärt genom användning av ett stänkskydd som löper längs skruvens vänstra sida enligt bilden nedan.

Också en hel del Archimedeskruvar har installerats utan skyddande skydd över själva skruven, även om vi rekommenderar att hela skruven täcks för att förhindra att stora skräp, djur eller till och med människor faller in och blir indragna. Skyddet kan utformas på ett sympatiskt sätt så att skruven fortfarande är synlig om så krävs.

Archimedean Screw hydroturbinskruvar sätts normalt i en vinkel på 22 grader från horisontalplanet, vilket är det optimala för de mest kostnadseffektiva installationerna. Det finns utrymme för att justera vinkeln något om platsen kräver det (för att passa in i ett visst utrymme till exempel).

De bästa Archimedean Screw hydroturbinskruvarna är variabla i drift, vilket innebär att skruvens rotationshastighet kan ökas eller minskas beroende på flödeshastigheten som finns tillgänglig i floden. Detta är mycket bättre än att ha en skruv med fast hastighet och variera flödeshastigheten genom en automatiserad sluss, vilket skapar höga fallhöjdsförluster och påverkar systemets totala effektivitet. Skruvar med variabelt varvtal är också tystare i drift och lider inte av ”back slap” i utloppsänden av skruven.

En typisk effektivitetskurva för en arkimedisk skruv med variabelt varvtal av god kvalitet visas nedan. Detta är den mekaniska verkningsgraden och omfattar alltså inte förlusterna från växellådan, generatorn och växelriktaren (dessa är cirka 15 % totalt). Det är värt att notera att det finns vissa leverantörer av arkimediska skruvar som ”överförsäljer” skruvarnas effektivitet, så var försiktig när du jämför prestanda. En lägre påstådd effektivitet kanske inte beror på att en viss skruv är sämre; det kan bara vara så att leverantören är mer ärlig!

En Archimedean Screw-hydroturbin av god kvalitet har en konstruktionslivslängd på 30 år, och denna kan förlängas med en större översyn som inkluderar att skruvarna återknyts.

En betydande fördel med en hydroturbin med Archimedean-skruv är deras tolerans för skräp. På grund av de relativt stora dimensionerna på skruvens gängor och den låga rotationshastigheten kan relativt stora skräp passera obehindrat och utan att skada skruven, och säkerligen kan alla små skräp som t.ex. löv passera utan några som helst problem. Detta innebär att det inte behövs några fina silar vid inloppet till skruven, utan man kan klara sig med vanliga silar med 100 eller 150 mm stavavstånd. Detta leder till relativt blygsamma mängder skräp som byggs upp på skärmen och eliminerar kravet på (dyra) automatiska rensare av inloppsskärmar som normalt krävs på större vattenkraftsystem med låg vattenkraftshöjd.

Den låga rotationshastigheten och de stora dimensionerna för flödespassage hos Archimedean-screw-hydroturbiner med skruv gör det också möjligt för fiskar att passera nedströms genom skruven i relativ säkerhet. Archimediska skruvar marknadsförs ofta som ”fiskvänliga” hydroturbiner, vilket de otvivelaktigt är, även om vi på Renewables First skulle säga att alla vattenkraftsystem bör vara fiskvänliga, oavsett turbintyp. I vattenkraftsystem utan skruv innebär detta bara att det krävs väl utformade intagsskärmar och fiskpassager/bi-passager. Observera att om det krävs fiskpassage uppströms vid ett vattenkraftverk med Archimedean-skruvturbin krävs ett fiskpass.

Den sista fördelen med Archimedean-skruvturbinen är att den förenklar byggnadsarbeten och grundläggning. Eftersom skruvar inte har dragrör eller utloppsbrunnar innebär det att djupet på eventuella betongarbeten på nedströmssidan av skruven är relativt lågt, vilket minskar byggkostnaderna. Civilarbetena är också relativt enkla, och huvuddelen utgörs av de bärande fundamenten under de övre och undre lagren. I mjukare markförhållanden kan de bärande fundamenten pålas.

Tillbaka till Hydro Learning Centre