Турбина Каплана - Kaplan turbine

Bonneville Dam Каплан турбины после 61 лет службы.

Турбина Каплана представляет собой пропеллерную гидротурбину , которая имеет регулируемые лопасти. Он был разработан в 1913 году австрийским профессором Виктором Капланом , который объединил автоматически регулируемые лопасти гребного винта с автоматически регулируемыми заслонками калитки для достижения эффективности в широком диапазоне расхода и уровня воды .

Турбина Каплана - это эволюция турбины Фрэнсиса . Его изобретение позволило обеспечить эффективное производство энергии в приложениях с низким напором, что было невозможно с турбинами Фрэнсиса. Напор составляет от 10 до 70 метров (от 33 до 230 футов), а мощность - от 5 до 200 МВт. Диаметр рабочего колеса составляет от 2 до 11 метров (от 6 футов 7 дюймов до 36 футов 1 дюйм). Турбины вращаются с постоянной скоростью, которая варьируется от объекта к объекту. Эта скорость колеблется от 54,5 об / мин ( плотина водопада Албени ) до 450 об / мин.

В настоящее время турбины Каплана широко используются во всем мире для производства электроэнергии с высоким расходом и низким напором.

На этом бегунке Каплана видны оси у основания лезвия; они позволяют изменять угол лезвий во время работы. В ступице установлены гидроцилиндры для регулировки угла.

Разработка

Виктор Каплан, живущий в Брюнне, Австро-Венгрия (ныне Брно , Чехия), получил свой первый патент на турбину с регулируемым винтом в 1912 году. Но на создание коммерчески успешной машины потребовалось еще десятилетие. Каплан боролся с проблемами кавитации и в 1922 году отказался от своих исследований по состоянию здоровья.

В 1919 году Каплан установил демонстрационную установку в Подебрадах (ныне в Чехии). В 1922 году компания Voith представила турбину Каплана мощностью 1100 л.с. (около 800 кВт) для использования в основном на реках. В 1924 году в Лилла Эдет , Швеция, был введен в эксплуатацию блок мощностью 8 МВт . Это привело к коммерческому успеху и повсеместному признанию турбин Каплана.

Теория Операции

Вертикальная турбина Каплана (любезно предоставлена компанией Voith-Siemens).

Турбина Каплана представляет собой реактивную турбину с входящим потоком , что означает, что рабочая жидкость изменяет давление при движении через турбину и отдает свою энергию. Энергия восстанавливается как из гидростатического напора, так и из кинетической энергии текущей воды. В конструкции сочетаются особенности радиальных и осевых турбин.

Входное отверстие представляет собой спиральную трубу, которая огибает калитку турбины. Вода направляется по касательной через калитку и по спирали попадает на лопаточный вал в форме пропеллера, заставляя его вращаться.

Выпускное отверстие представляет собой вытяжную трубу особой формы, которая помогает замедлять скорость воды и восстанавливать кинетическую энергию .

Турбина не обязательно должна находиться в самой низкой точке потока воды, пока тяговая труба остается заполненной водой. Однако более высокое расположение турбины увеличивает всасывание, создаваемое лопатками турбины от вытяжной трубы. Возникающее падение давления может привести к кавитации .

Изменяемая геометрия калитки и лопаток турбины позволяет эффективно работать в различных условиях потока. КПД турбины Каплана обычно превышает 90%, но может быть ниже в приложениях с очень низким напором.

Текущие области исследований включают повышение эффективности с помощью вычислительной гидродинамики (CFD) и новые конструкции, которые повышают выживаемость проходящей рыбы.

Поскольку лопасти гребного винта вращаются на подшипниках гидравлического масла высокого давления, критически важным элементом конструкции Каплана является поддержание надежного уплотнения для предотвращения выброса масла в водный путь. Сброс нефти в реки нежелателен из-за нерационального использования ресурсов и, как следствие, экологического ущерба.

Приложения

Музей техники турбин Виктора Каплана Вена

Турбины Каплана широко используются во всем мире для производства электроэнергии. Они закрывают гидроузлы с нижним напором и особенно подходят для условий высокого расхода.

Недорогие микротурбины на модели турбины Каплана производятся для индивидуального производства энергии, рассчитанного на 3 м напора, которые могут работать с напором всего лишь 0,3 м при сильно сниженной производительности при достаточном потоке воды.

Большие турбины Каплана проектируются индивидуально для каждого объекта для работы с максимально возможным КПД, обычно более 90%. Они очень дороги в разработке, производстве и установке, но работают десятилетиями.

Недавно они нашли новое применение в производстве морской энергии волн, см. Wave Dragon .

Вариации

Турбина Каплана - наиболее широко используемая из турбин пропеллерного типа, но существует несколько других вариантов:

Пропеллерные турбины имеют нерегулируемые гребные лопатки. Они используются там, где диапазон расхода / мощности невелик. Существуют коммерческие продукты для производства нескольких сотен ватт всего с нескольких футов напора . Пропеллерные турбины большего размера производят более 100 МВт. На электростанции La Grande-1 в северном Квебеке 12 гребных турбин вырабатывают 1368 МВт.
В трубу подачи воды встроены ламповые или трубчатые турбины . В центре водопровода находится большая груша, в которой находятся генератор, калитка и желоб. Трубчатые турбины имеют полностью осевую конструкцию, тогда как турбины Каплана имеют радиальную калитку.
Шахтные турбины - это колбовые турбины с редуктором. Это позволяет использовать генератор и лампочку меньшего размера.
Турбины Straflo - это осевые турбины с генератором вне водяного канала, подключенные к периферии рабочего колеса.
S-турбины устраняют необходимость в кожухе баллона, размещая генератор вне водяного канала. Это достигается за счет толчков в водном канале и вала, соединяющего бегунок и генератор.
Турбина VLH представляет собой турбину типа « каплан» с открытым потоком и очень низким напором, наклоненную под углом к потоку воды. Он имеет большой диаметр> 3,55 м, работает на низкой скорости с помощью напрямую подключенного к валу генератора с постоянным магнитом и электронной регулировкой мощности, и очень безопасен для рыбы (<5% смертности).
ПОГРУЖЕНИЙ-Турбина представляет собой вертикальный пропеллер турбина с двойным регулированием по калиток и изменения скорости. Он охватывает диапазон применений до 4 МВт с эффективностью, сопоставимой со стандартными турбинами Каплана. Благодаря конструкции гребного винта с неподвижными лопастями турбина считается безопасной для рыб.

DIVE-Turbine, версия с пропеллерной турбиной, во время установки на месте.
Турбины Tyson - это турбина с фиксированным гребным винтом, предназначенная для погружения в быстро текущую реку, либо постоянно заякоренная в русле реки, либо прикрепленная к лодке или барже.