Каплановские турбины: ключевые особенности, применение и принцип работы

Среди множества турбин Каплановская — одна из них. Работает на принципе аксиального течения с реакцией. В аксиальных турбинах вода течет через рабочее колесо параллельно оси вращения. Подробнее ниже!

Сегодня вы узнаете определение, применение, функцию, компоненты, схему и принцип работы каплановской турбины, а также ее преимущества и недостатки.

Что такое каплановская турбина?

Каплановская турбина — пропеллерный тип водяной турбины, работающей на принципе аксиального течения с реакцией. В отличие от других, у каплановской турбины регулируемые лопатки. Изобретение позволило эффективную генерацию на низких напорах: 10–70 м (33–230 футов), мощность 5–200 МВт. Применение — высокая расходная вода, низкий напор.

Каплановские турбины — эволюция турбин Франсуа, позволяющая эффективную работу на низких напорах, невозможную для турбин Франсуа. Отсюда и модификация.

Австрийский профессор Виктор Каплан разработал турбину в 1913 г. Соединил автоматически регулируемые пропеллерные лопатки с автоматически регулируемыми настройками затворов для эффективности в широком диапазоне расходов и уровней воды.

Применение каплановской турбины

• Широко используются для выработки электроэнергии.
• Малогабаритные модели — для индивидуальной генерации.
• Крупные турбины проектируют для максимальной эффективности на конкретных объектах.
• Недавно применяют в морской среде для генерации энергии волн.

Примечание: как и другие турбины, основная функция — генерация электроэнергии.

Компоненты каплановской турбины

Спиральный корпус (Scroll casing):

Спиральная форма с уменьшающимся поперечным сечением. Вода из напорной трубы входит сюда, затем к направляющим лопаткам, поворачивая на 90°, и течет аксиально через рабочее колесо. Защищает рабочее колесо, лопатки, направляющие и внутренние части от внешних повреждений.

Механизм направляющих лопаток (Guide vane mechanism):

Управляет всей турбиной. Открывается и закрывается в зависимости от требуемой мощности. При большем выходе открывается шире, пропуская больше воды на лопатки ротора. При малом — закрывается, прекращая подачу. Без этого компонента эффективность крайне падает.

Сосуд для сброса воды (Draft tube):

Функция — сброс воды из выхода турбины в нижний бассейн (трейлрейс). Давление на выходе рабочего колеса реактивных турбин обычно ниже атмосферного. Воду нельзя сбросить напрямую. Используют трубу постепенно расширяющегося сечения.

Лопатки рабочего колеса (Runner blades):

Сердце каплановской турбины — ключевой компонент для генерации. Лопатка на вал, соединенный с валом генератора. Большая втулка на рабочем колесе позволяет лопаткам плотно сидеть. Лопатки регулируются к оптимальному углу атаки для макс. мощности. Имеют скручивание по длине.

Схема каплановской турбины:

Принцип работы каплановской турбины

Работа понятна. Вода из напорной трубы входит в спиральный корпус, форма которого не теряет давление. Регулируемые направляющие лопатки направляют воду к лопаткам рабочего колеса. Лопатки подстраиваются под расход. Вода поворачивает на 90°, направление становится аксиальным к лопаткам.

Вода ударяет по лопаткам реактивной силой — рабочее колесо вращается. Для высокой эффективности лопатки имеют скручивание по длине, обеспечивая оптимальный угол атаки во всех сечениях.

Вода из рабочего колеса входит в сосуд сброса, где давленная и кинетическая энергия падают. Давление растет за счет перехода кинетической энергии в давленную.

Вращение турбины вращает вал генератора для выработки электроэнергии.

Смотрите видео ниже для подробностей о каплановской турбине:

Преимущества и недостатки каплановской турбины

Преимущества:

• Конструкция менее сложная, легко строится.
• Требует меньше места для установки.
• Очень высокая эффективность по сравнению с другими.
• Более эффективна на низких напорах.
• Меньше лопаток.
• Лопатки из нержавейки снижают кавитацию.

Недостатки:

Несмотря на преимущества, есть ограничения:

• Кавитация — главная проблема. Возникает из-за падения давления в сосуде сброса.
• Вал может быть только в вертикальном положении.
• Требует большого расхода воды.

Заключение

Каплановские турбины — пропеллерные водяные турбины на принципе аксиального течения с реакцией. Основная функция — генерация электроэнергии. В статье: определение, применение, работа, компоненты, схема, преимущества и недостатки.

Надеюсь, полезно. Делитесь со студентами. Спасибо за чтение!