Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Bonneville Dam Каплан турбины после 61 лет службы.

Турбина Каплана представляет собой пропеллерную гидротурбину , которая имеет регулируемые лопасти. Он был разработан в 1913 году австрийского профессора Виктора Каплана , [1] , который вместе взятые автоматически регулируется лопасти винта с автоматической коррекцией калиток для достижения эффективности в широком диапазоне расхода и уровня воды .

Турбина Каплана была развитием турбины Фрэнсиса . Его изобретение позволило эффективно производить энергию 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. [2]

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 наклона лопастей во время работы. В ступице установлены гидроцилиндры для регулировки угла.

Развитие [ править ]

Виктор Каплан, живущий в Брюнне, Австро-Венгрия (ныне Брно , Чехия), получил свой первый патент на турбину с регулируемыми лопастями гребного винта 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 энергоблок мощностью 8 МВт . Это привело к коммерческому успеху и повсеместному распространению турбин Каплана.

Теория работы [ править ]

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. Мощность восстанавливается как из гидростатического напора, так и из кинетической энергии текущей воды. В конструкции сочетаются черты 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, которое создается на лопатках турбины вытяжной трубой. Возникающее падение давления может привести к кавитации .

Изменяемая геометрия калитки и лопаток турбины обеспечивает эффективную работу в различных условиях потока. КПД турбины Каплана обычно превышает 90%, но может быть ниже в приложениях с очень низким напором. [3]

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

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

Приложения [ править ]

Музей техники турбин Виктора Каплана Вена

Турбины Каплана широко используются во всем мире для производства электроэнергии. Они покрывают самые низкие гидростанции 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. [4]

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. « Волновой дракон» .

Варианты [ править ]

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

  • 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 винтовых турбин вырабатывают 1368 МВт. [5]
  • В трубу подачи воды встроены ламповые или трубчатые турбины . В центре водопроводной трубы находится большая колба, 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 использованием напрямую подключенного к валу генератора с постоянным магнитом и электронной регулировкой мощности, и очень безопасен для рыбы (<5% смертности). [6]
  • 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. [7]
    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.

  • модель ламповой или трубчатой ​​турбины

  • модель S-турбины

  • схема стафлотурбины

  • Турбины VLH

  • схема DIVE-турбины

См. Также [ править ]

  • Банки турбина
  • Вытяжной трубы
  • Турбина Фрэнсиса
  • Горловская винтовая турбина
  • Гидроэлектроэнергия
  • Гидроэнергетика
  • Колесо Пелтона
  • Винтовая турбина
  • Сенсорная рыба , устройство, используемое для изучения воздействия рыбы,
    проходящей через турбины Фрэнсиса и Каплана.
  • Трехмерные потери и корреляция в турбомашиностроении
  • Турбина
  • Водяная турбина

Ссылки [ править ]

https://www.wws-wasserkraft.at/en

  1. ^ "Новые австрийские марки" . Солнце (1765 г.). Сидней. 24 января 1937 г. с. 13 . Проверено 10 марта 2017 года - через Национальную библиотеку Австралии., ... Виктор Каплан, изобретатель турбины Каплана ....
  2. ^ Гидроэнергетический проект Tocoma (PDF) . IMPSA (Отчет).
  3. ↑ Грант Ингрэм (30 января 2007 г.). «Очень простая конструкция турбины Каплана» (PDF) .
  4. ^ "Гидротурбина Каплана с низким напором мощностью 1000 Вт" . Аврора Сила и Дизайн . Проверено 15 сентября 2015 .
  5. ↑ Société d'énergie de la Baie James (1996). Le complexe hydroélectrique de la Grande Rivière: Réalisation de la deuxième phase (на французском языке). Монреаль: Société d'énergie de la Baie James. п. 397. ISBN. 2-921077-27-2.
  6. ^ Турбина VLH
  7. ^ ПОГРУЖЕНИЕ-Турбина

Внешние ссылки [ править ]

  • Национальная историческая достопримечательность машиностроения Турбина Каплана , извлечена 24 июня 2010 г.
  • Примечание по применению Bently Nevada по вибрации гидротурбины , получено 14 августа 2014 г.
  • Турбина Каплана 3D модель , извлечено 10 февраля 2021 года.