Vannturbin

Historie

Vannhjul har blitt brukt i hundrevis av år som drivkraft i industrien. Deres største ulempe er størrelsen, som begrenser både nyttbar vannmengde og fallhøyden. Overgangen fra vannhjul til moderne turbiner tok om lag hundre år. Utviklingen skjedde under den industrielle revolusjon, ved hjelp av vitenskapelige oppdagelser og metoder. De har også gjort utstrakt bruk av nye materialer og produksjonsmetoder som ble utviklet på den tiden.

Forskjellen på en turbin og et vannhjul

Ordet turbin ble introdusert av den franske ingeniøren Claude Burdin tidlig på 1800-tallet og er avledet fra det latinske ordet for «hvirvlende» eller «strømning». Hovedforskjellen mellom tidlig vannturbiner og vannhjul, er at en virvelkomponent (i matematikken brukes det engelske ordet «curl», som også brukes på norsk) av det strømmende vannet overfører energi til en rotor. På grunn av denne ekstra bevegelseskomponent tillates turbinen å være betydelig mindre enn et vannhjul med samme ytelse. Da turbinene ble introdusert kunne de utnytte en større vannmengde ved å rotere raskere, samt at de kunne utnytte mye større fallhøyder. (Senere ble impulsturbiner utviklet som ikke benytter seg av virvel-prinsippet).

Tidslinje

De tidligste kjente vannturbiner som er funnet stammer fra Romerriket. To møller med helix-turbin  av nesten identisk konstruksjon ble funnet på Chemtou og Testour, i dagens Tunisia, datert til slutten av 300-tall eller tidlig 400-tall eKr. Et horisontalstilt vannhjulet med skråstilte blader ble installert på bunnen av en vannfylt sirkulær formet sjakt. Det strømmende vannet kom inn i sjakten tangentielt via en kanal, og skapte dermed en virvlende vannmasse som fikk det helt nedsenket hjulet til å opptre som en virkelig turbin 
Johann Segner utviklet en reaktiv vannturbin (Segner hjul) i midten av det 1700-tallet i Kongedømmet Ungarn. Den hadde en vannrett akse, og var en forløper til dagens moderne vannturbiner. Dette er en veldig enkel maskin som fortsatt produseres i dag for bruk i minikraftverk. Segner jobbet sammen med Euler på noen av de tidligste matematiske teorier om turbindesign. På 1700-tallet hadde en viss Dr. Barker oppfunnet en lignende reaksjonshydraulisk turbin som ble brukt under demonstrasjoner i forelesninger. Den eneste kjente overlevende eksempel på denne type maskin som brukes i kraftproduksjon stammer fra 1851,og er funnet på Hacienda Buena Vista i Ponce, Puerto Rico.
I 1820 utvikler Jean-Victor Poncelet en turbin for innoverstrøm.
I 1826 utvikler Benoit Fourneyron en turbin for utoverstrøm. Dette var en maskin med høy virkningsgrad (omtrent 80%) som sendte vann gjennom et løpehjul med bladene buet i samme plan som hjulet. De stasjonære utløpetsskovlene var også buede.
I 1844 utviklet Uriah A. Boyden en turbin for utoverstrøm som forbedret ytelsen til Fourneyronturbinen. Løpehjulet til denne var formet som en francisturbin.
I 1849, James B. Francis forbedret reaksjonsturbinen med innoverstrøm med en virkningsgrad over 90 %. Han gjennomførte også avanserte tester og utviklet tekniske metoder for konstruksjon av vannturbiner. Francisturbinen er oppkalt etter ham, og er den første moderne vannturbin. Dette er fortsatt det mest brukte vannturbin i verden i dag. Francisturbin kalles også en radialstrømnings turbin, ettersom vannet strømmer fra den ytre omkretsen mot sentrum av løpehjulet.
Vannturbiner med innoverstrøm har en bedre mekanisk arrangement og alle moderne reaksjon vannturbiner er konstruert på denne måten. Fordi vannet virvler innover, akselererer det, og overfører energi til løpehjulet. Vannets trykk reduseres til atmosfærisk trykk, eller i noen tilfeller under atmosfærisk trykk, når vannet passerer gjennom bladene og mister sin energi.
Rundt 1890 ble det moderne glidelager (lager med oljefilm mellom de bevegelig og faste deler av stål) oppfunnet, nå brukes disse til å holde oppe tunge løpehjul i vannturbiner. Per 2002, ser det ut til et glidelager har en MTBF på mer enn 1300 år.
Rundt 1913 oppfant Viktor Kaplan turbinen som bærer hans navn, nemlig kaplanturbinen, som er en propell-lignende maskin. Det var en videreutvikling av francisturbinen, men revolusjonert muligheten til å utvikle vannfall med liten fallhøyde.
Forbedring av turbiners virkeområde og virkningsgrad har vært av stor viktighet helt frem til nå. Det er ønskelig at turbintypene skal kunne tilpasses innenfor størst mulige variasjonsområder både når det gjelder fallhøyde og vannmengde. Her er det både design og materialvalg (stållegeringer) som byr på utfordringer. Ved vannkraftlaboratoriet ved Norges tekniske høyskole i Trondheim greide professor Gudmund Sundby på tidlig 1920-tall, sammen med Kværner Brug, å utvikle en francisturbin med en virkningsgrad på nesten 95 %. Dette var flere prosentpoeng over hva som på denne tiden var vanlig. Selv i dag er dette omtrent det høyeste som kan oppnås for en vannturbin av denne typen. Dette mener historikere er starten på norsk turbinindustris verdensledende posisjon.

Nytt konsept

Alle vanlige vannkraftmaskiner inntil slutten av 1800-tallet (inkludert vannhjulet) var i utgangspunktet reaksjonsmaskiner; vanntrykket skapt av fallhøyden virket på maskinen og produsert mekanisk arbeid. En reaksjonsturbin har behov for å fullt ut å inneholde vann for at energioverføringen skal kunne skje.
I California i I 1866 hadde mølleren Samuel Knight oppfunnet en maskin som tok impulssystem til et nytt nivå. Inspirert av høytrykks vannspylesystemer som ble bruket i såkalt hydraulisk gruvedrift for gullutvinning, utviklet Knight et hjul med påmonterte skåler som fanget energien som en fri vannstråle dannet. Vannstrålen hadde han fått fra et vertikalt rør (eller rørgate) som var flere hundre meter høyt og som omdannet potensiell energi til kinetisk energi. Dette kalles en impuls- eller tangentialturbin. Vannet kommer inn med en hastighet som er omtrent det dobbelte av hastigheten til skålene på periferien av hjulet, tar en «u-sving» i skålene og faller ut med lav hastighet.
Lester Pelton (1829-1908) eksperimentere i 1879 med et hjul av samme typen som Knight hadde utviklet, men han utviklet et hjul påmontert en type doble skåler, som sendte vannet ut til sidene. Disse doble skålene hadde i midten en kvass egg som kløyver vannstrålen. Dermed ble virkningsgraden høyere fordi noe av energitapet som hjulet til Knight hadde, ble eliminert. Knights hjul hadde nemmelig den svakheten at noe av vannet som ble sent ut av skålene havnet tilbake mot midten av hjulet. William Doble forbedret rundt 1895 Peltons turbinhjul med halvsylindriske skåler, med å bytte disse ut med elliptisk skåler. Denne nye elliptiske skålene ga han i tillegg et kutt, slik at vannstrålen skulle få et bedre innløp. Forbedringen innebærer at strålen får anledning til å treffe rett på eggen i midten av skålen, uten at noe av strålen blir avskåret av skålen rett foran. Dette er den moderne form av en peltonturbin, og disse oppnår i dag over 90 % virkningsgrad. Pelton hadde vært en ganske effektiv formidler av sitt design, og selv om Doble overtok Peltons selskap, endre han ikke navnet på selskapet til Doble fordi dette merkenavnet allerede var anerkjent.
Turgoturbinen (med halve skåler og vannstråle inn fra siden) og Bankiturbinen (vannstråle gjennom en rottor av vertikalt stilte lameller) var senere oppfinnelser basert på impulsturbin-typen.

Teori for virkemåten

Meget enkelt sagt er prinsippet for en vannturbin at strømmende vann ledes til bladene på et løpehjul, og det strømmende vannet resulterer i en kraft på bladene. Siden løpehjulet roterer, virker kraften over en distanse. Kraft som virker over en distanse er selve definisjonen av arbeid, W= F·s, der F er kraft og s er distanse. På denne måte blir energien overført fra vannstrømmen til turbinen. Vannet ledes gjennom et rør fra en dam til turbinen, og den vertikale høydeforskjellen mellom dammen og turbinen kalles for fallhøyden. En turbin omformer vannets potensielle energi til kinetisk energi.
Vannturbiner er delt inn i to grupper; reaksjonsturbiner og impulsturbiner.
Formen på vannturbinbladene er avhengig av trykket til vannet, og den type løpehjul som blir valgt. Derfor kan det være et stort variasjonsområdet for utformingen innenfor hver av turbintypene.

Reaksjonsturbiner

I reaksjonsturbiner skjer hele energioverføringen når vannet strømmer gjennom turbinen, noe som gjør at trykket endrer seg etter som vannet beveger seg gjennom turbinen og gir fra seg sin energi. Disse må være innkapslet for å motstå vanntrykket (eller sug), eller de må være fullstendig neddykket i vannstrømmen. Newtons tredje lov beskriver overføring av energi for reaksjonsturbiner.
De mye bruket turbintypene francisturbin og kaplanturbin er konstruert ved at løpehjulet er plassert i senter av en spiraltromme. Spiraltrommen har form lik et sneglehus, altså med jevnt nedtrappende diameter. Vannet ledes inn der diameteren er størst. I senter av spiraltrommen er det en åpning der løpehjulet plasseres. Selve sirkelformen og ledeskovlene skaper vannets rotasjonsbevegelse. Vannet forsvinner ut av et rør i senter spiraltrommen som står normalt på spiraltrommens plan. På den motsatte siden er det satt inn en aksling som holder løpehjulet i posisjon. Akslingen dras rund av løpehjulet og er tilkoblet  generatoren. Ledeskovlene nevnt over kan reguleres, og med det kan vannstrømmen inn på løpehjulet reguleres og dette igjen bestemmer ytelsen som generatoren gir.
Kaplanturbinen og francisturbinene har altså det til felles at spiraltrommen for begge typene har veldig lik utforming. Derimot er løpehjulene vesentlig ulike. Kaplanturbinens løpehjul likner en skipspropell, mens fransisturbinen har løpehjul som best kan forståes av å se på illustrasjonene på siden. Kaplanturbinen er konstruert for små fall og svært store vannmengder, mens francisturbinen er vanlig for medium fallhøyde og vannmengde.
De fleste vannturbiner i bruk er reaksjonsturbiner, og brukes ved lave (< 30 m) og medium (30-600 m) fallhøyder. I en reaksjonsturbin oppstår trykkfall i både faste og bevegelige skovler. De er i stor grad brukt i forbindelse med demninger og store kraftverk.

Impulsturbiner

Impulsturbiner endrer hastigheten (her må en være klar over at i fysikken gjøres det forskjell på fart og hastighet, da hastighet beskrives både av fart og retning) av en vannstråle. Strålen virker med en kraft på turbinens krumme skovler (skåler i en peltonturbin) noe som endrer retningen på strømningen. Den resulterende endring i fart (impuls) fører til en kraft på turbinbladene. Ettersom turbinen roterer, vil  kraften virker over en distanse (arbeid) og vannstrømmen ut har redusert energi. I en impulsturbin er trykket i vannet som strømmer over rotorbladene konstant, og alt arbeidet skjer på grunn av forandring i den kinetisk energi til vannet. Vannet er i kontakt med skovlene til løpehjulet i svært kort tid.
Før vannet treffer turbinskovlene på løpehjulet, er vanntrykket (potensiell energi) konvertert til kinetisk energi av en (eller flere) dyser som er rettet inn mot hjulet. Ingen trykkendring skjer på turbinbladene, og turbinen krever egentlig ikke å stå i en kapsling for å fungere. Likevel brukes alltid en kapsling over løpehjulet fordi vannspruten fra turbinen ikke kan tillates å fare fritt omkring. Vannet faller mer eller mindre dødt ut av turbinen og ledes ut av kraftverket i en kanal.
Endring av pådraget og derved effekten som turbinen yter, reguleres ved at vannstrålen(e) som går inn på løpehjulet kan reguleres. I dysen(e)s senter er det en nål, og ved å justere denne inn eller ut kan diameteren på vannstrålen varieres. Justeres nålen helt inn mot dyseåpningen stenger nålen helt for vannet.
Newtons andre lov beskriver overføring av energi til impulsturbiner. Impulsturbiner brukes ofte for svært høye trykk (fallhøyde over 1000 m) og mindre vannmengde enn francis- og kaplanturbinen.

Turbinregulatoren

Det er viktig at summen av effekten levert fra alle generatorene i kraftsystemet er nøyaktig lik summen av forbruket (i husholdninger og industri). Samtidig må turtallet til turbin og generator, og dermed frekvensen i kraftsystemet være noenlunde konstant. Turbinregulatoren sørger for at dette skjer automatisk ved å måle turbinens turtall og sørge for at dette holdes konstant ved å regulere pådraget (vannstrømmen) til turbinen. I et kraftsystem med mange tilknyttede generatorer skjer denne reguleringen samtidig for alle turbiner ved forbruksendringer.
Om det i kraftsystemet skjer en lastreduksjon (forbrukerne reduserer sitt energiforbruk) vil ikke turbinenes regulatorer respondere momentant, dessuten kan ikke vannet i en tilførselstunnel som kanskje er flere kilometer lang kunne redusere hastighet momentant. Dette blir analogt med et stort godstog, det kan veie mange tusen tonn og selv om det har stor bremsekraft tar det lang tid å redusere hastigheten. Det samme er tilfelle med lastøkning i kraftsystemet, vannet kan ikke plutselig øke hastighet. Dermed vil en lastreduksjon føre til at hastigheten til aggregatene øker og frekvensen i nettet går opp. Dette fordi alle de tilknyttede generatorene har konstant dreiemoment (T) gitt av turbinene, samtidig som effekten (P) reduseres. Dermed må turtallet (n) og frekvensen (f) gå opp. De to formlene rett over viser sammenhengen matematisk. Motsatt vil en lastøkning føre til redusert omdreiningstall og frekvens. Dette fordi dreiemomentet i første omgang er konstant, effekten øker og turtallet må da gå ned. I aller første omgang er det turbinene og generatorenes samlede opplagrede kinetiske energi i de roterende masser (treghetsmoment) som tar opp eller leverer ut energi. Siden disse tilsammen i et stort kraftsystem veier mange hundretusen tonn vil en liten hastighetsendring kunne bety mye opptatt eller frigjort energi.
I gamle dager da turbinregulatorene ikke var særlig raske, og kanskje bare en eller noen få kraftverk var tilknyttet samme kraftnett, ble det gjerne behov for å sette på store svinghjul på turbinene for å stabilisere turtallet og frekvensen i nettet.

Turbinens motsatte reaksjon på turbinregulatorens pådragsendring

En spesiell egenskap med vannturbiner er at de i første omgang responderer motsatt på turbinregulatorens hensikt med endring av pådraget. Igjen kan peltonturbinen analyseres. Dysen (eller dysene) gir ut en vannstråle med en gitt diameter som øver et visst moment på løpehjulet. Ved lastreduksjon vil regulatoren sørge for at pådraget reduseres ved at dysen minker åpningen og strålen får mindre diameter. I første omgang vil ikke vannet i tilførselstunnelen endre hastigheten, som forklart over. Vannstrømmen i tilførselstunnelen er altså konstant, mens dysen reduserer åpningen. Dette resulterer i større vannhastighet ut av dysen. Turbinens løpehjul får dermed økt turtall og effekt, selv om kraftsystemet etterspurte det motsatte. Motsatt respons skjer ved en lastøkning i nettet, turbinene responderer med lavere turtall og effekt. Disse forløpene har gjerne kort varighet, bare noen sekunder. De roterende masser i generatorene demper ut virkningene, samtidig som turbinregulatorene har dempefunksjoner. Likevel vil frekvensen variere noe opp og ned med lastendringer i den tiden dette tar.
Vannvei, turbin, generator, turbinregulator og kraftsystem danner til sammen et kompleks dynamisk system, der responsen på en endring gjerne er avhengig av endringens hurtighet. En kaller kunnskapen om slike systemer for teknisk kybernetikk, og en definerer et kraftsystem som et dynamisk elektromekanisk system.
Ikke alle turbiner trenger turbinregulator, er generatoren liten og tilknyttet et stort kraftsystem er det vanlig å la turbinen gå med et fast pådrag som kan justeres manuelt.

Pumpekraftverk

Noen vannturbiner er designet for å brukes i pumpekraftverk. Disse kan reversere vannstrømmen og fungere som en pumpe for å fylle en høyereliggende reservoar, deretter kan de gå tilbake til turbin-modus for kraftgenerering. Fyllingen av reservoaret skjer gjerne når kraftbehovet er lite, og kraftverket genererer strøm når etterspørsel er stor. Denne typen turbin er vanligvis en deriazturbin eller francisturbin. I seg selv er en francisturbin ikke så ulik en sentrifugalpumpe, men trykkendringen og energiretningen er motsatt.

Virkningsgrad

Store moderne vannturbiner operere med virkningsgrad større enn 90 %. Peltonturbinen kan ha en virkningsgrad på 92–93 %, Francisturbinen 95–96 % og Kaplanturbinen kan oppnå 92–93 %.
Francisturbinen utmerker seg altså med en høy virkningsgrad, men virkningsgraden er ikke like høy over hele pådragsområdet. Peltontubinen har en virkningsgradskurve (kurve som viser virkningsgrad som funksjon av pådrag) som holder seg flatere enn francisturbinen, og den er dermed godt egnet for varierende belastning. En flerstrålet peltonturbin kan ha en virkningsgrad over 90 % med pådrag varierende fra 25 til 150 % av nominell effekt. Det som er gunstig med en flerstrålet peltonturbin er at antallet stråler som benyttes kan varieres fra bare én og oppover. Kaplanturbinen har både ledeskovler og løpehjulskolver som kan reguleres, det gjør at denne turbintypen også har stor virkningsgrad over et stort pådragsområde og ved varierende fallhøyde.

Design og anvendelse

Turbinvalg er hovedsakelig basert på den tilgjengelige fallhøyde, og i mindre grad vannmengde (slukeevne). Generelt brukes impulsturbiner for høy fallhøyder, og reaksjonsturbiner brukes til små fallhøyder. Kaplanturbiner med regulerbar bladstigning (vinkel på bladene) er godt tilpasset til store variasjonsområder av vannmengde- eller fallforhold, siden deres maksimale virkningsgrad kan oppnås over et vidt område av vannmengde.
Små turbiner (for det meste under 10 MW) kan ha horisontal aksling, og unntaksvis kan store rørturbiner opp til 100 MW eller så være horisontale. Svært store francis- og kaplanmaskiner har vanligvis vertikal aksling fordi dette gjør best mulig bruk av tilgjengelige fallhøyde, og gjør installasjon av generatoren mer økonomisk. Peltonturbiner kan ha vertikal eller horisontal aksel helt uavhengig av fallhøyden, på grunn av at størrelsen på maskinen uansett er så mye mindre enn det tilgjengelige fallet. Noen impulsturbiner bruke som nevnt flere vannstråler per løpehjul for å øke spesifikk vannhastighet og for å balansere kreftene på akselen.

Spesifikk hastighet

Den spesifikke hastigheten  for en turbin karakteriserer dens form på en måte som ikke er relatert til størrelsen. Dette gjør at et nytt turbindesign som kan skaleres opp fra en eksisterende design av kjente ytelse. Den spesifikke hastigheten er også det viktigste kriteriene for å tilpasse et bestemt vannfall til riktig turbintype. Den spesifikke hastighet er den hastighet som turbinen roterer med for en bestemt vannmengde, q, for én enhet fallhøyde og derved er i stand til å produsere én enhet effekt.

Affinitetslovene

Skaleringslovene, som også kalles affinitetslovene, gjør at ytelsen til en turbin kan bli estimert  basert på modellforsøk. En miniatyrmodell av en foreslått turbin, som kan være omtrent 0,3 m i diameter, kan testes i et laboratorium. Målingene kan anvendes til den endelige konstruksjonen med høy grad av sikkerhet. Affiniteslovene er utledet ved å kreve formlikhet mellom testmodell og den virkelige turbinen.
Strømningen gjennom turbinen styres enten av en stor ventil, eller ved at ledeskovler er anordnet rundt periferien på utsiden av løpehjulet. Trykkforskjellen og gjennomstrømning for turbinen kan plottes for forskjellige verdier av ledeskovelåpning for derved å lage et diagram som viser virkningsgraden for turbinen under varierende forhold.

Rusehastighet

Rusehastigheten for en vannturbin er dens hastighet ved full gjennomstrømnig av vann når den ikke har noen belastning. Turbinen må utformes til å overleve de mekaniske krefter som oppstår ved denne hastighet. Produsenten skal dokumentere rusehastighetsklasse.

Vedlikehold

Turbiner er laget for å kjøre i flere tiår med svært lite vedlikehold av hoveddelene, og overhalingsintervaller er i størrelsesorden av flere år. Vedlikehold av løpehjulet og deler som utsettes for vann omfatter utskifting, inspeksjon og reparasjon av slitte deler.
Normal slitasje omfatter groper fra kavitasjon, utmattingssprekker, og slitasje fra suspendert stoff i vannet. Stålelementer kan repareres ved sveising, vanligvis med rustfritt stål. Skadede områder kuttes eller gravdes ut, deretter sveiset det over slik at opprinnelig form oppnåes, eller eventuelt en forbedret profil. Gamle turbiner kan ha en betydelig mengde av rustfritt stål lagt på ved slutten av sin levetid. Omfattende sveiseprosedyrer må gjerne brukes til å oppnå høy nok kvalitet etter utført reparasjon.
Andre elementer som krever inspeksjon og reparasjon under overhalinger inkluderer lagre,  tettinger og akselhylser, servomotorer, kjølesystem for lagrene og generatorviklinger, tetningsringer, ledeskovler og alle overflater