Kuten tiedämme, hydraulisen energian tuottamiseksi joudumme kaatamaan suuren määrän vettä vesiputouksen läpi turbiinin siirtämiseksi. Yksi hydraulisessa energiassa eniten käytetyistä turbineista on Kaplan-turbiini. Se on hydraulinen suihkuturbiini, jota käytetään pienillä kaltevuuksilla jopa muutamaan kymmeneen metriin. Virtausta tarvitaan aina, se on suuri, jotta voidaan tuottaa suuri määrä energiaa.
Tässä artikkelissa kerromme, mistä Kaplan-turbiini koostuu, mitkä ovat sen ominaisuudet ja miten sitä käytetään hydraulisen energian tuottamiseen.
Mikä on Kaplan-turbiini
Se on hydraulinen suihkuturbiini, joka käyttää pieniä kaltevuuksia muutamasta metristä muutamaan kymmeneen. Yksi pääominaisuuksista on, että se toimii aina suurilla virtausnopeuksilla. Virta vaihtelee välillä 200-300 kuutiometriä sekunnissa. Sitä käytetään laajalti hydraulisen energian tuottamiseen, joka on eräänlainen uusiutuva energia.
Kaplanin turbiinin keksi vuonna 1913 itävaltalainen professori Víktor Kaplan. Se on eräänlainen potkurinmuotoinen hydraulinen turbiini, jossa niillä on terät, jotka voidaan suunnata erilaiselle veden virtaukselle. Tiedämme, että veden virtaus vaihtelee tilavuuden voimakkuuden mukaan. Pystymällä saamaan terät, jotka on suunnattu veden virtaukseen, voimme lisätä suorituskykyä pitämällä sen korkealla jopa 20-30%: n nimellisvirtauksesta.
Normaalinta on, että tämä turbiini on varustettu kiinteillä staattorin ohjaimilla, jotka auttavat ohjaamaan veden virtausta. Tällä tavoin sähköenergian tuotanto optimoidaan. Kaplan-turbiinin tehokkuutta voidaan käyttää laajemmalle virtausalueelle tarpeista riippuen. Ihannetapauksessa turbiini tulisi valmistaa käyttämällä suuntausjärjestelmää, johon sijoitamme staattorin ohjaimet virtauksen muuttuessa. Meillä ei ole aina samaa vesivirtaa, koska olemme riippuvaisia sateista ja säiliöiden tasosta.
Kun neste saavuttaa Kaplan-turbiinin, spiraalinmuotoisen putken ansiosta se syöttää koko kehän kokonaan. Kun neste on saavuttanut turbiinin, se kulkee jakajan läpi, joka antaa nesteen pyörivän pyörimisen. Juoksupyörä on vastuussa virtauksen ohjaamisesta 90 astetta sen kääntämiseksi aksiaalisesti.
Tärkeimmät ominaisuudet
Kun meillä on potkuriturbiini, tiedämme, että säätö on käytännössä nolla. Tämä tarkoittaa, että turbiini voi toimia vain tietyllä alueella, joten jakelija ei ole edes säädettävissä. Kaplan-turbiinin avulla saamme juoksupyörän siipien suunnan sopeutumaan veden virtaukseen. Lisäksi liike sopeutuu nykyiseen virtaukseen. Tämä johtuu siitä, että jokainen jakelijan asetus vastaa eri terien suuntaa. Tämän ansiosta on mahdollista työskennellä korkeammat saannot jopa 90% laajalla virtausnopeudella.
Näiden turbiinien käyttöalue saavuttaa korkeimmat pudotukset, joiden korkeus on noin 80 metriä, ja virtausnopeus on 50 kuutiometriä sekunnissa. Tämä on osittain päällekkäinen Francis-turbiini. Tämä turbiinit ne saavuttivat vain 10 metrin pudotuksen ja virtaus ylitti 300 kuutiometriä sekunnissa.
Hydraulisen energian tuotannon optimoimiseksi on hyvin yleistä nähdä Kaplan-turbiinit. Ne ovat potkuriturbiinit, jotka toimivat täydellä kapasiteetilla ja reagoivat hyvin ylimääräiseen nesteeseen. Näiden turbiinien ansiosta ne eliminoivat suuren määrän asennuskustannuksia, koska tämä turbiini on kalliimpaa kuin potkuriturbiini, mutta asennuksesta tulee paljon tehokkaampaa pitkällä aikavälillä.
Kuinka turbiinit toimivat vesivoimassa
Jos haluamme pitää jännitteen ulostulon vakiona vesivoimaloissa, turbiinin nopeus on aina pidettävä vakiona. Tiedämme, että veden paine vaihtelee virtausnopeuden ja voimakkuuden mukaan. Turbiinin nopeus on kuitenkin pidettävä vakiona näistä paineen vaihteluista riippumatta. Pysyäkseen vakaana tarvitaan suuri määrä säätimiä sekä Francis- että Kaplan-turbiinissa.
Usein tehdään Pelton-pyöräasennuksia, joissa veden virtausta hallitaan avaamalla ja sulkemalla ejektorisuuttimet. Kun laitoksessa on Kaplan-turbiini, käytetään ohituksen poistosuutinta helpottamaan nopean virtauksen muutoksia pudotuskanavissa, jotka voivat yhtäkkiä lisätä veden painetta. Tällä tavoin varmistamme, että potkurit varastoidaan aina tasaisesti ja että vedenpaineen muutokset eivät vaikuta niihin. Nämä vedenpaineen nousut tunnetaan vesivasaroina. Ne voivat olla hyvin vahingollisia tiloille.
Kaikilla näillä asetuksilla kuitenkin ylläpidetään tasaista veden virtausta suuttimien läpi siten, että turbiinin siipien liike pysyy vakaana. Vesivasaroiden välttämiseksi poistosuuttimet suljetaan hitaasti. Hydraulisen energian tuottamiseen käytettävät turbiinit vaihtelevat joidenkin tyyppien mukaan:
- Varten suuria hyppyjä ja pieniä virtausnopeuksia Pelton-turbiineja käytetään.
- niille pienemmät päät, mutta suuremmalla virtauksella Francis-turbiinit ovat käytössä.
- En hyvin pieniä vesiputouksia, mutta hyvin suurella virtauksella Kaplan- ja potkuriturbiinia käytetään.
Vesivoimalaitokset ovat riippuvaisia suuresta vesimäärästä, joka on säiliöissä. Tätä virtausta on hallittava ja se voidaan pitää melkein vakiona, jotta vesi voidaan kuljettaa kanavien tai karsinoiden läpi. Virtausta ohjataan venttiilien kautta turbiinin läpi kulkevan vesivirtauksen mukauttamiseksi. Turbiinin läpi kulkeutuvan veden määrä riippuu kunkin hetken sähköntarpeesta. Loput vesi tulee ulos poistokanavien kautta.
Toivon, että näiden tietojen avulla voit oppia lisää Kaplan-turbiinien ja vesivoiman tuotannosta.