Vesiturbiini

Kaplan-turbiini ja sähkögeneraattori.

Vesiturbiini on laite, jolla virtaavan veden liike-energiaa muunnetaan akselin ja sitä myöten sähkövirtaa synnyttävän generaattorin pyörimisenenergiaksi. Turbiini on siis tavallaan pumpun vastakohta. Vesiturbiini yhdessä generaattorin kanssa on vesivoimalaitoksen pääkomponentti.

Toiminnan teoria

Turbiini on energianmuunnin. Se muuttaa veden painetta (potentiaalienergiaa) akselinsa pyörimisenergiaksi ja edelleen generaattorin pyörimisenergiaksi. Virtaava vesi ohjataan turbiinin juoksupyörän lapoihin, joihin se aiheuttaa voiman. Tämä voima vaikuttaa lapaan tietyn matkan ja tekee siten työn ja luovuttaa energiaansa turbiinille.

Reaktioturbiini

Newtonin kolmas laki kuvaa reaktioturbiinin energiansiirtoa. Vesivirran paine laskee sen vaikuttaessa turbiinin lapoihin ja siten luovuttaa energiaa turbiinille.

Impulssiturbiini

Newtonin toinen laki kuvaa impulssi- eli aktioturbiinin energiansiirtoa. Vesivirran paine (potentiaalienergia) muutetaan suuttimella liike-energiaksi. Suurinopeuksinen vesisuihku osuu turbiinin lapoihin ja suihkun suunta muuttuu. Suihku aiheuttaa lapaan impulssivoiman, joka vaikuttaa tietyn matkan tehden työtä turbiiniin ja siten antaen sille energiaansa.

Teho

Vesivirrasta saatavissa oleva teho.

${\displaystyle P=\eta \cdot \rho \cdot g\cdot h\cdot {\dot {V}}}$

missä:

• ${\displaystyle P=}$ teho (W tai J/s)
• ${\displaystyle \eta =}$ turbiinin hyötysuhde
• ${\displaystyle \rho =}$ veden tiheys (kg/m³)
• ${\displaystyle g=}$ putoamiskiihtyvyys (Suomen leveysasteilla 9.81 m/s²)
• ${\displaystyle h=}$ korkeusero (m, korkeusero sisään tulevan ja ulosmenevän veden pinnan välillä)
• ${\displaystyle {\dot {V}}}$= tilavuusvirta eli virtaama (m³/s)

Vesiturbiinien jaottelu

Reaktioturbiinit

• Kaplan-turbiini

Kaplan-turbiini soveltuu suurille virtaamille ja pienille pudotuskorkeuksille. Turbiinin juoksupyörä on potkurin tai aksiaalipumpun juoksupyörän muotoinen. Perinteiset Kaplan-turbiinit ovat olleet rakenteeltaan sellaiset, että generaattori on vesikanavan yllä ja itse turbiinin lavat roikkuvat alhaalla akselin varassa. Uudemmassa konstruktiossa nk. putkiturbiinissa turbiini ja generaattori sijaitsevat vesiputkessa olevassa tilassa.

• Francis-turbiini

750 MW:n tehoisen Francis-turbiinin juoksupyörää asennetaan Grand Couleen padolla.

Francis-turbiinit soveltuvat keskisuurille putouskorkeuksille, 20 m – 500 m. Niiden juoksupyörä muistuttaa keskipakopumpun vastaavaa.

• Tyson-turbiini

• Vesiratas

Impulssiturbiinit

• Peltonturbiini

Pelton-turbiinit soveltuvat pienille virtaamille ja suurille putouskorkeuksille. Turbiinin kehällä on lusikan muotoisia kuppeja, joihin vesivirta tulee tangentin suuntaisesti suurella nopeudella.

• Turgo-turbiini

• Michell-Banki -turbiini

Tunnetaan myös läpivirtaus- ja Ossbergerturbiinina.