Кіріспе

Кемел түріндегі су турбинасы, құлағы реттеледі. Каплан турбинасы – 1913 жылы австриялық профессор Виктор Каплан жасаған кемел түріндегі су турбинасы, құлағы мен бағыттағыш қақпалары автоматты түрде реттеледі. Бұл турбина ағын мен су деңгейінің кең диапазонында жоғары тиімділікке қол жеткізуге мүмкіндік береді. Каплан турбинасы Фрэнсис турбинасының жетілдірілген түрі болып табылады. Оның пайда болуы, Фрэнсис турбиналарымен мүмкін болмаған, төмен қысымда тиімді қуат өндіруге жол ашты. Қысым диапазоны ал эми қуаттылығы 5-тен 200 МВт-қа дейін жетеді. Турбинаның роторы тұрақты жылдамдықпен айналады, ол әрбір стансада әртүрлі болады. Жылдамдық 54,5 айн/мин (Альбени сарқырамасының тоғаны) ең төменгі көрсеткішті, ал 450 айн/мин – ең жоғары көрсеткішті құрайды. Каплан турбиналары бүкіл әлемде жоғары ағынды, төмен қысымды электр энергиясын өндіруде кеңінен қолданылады.

Даму

Виктор Каплан 1912 жылы Брунн қаласында (Австрия-Мажарстан, қазіргі Брно, Чехия) тұрып, реттелетін қанатты турбинаға алғашқы патентын алды. Бірақ коммерциялық сәтті машинаны дамытуға тағы он жыл уақыт кетті. Каплан кавитация мәселелерімен күресті және 1922 жылы денсаулығына байланысты зерттеулерін тоқтатты. 1919 жылы Каплан Подебрадыда (қазіргі Чехия) демонстрациялық установка орнатты. 1922 жылы Voith негізінен өзендерде қолдану үшін 1100 а.к. (шамамен 800 кВт) Kaplan турбинасын ұсынды. 1924 жылы Швециядағы Лилла-Эдет қаласында 8 МВт қуаттылықтағы установка іске қосылды. Осылайша Kaplan турбиналарының коммерциялық сәттілігі мен кеңінен қолданылуы басталды.

Жұмыс істеу теориясы

Каплан турбинасы – ішкі ағынды реакциялық турбина, яғни жұмыс сұйықтығы турбина арқылы өте келе қысымын өзгертеді және энергиясын жоғалтады. Қуат гидростатикалық қысымнан және ағын судың кинетикалық энергиясынан қалпына келтіріледі. Бұл конструкция радиалды және осьтік турбиналардың қасиеттерін біріктіреді. Кіреберіс бөлігі – турбинаның қақпақтарын айналап өтетін спираль тәрізді құбыр. Су қақпақтарға жанама бұрышпен бағытталады және пропеллер пішіндес жүгірушіге спираль бойынша келіп, оны айналуға итермелейді. Шығару бөлігі – судың жылдамдығын төмендетуге және кинетикалық энергияны қайтаруға көмектесетін арнайы пішіндес су сорғыш құбыр. Турбина су ағынының ең төменгі нүктесінде орналасуы міндетті емес, тек су сорғыш құбыр сумен толы болса жеткілікті. Дегенмен, турбинаның биік орналасуы су сорғыш құбырдың турбина қанаттарына түсіретін сору күшін арттырады. Осының салдарынан қысымның төмендеуі кавитацияға алып келуі мүмкін. Қақпақтардың және турбина қанаттарының өзгермелі геометриясы әртүрлі ағын жағдайларында тиімді жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Каплан турбиналарының тиімділігі әдетте 90% асады, бірақ өте төмен қысымда жұмыс істегенде төмендеуі мүмкін. Қазіргі зерттеулердің бағыттары: есептеу сұйықтық динамикасы (CFD) негізінде тиімділікті арттыру және су арқылы өтетін балықтардың тірі қалу мүмкіндігін арттатуға бағытталған жаңа конструкциялар. Пропеллер қанаттары жоғары қысымды гидравликалық майға майланатындықтан, Каплан конструкциясының маңызды бөлігі – майдың су жолына шығуына жол бермеу үшін герметикалық жабылуды сақтау болып табылады. Мұнайды өзендерге құю ресурстардың ысырабына және экологиялық зиянға әкеледі, сондықтан бұл жағдайға жол беруге болмайды.

Қолданбалар

Каплан турбиналары бүкіл әлемде электр энергиясын өндіру үшін кеңінен қолданылады. Олар ең төменгі су басқан гидроэлектростанцияларға орналастырылады және әсіресе жоғары су ағыны жағдайларына өте қолайлы. Каплан турбинасының моделі негізінде арзан микротурбиналар жеке тұтыну үшін 3 метрлік су басымен жасалады, бірақ жеткілікті су ағыны болған жағдайда 0,3 метрлік су басымен де, өнімділігі төмендеп жұмыс істей алады. Ірі Каплан турбиналары әрбір нысан үшін жеке жобаланады, олардың тиімділігі мүмкіндігінше жоғары болуы үшін, әдетте 90%-дан астам. Оларды жобалау, өндіру және орнату өте қымбат, бірақ олар ондаған жылдар бойы үздіксіз жұмыс істейді. Соңғы кезде олар теңіз толқындарының энергиясын өндіруде де қолданыс тапты, мысалы, Wave Dragon жобасында.