Реакционные турбины используются во всем мире для производства электроэнергии. Реакционные турбины имеют несколько типов, но самые основные типы — это турбина Каплана и турбина Френсиса. В предыдущей статье мы обсудили турбину Френсиса. Поэтому основная цель этой статьи — объяснить различные аспекты турбины Каплана.
Что такое турбина Каплана?
Турбина Каплана — это турбина с осевым потоком. В турбине Каплана вода поступает в турбину и выходит из нее через ось вращения рабочего колеса (осевой поток). Проще говоря, вода входит и выходит из турбины в осевом направлении, но эта вода течет в направлении, параллельном оси вращения рабочего колеса.
Турбины Каплана работают при большом расходе воды и низком напоре с максимальной эффективностью, что невозможно в турбине Френсиса. Уникальной особенностью турбин Каплана является то, что их лопасти меняют свое положение по мере необходимости для поддержания наивысшей эффективности при различных условиях потока воды. Вода, проходящая через эти турбины, теряет свое давление.
Площадь, которая требуется воде, чтобы войти в турбину Каплана, велика, что соответствует общей площади лопастей. Из-за большой площади турбины эти турбины наиболее полезны в районах, где есть плотина с большим расходом воды. Это было особенно важно до разработки турбины Каплана.
До разработки турбин Каплана максимальное количество турбин подходило только для большого напора. Виктор Каплан изобрел 1-ю турбину Каплана в 1913 году. Виктор Каплан разработал турбину Каплана на основе конструкции турбовинтового двигателя, поэтому она работает по принципу, противоположному принципу пропеллера.
Это была первая гидроэлектрическая турбина, которая могла работать как при высоком потоке воды, так и при низком напоре. Турбину Каплана также называют пропеллерной турбиной, поскольку ее лопасти напоминают пропеллеры и работают в обратном направлении с тем же явлением. Это делает ее пригодной для использования в реке и в районах с низким напором.
Принцип работы турбины Каплана
Принцип работы турбины Каплана очень прост. Эти турбины проектируются для низкого напора воды, чтобы обеспечить высокую скорость потока воды. Схема турбины Каплана для гидроэнергетики такая же, как и для турбины Френсиса.
Турбина Каплана работает по принципу реакции осевого потока. В турбине с осевым потоком жидкость движется мимо рабочего колеса в направлении, параллельном оси вращения рабочего колеса. Турбина Каплана работает следующим образом:
- Сначала вода поступает в корпус спирали из пера.
- По мере того, как вода протекает внутри корпуса спирали, направляющие лопатки направляют воду из корпуса к лопастям рабочего колеса. Эти лопасти гибкие и могут менять свое положение в зависимости от требований потока.
- Когда вода попадает в зону рабочего колеса, она поворачивается на 90 o так, чтобы ударить по лопастям рабочего колеса в осевом направлении.
- Когда вода ударяется о лопасти рабочего колеса, эти лопасти начинают вращаться под действием силы реакции воды.
- Эти лопасти преобразуют K.E воды в скорость и увеличивают скорость воды.
- После прохождения через лопасти рабочего колеса вода попадает в вытяжную трубу, где кинетическая энергия и энергия давления воды уменьшаются.
- Эта тяговая труба преобразует кинетическую энергию или скорость в энергию давления и увеличивает давление воды.
- Когда давление воды увеличивается в соответствии с требованиями, вода поступает в хвостовую часть.
- Повышенное давление воды вращает турбину. Генератор соединен с валом турбины. Вращение турбины приводит во вращение катушку генератора. Согласно первому закону Фарадея, «когда проводник вращается в магнитном поле, возникает электричество», и в гидроэлектростанциях электричество вырабатывается с помощью тех же явлений.
Для лучшего понимания посмотрите следующее видео:
Компоненты турбины Каплана
Ниже подробно описаны компоненты турбины Каплана.
1) Лопасти бегуна
Лопатки являются ключевыми компонентами турбины. Лопасть турбины Каплана похожа на пропеллер. Другие турбины осевого потока имеют плоские лопасти, в то время как лопасти Каплана не имеют плоских лопастей, а имеют извилистую форму в продольном направлении, так что вода завихряется на входе-выходе. Когда вода ударяется об эти лопасти, они начинают вращаться, что приводит к вращению вала.
2) Втулка
Ступица включает в себя основные компоненты турбины Каплана. Лопасти располагаются на ступице турбины. Она управляет вращением лопастей. Лопасти следуют за ней для своего движения. Она соединяется с центральным валом турбины.
3) Вал
Один конец вала турбины соединен с бегунком турбины, а другой — с катушкой генератора. Когда бегунок вращается из-за вращения лопаток, вал также вращается, который далее передает свое вращение на катушку генератора. При вращении катушки генератора вырабатывается электроэнергия.
4) Направляющая лопатка
Направляющая лопатка является регулирующим компонентом всей турбины. Она включается и выключается в зависимости от потребностей в электроэнергии. Направляющие лопасти вращаются под определенным углом, чтобы регулировать поток воды. Если требуется большая мощность, они открываются сильнее, чтобы большой объем воды попадал на лопасти ротора. При снижении потребности в мощности они открываются меньше, чтобы на лопасти попадало небольшое количество воды. Направляющие лопатки повышают эффективность турбины. Без направляющих лопаток турбина не сможет работать эффективно, и КПД турбины снизится.
5) Бегунок
Бегунок играет очень важную роль в работе турбины Каплана. Бегун или рабочее колесо — это вращающийся компонент турбины. Он обеспечивает выработку электроэнергии. Осевой поток воды, воздействуя на лопасти, вызывает вращение рабочего колеса, которое далее вращает вал.
6) Механизм управления лопастями
Лопасть имеет подвижную ось в месте соединения. Механизм управления лопастью контролирует угол атаки при попадании воды на лопасть, вызванном подвижным соединением лопастей. Он включает в себя основные компоненты турбины Каплана.
7) Спиральный или волютный корпус
Весь механизм турбины окружен корпусом, называемым спиральным кожухом. Корпус спирали уменьшает площадь поперечного сечения. Прежде всего, вода поступает из водовода в корпус спирали; после этого она попадает в зону направляющих лопаток.
Вода поворачивается под углом до 90° относительно направляющей лопатки и перемещается в осевом направлении рабочим колесом. Корпус турбины предохраняет направляющие лопатки, лопасти рабочего колеса, бегунок и другие внутренние компоненты от повреждений в результате любой внешней нагрузки.
8) Черновая труба
В случае турбины Каплана атмосферное давление выше, чем давление на выходе из турбины. Поэтому жидкость из выходного отверстия турбины не может сбрасываться непосредственно в хвостовую часть. По этой причине для отвода жидкости из выходного отверстия в хвостовую часть используется труба с постепенно увеличивающейся площадью. Эта труба с увеличивающейся площадью известна как черновая труба.
Черновая труба присоединяет выходной патрубок к хвостовой части и отводит воду из турбины. Основная функция черпаковой трубы заключается в снижении скорости потока и минимизации потери к.п.д. на выходе. Они снижают скорость воды, поднимая поверхность воды.
Преимущества и недостатки турбины Каплана
Она дорога в производстве. Для этих турбин требуется всего от трех до восьми лопастей Турбина Каплана дорога в установке Этот вид реактивной турбины чрезвычайно эффективен по сравнению с другими видами гидроэлектрических турбин Эти турбины требуют очень высокой стоимости установки Она имеет небольшой размер Для высокой эффективности требуется высокая скорость потока, что не везде возможно Занимает меньше места В этих турбинах требуется генератор большой мощности. Имеет простую конструкцию
Применение турбин Каплана
- Эти турбины используют для производства электроэнергии.
- Микротурбины являются недорогими и предназначены для единичного производства электроэнергии, которая может работать при напоре не менее 24 дюймов.
- Большие турбины Каплана проектируются индивидуально для каждого места для достижения максимального КПД до 90%.
- Они очень дороги в установке, производстве и проектировании, но работают в течение многих лет.
- Эти турбины работают более эффективно при высокой скорости потока и низком напоре.
В настоящее время спрос на турбины Каплана растет во всем мире. Эти турбины широко используются для производства электроэнергии на различных гидроэлектростанциях. Таким образом, основной причиной популярности этих турбин является их простота конструкции и малые размеры. Эти турбины требуют низкого напора, что является большим преимуществом этих турбин перед другими реактивными турбинами. Итак, турбина Каплана имеет высокий КПД по сравнению с турбиной Френсиса. Это является значительным преимуществом этих турбин перед турбинами Френсиса.
Раздел часто задаваемых вопросов
Кто изобрел турбину Каплана?
Виктор Каплан изобрел первую турбину Каплана в 1913 году.
Какая турбина имеет самую высокую скорость?
Турбина Каплана имеет в 2-3 раза большую скорость, чем турбина Френсиса.
Где используется турбина Каплана?
Турбины Каплана используются на гидроэлектростанциях для производства электроэнергии. Эти турбины используются при высоком расходе и низком напоре.
Каков КПД турбины Каплана?
КПД турбин Каплана составляет от 90% до 93%.
В чем разница между турбинами Каплана и Френсиса?
Турбина Фрэнсиса — это турбина смешанного потока, а турбина Каплана — это турбина осевого потока.
Почему турбина Каплана известна как реактивная турбина?
Турбина Каплана известна как реакционная турбина, потому что в этой турбине турбина вращается под действием силы реакции воды.
