Turbines

Impuls- en reactieturbines

Turbines werken op twee verschillende manieren die worden omschreven als impuls- en reactieturbines -termen die vaak zeer verwarrend worden beschreven (en soms volledig door elkaar worden gehaald) wanneer mensen ze proberen uit te leggen.Dus wat is het verschil?

Impulsturbines

In een impulsturbine wordt een snel bewegende vloeistof door een smal mondstuk op de turbinebladen afgevuurd om ze rond te laten draaien. De bladen van een impulsturbine hebben meestal de vorm van een emmer, zodat ze de vloeistof opvangen en onder een hoek wegleiden of soms zelfs terugsturen (omdat dat de meest efficiënte overdracht van energie van de vloeistof naar de turbine oplevert). In een impulsturbine wordt de vloeistof gedwongen om de turbine met hoge snelheid te raken.

Stel je voor dat je zo’n wiel probeert rond te draaien door voetballen in de peddels te schoppen. De ballen moeten hard aankomen en goed terugstuiteren om het wiel te laten draaien – en die constante energie-impulsen zijn de sleutel tot de werking ervan. De wet van behoud van energie zegt ons dat de energie die het wiel wint, elke keer dat een bal het raakt, gelijk is aan de energie die de bal verliest – dus de ballen zullen langzamer bewegen als ze terugstuiteren. Ook de tweede bewegingswet van Newton zegt ons dat het momentum dat het wiel wint als een bal het raakt gelijk is aan het momentum dat de bal zelf verliest; hoe langer een bal het wiel raakt, en hoe harder (krachtiger) hij het raakt, hoe meer momentum hij zal overbrengen.

Waterturbines zijn vaak gebaseerd op een impulsturbine (hoewel sommige ook werken met reactieturbines). Ze zijn eenvoudig van ontwerp, gemakkelijk te bouwen en goedkoop in onderhoud, niet in de laatste plaats omdat ze niet in een pijp of behuizing hoeven te zitten (in tegenstelling tot reactieturbines).

Kunstwerk: Een Pelton-waterrad is een voorbeeld van een impulsturbine. Het draait terwijl een of meer waterstralen onder hoge druk (blauw), gecontroleerd door een klep (groen), in de emmers rond de rand van het wiel (rood) schieten. Lester Pelton kreeg in 1889 patent op dit idee, waaraan deze tekening is ontleend.Artwork from US Patent 409,865: Waterrad door Lester Pelton, met dank aan US Patent and Trademark Office.

Artwork: Een impulsturbine als deze werkt wanneer de binnenkomende vloeistof de emmers raakt en weer terugstuitert. De precieze vorm van de emmers en de manier waarop de vloeistof de emmers raakt, maakt een groot verschil voor de hoeveelheid energie die de turbine kan opvangen. De emmers moeten ook zo ontworpen zijn dat de werking van de straal op de ene emmer geen invloed heeft op de volgende emmer.

Reactieturbines

In een reactieturbine zitten de schoepen in een veel groter volume vloeistof en draaien ze rond als de vloeistof erlangs stroomt. Een reactieturbine verandert de richting van de vloeistofstroom niet zo drastisch als een impulsturbine: hij draait gewoon rond terwijl de vloeistof door en langs de bladen wordt geperst.Windturbines zijn misschien wel de bekendste voorbeelden van reactieturbines.

Foto: Een typische reactieturbine van een geothermische energiecentrale. Water of stoom stroomt langs de schuine bladen, duwt ze rond en laat de centrale as draaien waaraan ze zijn bevestigd. De as laat een generator draaien die elektriciteit opwekt. Foto door Henry Price met dank aan het US Department of Energy/National Renewable Energy Laboratory (DOE/NREL).

Artwork: Een reactieturbine als deze lijkt veel meer op een propeller. Het belangrijkste verschil is dat er meer schoepen in een turbine zitten (ik heb voor de eenvoud maar vier schoepen getekend) en vaak meerdere sets schoepen (meerdere trappen), zoals je kunt zien op de foto’s van de stoom- en gasturbines bovenaan deze pagina.

Als een impulsturbine een beetje is als voetballen trappen, dan is een reactieturbine meer als achteruit zwemmen.Laat het me uitleggen! Denk aan hoe je aan freestyle (voorcrawl) doet door je armen door het water te trekken, beginnend met elke hand zo ver mogelijk voor je uit en eindigend met een “follow through” waarbij je je arm achter je gooit. Wat je probeert te bereiken is om je hand en onderarm zo lang mogelijk tegen het water te laten duwen, zodat je bij elke slag zoveel mogelijk energie overbrengt. Een reactieturbine gebruikt hetzelfde idee in omgekeerde richting: stel je voor dat snelstromend water langs je heen beweegt, zodat het je armen en benen in beweging brengt en energie aan je lichaam levert! Bij een reactieturbine wil je dat het water de bladen soepel en zo lang mogelijk raakt, zodat het zoveel mogelijk energie afgeeft. Het water raakt de bladen niet en stuitert weg, zoals het doet in een impulsturbine: in plaats daarvan bewegen de bladen soepeler, “going with the flow.”

Turbines vangen alleen energie op het punt waar een vloeistof ze raakt, dus een reactieturbine (met meerdere bladen die allemaal tegelijk de vloeistof raken) haalt potentieel meer stroom dan een impulsturbine van dezelfde grootte (omdat meestal slechts een of twee van de bladen zich tegelijk in het pad van de vloeistof bevinden).

Typen reactieturbines

Enkele veel voorkomende ontwerpen van reactieturbines zijn:

• Wells – die veel weg heeft van een propeller, met vleugelvormige schoepen die om een horizontale as draaien.
• Francis – meestal met grote V-vormige schoepen, vaak draaiend om een verticale as binnen een soort reusachtig, spiraalslakkenhuis. De Francis is verreweg het meest voorkomende type waterturbine; McCormick-, Kaplan- en Deriaz-turbines zijn in wezen verbeteringen van het oorspronkelijke Francis-ontwerp.
• Darrieus-met vleugelvormige schoepen die om een verticale as draaien.

Alle turbines hebben hun voor- en nadelen. De Wells, bijvoorbeeld, kan zeer snel draaien, maar is ook lawaaierig en relatief inefficiënt. De Francis is stiller en efficiënter, en zeer goed in het omgaan met de mechanische spanningen binnen diepe hydro-elektrische dammen (degenen met hoge “hoofden” van het water), maar het is ook langzamer en mechanisch complexer. Wanneer zij in de lucht werken, zijn Darrieus turbines dichter bij de grond (zodat zij een onhandige toren kunnen afschaffen), maar dat betekent dat zij minder effectief zijn in het benutten van de wind (die hoger boven de grond sneller waait); over het algemeen zijn zij minder efficiënt en instabieler dan andere turbineontwerpen (zij moeten vaak met scheerlijnen in evenwicht worden gehouden) en worden nauwelijks commercieel gebruikt.

Achteraf denken

Foto: Turbines en propellers werken op precies tegenovergestelde manieren. Schroeven gebruiken energie om een vloeistof te laten bewegen (lucht, in het geval van een vliegtuig, of water, in een schip of onderzeeër); turbines benutten energie wanneer een bewegende vloeistof erlangs stroomt. Links: Propeller foto door Tech. Sgt. Justin D. Pyle met dank aan de Amerikaanse luchtmacht.

Foto: Turbinebladen hebben een soortgelijke vorm als propellerbladen, maar zijn meestal gemaakt van hoogwaardige legeringen omdat de vloeistof die erlangs stroomt zeer heet kan zijn. Foto van een turbineblad tentoongesteld in Think Tank, het wetenschapsmuseum in Birmingham, Engeland.

Het is je misschien opgevallen dat windturbines op reuzenpropellers lijken – en dat is een andere manier om aan turbines te denken: aspropellers die in omgekeerde richting werken. In een vliegtuig draait de motor de propeller op hoge snelheid, de propeller creëert een achterwaarts bewegende luchtstroom, en dat is wat het vliegtuig vooruit duwt-voortstuwt. Bij een propeller drijven de bewegende bladen de lucht aan; bij een turbine drijft de lucht de bladen aan.

Turbines zijn ook vergelijkbaar met pompen en compressoren. In een pomp heb je een ronddraaiend schoepenrad dat water aanzuigt door een pijp en het uit een andere pijp gooit, zodat je water (of een andere vloeistof) van de ene plaats naar de andere kunt verplaatsen. Als je een waterpomp uit elkaar haalt, kun je zien dat het interne schoepenrad (een waaier) veel lijkt op wat je in een waterturbine vindt. Het verschil is dat een pomp energie gebruikt om een vloeistof in beweging te brengen, terwijl een turbine de energie uit een bewegende vloeistof haalt.

Turbines in actie

In grote lijnen kunnen we turbines in vier soorten onderverdelen, afhankelijk van het soort vloeistof dat ze aandrijft: water, wind, stoom en gas.Hoewel alle vier de soorten in wezen op dezelfde manier werken – ze draaien rond als de vloeistof ertegenin beweegt – zijn ze subtiel verschillend en moeten ze op heel verschillende manieren worden ontworpen. Stoomturbines, bijvoorbeeld, draaien ongelooflijk snel omdat stoom onder hoge druk wordt geproduceerd. Windturbines die elektriciteit opwekken draaien relatief langzaam (vooral om veiligheidsredenen), dus moeten ze enorm groot zijn om grote hoeveelheden energie op te vangen. Gasturbines moeten gemaakt zijn van speciale, veerkrachtige legeringen omdat ze bij zulke hoge temperaturen werken. Waterturbines zijn vaak erg groot omdat zij energie moeten onttrekken aan een hele rivier, die is afgedamd en omgeleid om er langs te kunnen stromen. Ze kunnen betrekkelijk langzaam draaien, omdat water zwaar is en veel energie met zich meedraagt (vanwege de grote massa), zelfs als het met lage snelheid stroomt.

Waterturbines

Foto: Een reusachtige Francis-reactieturbine (het oranje wiel bovenaan) wordt neergelaten op zijn plaats bij de Grand Coulee Dam in de staat Washington, VS. Het water stroomt langs de schuine bladen, duwt ze rond en laat de as draaien waaraan ze zijn bevestigd. De as laat een elektriciteitsgenerator draaien die stroom opwekt. Foto met dank aan US Bureau of Reclamation.

Waterraderen, die meer dan 2000 jaar teruggaan tot de tijd van de oude Grieken, waren de oorspronkelijke waterturbines. Tegenwoordig wordt hetzelfde principe gebruikt om elektriciteit te maken in waterkrachtcentrales. Het basisidee van waterkracht is dat je een rivier afdamt om de energie ervan te benutten. In plaats van dat de rivier vrij bergafwaarts stroomt vanaf zijn bron in de heuvels of bergen naar de zee, laat je hem vallen over een hoogte (opvoerhoogte genoemd) zodat hij sneller wordt (met andere woorden, zodat zijn potentiële energie wordt omgezet in kinetische energie), en vervolgens leid je hem door een pijp die een pijpleiding wordt genoemd langs een turbine en een generator. Hydro-elektriciteit is in feite een energieomzetting in drie stappen:

• De oorspronkelijke potentiële energie van de rivier (die hij heeft omdat hij op hoge grond begint) wordt omgezet in kinetische energie wanneer het water door een hoogte valt.
• De kinetische energie in het bewegende water wordt omgezet in mechanische energie door een waterturbine.
• De draaiende waterturbine drijft een generator aan die de mechanische energie omzet in elektrische energie.

Verschillende soorten waterturbines worden gebruikt afhankelijk van de geografie van het gebied, hoeveel water beschikbaar is (het debiet), en de afstand waarover het kan vallen (de opvoerhoogte).Sommige waterkrachtcentrales gebruiken emmerachtige impulsturbines (meestal Pelton-wielen); andere gebruiken Francis, Kaplan, of Deriaz reactieturbines. Impulswaterturbines (zoals het Pelton-wiel) kunnen volledig open staan voor de lucht, zodat je soms de waterstraal tegen de turbine kunt zien botsen. Reactiewaterturbines daarentegen (zoals de Francis) moeten volledig worden ingesloten in het kanaal of de doorgang waardoor het water stroomt. Zoals hierboven vermeld, vangt een impulsturbine de energie alleen op het punt waar de waterstraal hem raakt, terwijl een reactieturbine de energie in één keer over het hele wiel vangt. Daarom kan een reactieturbine in een waterkrachtcentrale meer vermogen produceren dan een impulsturbine van dezelfde grootte. Dat verklaart op zijn beurt waarom de meeste moderne waterkrachtcentrales reactieturbines gebruiken.

Photo: Een Pelton-waterturbine. De waterstraal raakt de “splitter” (de plaats waar de emmers in het midden samenkomen) en verdeelt deze in twee stralen die er aan beide zijden netjes uitkomen. Foto door Benjamin F. Pearson met dank aan Historic American Buildings Survey/Historic American Engineering Record, US Library of Congress.

Windturbines

Deze worden in veel meer detail behandeld in ons aparte artikel over windturbines.

Photo: Een typische windturbine, in Staffordshire, Engeland.De toren staat ~50m (~150ft) boven de grond omdat de wind sneller waait als hij vrij is van obstakels op grondniveau.De rotorbladen hebben een diameter van ~15m (50ft) en vangen, met een enorme zwaai, tot 225kW (kilowatt) aan energie.

Stoomturbines

Stoomturbines zijn voortgekomen uit de stoommachines die de wereld in de 18e en 19e eeuw veranderden. Een stoommachine verbrandt steenkool op een open vuur om de warmte die het bevat vrij te geven. De hitte wordt gebruikt om water te koken en stoom te maken, die een zuiger in een cilinder voortduwt om een machine zoals een spoorweglocomotief aan te drijven. Dit is om een hele reeks redenen zeer inefficiënt (het verspilt energie). Een veel beter ontwerp neemt de stoom en leidt het langs de bladen van een turbine, die ronddraait als een propeller en de machine aandrijft terwijl het gaat.

Stoomturbines werden ontwikkeld door de Britse ingenieur Charles Parsons (1854-1931), die ze in 1889 gebruikte om een beroemde snelle motorboot, Turbinia genaamd, aan te drijven. Sindsdien zijn ze op veel verschillende manieren gebruikt. Vrijwel alle elektriciteitscentrales wekken elektriciteit op met stoomturbines. In een kolengestookte centrale wordt steenkool verbrand in een oven en gebruikt om water te verhitten om stoom te maken die hogesnelheidsturbines laat draaien die verbonden zijn met elektriciteitsgeneratoren. In een kerncentrale is de warmte die de stoom maakt afkomstig van atoomreacties.

In tegenstelling tot water- en windturbines, die een enkele roterende turbine in de vloeistof- of gasstroom plaatsen, hebben stoomturbines een hele reeks turbines (die elk een trap worden genoemd) die in een reeks zijn opgesteld binnen wat in feite een gesloten pijp is. Naarmate de stoom de pijp binnenkomt, wordt hij langs elke trap op zijn beurt geleid, zodat geleidelijk meer van zijn energie wordt onttrokken. Als u ooit een ketel hebt zien koken, weet u dat stoom zeer snel uitzet en beweegt als het door een mondstuk wordt geleid. Om die reden draaien stoomturbines met zeer hoge snelheden – vele malen sneller dan wind- of waterturbines.

Lees meer in het hoofdartikel over stoomturbines.

Foto: Een prototype gasturbine geproduceerd voor een hoogrendementscentrale. Elk van de metalen wielen is een afzonderlijke turbinetrap die is ontworpen om wat meer energie uit een gas met hoge snelheid te halen. Je kunt zien hoe groot deze turbine is door naar het in het wit geklede mannetje te kijken dat op het midden van de machine zit. Foto genomen in het National Energy Technology Laboratory, Morgantown met dank aan het US Department of Energy.

Gasturbines

Vliegtuigstraalmotoren lijken een beetje op stoomturbines in die zin dat ze meerdere trappen hebben. In plaats van stoom worden ze aangedreven door een mengsel van de lucht die aan de voorkant van de motor wordt aangezogen en de ongelooflijk hete gassen die ontstaan bij het verbranden van grote hoeveelheden kerosine (brandstof op petroleumbasis). Iets minder krachtige gasturbinemotoren worden ook gebruikt in moderne spoorweglocomotieven en industriële machines.Zie ons artikel over straalmotoren voor meer details.