Турбина Каплана — это пропеллерная водяная турбина с регулируемыми лопастями. Она была разработана в 1913 году австрийским профессором Виктором Капланом [1] , который объединил автоматически регулируемые лопасти пропеллера с автоматически регулируемыми калиточными затворами для достижения эффективности в широком диапазоне расхода и уровня воды .
Турбина Каплана была развитием турбины Фрэнсиса . Ее изобретение позволило эффективно производить электроэнергию в условиях низкого напора , что было невозможно с турбинами Фрэнсиса. [2] Напор составляет от 10 до 70 метров (от 33 до 230 футов), а выходная мощность — от 5 до 200 МВт. Диаметры рабочего колеса составляют 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 варьируется от 54,5 об/мин ( плотина водопада Альбени ) до 450 об/мин. [3]
Турбины Каплана в настоящее время широко используются во всем мире для производства электроэнергии с высоким расходом и низким напором.
Виктор Каплан, проживающий в Брно , Австро-Венгрия (ныне Чехия), получил свой первый патент на регулируемую лопастную пропеллерную турбину в 1912 году. Но разработка коммерчески успешной машины заняла еще десятилетие. 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 Фойт представил турбину Каплана мощностью 1100 л.с. (около 800 кВт) для использования в основном на реках. В 1924 году установка мощностью 8 МВт была введена в эксплуатацию в Лилла-Эдет , Швеция. Это положило начало коммерческому успеху и широкому признанию турбин Каплана.
Турбина Каплана — это турбина с реакцией внутреннего потока , что означает, что рабочая жидкость изменяет давление, проходя через турбину, и отдает свою энергию. Мощность извлекается как из гидростатического напора, так и из кинетической энергии текущей воды. Конструкция сочетает в себе особенности радиальных и осевых турбин.
Входное отверстие представляет собой спиральную трубу, которая огибает калиточный затвор турбины. Вода направляется по касательной через калиточный затвор и по спирали попадает на рабочее колесо в форме пропеллера, заставляя его вращаться.
Выходное отверстие представляет собой вытяжную трубу особой формы , которая помогает замедлить поток воды и восстановить кинетическую энергию .
Турбина не обязательно должна находиться в самой низкой точке потока воды, пока отсасывающая труба остается заполненной водой. Однако более высокое расположение турбины увеличивает всасывание, которое передается на лопатки турбины отсасывающей трубой. Возникающее в результате падение давления может привести к кавитации .
Изменяемая геометрия калитки и лопаток турбины обеспечивает эффективную работу в различных условиях потока. Эффективность турбины Каплана обычно превышает 90%, но может быть ниже в условиях очень низкого напора. [4]
Текущие направления исследований включают повышение эффективности на основе вычислительной гидродинамики (CFD) и новые конструкции, повышающие показатели выживаемости проходящей через них рыбы.
Поскольку лопасти винта вращаются на подшипниках гидравлического масла высокого давления, критическим элементом конструкции Каплана является поддержание положительного уплотнения для предотвращения выброса масла в водный путь. Сброс масла в реки нежелателен из-за пустой траты ресурсов и, как следствие, экологического ущерба.
Турбины Каплана широко используются во всем мире для производства электроэнергии. Они охватывают самые низконапорные гидроэлектростанции и особенно подходят для условий высокого потока.
Недорогие микротурбины модели турбины Каплана изготавливаются для индивидуальной выработки электроэнергии, рассчитанной на напор 3 м, которые могут работать при напоре всего 0,3 м с существенно сниженной производительностью при условии достаточного расхода воды. [5]
Большие турбины Каплана проектируются индивидуально для каждого объекта для работы с максимально возможной эффективностью, обычно более 90%. Они очень дороги в проектировании, производстве и установке, но работают десятилетиями.
Недавно они нашли новое применение в производстве энергии морских волн, см. Wave Dragon .
Турбина Каплана является наиболее широко используемой из турбин пропеллерного типа, но существует и несколько других ее разновидностей:
.png/1280px-DIVE-Turbine_(cropped).png)
https://www.wws-wasserkraft.at/en
В 1880-х годах Лестер Аллен [Аллан] Пелтон... разработал и запатентовал импульсную турбину,... конструкцию для очень высокого напора воды. Напротив, в 1913 году Виктор Каплан запатентовал реактивную турбину с регулируемыми вертикальными пропеллерами, которая стала предпочтительным выбором для низких плотин.
