Kaplan-turbiini
Kaplan turbiini on aksiaalinen virtaus veden turbiini , jossa on säädettävä juoksupyörä , ja sitä käytetään vesivoimalaitosten . Itävallan insinööri Viktor Kaplan kehitti sitä edelleen ja patentoi sen Francis-turbiinista vuonna 1913 . Kavitaatio , joka esiintyy erityisen helposti tämän tyyppisten turbiinien kanssa, johti toistuvasti takaiskuihin kehitystyössä. Ensimmäiset Kaplan-turbiinit pystyivät menestyvään jatkuvaan toimintaan vasta, kun he ymmärsivät, miten tämä ilmiö saadaan hallintaan rakentavilla toimenpiteillä turbiinilla .
Toimintaperiaate
Kaplan-turbiinissa juoksupyörä muistuttaa aluksen potkuria , jonka terät ovat säädettävissä (katso vaihtelevan nousun potkuri ). Klassisen Kaplan-turbiinin nopeus on vakio veden määrästä riippumatta. Kaplan-turbiinin generaattori voi siis syöttää suoraan verkkoon sopivalla välityssuhteella. Potkurin siipien säätämisellä saavutetaan, että terät lentävät aina optimaalisesti vaihtelevalla vesimäärällä ja saavuttavat siten korkean hyötysuhteen. Turbiineja ilman tätä terän säätöä kutsutaan potkuriturbiiniksi . Korkean hyötysuhteen ja suuren kapasiteetin saavuttamiseksi vaihtelevilla vesimäärillä potkuriturbiinien nopeutta säädetään (sähkötekninen ohjaus): sama vaikutus saavutetaan nestemekaniikan suhteen kuin kun säädetään klassisen Kaplan-turbiinin juoksupyörän siipiä. Jos vesimäärä on vakio, nopeutta ei tarvitse säätää tai juoksupyörän siipiä säätää ja syöttää niitä suoraan verkkoon.
Häntäyksikkö , joka tunnetaan myös nimellä ohjauslevyt, sijaitsee juoksupyörän edessä . Se varmistaa, että vesi osuu turbiinin siipiin optimaalisesti ja asettaa turbiinin pyörimään. Ohjaamalla ja siipipyörän siipiä (kaksoissäätö) Kaplan-turbiinin tehokkuus voidaan sovittaa erilaisiin vesimääriin ja päihin. Saavutettu hyötysuhde on välillä 80-95%.
Kaksoissäädettävät turbiinit soveltuvat ihanteellisesti matalasta erittäin matalaan päähän ja suuriin ja vaihteleviin virtausnopeuksiin. Kaplan-turbiini on siis ennalta määrätty suurille jokivoimalaitoksille rauhallisesti virtaaville suurille vesistöille, samoin kuin kastelukanaville, jäännösvesivoimalaitoksille ja käytettäväksi myllyissä.
Vedenpaine laskee tasaisesti juoksupyörään saapumisesta ulostuloon - Kaplan-turbiinissa potentiaalienergia muuttuu kineettiseksi energiaksi. Jäljellä oleva energia haihtuu imusarjaan, joka on kytketty turbiinin alavirtaan. Vesi lähtee turbiinista imuputken kautta ja menee veden alle.
Tyypit
- Kaavio Kaplan-turbiinien eri muunnelmista ja Kaplan-tyyppisistä malleista
pystysuora Kaplan-turbiini;
Generaattori on vedenottoaukon yläpuolella
todellinen Kaplan-polttimo turbiini;
Generaattori sijaitsee polttimon sisällä
S-turbiini;
Turbiinin akseli johtaa imuputken kautta generaattoriin
Gear polttimo turbiini;
Turbiinin akseli on kytketty generaattoriin vaihteiston kautta
Straflo-turbiini;
turbiiniterissä on kehärengas generaattorin roottorin kanssa
VLH-turbiini;
generaattori on asennettu juoksupyörän sisään
DIVE-turbiini kiinteillä siipipyörän siivillä;
Generaattori istuu suoraan turbiinin yläpuolella ja on täysin tulvinut
Pystysuora Kaplan-turbiini
Kaplan-turbiinit asennetaan yleensä pystysuoraan siten, että vesi virtaa läpi ylhäältä alas. Suhteellisen korkeiden päiden tapauksessa turbiinin edessä käytetään spiraalia , joka muuttaa veden pyörteeksi . Syöttöakseli tai yksinkertaistettu puolispiraali riittää alaosiin. Kolmivaiheinen generaattori suunniteltu avonapaista kone on yleensä liitetty suoraan yläpuolella turbiinin jotta pystyä lähettämään kineettisen energian tuottama juoksupyörän generaattorin roottorin kautta pystysuoran akselin ilman taipuma tappioita.
Polttimo turbiinit
Kaplan-turbiinista kehitettiin Kaplan-polttimo-turbiini matalille päille enintään 25 metriin ja tehoon 75 MW saakka, juoksupyörällä varustettu akseli asennetaan vaakasuoraan virtaavan veden suuntaan. Näin vältetään taipumahäviöt ja siten suurempi absorbointikyky ja suurempi täyskuormitustehokkuus.
Klassinen polttimo turbiini
1 juoksupyörän terä, 2 ohjainsiipiä, 3 ohjainta siipien ohjausta, 4 tukisiipiä, 5 turbiiniakseli, 6 generaattoria, 7 kaivoaukkoa
Generaattori sijaitsee vesitiiviissä kotelossa turbiinin akselin pidennetyssä päässä. Vaakasuora järjestely tarkoittaa, että tilaa tarvitaan vähemmän ja konehuone voidaan siten rakentaa alemmaksi , mikä tarkoittaa, että maisema on vähemmän heikentynyt.
S-turbiini
|
|
|
|
S-turbiinin malli Hochablassin vesilaitoksessa . Turbiinin sisääntulo muodostuu suppilon muotoisesta sisääntulosta, jossa on kartiomainen pyrstöyksikkö . Ohjaussiipien säätömekanismi on merkitty keltaisella. Juoksupyörän on säädettävät siivet.
| ||
Yksi Kaplan-polttimo-turbiinin erikoismuotoista on S-turbiini (korkeintaan 15 m: n päähän). Imuputki on taivutettu S-muotoon, jotta turbiinin akseli voidaan ohjata ulos. Generaattori on asennettu turbiinin ulkopuolelle, joten se on helpommin saatavilla säännöllisiä tarkastuksia ja huoltotöitä varten. Tällöin kokonaiskorkeutta voidaan pienentää entisestään. Tämä mahdollistaa myös asentaa turbiinit pienvesivoimalaitosta esimerkiksi yli kapean joen tai kanavan , tipalla korkeus enintään 5 m tai hieman patoaminen läpi padon . S-turbiineja käytetään voimalaitoksissa, joiden kapasiteetti on enintään 15 MW.
Katso myös vesivoimalaitosten tyypit .
Hammaspyöräturbiini
Toinen erikoismuoto on vaihdepolttimoottori (korkeintaan 12 m). Se on hyvin samanlainen kuin S-turbiini , mutta siinä on kaksi olennaista ominaisuutta. Imuputki on suora ja turbiinin akseli on kytketty generaattoriin vaihteen kautta suoraan. Tämä voidaan tehdä vaaka- tai pystysuunnassa, mikä tekee suunnittelusta vielä pienikokoisemman kuin S-tyypin turbiinit . Nopeudet turbiinin ja generaattorin voidaan optimoida erikseen avulla sopivan step-up tai -laitteen yleiskuvaus alas. Hammaspyöräturbiinia käytetään voimalaitoksissa, joiden teho on enintään 4 MW.
Straflo-turbiini
Kaplan-polttimo-turbiinien jatkokehitys on ns. Straflo-turbiinit (englanniksi. Flow straight , straight flow). Tämän tyyppinen Turbiinin roottorin turbiinin ja generaattorin roottorin muodostavat yksikön, joka sijaitsevat yhteisessä tasossa . Tämä tarkoittaa, että Straflo-turbiinilla ei ole omaa akselia , vaan turbiinin siipissä on kehärengas , johon virityskäämi on integroitu. In sijaan, staattorikäämitys on rakennettu osaksi kotelon turbiinin; se on vedessä, joka ajaa turbiinia. Varastointi ja turbiinin akselin tehdään yhdeltä puolelta suljettuun koteloon. Tämän rakenteen tekninen haaste on rengasgeneraattorin ulkotiiviste. Vaikuttavien keskipakovoimien vuoksi on olemassa vaara, että hiekka kulkeutuu näihin tiivisteisiin ja lisää kulumista. Varhaiset versiot tästä järjestelystä patentoitiin Arno Fischer vuonna 1936 ja asennettiin Maria Steinbachin voimalaitokseen , joka vihittiin käyttöön vuonna 1938. Nykyään moderneja Straflo-turbiineja löytyy esimerkiksi Laufenburgin jokivoimalaitoksesta ja Annapolisin vuorovesivoimalaitoksesta .
Kaplanin kaltaiset mallit
Tavalliset pystysuorat Kaplan- ja Kaplan-lamputurbiinit toimivat synkronisesti verkon kanssa, ts. Generaattorin vakionopeudella. Tehoelektroniikan kehitys tekee mahdolliseksi muita lähestymistapoja, jotka poikkeavat perinteisistä käsitteistä. Vaihteleva turbiinin ja generaattorin nopeus antaa mahdollisuuden jättää pois joko säädettävä takayksikkö tai säädettävät turbiiniterät, mikä vähentää mekaanista vaivaa. Sillä on kuitenkin ohjattava taajuudelle tuotettu teho .
Sukellus turbiini
.png)
DIVE turbiini on kaksinkertainen säännelty pystysuorassa virrata läpi potkurin turbiinin ulostulot jopa neljä megawattia alhaisella päät (2-60 m) ja veden määrät välillä 0,6 ja 40 m³ / s. DIVE-turbiini on täysin kapseloitu, suoraan kytketty potkuriturbiinigeneraattoriyksikkö, joka on täysin tulvittu käytön aikana. Tämän seurauksena generaattori jäähdytetään automaattisesti vesijäähdytyksellä ja tuskin melu tai tärinä tunkeutuu ulkopuolelle. Säätö tapahtuu säädettävän diffuusorin ja turbiinin juoksupyörän säädettävän nopeuden kautta (kaksinkertainen säätö). Säädettäviä siipipyörän siipiä vältetään nimenomaisesti (potkuriturbiini). Jännite välipiirin muunnin tuo virran juovataajuuden. Koska turbiini ja generaattori ovat täysin tulvinut, turbiinitaloa ei tarvita. Muunnin ja voimalaitoksen ohjaus ovat tulvankestävässä säiliössä tai olemassa olevassa rakennuksessa. Tämä tarkoittaa, että DIVE-turbiinit voidaan kuljettaa ja käyttää jopa paikoissa, joissa infrastruktuuri on vähäinen. Tähän mennessä maailmanlaajuisesti on asennettu yli 30 DIVE-turbiinia (vuodesta 2017). Kiinteän juoksupyörän siipien ja nopeuden säädön sisältävän DIVE-turbiinin rakenteen vuoksi valmistaja olettaa, että se on kalaystävällinen.
VLH-turbiini
VLH turbiini (hyvin matala pää) on uusi kehitys 2003, joka on erityisesti optimoitu matalille päätä. Se käyttää suuria juoksupyörän halkaisijoita, mikä johtaa pieniin nopeuksiin ja siten hyvään kalanystävällisyyteen. Generaattori asennetaan keskelle juoksupyörää. Valmistaja määrittelee putoamiskorkeudet 1,5–4,5 m tilavuusvirralla 10–27 m³ / s. VLH-turbiinissa ei ole säädettävää suutinta. Virtauksen säätö ja turbiinin hyötysuhteen optimointi tapahtuu säädettävien siipipyörän siipien ja generaattorin nopeuden ohjauksen avulla. Muuttuva generaattorin nopeus tekee alavirran taajuusmuuttajan välttämättömäksi. Tällä hetkellä (vuodesta 2013 lähtien) on noin 40 järjestelmää.
Katso myös
Vesi turbiini artikkeli osoittaa alueet soveltaa useita turbiinin malleja riippuen virtausnopeudesta ja pää.
kirjallisuus
- Christian Böhm: Numerinen simulointi kalojen kulkeutumisesta vesiturbiinien läpi , München 2004, DNB 974170887 , (Väitöskirja Münchenin teknillinen yliopisto 2004, 157 sivua, kokoteksti online- PDF, 157 sivua, 40,7 Mt, tiivistelmä ).
- Martin Gschwandtner: Kulta vesistä: Viktor Kaplanin tie nopeimpaan vesiturbiiniin , e-kirja, Grin, München 2007, ISBN 978-3-638-71574-4 , Filosofinen väitöskirja Salzburgin yliopisto 2006, 384 sivua, ( taulukko sisältö ja lukunäyte )
- Martin Gschwandtner: Energia vesistä. Viktor Kaplanin nopein puimuri . 4. painos, Disserta , Hampuri 2015, ISBN 978-3-95425-940-3
- Karl Meise, Grete Meise: Turbiini: keksinnön seikkailu, Viktor Kaplansin elämä ja työ , Steiermark, Graz 1965, OCLC 73543599 .
- Josef Nagler: Kaplan-turbiinin kehitys ja ura Storek-yhtiössä , julkaisussa: Blätter für Technikgeschichte, osa 15, 1953, s.89-102 , ISSN 0067-9127 .
- Gerlind Weber, Gunter Weber: Viktor Kaplan: 1876-1934 , Technické muzeum v Brně / Technical Museum, Brno 2003, ISBN 978-80-8641-311-2 (saksa ja tšekki, překlad / käännös tšekiksi: Jaromír Hladík).
- Gerlind Weber, Gunter Weber: Viktor Kaplan - keksijän elämän ylä- ja alamäkiä , julkaisussa: Wasserwirtschaft , osa 104, nro 6, 24. kesäkuuta 2014, sivut 10–22, Springer, Berliini 2014, ISSN 0043-0978 .
- Jürgen Giesecke, Stephan Heimerl, Emil Mosonyi: Vesivoimalaitokset: suunnittelu, rakentaminen ja käyttö . 6. painos. Springer Vieweg, ISBN 978-3-642-53870-4 , 15.1, s. 591-600 .
nettilinkit
Yksittäiset todisteet
- ↑ Patentti DE293591 : keskipakokone (vesi-, höyry- tai kaasuturbiini tai keskipakopumppu tai tuuletin). Julkaistu 23. heinäkuuta 1913 , keksijä: Victor Kaplan.
- ^ Jürgen Giesecke, Stephan Heimerl, Emil Mosonyi: Vesivoimalaitokset: suunnittelu, rakentaminen ja käyttö . 6. painos. Springer Vieweg, ISBN 978-3-642-53870-4 , 14.4.1.1, s. 570 .
- ↑ http://www.hfm.tugraz.at/fileadmin/user_upload/pdf/publikationen/2013/Institut-HFM_TU-Graz_HYDRO_2013_investigation-rim-lip-seal-double-regulated-STRAFLO-Kaplan-turbine.pdf
- ↑ Patentti DE718423 : Jokien tulva vedenalainen voimalaitos. Rekisteröity 13. joulukuuta 1936 , julkaistu 11. maaliskuuta 1942 , hakija: Arno Fischer, keksijä: Arno Fischer.
- ↑ Sukellusturbiinin käyttöalue. DIVE Turbinen GmbH & Co. KG, luettu 29. maaliskuuta 2017 .
- ↑ Christian Winkler: Vesivoima asuinalueilla - alle vaadittujen melupäästöjen raja-arvojen. Julkaisussa: WasserWirtschaft. Springer, lokakuu 2015, luettu 29. maaliskuuta 2017 .
- ↑ DIVE-turbiinivalmistajan verkkosivusto, aihe: nopeuden säätö. Haettu 29. maaliskuuta 2017 .
- ↑ DIVE-turbiinivalmistajan verkkosivusto, aihe: Viitteet. Haettu 29. maaliskuuta 2017 .
- ↑ DIVE-turbiinivalmistajan verkkosivusto, aihe: Kalaystävällinen turbiini. DIVE Turbinen GmbH & Co. KG, luettu 29. maaliskuuta 2017 .
- ↑ WasserWirtschaft (Toim.): Kalan kanssa yhteensopiva voimalaitossuunnittelu, jossa on vaihtelevan nopeuden potkuriturbiinit . Springer, 2017, s. 57-58 .
- ↑ Patentti FR2862723 : Vesivoimalan turbiini, jonka koteloa on liikutettu avaamalla sylinterimäinen osa, ja pyörän terät on järjestetty osan tasolle, jossa pyörän pyörimisnopeus on pienempi kuin tietyt kierrokset minuutissa. Rekisteröity 3. marraskuuta 2003 , julkaistu 27. toukokuuta 2005 , hakija: Jacques Fonkenel, keksijä: Jacques Fonkenel.
- ^ VLH-turbiinivalmistajan verkkosivusto. Haettu 4. joulukuuta 2016 .
- ^ Jürgen Giesecke, Stephan Heimerl, Emil Mosonyi: Vesivoimalaitokset: suunnittelu, rakentaminen ja käyttö . 6. painos. Springer Vieweg, ISBN 978-3-642-53870-4 , 15.5.4.3, s. 638 .
- ^ Josef Nagler: Kaplan-turbiinin kehittäminen ja kehittäminen Storek-yhtiössä . Julkaisussa: Lehdet tekniikan historiaan (= lehdet tekniikan historiaan ). Ei. 15 . Springer Wien, 1953, ISBN 978-3-211-80298-4 , s. 89-102 , doi : 10.1007 / 978-3-7091-2291-4_6 ( springer.com [käytetty 8. joulukuuta 2016]).