Vesivoiman tuottamiseksi on tarpeen valjastaa suurten vesimäärien liike vesiputouksen läpi, joka pyörittää turbiinia. Yksi yleisimmin käytetyistä turbiineista vesivoiman tuotannossa on Kaplan-turbiini . Tämän tyyppistä turbiinia käytetään pienissä, jopa muutaman kymmenen metrin korkuisissa vesiputouksissa, joissa virtausnopeus on suuri.
Tässä artikkelissa kerromme yksityiskohtaisesti, mistä Kaplan-turbiini koostuu, sen tärkeimmistä ominaisuuksista ja kuinka sitä käytetään hydraulisessa voimantuotannossa.
Mikä on Kaplan-turbiini
Kaplan -turbiini on hydraulinen suihkuturbiini, joka on suunniteltu toimimaan pienissä, muutamasta metristä muutamaan kymmeneen metriin, kaltevuudessa. Se vaatii myös suuria virtausnopeuksia, 200–300 kuutiometriä sekunnissa , mikä tekee siitä erittäin tehokkaan turbiinin vesivoiman, uusiutuvan energialähteen, tuottamiseen.
Itävaltalainen professori Viktor Kaplan keksi sen vuonna 1913 , ja sen innovatiivinen muotoilu tekee siitä erityisen sopivan tilanteisiin, joissa veden virtaus on vaihteleva. Yksi tämän turbiinin tärkeimmistä ominaisuuksista on, että sen lavat voidaan suunnata virtaussuunnan mukaan, mikä optimoi sen suorituskyvyn jopa silloin, kun virtausnopeus on vain 20–30 % nimellisvirtauksesta.
Monien Kaplan-turbiinien lisäominaisuutena on, että ne ovat osa sähköntuotantojärjestelmiä, joissa on kiinteät staattorit, jotka optimoivat turbiinia syöttävän veden virtauksen ja parantavat siten sähköntuotantokapasiteettia. Kaplan-turbiinin hyötysuhde voidaan ylläpitää korkealla tasolla laajalla virtausnopeusalueella, mikä tekee siitä keskeisen komponentin monissa vesivoimalaitoksissa.
Toimintaperiaate
Kaplan-turbiinin toimintaperiaate on yksinkertainen, mutta tehokas. Vesi saapuu turbiiniin spiraalimaisen kanavan kautta, mikä mahdollistaa turbiinin syöttämisen koko sen kehälle. Tämän jälkeen vesi kulkee jakolaitteen läpi, mikä antaa virtaukselle turbiinin toiminnan kannalta olennaisen pyörimisliikkeen.
Kun vesi saapuu turbiiniin, se pyörittää juoksupyörää , jolloin veden virtaus kääntyy 90 asteen kulmaan ja sitten aksiaalisesti takaisin. Tämä toiminta antaa turbiinille mahdollisuuden valjastaa veden kineettisen energian ja parantaa siten sähköntuotantotehokkuuttaan.
Kaplan -turbiini pystyy ottamaan talteen osan energiastaan pakokaasujärjestelmässään olevan hajottimen ansiosta, mikä ei ole yleinen ominaisuus kaikissa hydraulisissa turbiineissa. Tämä hajotin auttaa parantamaan turbiinin suorituskykyä sovelluksissa, joissa vedenpaine ei ole korkea, kuten pienissä vesiputouksissa.
Tärkeimmät ominaisuudet ja edut
Yksi Kaplan-turbiinin merkittävimmistä eduista on sen kyky säätää siipiä veden virtaussuunnan mukaan. Tämä mahdollistaa turbiinin korkean hyötysuhteen ylläpitämisen erilaisissa virtaus- ja paineolosuhteissa.
Toisin kuin perinteisissä turbiineissa, kuten potkuriturbiineissa, Kaplan-turbiinissa on virtaussäätimet, joilla voidaan säätää sekä juoksupyörän lapoja että jakosiiven kulmaa. Tämä tekee siitä yhden markkinoiden monipuolisimmista turbiineista, joka pystyy toimimaan laajalla virtausnopeus- ja nostokorkeusalueella jopa 90 %:n hyötysuhteella.
Kaplan-turbiinin käyttöalue kattaa noin 80 metrin maksiminostokorkeuden ja jopa 50 kuutiometrin virtausnopeuden sekunnissa . Vaikka sillä on joitakin yhteisiä ominaisuuksia Francis-turbiinien kanssa, Kaplan on erityisen tehokas suurilla virtausnopeuksilla ja pienillä nostokorkeuksilla , jolloin muut turbiinit menettäisivät tehokkuuttaan.
Kuinka turbiinit toimivat vesivoimassa
Vesivoimalaitoksessa lähtöjännitteen säätö on välttämätöntä jatkuvan sähkönsyötön takaamiseksi. Tämä tarkoittaa, että turbiinin nopeuden on pysyttävä vakiona, vaikka veden virtausolosuhteet vaihtelevat. Kaplan-turbiinit on suunniteltu mukautumaan näihin muutoksiin ja pitämään veden virtauksen vakiona kehittyneiden ohjausjärjestelmien ansiosta.
Vesivoimaturbiineissa, olivatpa ne Kaplan-, Francis- tai Pelton-tyyppisiä, on erilaisia ohjausjärjestelmiä, jotka varmistavat niiden vakauden vedenpaineen muuttuessa. Erityisesti Kaplan-turbiineissa on tyypillisesti ohitussuuttimet , jotka ohjaavat ylimääräisen veden tehokkaasti pois ja estävät vaurioita, joita voi aiheutua niin sanotusta vesivasarasta. Vesivasara on äkillinen paineen nousu, joka voi olla erittäin haitallista laitteistolle.
Hydrauliturbiinit luokitellaan vesiputouksen tyypin ja niiden käsittelemän virtauksen mukaan:
- Suuret hyppyt pienillä virtauksilla: Peltonin turbiineja käytetään.
- Keskikokoiset hyppyt suuremmalla virtauksella: Francis-turbiinit ovat käytössä.
- Pienet hyppyt suurilla virtauksilla: Käytetään Kaplan- ja potkuriturbiineja.
Turbiinin läpi kulkevan veden määrää säädetään sen hetkisen sähkötarpeen mukaan. Jäljelle jäävä vesi ohjataan poistokanavien kautta, jotta vältetään järjestelmän hävikki. Nykyaikaisissa vesivoimalaitoksissa ohjausjärjestelmät varmistavat käytettävissä olevan virtauksen optimaalisen käytön ja auttavat ylläpitämään tehokasta ja kestävää energiantuotantoa.
Tämä artikkeli käsittelee yksityiskohtaisesti Kaplan-turbiinien toimintaa, etuja ja ominaisuuksia, jotka ovat yksi edistyneimmistä ja tehokkaimmista hydraulisen energian käytön teknologioista. Korkean suorituskyvyn ja monipuolisuuden ansiosta ne ovat yksi eniten käytetyistä vaihtoehdoista vesipohjaisessa energiantuotannossa.