De waterturbine is een turbomachine binnen de vloeistofmechanica. Al rond 100 voor Christus ontstond het prototype van de waterturbine: het waterwiel. Destijds was de belangrijkste functie ervan het aandrijven van machines voor graanverwerking en irrigatie. Het waterwiel, als mechanisch apparaat dat waterstroom als energiebron gebruikt, heeft zich ontwikkeld tot de huidige waterturbine, en het toepassingsgebied ervan is eveneens uitgebreid. Waar worden moderne waterturbines dan vooral gebruikt?
Turbines worden voornamelijk gebruikt in pompwaterkrachtcentrales. Wanneer de belasting van het elektriciteitsnet lager is dan de basisbelasting, kunnen ze worden gebruikt als waterpomp om de overtollige energieopwekkingscapaciteit te gebruiken om water van een lager gelegen reservoir naar een hoger gelegen reservoir te pompen en zo energie op te slaan in de vorm van potentiële energie. Wanneer de belasting van het systeem hoger is dan de basisbelasting, kunnen ze worden gebruikt als hydraulische turbine om elektriciteit op te wekken en piekbelastingen te reguleren. Een pompwaterkrachtcentrale kan dus niet direct het vermogen van het elektriciteitsnet verhogen, maar kan wel de operationele efficiëntie van thermische centrales verbeteren en de algehele efficiëntie van het elektriciteitsnet verhogen. Sinds de jaren 50 worden pompwaterkrachtcentrales wereldwijd steeds meer gewaardeerd en snel ontwikkeld.
De meeste pompwaterkrachtcentrales die in een vroeg stadium zijn ontwikkeld of die een hoge waterdruk vereisen, maken gebruik van het driemachinetype, dat wil zeggen dat ze bestaan uit een generator, een waterturbine en een waterpomp in serie. Het voordeel hiervan is dat de turbine en de waterpomp afzonderlijk zijn ontworpen, waardoor ze elk een hoger rendement kunnen behalen. Bovendien draait de installatie in dezelfde richting tijdens het opwekken van elektriciteit en het pompen van water, en kan snel worden omgeschakeld van elektriciteitsopwekking naar pompen, of andersom. Tegelijkertijd kan de turbine worden gebruikt om de installatie op te starten. Het nadeel is dat de kosten hoog zijn en dat de investering in de energiecentrale aanzienlijk is.
De schoepen van de rotor van de schuinstroompompturbine kunnen worden gedraaid, en de turbine blijft goed functioneren, zelfs bij wisselende waterhoogte en belasting. Vanwege de beperkingen van de hydraulische eigenschappen en de materiaalkracht bedroeg de netto opvoerhoogte echter begin jaren tachtig slechts 136,2 meter (Takagen First Power Station in Japan). Voor hogere opvoerhoogtes zijn Francis-pompturbines nodig.
Pompwaterkrachtcentrales hebben boven- en onderreservoirs. Bij een gelijke opslagcapaciteit kan een verhoging van de opvoerhoogte de opslagcapaciteit verlagen, de snelheid van de installatie verhogen en de projectkosten verlagen. Daarom hebben waterkrachtcentrales met een opvoerhoogte van meer dan 300 meter zich snel ontwikkeld. De Francis-pompturbine met de hoogste opvoerhoogte ter wereld is geïnstalleerd in de Baina Basta-waterkrachtcentrale in Joegoslavië. Sinds de 20e eeuw hebben waterkrachtcentrales zich ontwikkeld in de richting van hoge parameters en grote capaciteit. Met de toename van de thermische energiecapaciteit in het elektriciteitsnet en de ontwikkeling van kernenergie, en om het probleem van een redelijke piekregulering op te lossen, bouwen landen over de hele wereld, naast de krachtige ontwikkeling of uitbreiding van grootschalige centrales in grote watersystemen, actief pompwaterkrachtcentrales, wat heeft geleid tot een snelle ontwikkeling van pompturbines.
Als krachtbron die de energie van waterstroming omzet in roterende mechanische energie, is een waterturbine een onmisbaar onderdeel van een waterkrachtcentrale. Het probleem van milieubescherming wordt steeds ernstiger en de toepassing en bevordering van waterkracht, een schone energiebron, neemt toe. Om optimaal gebruik te maken van diverse waterkrachtbronnen, hebben getijden, vlakke rivieren met een zeer gering hoogteverschil en zelfs golven veel aandacht gekregen, wat heeft geleid tot de snelle ontwikkeling van buisturbines en andere kleine eenheden.
Geplaatst op: 23 maart 2022
