Inleiding: Kaplan Turbines voor Waterkrachtcentrales & Hernieuwbare Energie
Kaplan turbines werden voor het eerst ontwikkeld in 1913 door de Oostenrijkse professor Viktor Kaplan. De Kaplan-turbine verschilt van vaste bladen propellerturbines omdat de bladen in hun bevestigingen kunnen worden gedraaid; de Kaplan-turbine is dus een variabele spoed turbine. Dit type turbine heeft de afgelopen 100 jaar een brede toepassing gevonden vanwege zijn hoge operationele efficiëntie, zelfs bij zeer lage drukhoogtes.
Kaplan-turbines zetten potentiële energie om in mechanische energie. Dit type turbine wordt geclassificeerd als een reactieturbine, omdat het werkt binnen een druksysteem en afhankelijk is van een continue waterstroom van de zuig- naar de drukzijde van de turbine.
Vanwege het vermogen van de Kaplan-turbine om efficiënt te werken bij zeer lage drukhoogtes, zijn ze bijzonder geschikt voor riviercentrales en getijdencentrales; deze soorten centrales behoren tot de hernieuwbare ('groene') energiesector.
De Kaplan-turbine lijkt qua ontwerp sterk op een scheepsschroef. Vergeleken met andere aandrijvingen zoals stoomturbines of verbrandingsmotoren, hebben waterturbines zeer lage bedrijfssnelheden, meestal minder dan 400 tpm.
Scheepsschroef
Kaplan-turbines kunnen groot zijn. De grootste Kaplan-turbines ter wereld hebben een diameter van 8,6 m en werken met een nominale hoogte van 34 m. Ondanks deze kleine drukhoogte genereert elke turbine 230 MW.
Wat zijn de belangrijkste onderdelen van een Kaplan-turbine?
Een propellerturbine bestaat uit een naaf, bladen en een as. Een typische runner heeft meestal drie tot zes bladen met een totale runnerdiameter variërend van twee tot 11 meter. Bij Kaplan-turbines zijn de bladen verbonden met een centrale naaf die de mechanismen bevat die nodig zijn om de bladen te draaien, maar er zijn geen andere verschillen tussen een vaste bladpropellerturbine en een Kaplan-turbine.
Een spiraalhuis - ook bekend als een scrollhuis - wordt gebruikt om een gelijkmatige waterstroom naar de gehele runner te leveren. Een gelijkmatige stroom wordt bereikt door de geleidelijk afnemende dwarsdoorsnede van de behuizing. Naarmate de dwarsdoorsnede afneemt, blijft de watersnelheid constant en wordt een gelijkmatige waterstroom naar de runner geleverd.
Spiraalhuis
De lepelklep leidt het water naar de Kaplan-runner. De lepelklep wordt gebruikt om de waterstroom naar de runner te starten, te stoppen en te regelen.
Een trechter zet een deel van de afgevoerde kinetische energie van het water terug om in drukenergie. Deze omzetting verhoogt de algehele operationele efficiëntie van de turbine.
Geniet je van dit artikel? Zorg er dan voor dat je onze Video Cursus Waterkrachtcentrales bekijkt! De cursus bevat een quiz, een handboek, en je ontvangt een certificaat wanneer je de cursus voltooit. Geniet ervan!
Hoe werken Kaplan-turbines?
Water komt binnen via een onder druk staande watergeleider, bekend als de aanvoer. Het stroomt vervolgens langs het spiraalhuis en door de lepelklep. De lepelklep leidt de waterstroom tangentieel over de runnerbladen en er wordt een resulterende kracht op de runner uitgeoefend. Deze kracht werkt als koppel op de runneras, waardoor de runner gaat draaien.
Kaplan Turbine Onderdelen
Het water verlaat vervolgens de runner en komt in de trechter waar een deel van de resterende kinetische energie wordt teruggewonnen als drukenergie. Ten slotte wordt het water afgevoerd naar de uitlaat.
Let op dat het alleen de runnerbladen zijn die de potentiële en kinetische energie van het water omzetten in mechanische energie. Dit wordt bereikt door de vorm van de bladen en het drukverschil dat ontstaat wanneer het water langs het oppervlak van de bladen stroomt.
Stroomopwekking
Een gemeenschappelijke as verbindt de runner met een generator, wanneer de runner draait, draait ook de rotor van de generator. De rotor van de generator draait binnen een elektromagnetisch veld, wanneer de rotor door het magnetisch veld beweegt, wordt er stroom geïnduceerd in de statorwikkelingen van de generator, op dit punt is de mechanische energie die door de Kaplan-turbine wordt geleverd omgezet in elektrische energie. De elektrische energie kan nu via een nationaal netwerk naar eindgebruikers worden overgebracht.
Het gehele stroomopwekkingsproces is continu, wat leidt tot een constante, hernieuwbare en betrouwbare vorm van stroomopwekking.
Interessante Kenmerken
Vergeleken met andere soorten waterturbines, zoals de Pelton en Francis turbines, kunnen Kaplan-turbines werken bij zeer lage drukhoogtes en hoge debieten. Operationele efficiënties van meer dan 90% zijn niet ongewoon.
Hydro Turbine Flow and Head Ranges
Kaplan-turbines zijn reactieturbines, ze werken met een volle watermassa aan zowel de zuig- als de drukzijde van de turbine. Reactieturbines zijn drukturbines, terwijl impulsturbines drukloos zijn.
Water stroomt in een parallelle richting over de propellerrunner naar de runneras. Dit type stroming staat bekend als axiale stroming, wat de reden is waarom propellerturbines worden geclassificeerd als axiale stromingsturbines.
Axiale Stroming Impeller (Runner)
Het draaien van de Kaplan-runnerbladen verandert de aanvalshoek (de hoek waaronder het blad door het water snijdt), wat de efficiëntie van de turbines verhoogt bij wisselende debieten. De aanvalshoek wordt de spoed genoemd, dit is waar de Kaplan variabele spoed propeller (VPP) zijn naam aan ontleent.
Het variëren van de spoed varieert ook de snelheid van de turbine en bijgevolg de hoeveelheid potentiële energie die kan worden omgezet in mechanische energie. In combinatie met een variabele lepelklep kunnen de bedrijfsomstandigheden van een Kaplan-turbine nauwkeurig worden gecontroleerd om de efficiëntie te maximaliseren.
Gerelateerde Online Technische Cursussen
Introductie tot Waterkrachtcentrales
Overzicht van Waterkrachtcentrales
Hoe Werken Waterkrachtcentrales
Hoe Elektriciteit te Maken (Stroomopwekking)
Aanvullende Bronnen
https://theconstructor.org/practical-guide/kaplan-turbine-component-working/2904/
https://en.wikipedia.org/wiki/Kaplan_turbine