En Kaplan-turbin er en hydraulisk propelturbin av reaksjonstype som ble oppfunnet i 1912 av den østerrikske ingeniøren Viktor Kaplan .
Den er egnet for lave fall fra 2 til 25 meter i høyden, og veldig store renn fra 70 til 800 m 3 / s .
Kaplan-turbinen skiller seg fra andre propellturbiner med sine orienterbare kniver, hvor stigningen kan varieres under drift. Dette gjør at den har høy energieffektivitet for variable vannstrømningshastigheter. Effektiviteten når normalt mellom 90% og 95%.
Kaplan-turbinen er en teknisk utvikling av Francis-turbinen . Hans oppfinnelse muliggjorde effektiv kraftproduksjon når Francis-turbinen ikke kunne brukes. Diameterene kan variere mellom 2 og 11 meter med et rotasjonsområde for turbinen, som kan variere fra 50 til 250 rpm , for en installert effekt på opptil 250 MW .
I 1910 foreslo den østerrikske ingeniøren Viktor Kaplan , bosatt i Brno , Tsjekkoslovakia , en annen modell av turbin, for å svare på Francis-turbinens dårlige ytelse , i tilfelle et fall fra lav høyde. Denne vertikale akseturbinen, med en spiralformet rotor, har kniver med variabel stigning. Mellom 1912 og 1913 arkiverte han fire østerrikske patenter for sine viktigste oppfinnelser:
Den første Kaplan-turbinen ble opprettet i 1918 , deretter produsert av Stahlhütte Ignas Storek Company i Brno , og deretter installert i 1919 i en demonstrasjonsenhet i Poděbrady , Tsjekkoslovakia .
Den andre turbinen er installert i en tekstilfabrikk (tilhørende familien til Viktor Kaplan), i Velm-Götzendorf , Østerrike , med en effekt på 25,8 hk for en fallhøyde på 2,3 meter og roterer med en hastighet på 800 omdreininger / min ( denne vil fungere til 1955 , og er synlig siden, i Museum of the techniques of Vienna , Austria ). Viktor Kaplan ble imidlertid tvunget til å stoppe forskningen i 1922 av helsemessige årsaker.
I 1922 installerte det tyske selskapet Voith Kaplan-turbiner i elver med en effekt på 800 kW . Imidlertid ble utviklingen av Kaplan-turbiner stoppet i 1926 på grunn av utseendet til det destruktive fenomenet kavitasjon under drift av turbinen.
I 1926 løste et svensk selskap problemet ved å lage et hydraulisk styrt servostyringsapparat som tillot dynamisk justering av rotorbladets rotasjonsvinkel før kavitasjon dukket opp. Samme år ble det installert en rotorturbin med en diameter på 5,8 meter og en effekt på 10 000 hk for en fallhøyde på 6,5 meter i Lilla Edet , Sverige .
Cutaway (Voith Company)
Svingene i bunnen av bladet tillater dynamisk endring av rotasjonsvinkelen for å unngå at kavitasjonsfenomenet ser ut. Navet inneholder hydrauliske sylindere som tillater denne dynamiske justeringen (vannkraftverk i Plave, nord for Nova Gorica , Slovenia )
Kaplan-turbin på Teknisk museum i Wien , Østerrike
Kaplan-turbiner er nå mye brukt over hele verden, i tilfelle høy strømning eller lavt hode.
For tidlig erosjon kan oppstå ved bruk av en turbin, forårsaket av kavitasjon . Dette kan føre til at den aktuelle turbinen stenges for tidlig for å kunne utføre tungt vedlikeholds- og reparasjonsarbeid, og også betydelige økonomiske konsekvenser (produksjonsstans, vedlikeholdskostnader på stedet eller tung reparasjon i verkstedet osv. . ). Kavitasjon ledsages også av et fall i effektiviteten til turbinen, eller i den absorberte høyden, av en generasjon av vibrasjoner i den mekaniske strukturen, ledsaget av intens støy.
Det hydrauliske utstyret til franske kraftstasjoner, gitt av staten til EDF eller dets datterselskaper, er til stede i 447 vannkraftverk. Spesielt finnes Kaplan-turbiner og deres komponenter (rotorer, vinger, kniver, jekk, ventiler, kraner, lagre osv. ). Alle elementene knyttet til det hydrauliske utstyret blir betjent og vedlikeholdt av en intern EDF-enhet, Hydraulic Repair Service , som utfører metalloverflatebehandling ved sveising, sliping for omforming, enten i verkstedet eller på stedet., Samt bearbeidingsarbeid.
En evolusjon av Kaplan-turbinen er pæregruppen.
Disse 3 patenter ble kjøpt av Escher Wyss , den sveitsiske turbinprodusenten, i Zürich . Det siste patentet godkjent den15. oktober 1934, drives av Arno Fisher, som i August 1936, tar i bruk to pæregrupper , med en effekt på 168 kW , i Röstín , i Pommern , (for tiden i Polen ), ved elven Parsęta , som vil fungere til kl .Januar 1942.
Industriell utvikling startet i 1950 . I Frankrike ble det i 1960 , med Rance tidevannskraftverk , innviet den26. november 1966, at strømproduksjonen har startet, med et sett på 24 pæregrupper, med en enhetskapasitet på 10 MW , eller en installert kapasitet på 240 MW . I Sør-Korea er Sihwa tidevannsstasjonen , utstyrt med et sett med 10 pæregrupper, med en kapasitet på 25,4 MW , eller en installert kapasitet på 254 MW , den kraftigste installasjonen i denne fyren i verden, sidenaugust 2011.
I denne typen maskiner er turbin og generator koblet langs en horisontal akse, inne i en profilert konvolutt, nedsenket i vannstrømmen. Dette arrangementet, som har fordelen av å gi strømmen en rettlinjet bane, er spesielt egnet for svært lave fall og høye strømningshastigheter.
Denne teknologiske utviklingen har tillatt forbedring av den hydrauliske strømmen, uten retningsendring, derav en økning i effektivitet, samt en reduksjon i dimensjoner og dermed en reduksjon i kostnadene, som har bidratt til dens utvikling, overalt. I Frankrike finnes de viktigste plantene, utstyrt i pæregrupper, i Rhônedalen , på Isère , på Tarn , på Mosel , på Truyère , på Dordogne , på Rhinen , på Lot eller på Garonne .
Den høyeste effekten som en pæregruppe har nådd er 60 MW .
Pæregruppen er reversibel av natur på grunn av den aksiale strømmen og symmetrien til oppstrøms- og nedstrømsadduksjoner, og kan fungere som en pumpe eller som en turbin i begge strømningsretninger. Dette er for eksempel tilfelle i tidevannskraftverk, avhengig av tidevannet, og aktivert takket være knivens orientering.
Distributøren (fast rutenett bestående av en mobil vinge med 20 føringslinjer), oppstrøms propellen, spiller en viktig rolle. Det gjør at høyden på dråpen kan brukes til å tvinge væsken til å passere gjennom retningslinjene, orientert på en slik måte at det genererer en virvel . Den høyde potensiell energi blir således omdannet til tangentialhastighet (som tilsettes i beste fall til 60% av den aksiale hastighet av fluidet).
I omvendt drift er ikke fordeleren lenger oppstrøms, men nedstrøms for propellen, noe som forårsaker en reduksjon i effektiviteten i størrelsesorden 10%. Distributøren spiller ikke lenger sin rolle, og føringsskinnene må være låst i helt åpen stilling og låst.
Den "svært lave hodet" -turbinen ( VLH Turbine eller Very Low Head Turbine, patentert i 2003 ): type turbin (utvikling av Kaplan-turbinen med variabel åpning), designet for å beskytte miljøet og særlig dyrelivsoppdrett (nedstrøms laks, nedstrøms ål, ørret, cyprinids alle fiskearter, etc.), i elver eller bekker.
VLH-turbiner er preget av:
Disse VLH-turbinene er designet og produsert i Frankrike, av selskapet MJ2 Technologies og tar hensyn til:
"Liten vannkraft" viser et relativt stort potensiale, som i Frankrike er anslått til 1000 MW kapasitet (kilde: Observatory of Renewable Energies (Observ'ER)).