Turbina Kaplana została skonstruowana przez austriackiego inżyniera Viktora Kaplana w 1921 r.
Główne różnice w budowie turbiny Francisa i Kaplana możemy dostrzec w budowie wirnika, który to w turbinie Kaplana posiada nastawiane łopatki obracające się wokół czopów łopatek w łożyskach wbudowanych w piastę wirnika. Osie czopów łopatek są w położeniu prostopadłym do osi wirnika. Turbina Kaplana posiada dwa regulowane zespoły, czyli kierownice oraz wirnik. Aby uzyskać wysoką sprawność turbiny w dużym zakresie jej obciążeń stosuje się ściśle zachowaną zależność pomiędzy ustawieniami kierownicy i wirnika. Prostszą budową turbiny Kaplana jest odmiana turbiny śmigłowej posiadająca regulację łopatek wirnika lub też regulację kierownicy. Oba rodzaje turbin stosuje się na spadach do 75 m.
Zaletą turbin Kaplana jest wysoka sprawność podczas pracy w częściowym przełyku turbiny oraz duża szybkobieżność. Wirniki turbiny Kaplana wykonane są najczęściej w postaci odlewu staliwnego głównie ze staliwa stopowego i posiadają mniejsza liczbę łopatek w porównaniu do wirnika turbiny Francisa. W niewielkich wirnikach nastawiane łopatki wirników przestawiane są za pomocą drążka (rys.1), który to może być przesuwany ręcznie stosując do tego odpowiednią nastawnice lub też tak jak w dużych wirnikach stosując siłownik (rys. 1) znajdujący się w części drążonego wału turbiny albo w piaście wirnika. Konstrukcja kierownic turbin śmigłowych jest taka sama jak w przypadku kierownic turbin Francisa (rys. 1). Mechanizm odpowiadający za przestawianie łopatek kierownicy sprzężony jest z mechanizmem odpowiadającym za przestawianie łopatek wirnika w taki sposób, aby sprawności turbiny przybierały w każdym położeniu sprzężonych ze sobą łopatek najwyższe wartości, jakie w danych warunkach zewnętrznych można osiągnąć.
Duże turbiny śmigłowe umieszczone w komorach spiralnych podobnie jak turbiny Francisa posiadają regulacje zewnętrzną, natomiast małe turbiny tego typu w komorach otwartych mają regulację wewnętrzną. Aby zmniejszyć ciężar elementów dużych turbin coraz częściej stosuje spawanie w celu ich połączenia. Za przykład wykorzystania tej technologii może posłużyć turbina Kaplana, której to elementy wykonane są z blachy i połączone za pomocą spawania. Ze względu na znaczną część energii kinetycznej odzyskiwanej po wylocie wody z wirnika, która to stanowi nawet do 40 % całkowitej energii wody. Dużą uwagę należy zwrócić na konstrukcję rury ssawnej, gdyż to od niej w dużym stopniu zależy sprawność turbiny. Najczęściej wykorzystuje się turbiny Kaplana o osiach pionowych umieszczonych w komorach spiralnych, betonowych lub też blaszanych z rurami ssawnymi z osiami zakrzywionymi.
Rys. 1. Turbina Kaplana
1 — łopatka kierownicza, 2 — dźwignia czopa łopatki, 3 —łącznik, 4 — pierścień regulacyjny, 5 — cięgno serwomotoru; po prawej – 1.Drąg przestawczy, 2.Krzyżak, 3.Łącznik, 4.Dźwignia, 5.Czop łopatki, 6.Łopatka
Rys. Turbina Kaplana w układzie rurowym ukośnym
1.Kraty, 2.Kierownica, 3.Wirnik, 4.Wał z serwomotorem wirnika i łożyskiem wzdłużnym, 5.Dławica i łożysko prowadzące, 6.Przekładnia stożkowa, 7.Prądnica, 8. Regulator
Turbiny Kapłana w układzie poziomym lub ukośnym w obudowie rurowej nazywamy turbinami rurowymi. Układ rurowy w stosunku do klasycznego umożliwia uproszczenie konstrukcji i obniżenie kosztów wykonania zarówno turbozespołu, jak i betonowego bloku elektrowni. Turbiny rurowe są stosowane przy małych spadach. Turbina jest tu często sprzęgana z prądnicą za pośrednictwem przekładni. Turbiny rurowe mogą pracować przy dwóch kierunkach przepływu oraz jako pompoturbiny. Wobec swoich zalet nadają się też do wykorzystania w małych elektrowniach, co nadaje im szczególne znaczenie w warunkach krajowych.
Źródło:
– instsani.pl