Винтовая турбина

Водяная турбина, использующая принцип архимедова винта

Обратное действие архимедова винта, принцип работы винтовой турбины, получающей энергию от воды, протекающей вниз по винту.

Винтовые турбины обычно имеют три или четыре пролета (второй ряд)

Две параллельные винтовые турбины мощностью 75 кВт каждая в Монмуте, Уэльс

Видео винтовой турбины мощностью 40 кВт в Мюнхене, Германия

Винтовая турбина ( также известная как архимедова турбина , генератор архимедова винта или ASG , или турбина архимедова винта или AST ) — это водяная турбина , которая преобразует потенциальную энергию воды на уровне выше по течению в работу . Этот гидроэнергетический преобразователь приводится в действие весом воды, подобно водяным колесам , и может рассматриваться как квазистатическая напорная машина. Генераторы архимедова винта работают в широком диапазоне расходов (от 0,01 до 14,5 ) и напоров (от 0,1 м до 10 м), включая низкие напоры и умеренные скорости потока, которые не являются идеальными для традиционных турбин и не заняты высокопроизводительными технологиями. ${\displaystyle m^{3}/s}$ ${\displaystyle m^{3}/s}$

Винт Архимеда может использоваться для выработки энергии, если он приводится в движение текущей жидкостью, а не подъемной жидкостью. Вода, проходящая через винт с большой высоты на низкую, создает крутящий момент на винтовых плоских поверхностях, заставляя винт вращаться. Генератор винта Архимеда состоит из ротора в форме винта Архимеда, который вращается в полукруглом желобе. Вода поступает в винт, и ее вес давит на лопасти турбины, что, в свою очередь, заставляет турбину вращаться. Вода свободно стекает с конца винта в реку. Верхний конец винта соединен с генератором через коробку передач. Винт Архимеда теоретически является обратимой гидравлической машиной, и есть примеры отдельных установок, где винты могут использоваться попеременно как насосы и генераторы.

История

Винтовая турбина на малой гидроэлектростанции в Горыни, Польша

Архимедов винт — древнее изобретение, приписываемое Архимеду из Сиракуз (287–212 до н. э.), и обычно используемое для подъема воды из водотока для целей орошения . В 1819 году французский инженер Клод Луи Мари Анри Навье (1785–1836) предложил использовать архимедов винт как тип водяного колеса. В 1916 году Уильям Мёршер подал заявку на патент США на гидродинамическую винтовую турбину. ^[1]

Приложение

Винтовая турбина мощностью 12 кВт в поместье Крэгсайд

Турбина с архимедовым винтом применяется на реках с относительно низким напором (от 0,1 м до 10 м) и при низком расходе (от 0,01 м ³ /с до примерно 10 м ³ /с на одной турбине). Благодаря конструкции и медленному движению лопастей турбина считается дружественной по отношению к водным животным. Ее часто называют «дружественной по отношению к рыбам». Турбина с архимедовым винтом может использоваться в ситуациях, когда есть условие сохранения и ухода за окружающей средой и дикими животными.

Дизайн

Гидроэлектростанция с винтовой турбиной Архимеда (AST) может рассматриваться как система с тремя основными компонентами: водохранилищем, плотиной и AST (которая соединена с системой контрольным затвором и сороудерживающей решеткой). В большинстве реальных мест расположения AST входящий поток должен быть разделен между AST и параллельной плотиной. Обычно минимальный поток через плотину предписан для защиты местной окружающей среды. Другие выходы, а также рыбоход можно рассматривать как другие компоненты этой системы. Подробное руководство о принципах проектирования винтовых турбин Архимеда и винтовых гидроэлектростанций доступно в "Винтовые турбины Архимеда: решение для устойчивого развития для зеленой и возобновляемой генерации энергии — обзор потенциала и процедур проектирования". ^[2]

Скорость потока

Для проектирования турбин с винтом Архимеда и гидроэлектростанций важно оценить количество воды, проходящей через турбину с винтом Архимеда, поскольку количество энергии, вырабатываемой турбиной с винтом Архимеда, пропорционально объемному расходу воды через нее. Объем воды, поступающей в турбину с винтом Архимеда, зависит от глубины воды на входе и скорости вращения винта. Для оценки общего расхода, проходящего через турбину с винтом Архимеда для различных скоростей вращения (ω) и уровней воды на входе, можно использовать следующее уравнение:

${\displaystyle Q=\alpha Q_{Max}(A_{E}/A_{Max})^{\beta }(\omega /\omega _{M})^{\gamma }}$

Где , и являются константами, связанными со свойствами винта. Предварительные исследования показывают, что , и дают разумные прогнозы для широкого диапазона размеров AST от малых до полномасштабных. ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle \gamma }$ ${\displaystyle \alpha =1.242}$ ${\displaystyle \beta =1.311}$ ${\displaystyle \gamma =0.822}$ ${\displaystyle Q}$

Примеры

Великобритания

• Вулстон, Чеширская плотина на реке Мерси 486 кВт, в стадии строительства ^{[3] [4] [5]}
• Devon, Totnes 320 кВт, введен в эксплуатацию в декабре 2015 г. ^[6]
• Ромни, Беркшир , 270 кВт, установлен для обеспечения Виндзорского замка возобновляемым источником энергии , введен в эксплуатацию в июле 2013 г. ^[7]
• Плотина Били, Рэдклифф , 100 кВт, введена в эксплуатацию в мае 2012 г. ^[8]
• Мейплдерхэм, река Темза , самая большая в Великобритании пропускная способность (8 м³/с), одновинтовой, 99 кВт. ^[9]
• Бакфаст, Ривер Дарт , винтовая турбина и рыбоход, 84 кВт ^[9]
• Первая в Великобритании коммунальная гидроэлектростанция и рыбоход мощностью 63 кВт в Нью-Миллс . ^[9]
• Первая в Великобритании винтовая турбина, подключенная к сети, мощностью 50 кВт в загородном парке River Dart . ^[9]
• Bainbridge , принадлежащая сообществу винтовая турбина, 37 кВт ^[9]
• Типтон, Ривер Оттер , 30 кВт ^[9]
• Рочдейл , винтовая турбина и рыбоход, 20 кВт ^[9]
• Крэгсайд , место рождения гидроэлектроэнергии, 12 кВт ^[10]
• Tillydrone , Aberdeen Community Energy , 100 кВт, первая в Великобритании городская микро-ГЭС ^[11]

Соединенные Штаты

• Пруд Ганновер на реке Куиннипиак в Меридене, штат Коннектикут , 105 кВт (или 920 000 кВт·ч/год), подключен к сети, введен в эксплуатацию в апреле 2017 года; первая установка винтовой турбины в США. ^{[12] [13]}

Ссылки

1. Соединенные Штаты 1434138, Уильям Мёршер, «Водяная система», выдан 31 октября 1922 г. 
2. ЙозефДост, Араш; Любиц, Уильям Дэвид (08.09.2020). «Винтовые турбины Архимеда: решение для устойчивого развития для производства зеленой и возобновляемой энергии — обзор потенциала и процедур проектирования». Устойчивость . 12 (18): 7352. doi : 10.3390/su12187352 . ISSN  2071-1050.
3. "Woolston | Planning Application". Совет округа Уоррингтон . Получено 22.03.2021 .
4. "Woolston | Обзор проекта". renfin.eu . Получено 2021-03-22 .
5. "Woolston | Местные новости". Warrington Worldwide . Получено 22.03.2021 .
6. "Totnes | MannPower Consulting". www.mannpower-hydro.co.uk . Получено 2016-08-05 .
7. "Romney | MannPower Consulting". www.mannpower-hydro.co.uk . Получено 05.08.2016 .
8. "Bealeys Weir | MannPower Consulting". www.mannpower-hydro.co.uk . Получено 05.08.2016 .
9. "Исследования случаев гидроэнергетики, исследования случаев микрогидроэнергетики - Западная возобновляемая энергия". www.westernrenew.co.uk . Получено 05.08.2016 .
10. "Гидроэнергетика возвращается в Крэгсайд". National Trust . Получено 2016-08-09 .
11. Филиппа Джеррард (4 ноября 2016 г.). «Powering Up». Press and Journal . Получено 20 ноября 2023 г. .
12. Эндрю Рэгалл, Древняя технология в плотине Ганноверского пруда Меридена начинает вырабатывать электроэнергию, Meriden Record Journal, 27 апреля 2017 г.
13. Гидроэлектростанция Новой Англии запустила первую винтовую турбину Архимеда в США, PR Newswire, 27 апреля 2017 г.

Дальнейшее чтение

• PJ Kantert: Руководство по архимедову винтовому насосу , Hirthammer Verlag 2008, ISBN 978-3-88721-896-6 
• П. Дж. Кантерт: Praxishandbuch Schneckenpumpe . Хиртхаммер Верлаг 2008, ISBN 978-3-88721-202-5 
• К. Брада, К.-А. Радлик - Водяной винтовой двигатель для микроэлектростанции - первый опыт строительства и эксплуатации (1998)
• К. Брада - Микроэлектростанция с водяным винтовым двигателем (1995)
• К. Брада, К.-А. Радлик - Гидроэнергетический винт - Характеристика и применение (1996)
• К. Брада, К.-А. Радлик, (1996). Водяной винтовой двигатель для микроэлектростанции. 6-й международный Симп. Теплообмен и возобновляемые источники энергии, 43–52, В. Новак, изд. Wydaw Politechniki Szczecińskiej, Щецин, Польша.

Внешние ссылки

• Landustrie- Информация об одном из производителей
• spaansbabcock.com/products/screw-turbine Информация об одном из производителей
• (на польском) Первая винтовая турбина в Польше