توربین کاپلان چیست؟
توربین کاپلان را می توان یکی از انواع توربین های عکس العملی به شمار آورد. این توربین ها در پی عملکرد نامناسب توربین های فرانسیس درست شده اند. هد فشار لازم برای این توربین ها در مقایسه با توربین های فرانسیس کمتر است. این نوع توربین ها به شکل محور عمودی هستند. مکانیسم آنها ساده است. ضمن این که نگهداری از آنها نیز ساده است و به آسانی قابل نصب اند. قیمت این توربین ها در مقایسه با توربین های دیگر کمتر است. آنها را می توان در مواقعی که حجم آب زیاد و ارتفاع کم است به کار برد. همچنین، برای مکان هایی با تغییرات در حجم و ارتفاع ریزش آب مناسب هستند.
مکانیسم عملکرد توربین های کاپلان
توربین کاپلان متشکل از سه جزء پره ها، محفظه (شفت) و ژنراتور است. مکانیسم عملکرد آن به این صورت است که آب با وارد شدن به محفظه پره ها موجب چرخش آنها می شود. با منتقل کردن انرژی مکانیکی (که شفت به وجود آورده) به ژنراتور می توان به انرژی دست یافت. از این نوع توربین ها در مکان هایی با آب جاری مانند رودخانه یا کانال های آب استفاده می شود. به طور معمول از نظر فنی پره ها بین 3 تا 6 عدد متغیر هستند. برای تعیین تعداد پره ها به نوع و محل نصب توربین باید توجه شود. ژنراتورهای استفاده شده در این توربین ها از نوع ژنراتورهای با دور پایین است. این توربین ها را در بعضی از سدها تا 20 مگاوات هم به کار می برند.
در این توربین ها برای رسیدن به توان زیاد دبی حجمی بالایی لازم است و باید بزرگ باشد. در موقع گذر کردن آب از درون توربین دبی عبوری از سمت شعاعی به سمت محوری تغییر می کند. محفظه وظیفه راهنمایی آب به پره ها را به عهده دارند. پره های راهنما می توانند به اندازه ای که رانر نیاز دارد در حرکت آب چرخش به وجود آورد. آبی که از پره های راهنمای توربین کاپلان می گذرد، به علت شکل مجرا در سمت محوری حرکت می کند و حرکت چرخشی به ورتکس آزاد بدل می شود.
نصب توربین های کاپلان
توربین کاپلان را می توان به شکل عمودی یا افقی به اجرا در آورد. برای تعیین جهت نصب می توان از جریان ورودی استفاده کرد. در موقعیت عمودی قطر رانر ممکن است به اندازه 10 متر هم برسد. با در نظر گرفتن زاویه ورودی، زاویه خروجی، خروجی توربین و زاویه تاب پره ها می توان راندمان توربین را کنترل کرد. همه اجزای توربین ها در هر موقعیت و در مسیر هر جریانی اندازه منحصر به فردی دارند. این توربین ها را در همه جهان کاربرد دارند، دلیل آن هم این است که محدودیت هد در این نوع توربین ها وجود ندارد. تا موقعی که دبی جریان بالا باشد، این توربین ها بهترین گزینه خواهند بود.
اجزای توربین های کاپلان
پره های قابل تنظیمی که به توربین کاپلان اضافه شده موجب شده اند این توربین ها در طیف وسیعی از دبی و ارتفاع هد عملکرد مناسب داشته باشند. پیش از این که آب در توربین به پره های راهنما برسد، باید از درون محفظه حلزونی بگذرد. در این صورت، عبور آب از مسیر اولیه خود 90 درجه انحراف می یابد و به پره های ثابت و راهنما می رسد. این محفظه به شکلی ساخته می شود که سطح مقطع آن به شکل یکنواخت و در مسیر جریان کم می شود. این محفظه از همه اجزای درونی در مقابل آسیب ها محافظت می کند.
پره های ثابت در توربین هایی که به شکل عمودی نصب می شوند به عنوان ستون و برای تحمل نیروی وزن و تراست کاربرد دارند. نقش پره های راهنما نیز کنترل حجم آب ورودی به رانر است. به این صورت می توان توان خروجی را نیز تحت کنترل در آورد. وظیفه رانر در توربین کاپلان تبدیل کردن انرژی پتانسیل فشار هد و جریان آب به انرژی مکانیکی و توان اسب بخار است. در این توربین ها فشار آب خروجی از رانر در مقایسه با فشار اتمسفر کمتر است. به این ترتیب، آب نمی تواند خود به خود از درون توربین و تخلیه در تونل پایاب خارج شود. برای حل این مشکل لوله رانش را وارد این توربین کرده اند.
مزایا و معایب توربین های کاپلان
از مزایا و معایب توربین کاپلان می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- راندمان این توربین ها به طور معمول 95 درصد است.
- از این توربین ها در هد فشار کم استفاده نمی شود و برای نیروگاه های منطقه های کم ارتفاع قابل استفاده هستند.
- در سدهایی که از این توربین ها استفاده می شود، تأثیر مخرب پایین تری بر محیط زیست دارند. نواحی اطراف این سدها کمتر در معرض آسیب هایی مثل سیل هستند.
- این توربین ها بیشتر در مناطقی قابل نصب هستند که مسیر مهاجرت ماهی ها است. به همین علت، وجود آنها مرگ و میر ماهی ها را به دنبال دارد.
- سرعت زیاد این توربین ها ممکن است به نشت روان کننده های پایه روغنی و آلودگی محیطی منجر شوند.
- بالا بودن تخلیه در این توربین ها موجب پایین آمدن فشار آب در نزدیکی آنها شود. به همین دلیل، آنها در برابر بروز پدیده کاویتاسیون بسیار آسیب پذیرند.