Redigerer Vannturbin (avsnitt)

=== 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.