ΤΟΥΡΜΠΙΝΑ KAPLAN

1. Δομή και Αρχή Λειτουργίας του Δρομέα Kaplan

Οι τουρμπίνες Kaplan ανήκουν στις αντιδραστικές τουρμπίνες και αποτελούνται κυρίως από έναν δρομέα, ένα θάλαμο δρομέα, ένα συγκρότημα πτερυγίων οδηγού και ένα σπειροειδές περίβλημα.

Τα πτερύγια του δρομέα μιας τουρμπίνας Kaplan μοιάζουν με ανεμιστήρα, και η παρακάτω εικόνα δείχνει έναν δρομέα με τέσσερα πτερύγια.

Ο δρομέας είναι εγκατεστημένος στον θάλαμο του δρομέα, και η ροή του νερού εισέρχεται και εξέρχεται από τον δρομέα αξονικά, όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα.

Η διατομή του πτερυγίου ενός υδροστροβίλου Kaplan έχει σχήμα αεροτομής, παχύ στη ρίζα και λεπτό στις άκρες, με το νερό να ρέει αξονικά μέσα από τα πτερύγια του δρομέα, και η αρχή λειτουργίας του είναι παρόμοια με αυτήν ενός ανεμοστρόβιλου. Η παρακάτω εικόνα δείχνει το διάγραμμα δυνάμεων του πτερυγίου, όπου η δύναμη στο πτερύγιο αναλύεται απλά χρησιμοποιώντας μια διατομή ενός πτερυγίου. Ο άξονας του δρομέα είναι κάθετος στο έδαφος, και οι γραμμές των βελών στην εικόνα είναι γραμμές διανυσμάτων που υποδεικνύουν τόσο το μέγεθος όσο και την κατεύθυνση.

Πρώτα, κοιτάξτε το αριστερό διάγραμμα. Το σημείο m είναι ένα σωματίδιο νερού κοντά στο πτερύγιο. Για σαφήνεια, έχει μετακινηθεί προς τα πάνω αριστερά. Η ταχύτητα του σωματιδίου νερού είναι V. Λόγω της κυκλοφορίας καθώς το νερό εισέρχεται στην περιοχή του δρομέα, η κατεύθυνσή του στο διάγραμμα δεν είναι κάθετα προς τα κάτω αλλά κεκλιμένη προς τα αριστερά. Το πτερύγιο περιστρέφεται γύρω από τον άξονα, και η εφαπτόμενη ταχύτητα της διατομής του είναι U. Σχετικά με το πτερύγιο, το σωματίδιο νερού m κινείται προς τα δεξιά με ταχύτητα -U. Επομένως, η σχετική ταχύτητα του σωματιδίου νερού m ως προς το πτερύγιο είναι W, που σημαίνει ότι η κατεύθυνση της ροής του νερού που δρα στο πτερύγιο είναι W. Στη συνέχεια, εξετάστε το δεξί διάγραμμα. Το πτερύγιο υπόκειται σε ροή νερού στην κατεύθυνση W. Δεδομένου ότι το W σχηματίζει γωνία προσβολής α με τη χορδή της αεροτομής c, παράγεται μια δύναμη άνωσης L κάθετη στο W, μαζί με μια δύναμη οπισθέλκουσας D (στην ίδια κατεύθυνση με το W). Η συνισταμένη δύναμη R αυτών των δύο δυνάμεων είναι η δύναμη που δρα στο πτερύγιο. Η οριζόντια συνιστώσα του R είναι F, η οποία είναι η δύναμη που οδηγεί το πτερύγιο στην περιστροφή.

   

• Τουρμπίνα Kaplan με σταθερά πτερύγια

Τα πτερύγια του δρομέα μιας αξονικής τουρμπίνας σταθερών πτερυγίων είναι σταθερά στον κόμβο, διαθέτοντας απλή δομή και χαμηλό κόστος. Ωστόσο, η έξοδός της μπορεί να ελεγχθεί μόνο με τη ρύθμιση των πτερυγίων οδηγού, με αποτέλεσμα σημαντική πτώση στην απόδοση της τουρμπίνας όταν υπάρχουν σημαντικές διακυμάνσεις στην πτώση νερού και το φορτίο. Οι αξονικές τουρμπίνες σταθερών πτερυγίων εφαρμόζονται γενικά υπό πτώση νερού μικρότερη από 25 μέτρα με ισχύ εξόδου που δεν υπερβαίνει τα 50.000 κιλοβάτ.

• Τουρμπίνα Kaplan με ρυθμιζόμενα πτερύγια

Τα πτερύγια του δρομέα μιας αξονικής τουρμπίνας Kaplan μπορούν να περιστρέφονται αντίστοιχα σύμφωνα με τις αλλαγές στην πτώση νερού και το φορτίο, ρυθμίζοντας τη γωνία προσβολής α των πτερυγίων. Αυτό επιτρέπει στην τουρμπίνα να διατηρεί εξαιρετική απόδοση λειτουργίας ακόμη και όταν η πτώση νερού και το φορτίο παρουσιάζουν σημαντικές διακυμάνσεις. Ο μηχανισμός που ελέγχει την περιστροφή των πτερυγίων βρίσκεται μέσα στον κόμβο, αποτελούμενος κυρίως από έναν υδραυλικό κύλινδρο που κινεί τα πτερύγια. Το έμβολο μέσα στον κύλινδρο ενεργοποιεί την περιστροφή των πτερυγίων μέσω μιας ράβδου εμβόλου, συνδετικών ράβδων, βραχιόνων πτερυγίων και άλλων εξαρτημάτων.

Η παρακάτω εικόνα είναι ένα σχηματικό διάγραμμα της περιστροφής των πτερυγίων του δρομέα μιας τουρμπίνας Kaplan. Η αριστερή εικόνα δείχνει το πτερύγιο στην κλειστή θέση. η μεσαία είναι η θέση υπολογισμού, η οποία είναι η θέση σχεδιασμού κατά την κανονική λειτουργία. η δεξιά είναι η πλήρως ανοιχτή θέση.

3. η δομή της ΤΟΥΡΜΠΙΝΑΣ KAPLAN

Μια τουρμπίνα Kaplan αποτελείται κυρίως από τρία κύρια εξαρτήματα. Τα περιστρεφόμενα μέρη περιλαμβάνουν τον δρομέα και τον κύριο άξονα. Τα σταθερά μέρη περιλαμβάνουν κυρίως το σπειροειδές περίβλημα, τον δακτύλιο στήριξης, τον κάτω δακτύλιο, το κάλυμμα κεφαλής, το άνω στήριγμα, τον κώνο, τον θάλαμο δρομέα και τον σωλήνα εκκένωσης. Το συγκρότημα πτερυγίων οδηγού περιλαμβάνει κινητά πτερύγια οδηγού, μοχλούς πτερυγίων οδηγού, συνδέσμους πτερυγίων οδηγού, δακτύλιο ελέγχου και σερβοκινητήρα. Υπάρχουν επίσης ρουλεμάν οδηγού, στεγανοποιήσεις άξονα και άλλα εξαρτήματα.

Η παρακάτω εικόνα είναι μια τομή του δακτυλίου στήριξης, του κάτω δακτυλίου, του καλύμματος κεφαλής, του άνω στηρίγματος, του κώνου και της επένδυσης του θαλάμου δρομέα, δείχνοντας τη βασική δομή. Ο δακτύλιος στήριξης χρησιμεύει ως θεμέλιο ολόκληρου του υδροστροβίλου και είναι το πιο κρίσιμο εξάρτημα.

Το κάλυμμα κεφαλής είναι εγκατεστημένο στο άνω μέρος του δακτυλίου στήριξης, ενώ ο κάτω δακτύλιος και ο θάλαμος του δρομέα είναι τοποθετημένοι κάτω από τον δακτύλιο στήριξης. Το σπειροειδές περίβλημα είναι τοποθετημένο στην εξωτερική περιφέρεια του δακτυλίου στήριξης. Ο σωλήνας εκκένωσης είναι εγκατεστημένος κάτω από τον θάλαμο του δρομέα. Το κάλυμμα κεφαλής είναι τοποθετημένο στο εσωτερικό άνω μέρος του δακτυλίου στήριξης, το κάλυμμα στήριξης είναι εγκατεστημένο μέσα στο κάλυμμα κεφαλής, και ο κώνος (κώνος οδηγού) είναι τοποθετημένος στο εσωτερικό κάτω μέρος του καλύμματος στήριξης. Η παρακάτω εικόνα δείχνει ένα σχηματικό διάγραμμα των παραπάνω εξαρτημάτων συναρμολογημένων μαζί.

4. Συνθήκες λειτουργίας της τουρμπίνας Kaplan

Η παρακάτω εικόνα είναι ένα σχηματικό διάγραμμα της κατεύθυνσης ροής νερού ενός αξονικού υδροστροβίλου, με τις μπλε γραμμές βελών να υποδεικνύουν την κατεύθυνση ροής νερού.