Введение

Водяная турбина винтового типа с регулируемыми лопастями. Турбина Каплана – это водяная турбина винтового типа с регулируемыми лопастями. Она была разработана в 1913 году австрийским профессором Виктором Капланом, который объединил автоматически регулируемые лопасти винта с автоматически регулируемыми направляющими аппаратами для достижения высокой эффективности в широком диапазоне расхода и уровня воды. Турбина Каплана является развитием турбины Фрэнсиса. Её изобретение позволило эффективно вырабатывать электроэнергию при малых напорах, что было невозможно с турбинами Фрэнсиса. Напор изменяется от и мощность варьируется от 5 до 200 МВт. Диаметры рабочих колёс находятся в пределах от Турбины вращаются с постоянной скоростью, которая зависит от конкретной установки и составляет от 54,5 об/мин (плотина Альбени-Фоллс) до 450 об/мин. Турбины Каплана широко используются во всем мире для производства электроэнергии при большом расходе и малом напоре.

Разработка

Виктор Каплан, живший в Брюнне, Австро-Венгрия (ныне Брно, Чехия), получил свой первый патент на турбину с регулируемыми лопастями в 1912 году. Но создание коммерчески успешной машины заняло еще десять лет. Каплан боролся с проблемами кавитации и в 1922 году прекратил свои исследования 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), предназначенную главным образом для использования на реках. В 1924 году на станции Лилла-Эдет в Швеции был запущен блок мощностью 8 МВт. Это ознаменовало коммерческий успех и широкое распространение турбин Каплана.

Теория действия

Турбина Каплана – это реактивная турбина с внутренним потоком, что означает, что рабочая жидкость изменяет давление при движении через турбину, отдавая свою энергию. Мощность извлекается как за счет гидростатического напора, так и за счет кинетической энергии потока воды. Конструкция сочетает в себе особенности радиальных и осевых турбин. Входное устройство представляет собой спиральный канал, охватывающий направляющий аппарат турбины. Вода направляется тангенциально через направляющий аппарат и закручивается, поступая на рабочее колесо, имеющее форму пропеллера, что приводит его во вращение. Выходное устройство – это специально профилированная диффузорная труба, которая замедляет воду и восстанавливает кинетическую энергию. Турбина не обязательно должна располагаться в самой нижней точке водотока, если диффузорная труба остается заполненной водой. Однако, более высокое положение турбины увеличивает разрежение, воздействующее на лопатки турбины со стороны диффузорной трубы. Результирующее падение давления может привести к кавитации. Переменная геометрия направляющего аппарата и лопастей турбины обеспечивает эффективную работу в широком диапазоне расходов. КПД турбин Каплана обычно превышает 90%, но может быть ниже при очень малых напорах. Современные направления исследований включают повышение эффективности с использованием вычислительной гидродинамики (CFD) и разработку новых конструкций, повышающих выживаемость рыбы при прохождении через турбину. Поскольку лопасти пропеллера вращаются на подшипниках скольжения, работающих под высоким давлением гидравлического масла, поддержание герметичности является критически важным элементом конструкции турбины Каплана для предотвращения утечки масла в водоем. Сброс масла в реки нежелателен из-за потерь ресурсов и наносимого экологического ущерба.

Приложения

Турбины Каплана широко используются во всем мире для выработки электроэнергии. Они применяются на гидроэлектростанциях с самым низким напором и особенно эффективны в условиях большого расхода воды. Недорогие микротурбины, основанные на конструкции турбины Каплана, производятся для индивидуального энергоснабжения и рассчитаны на напор 3 м, при этом могут работать даже при напоре всего 0,3 м, хотя и с существенно сниженной производительностью, при условии достаточного водотока. Крупные турбины Каплана проектируются индивидуально для каждого объекта, чтобы обеспечивать максимально возможный КПД, обычно превышающий 90%. Их проектирование, изготовление и установка очень дороги, но срок службы составляет десятилетия. В последнее время они нашли новое применение в генерации энергии из морских волн, например, в установке Wave Dragon.