Redigerer Vannturbin (avsnitt)

== 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 (fysikk)|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; [[Resultantkraft|reaksjonsturbiner]] og [[Impuls (fysikk)|impuls]]turbiner.

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 === 
[[Fil:VKW Andelsbuch3.JPG|thumb|Fransisturbin med spiraltromme, der halvparten av dekslet i senter er fjernet på venstre side. Dermed vises en del av ledeskovlene og deler av løpehjulet. Utløpsrøret (eller sugerøret på grunn av sug som oppstår) er det krumme røret som peker ned i sentrum av bildet. Innløpet til turbinen peker ned mot fundamentet til høyre. Akslingen er den hvite sirkelen helt i senter. Opprinnelig plassering var Vorarlberger Kraftwerke i Østerrike. Foto: Friedrich Böhringer.]]

{{Utdypende|Kaplanturbin|Francisturbin}}

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 bevegelseslover|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 forstås 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<ref name="T">Casper Vogt-Svendsen :''Turbiner – Energiopratør VK2 bedrift''. Elforlaget, 2000. ISBN 82-7345-285-9.</ref> 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 ===
[[Fil:Pelton-Turbine (Detail) im Museumshof des Deutschen Museums.JPG|thumb|Detalj av en peltonturbins løpehjul som tydelig viser skålenes ovale form og eggen i midten som kløyver vannstrålen. Kuttet ytterst i skålen som skal motvirke at vannstrålen avskjæres av skålen foran. Foto: High Contrast]]

Impulsturbiner endrer [[hastighet]]en (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) [[dyse]]r 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 bevegelseslover#Newtons andre lov|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.

=== Effekt og driftsforhold === 
==== Sammenheng mellom fallhøye vannmengde og effekt ====
Den [[effekt]] som er tilgjengelig i en strøm av vann til en vannturbin er:

<math>P=\eta\cdot\rho\cdot g\cdot h\cdot\ q</math>

der:

* <math>P=</math> effekt [J/s] eller [W]
* <math>\eta=</math> turbinvirkningsgraden (ønskes elektrisk effekt må også virkningsgraden for generator og eventuelt transformator også inkluderes)
* <math>\rho=</math> konstant for tettheten av vann [1000&nbsp;kg/m<sup>3</sup>] 
* <math>g=</math> konstant for tyngdeakselerasjonen [9,81&nbsp;m/s<sup>2</sup>] 
* <math>h=</math> fallhøyde [m]. Her menes netto fallhøyde og falltap på grunn av rørfriksjon må trekkes fra. 
* <math>q</math> = strømningshastighet [m<sup>3</sup>/s], for turbiner brukes ofte termen slukeevne.

For et gitt anlegg med turbin og kraftverk er det bare strømningshastigheten som kan endres. Fallhøyden vil riktig nok variere med fyllingsgraden i dammen, men alle de andre størrelsene vil være konstante. Dermed kan effekten som en turbin yter, som forklart over, kun reguleres med vanngjennomstrømningen. Dette på forskjellige måter alt etter turbintypen. Dette kan i motsetning til for eksempel i et dampkraftverk, gjøres hurtig.

==== Sammenheng mellom turtall moment og vannhastighet ====
Den basale sammenhengen mellom effekt P [W], turtall n [radianer/sek] og dreiemoment T [Nm] er slik:

<math>P=T\cdot\omega</math>

der <math> \omega = {2 \pi n \over 60}</math>, der igjen n er omdreiningstallet [rpm]

Om en tenker seg at rotoren holdes helt fast og turbinen har fullt pådrag, vil vannet strømme gjennom turbinen, men uten at det utvikles effekt. Vannstrålen vil i for eksempel en peltonturbin kastes tilbake i en 180°-kurve, men omtrent med samme hastighet som det hadde inn på skålene. Turtallet er null, og selv om det virker er vridemoment blir P lik null i formelen over. Den andre ytterligheten er at turbinen får løpe helt fritt. Vannstrålen i en peltonturbin går da bare rett frem, og løpehjulets periferihastighet blir nesten identisk med vannstrålens hastighet. Nå er det dreiemomentet i formelen over som blir lik null, og det utvikles ingen effekt nå heller. Dette kalles rusehastighet.

Det som gir optimal effekt ut av en peltonturbin er at periferihastigheten er halvparten av vannstrålens hastighet. Peltonturbiner er konstruert med dette for øye, og vannet vil ideelt falle ned fra løpehjulet med svært redusert hastighet. De andre turbintypene vil prinsipielt oppføre seg på samme måte ved disse ytterpunktene, og må også ha en bestemt hastighet i forhold til vannhastigheten for å gi full effekt.

Når en turbin tilknyttes en trefaset [[synkrongenerator]] for vekselstrømsnett vil en kreve at frekvensen i nettet er tilnærmet konstant. Da gjelder følgende formel for turtallene som kan oppstå og som er bestemt av generatorkonstruksjonen:

<math> n = {120f \over p}</math>

der:
:* n [rpm] er turtallet
:* f [Hz] som er bestemt av kraftsystemet og er konstant lik 50 Hz
:* p er poltallet og er et heltall fra 1 og oppover.

Ved å sette inn i denne formelen finner en at generatorens turtall kan være 3000, 1500, 1000, 750, 600, 500,... rpm. Imidlertid er det vanlige for vannturbiner et turtall mellom 1000 og 100 rpm.<ref>Curt Ulvås:''Maskinlære''. Universitetsforlaget, 1966. Oversatt fra svensk.</ref> I et kraftsystem er praktisk talt alle generatorer av typen synkrongenerator. Dermed blir forholdet mellom frekvens i kraftsystemet, generatorens og turbinens omdreiningstall, helt eksakt korrelerte.

==== Turbinregulatoren ====
[[Fil:GOVERNOR, PELTON REACTION TURBINE, AND EXCITER. VIEW TO NORTH. - Santa Ana River Hydroelectric System, SAR-3 Powerhouse, San Bernardino National Forest, Redlands, San HAER CAL,36-REDLD.V,1W-10.tif|thumb|Turbinregulator for en liten francisturbin. Turbinen midt i bildet, generatoren bak denne til venstre og selve regulatoren midt på bildet foran. En ser stengene for overføring av regulatorens ønskede pådrag til turbinens ledeskovler. (Alle de små armene tilknyttet ringen på utsiden av turbinen er hver tilknyttet en ledeskovel.) Turbinregulatoren virker også som kraftforsterker og servo, da det er store krefter som skal til for å endre på ledeskovlenes innstilling. Bilde fra: Santa Ana River Hydroelectric System, SAR-3 Powerhouse, San Bernardino National Forest, Redlands, San Bernardino County, CA]]

[[Fil:Generatorer i Hammeren karftstasjon.jpg|thumb|Bilde fra [[Hammeren kraftstasjon]] som opprinnelig leverte elektrisitet kun til Oslo. Legg merke til de store svinghjulene.]]

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 %.<ref>Heggstad, Ragnar & Lundby, Leif. (2010, 16. desember). Vannkraftmaskin. I Store norske leksikon. Hentet 12. juli 2014 fra http://snl.no/vannkraftmaskin.</ref>

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.<ref name="T" />