Die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen wie Wind und Wasser ist angesichts des Klimawandels und der globalen Erwärmung dringend notwendig. Eine Maschine, die die Energie von fließendem Wasser nutzt und in mechanische Energie oder Elektrizität umwandelt, wird als Wasserturbine bezeichnet.
Sie wurde im 19. Jahrhundert erfunden und hauptsächlich zum Mahlen von Getreide und zum Pumpen von Wasser eingesetzt. Heute wird sie hauptsächlich zur Stromerzeugung durch den Bau von Staudämmen genutzt. Der Wirkungsgrad moderner Wasserturbinen liegt bei über 90 %.
Komponenten einer Wasserturbine
Eine Wasserturbine besteht aus den wesentlichen Elementen Saugrohr, Laufrad, Spiralgehäuse, Stützen, Stützschaufeln und Leitblechen.
1. Saugrohr
Das Saugrohr ist ein kegelförmiges Rohr, das mit dem Turbinenlaufrad verbunden ist. Es befindet sich am unteren Ende der Turbine und hilft, den Wasserfluss von der Turbine wegzuleiten.
2. Läufer
Das Laufrad ist ein rotierendes Bauteil mit Schaufeln. Durch den Wasserfluss ist es in ständiger Bewegung. Durch die Drehung wird es zu einem Generator, der Strom erzeugt. Für einen reibungslosen Betrieb benötigt das Laufrad eine gute Konstruktion.
3. Scroll-Fall
Das Spiralgehäuse ist eine konkave Ummantelung, die das Turbinenlaufrad und die Leitschaufeln umschließt. Es leitet den Wasserstrom auf die Schaufeln und verhindert, dass dieser direkt auf die Schaufeln trifft.
4. Aufenthalte
Dies sind Stangen, die die Pforten mit dem Läufer verbinden. Sie halten die Tore an ihrem Platz und verteilen ihr Gewicht gleichmäßig.
5. Stützflügel
Es handelt sich dabei um vertikale Stangen, die an den Streben befestigt sind. Sie helfen dabei, das Wasser zur Mitte des Läufers zu leiten und sorgen so für einen gleichmäßigen Fluss über die Blätter.
6. Schlupftore
Sie werden am Turbinenlaufrad angebracht, um den Wasserfluss zu den Rotorblättern zu steuern. Sie schützen die Rotorblätter vor direkten Stößen und Beschädigungen. Ein Regler steuert das Öffnen und Schließen der Schleusentore abhängig von der erzeugten Elektrizität. Bei erhöhtem Strombedarf öffnen sich die Schleusen, um einen höheren Wasserfluss zu ermöglichen, und umgekehrt.
Eigenschaften der Wasserturbine
Bei der Auswahl einer Wasserturbine für bestimmte Anwendungszwecke müssen verschiedene Eigenschaften beachtet werden, die im Folgenden aufgeführt sind:
- Effizienz: Im Allgemeinen liegt er zwischen 85 und 90 %. Das Verhältnis der abgegebenen Leistung zur aufgenommenen Leistung wird als Wirkungsgrad bezeichnet.
- Tragfähigkeit: Die Maßeinheit ist Gallonen pro Minute (gpm). Sie wird durch Schätzung der Wassermenge bestimmt, die pro Sekunde durchfließen kann.
- Kopf: Die Fallhöhe ist die Höhe des Wassers über der Turbine, die zwischen 10 und 1000 Fuß (ca. 304.8 m) liegen kann.
- Druck: Der Wasserdurchfluss durch die Turbine entspricht dem Wasserdruck, der in Pfund pro Quadratzoll (psi) gemessen wird.
- Temperatur: Die Temperatur ist ein wichtiger Parameter bei der Auswahl der geeigneten Wasserturbine, da diese für den Betrieb in Temperaturbereichen von bis zu 120 Grad Fahrenheit ausgelegt sind.
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Arten von Wasserturbinen
Es gibt zwei Haupttypen von Wasserturbinen: Impuls- und Reaktionsturbinen.
1. Reaktionsturbine
Reaktionswasserturbinen erzeugen durch die Nutzung des Wasserdrucks und des Wasserstroms Energie. Beim Vorbeiströmen des Wassers an der Turbine werden Druck, Geschwindigkeit und Richtung verändert, wodurch seine Energie effektiv genutzt wird. Das über die Schaufeln strömende Wasser erzeugt Druck, der eine starke Kraft auf die Vorder- und Rückseite der Schaufeln ausübt. Diese Kraft versetzt das Laufrad in Rotation, erzeugt ein Drehmoment und setzt die Drehung in Gang.
2. Impulsturbine
Die Geschwindigkeit eines Wasserstrahls wird durch Impulsturbinen verändert . Diese bewirken, dass der Strahl eine Kraft auf die gekrümmten Turbinenschaufeln ausübt und dadurch die Strömungsrichtung ändert. Der Impuls erzeugt einen starken Schub auf die Turbinenschaufeln. In einer Impulsturbine bleibt der Druck des über die Rotorschaufeln strömenden Fluids konstant, sodass die gesamte abgegebene Arbeit direkt mit Änderungen der kinetischen Energie des Fluids zusammenhängt.
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Anwendung der Wasserturbine
Da es sich bei Wasserturbinen um erneuerbare Energieträger zur Stromerzeugung handelt, finden sie in zahlreichen Disziplinen Anwendung, die im Folgenden aufgeführt sind:
- Benutzt in Wasserkraftwerke, da sie dazu beitragen, mithilfe des Wasserflusses Strom zu erzeugen.
- In Bewässerungssystemen können Wasserturbinen eingesetzt werden, um Wasser von tiefer gelegenen in höher gelegene Gebiete zu pumpen. Dies ist besonders in steilen Gebieten nützlich, in denen die Wasserversorgung für Landwirte eine Herausforderung darstellt.
- Turbinen in Wasseraufbereitungsanlagen können effizient eingesetzt werden für Wasserpumpzwecke.
Vor- und Nachteile von Wasserturbinen
Wasserturbinen bieten sowohl Vor- als auch Nachteile, die bei der Auswahl einer Turbine berücksichtigt werden müssen.
Vorteile:
- Es ist relativ effizienter als andere Arten der Stromerzeugung.
- Es gibt verschiedene Anwendungsbranchen.
- Wartung und Betrieb sind einfacher.
- Produzieren Sie keine Emissionen.
Nachteile:
- Die Installation ist teuer.
- Es erzeugt Lärm und muss daher entsprechend gehandhabt werden.
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