Einführung: Kaplan-Turbinen für Wasserkraftwerke & erneuerbare Energien
Kaplan Turbinen wurden erstmals 1913 vom österreichischen Professor Viktor Kaplan entwickelt. Die Kaplan-Turbine unterscheidet sich von festen Schaufelpropellerturbinen, da die Schaufeln in ihren Halterungen gedreht werden können; die Kaplan-Turbine ist somit eine Verstellschaufelturbine. Dieser Turbinentyp hat in den letzten 100 Jahren aufgrund seiner hohen Betriebseffizienz auch bei sehr niedrigen Fallhöhen breite Anwendung gefunden.
Kaplan-Turbinen wandeln potentielle Energie in mechanische Energie um. Dieser Turbinentyp wird als Reaktionsturbine klassifiziert, da er innerhalb eines Drucksystems arbeitet und auf einen kontinuierlichen Wasserstrom von der Saug- zur Druckseite der Turbine angewiesen ist.
Aufgrund der Fähigkeit der Kaplan-Turbine, effizient bei sehr niedrigen Fallhöhen zu arbeiten, sind sie besonders gut geeignet für Laufwasserkraftwerke und Gezeitenkraftwerke; diese Arten von Kraftwerken gehören zum erneuerbaren („grünen“) Energiesektor.
Die Kaplan-Turbine ist im Design einem Schiffspropeller sehr ähnlich. Im Vergleich zu anderen Antriebsmaschinen wie Dampfturbinen oder Verbrennungsmotoren haben Wasserturbinen sehr niedrige Betriebsdrehzahlen, typischerweise weniger als 400 U/min.
Schiffspropeller
Kaplan-Turbinen können groß sein. Die größten Kaplan-Turbinen der Welt haben einen Durchmesser von 8,6 m und arbeiten mit einem nominalen Druck von 34 m. Trotz dieses geringen Drucks erzeugt jede Turbine 230 MW.
Was sind die Hauptbestandteile einer Kaplan-Turbine?
Eine Propellerturbine besteht aus einer Nabe, Schaufeln und einer Welle. Ein typischer Läufer hat normalerweise drei bis sechs Schaufeln mit einem Gesamtläuferdurchmesser von zwei bis 11 Metern. Bei Kaplan-Turbinen sind die Schaufeln mit einer zentralen Nabe verbunden, die die Mechanismen zur Drehung der Schaufeln beherbergt, aber es gibt keine weiteren Unterschiede zwischen einer festen Schaufelpropellerturbine und einer Kaplan-Turbine.
Ein Spiralgehäuse - auch bekannt als Schneckenhaus - wird verwendet, um einen gleichmäßigen Wasserfluss zum gesamten Läufer zu liefern. Ein gleichmäßiger Fluss wird durch den allmählich abnehmenden Querschnittsbereich des Gehäuses erreicht. Wenn der Querschnittsbereich abnimmt, bleibt die Wassergeschwindigkeit konstant und ein gleichmäßiger Wasserfluss wird zum Läufer geliefert.
Spiralgehäuse
Die Leitschaufel leitet das Wasser zum Kaplan-Läufer. Die Leitschaufel wird verwendet, um den Wasserfluss zum Läufer zu starten, zu stoppen und zu regulieren.
Ein Saugrohr wandelt einen Teil der kinetischen Energie des abgegebenen Wassers wieder in Druckenergie um. Diese Umwandlung erhöht die Gesamtbetriebseffizienz der Turbine.
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Wie funktionieren Kaplan-Turbinen?
Wasser tritt durch einen unter Druck stehenden Wasserleiter, bekannt als Druckrohr, ein. Es fließt dann entlang des Spiralgehäuses und durch die Leitschaufel. Die Leitschaufel leitet den Wasserfluss tangential über die Läuferschaufeln und eine resultierende Kraft wird auf den Läufer ausgeübt. Diese Kraft wirkt als Drehmoment auf die Läuferwelle, was dazu führt, dass sich der Läufer dreht.
Kaplan Turbine Komponenten
Das Wasser verlässt dann den Läufer und tritt in das Saugrohr ein, wo ein Teil seiner verbleibenden kinetischen Energie als Druckenergie zurückgewonnen wird. Schließlich wird das Wasser in den Unterwasserkanal abgegeben.
Beachten Sie, dass es nur die Läuferschaufeln sind, die die potenzielle und kinetische Energie des Wassers in mechanische Energie umwandeln. Dies wird durch die Form der Schaufeln und den Druckunterschied erreicht, der entsteht, wenn das Wasser entlang der Schaufeloberfläche fließt.
Stromerzeugung
Eine gemeinsame Welle verbindet den Läufer mit einem Generator. Wenn sich der Läufer dreht, dreht sich auch der Generatorrotor. Der Generatorrotor dreht sich innerhalb eines elektromagnetischen Feldes. Wenn sich der Rotor durch das magnetische Feld bewegt, wird in den Generatorstatorwicklungen Strom induziert. An diesem Punkt wurde die mechanische Energie, die von der Kaplan-Turbine geliefert wird, in elektrische Energie umgewandelt. Die elektrische Energie kann nun über ein nationales Netz an Endverbraucher übertragen werden.
Der gesamte Stromerzeugungsprozess ist kontinuierlich, was zu einer konstanten, erneuerbaren und zuverlässigen Form der Stromerzeugung führt.
Interessante Merkmale
Im Vergleich zu anderen Arten von Wasserturbinen, wie den Pelton und Francis Turbinen, können Kaplan-Turbinen bei sehr niedrigen Fallhöhen und hohen Durchflussraten arbeiten. Betriebseffizienzen von über 90% sind keine Seltenheit.
Hydro Turbine Flow and Head Ranges
Kaplan-Turbinen sind Reaktionsturbinen, sie arbeiten mit einem vollen Wasserkörper auf beiden Seiten der Turbine. Reaktionsturbinen sind Druckturbinen, während Impulsturbinen druucklos sind.
Wasser strömt in einer parallelen Richtung zum Läufer über den Propellerläufer. Diese Art von Strömung wird als Axialströmung bezeichnet, weshalb Propellerturbinen als Axialströmungsturbinen klassifiziert werden.
Axial Flow Impeller (Runner)
Das Drehen der Kaplan-Läuferschaufeln ändert den Angriffswinkel (den Winkel, in dem die Schaufel durch das Wasser schneidet), was die Effizienz der Turbinen bei unterschiedlichen Durchflussraten erhöht. Der Angriffswinkel wird als Pitch bezeichnet, daher hat die Kaplan Verstellschaufelpropeller (VPP) ihren Namen.
Das Variieren des Pitch variiert auch die Geschwindigkeit der Turbine und folglich die Menge an potenzieller Energie, die in mechanische Energie umgewandelt werden kann. In Kombination mit einem variablen Leitschaufel können die Betriebsbedingungen einer Kaplan-Turbine genau gesteuert werden, um die Effizienz zu maximieren.
Zusätzliche Ressourcen
https://theconstructor.org/practical-guide/kaplan-turbine-component-working/2904/
https://en.wikipedia.org/wiki/Kaplan_turbine