Kaplan-turbiini

Kaplan-turbiini on potkurityyppinen vesiturbiini, jossa on juoksupyörässä säätyvät juoksusiivet. Sen kehitti itävaltalainen professori Viktor Kaplan vuonna 1913.

Kaplan-turbiini

Kaplan-turbiini oli jatkokehitystä aiemmin käytössä olleeseen Francis-turbiiniin. Sen keksiminen mahdollisti tehokkaan voimantuotannon voimalaitoksilla, joissa on matala putouskorkeus. Lisäksi Kaplan-turbiinilla on Francis-turbiinia parempi hyötysuhde osakuormilla.

Kaplan-turbiini on Suomen yleisin turbiinityyppi ja sitä käytetään laajasti koko maailmassa matalan putouskorkeuden ja suhteellisesti suuren virtaaman vesivoimalaitoksissa. Tiettävästi ensimmäinen Kaplan-turbiini otettiin Suomessa käyttöön vuonna 1925 Hiitolanjoen Kangaskosken voimalaitoksessa.

Kehitys

Viktor Kaplan

Viktor Kaplan haki ensimmäistä patenttia säädettäväsiipiselle potkuriturbiinille vuonna 1912. Kaupallista sovellusta jouduttiin kuitenkin odottelemaan vielä monta vuotta, koska Kaplan ei kyennyt ratkaisemaan uuden turbiinin kavitaatio-ongelmia. Vuonna 1919 Kaplan rakensi koeturbiinin Poděbradyyn, Tšekkoslovakiaan, mutta 1922 hän keskeytti tutkimuksen terveydellisten syiden vuoksi.

Vuonna 1922 Voith esitteli 1 100 hv (noin 800 kW) suuruisen Kaplan-turbiinin vesivoimalaitoksille. Siitä alkoi Kaplan-turbiinin kaupallinen menestys ja laaja hyväksyntä markkinoilla.

Toimintaperiaate

Kaplan-turbiini on reaktioturbiini, joka tarkoittaa, että virtaava vesi muuttaa painettaan kulkiessaan turbiinin läpi ja samalla se luovuttaa energiansa turbiinin siipien liikuttamiseen.

Spiraalinmuotoinen tuloputki kiertyy turbiinin ympärille ja kapenee loppua kohden. Vesi ohjautuu tangentiaalisesti johtosolukkeiden läpi potkurinmuotoiselle juoksupyörälle saaden sen pyörimään.

Vesi ohjautuu turbiinista alas imuputkeen. Imuputki on muotoiltu siten, että vesi hidastuu ja virtaa tasaisesti ulos turbiinista. Näin ollen pois virtaava vesi sisältää mahdollisimman vähän liike-energiaa joten turbiinin käyttöön jää vastaavasti enemmän turbiiniin tulevan veden energiasta (muutettavaksi esim. sähköenergiaksi).

Turbiinin ei ole välttämätöntä olla alaveden alapuolella, kunhan imuputki on koko ajan täynnä vettä. Kuitenkin, mitä korkeammalla turbiini on, sitä enemmän alapuolinen vesimassa imee juoksupyörän siipiä. Imu ja siitä seuraava paineenalenema voi aiheuttaa kavitointia. Tämä on muodostunut merkittäväksi ongelmaksi mm. Suomessa vanhoja laitoksia saneerattaessa. Tällöin halutaan hyvin usein koneiston tehoa lisätä joka puolestaan edellyttää rakennusvirtaaman kasvattamista. Kavitaatio voi, pidempään jatkuessaan tai toistuvasti esiintyessään, aiheuttaa vakavat vauriot turbiinille. Avainasia kavitaation välttämisessä on, suunnittelun ohella, turbiinin järkevä ajo jolloin sitä ei ajeta pitkiä aikoja kavitaatiovaarallisella tehoalueella.

Juoksupyörän siipikulman säätö toteutetaan normaalisti generaattorin yläpuolella olevalla öljynjakopesällä, joka ohjaa paineöljyä akselin sisään poratusta reiästä / reiistä juoksupyörän napaan. Siipikulman säätö mahdollistaa hyvän hyötysuhteen erittäin laajalle käyttöalueelle niin putouskorkeuden kuin virtaamankin suhteen. Kaplan-turbiinin hyötysuhde on tyypillisesti yli 90 %.

Seitakorvan Kaplan-turbiinin siipi, käytössä vuosina 1963-1997.

Muunnokset

Kaplan-turbiini on yleisin potkurityyppinen turbiini, mutta monia muitakin variaatioita on olemassa:

Potkuriturbiini on toimintaperiaatteeltaan kuten Kaplan, mutta siinä ei ole säädettäviä juoksupyörän siipiä. Niitä käytetään pienissä laitoksissa, joissa halpa hankintahinta on tärkeä. Kokoluokka on normaalisti paristakymmenestä satoihin kilowatteihin.

Bulb- tai putkiturbiinit on suunniteltu asennettavaksi suoraan vesiteihin. Iso bulb-turbiini asennetaan putkeen, jossa on generaattori, johtopyörä ja juoksupyörä. Putki- ja bulb-turbiineilla on kokonaan aksiaalinen rakenne, kun taas Kaplan-turbiinilla on radiaalinen johtopyörä.

Pit-turbiinit ovat bulb-turbiinin erikoismuoto, jossa on vaihdelaatikko. Sen seurauksena generaattori ja "turbiinikapseli" ovat pienempiä.

S- turbiini on aksiaalinen turbiini, mutta generaattori asennetaan vesiteiden ulkopuolelle. Tämä saavutetaan siten, että vesiteissä on S-muotoinen mutka, jonka seinämästä turbiinin akseli kytketään ulkopuolella olevaan generaattoriin.