Rys. Turbina Archimedesa. (rys. odnawialne-firmy.pl)
Turbina wodna ślimakowa, zwana też śrubą Archimedesa, albo po prostu turbiną Archimedesa, jest jednym z ciekawszych rozwiązań w MEW (małych elektrowniach wodnych). W odróżnieniu do innych turbin, ma małą prędkość obrotową, rzędu 20-25 obr/min. przez co zaliczana jest do turbin wolnoobrotowych. Tak niska prędkość obrotowa stanowi zaletę dla życia w rzece i pozwala na migrację ryb w przestrzeni międzyślimakowej, stanowiąc w rzece swoistą „przepławkę”, pomiędzy dwoma progami.
Budowa i parametry pracy
Śruba Archimedesa jest znana już od starożytności, należy do maszyn prostych przypisywanych jako wynalazek Archimedesowi (stąd nazwa). Pierwotnie wykorzystywana do przenoszenia wody na wyższy poziom, napędzana była ręcznie, lub kieratem. Wykonana jest w postaci ślimaka zamocowanego na wale i ustawionego skośnie względem podłoża. Podczas ruchu obrotowego, woda zamknięta pomiędzy obudową a ślimakiem, przenosiła wodę na wyższy poziom. Sprawność takiej pompy była stosunkowo niewielka, uwarunkowana szczelnością obudowy. Miała jednak jedną wielka zaletę, była odporna na zanieczyszczenia, dlatego rozwiązanie to stosowane jest powszechnie do dzisiaj, np. w pompach do ścieków.
W przypadku siłowni wodnych, śruba Archimedesa pracuje w cyklu odwróconym, tzn. napędzana jest strumieniem płynącej wody. Ruch obrotowy śruby przekazywany jest poprzez wał na przekładnię, a ta napędza generator.
Turbiny Archimedesa mogą pracować pod kątem od 22-36°, spad wody wynosi zwykle nie więcej niż 8m, a przełyk waha się od 0,1-10m3/s. Sprawność turbin śrubowych jest wysoka już przy małych przepływach, co czyni ją bezkonkurencyjną z innymi systemami. Poniżej porównanie sprawności turbin śrubowej, Francisa i Kaplana.
Rys. Porównanie sprawności różnych turbin (www.dobraenergia.info/page8.php)
Z wykresu widać, że turbina Archimedesa ma wyraźnie wyższą sprawność już przy małym przepływie wody w rzece. Jest więc cenna w latach suchych, gdzie deficyt opadów może czasowo wyłączać z ruchu turbiny innych typów.
Rozwiązania techniczne turbin ślimakowych
Turbiny Archimedesa w zależności od sposobu osadzenia wału w rzece, dzielą się na:
- klasyczne (classic)
- pół-kompaktowe (Semi-compact)
- kompaktowe (compact)
Turbiny ślimakowe klasyczne
W rozwiązaniu klasycznym stalowa rynna wirnika, zostaje całkowicie zabetonowana w podłożu. Betonowana jest też podstawa przekładni i generatora. Zapewnia to dużą stabilność całej budowli, ale podnosi koszty inwestycyjne. Przykładem takiego rozwiązania jest turbina ślimakowa w miejscowości Monmouth w WB.
Fot. Turbina śrubowa podwójna w Monmouth w Wielkiej Brytanii. Elektrownia składa się z dwóch śrub Archimedesa, spad w wysokości 3,4m. Moc każdej turbiny to 75kW.
Turbiny pół-kompaktowe
W tej wersji konstrukcja turbiny (śruba Archimedesa) pracuje w stalowej rurze, pozostała cześć elektrowni (wał, generator), jest oparta na konstrukcji betonowej.
Rys. Wykonanie semi-compact. Część zielona (obudowa turbiny) wykonana jest fabrycznie. (rys. Landustrie sneek BV)
Turbiny w wersji semi-compact stosowane są w przypadku większych wysokości pomiędzy progiem dolnym i górnym rzeki. Obudowa turbiny zwykle jest całkowicie szczelna (turbina niewidoczna dla obserwatora). Wersja powyższa ogranicza koszty wykonania i przyspiesza proces inwestycyjny.
Turbiny kompaktowe
Rys. Wersja kompaktowa turbiny ślimakowej
W wersji kompaktowej całość zespołu napędowego (turbina, wał, przekładnia i generator) oparte są na fabrycznie wykonanej, stalowej konstrukcji. Rama taka mocowana jest następnie na betonowych fundamentach wykonanych na progu rzeki. Montaż jest szybki. Gotowy turbozespól zostaje przewieziony na plac budowy i zamocowany z użyciem dźwigu. Wadą rozwiązania jest wymagana wysoka jakość wykonania i duży poziom komplikacji. Poniżej na zdjęciu montaż turbiny kompaktowej w miejscowosci Mulbach w południowym Tyrolu we Włoszech.
Fot. Montaż turbiny kompaktowej. Mühlbach, Süd Tirol, Italy