Wprowadzenie: Turbiny Kaplana dla Elektrowni Wodnych i Energii Odnawialnej
Turbiny Kaplana zostały po raz pierwszy opracowane w 1913 roku przez austriackiego profesora Viktora Kaplana. Turbina Kaplana różni się od turbin śmigłowych o stałych łopatkach, ponieważ łopatki mogą być obracane w swoich mocowaniach; turbina Kaplana jest zatem turbiną o zmiennym kącie natarcia. Ten typ turbiny znalazł szerokie zastosowanie w ciągu ostatnich 100 lat dzięki swojej wysokiej wydajności operacyjnej nawet przy bardzo niskich spadkach ciśnienia.
Turbiny Kaplana przekształcają energię potencjalną w energię mechaniczną. Ten typ turbiny klasyfikowany jest jako turbina reakcyjna, ponieważ działa w systemie ciśnieniowym i polega na ciągłym przepływie wody od strony ssącej do strony ciśnieniowej turbiny.
Dzięki zdolności turbiny Kaplana do efektywnej pracy przy bardzo niskich spadkach ciśnienia, są one szczególnie dobrze przystosowane do elektrowni przepływowych i elektrowni pływowych; te typy elektrowni należą do sektora energii odnawialnej ('zielonej').
Turbina Kaplana jest bardzo podobna w konstrukcji do śruby okrętowej. W porównaniu do innych napędów głównych, takich jak turbiny parowe czy silniki spalinowe, turbiny wodne mają bardzo niskie prędkości obrotowe, zazwyczaj mniej niż 400 obr/min.
Śruba Okrętowa
Turbiny Kaplana mogą być duże. Największe turbiny Kaplana na świecie mają 8,6 m średnicy i działają przy nominalnym spadku 34 m. Pomimo tego niewielkiego spadku ciśnienia, każda turbina generuje 230 MW.
Jakie są główne części turbiny Kaplana?
Turbina śmigłowa składa się z piasty, łopatek i wału. Typowy wirnik zazwyczaj ma trzy do sześciu łopatek, a całkowita średnica wirnika waha się od dwóch do 11 metrów. W turbinach Kaplana łopatki łączą się z centralną piastą, która mieści mechanizmy potrzebne do obracania łopatek, ale nie ma innych różnic między turbiną śmigłową o stałych łopatkach a turbiną Kaplana.
Obudowa spiralna - znana również jako obudowa ślimakowa - jest używana do równomiernego dostarczania wody do całego wirnika. Równomierny przepływ osiąga się dzięki stopniowo zmniejszającemu się przekrojowi poprzecznemu obudowy. W miarę zmniejszania się przekroju poprzecznego, prędkość wody pozostaje stała, a równomierny przepływ wody jest dostarczany do wirnika.
Obudowa Spiralna
Wrota kierujące kierują wodę w stronę wirnika Kaplana. Wrota kierujące są używane do uruchamiania, zatrzymywania i regulacji przepływu wody do wirnika.
Rura ssąca przekształca część energii kinetycznej wypływającej wody z powrotem w energię ciśnienia. Ta konwersja zwiększa ogólną wydajność operacyjną turbiny.
Podoba Ci się ten artykuł? Koniecznie sprawdź nasz Kurs Wideo o Elektrowniach Wodnych! Kurs zawiera quiz, podręcznik, a po jego ukończeniu otrzymasz certyfikat. Miłej nauki!
Jak działają turbiny Kaplana?
Woda wchodzi przez przewód wodny pod ciśnieniem, znany jako rura ciśnieniowa. Następnie przepływa przez obudowę spiralną i wrota kierujące. Wrota kierujące kierują przepływ wody stycznie przez łopatki wirnika, a na wirnik działa siła wypadkowa. Ta siła działa jako moment obrotowy na wał wirnika, co powoduje jego obrót.
Komponenty Turbiny Kaplana
Następnie woda opuszcza wirnik i wchodzi do rury ssącej, gdzie część jej pozostałej energii kinetycznej jest odzyskiwana jako energia ciśnienia. Na końcu woda jest odprowadzana do kanału odpływowego.
Zauważ, że to tylko łopatki wirnika przekształcają energię potencjalną i kinetyczną wody w energię mechaniczną. Jest to osiągane dzięki kształtowi łopatek i różnicy ciśnień, która powstaje, gdy woda przepływa wzdłuż powierzchni łopatki.
Generacja Energii
Wspólny wał łączy wirnik z generatorem, gdy wirnik się obraca, obraca się również wirnik generatora. Wirnik generatora obraca się w polu elektromagnetycznym, gdy wirnik porusza się przez pole magnetyczne, w uzwojeniach stojana generatora indukowany jest prąd, w tym momencie energia mechaniczna dostarczana przez turbinę Kaplana została przekształcona w energię elektryczną. Energia elektryczna może teraz być przesyłana przez sieć krajową do końcowych odbiorców.
Cały proces generacji energii jest ciągły, co prowadzi do stałej, odnawialnej i niezawodnej formy generacji energii.
Interesujące Cechy
W porównaniu do innych typów turbin wodnych, takich jak turbiny Peltona i turbiny Francisa, turbiny Kaplana są w stanie pracować przy bardzo niskich spadkach ciśnienia i wysokich przepływach. Wydajności operacyjne przekraczające 90% nie są rzadkością.
Zakresy Przepływu i Spadku Turbin Wodnych
Turbiny Kaplana są turbinami reakcyjnymi, działają z pełnym przepływem wody po obu stronach ssącej i ciśnieniowej turbiny. Turbiny reakcyjne są turbinami ciśnieniowymi, podczas gdy turbiny impulsowe są bezciśnieniowe.
Woda przepływa nad wirnikiem śmigłowym w kierunku równoległym do wału wirnika. Ten typ przepływu jest znany jako przepływ osiowy, dlatego turbiny śmigłowe klasyfikowane są jako turbiny przepływu osiowego.
Wirnik Przepływu Osiowego
Obracanie łopatek wirnika Kaplana zmienia kąt natarcia (kąt, pod jakim łopatka przecina wodę), co zwiększa wydajność turbiny przy zmiennych przepływach. Kąt natarcia nazywany jest kątem natarcia, stąd nazwa śmigła o zmiennym kącie natarcia (VPP) turbiny Kaplana.
Zmiana kąta natarcia również zmienia prędkość turbiny, a co za tym idzie ilość energii potencjalnej, która może być przekształcona w energię mechaniczną. W połączeniu z wrotami kierującymi o zmiennym kącie, warunki pracy turbiny Kaplana mogą być ściśle kontrolowane w celu maksymalizacji wydajności.
Dodatkowe Zasoby
https://theconstructor.org/practical-guide/kaplan-turbine-component-working/2904/
https://en.wikipedia.org/wiki/Kaplan_turbine