카플란 터빈

Kaplan turbine
61년간 근무한 보네빌 댐 카플란 터빈.

카플란 터빈은 프로펠러형 수터빈으로 블레이드를 조절할 수 있다. 1913년 오스트리아의 빅토르 카플란 교수가 개발한 것으로,[1] 프로펠러 블레이드와 자동으로 조정된 위켓 관문을 결합해 광범위한 흐름과 수위에 걸쳐 효율성을 달성했다.

카플란 터빈은 프랜시스 터빈의 진화였다. 그것의 발명은 Francis 터빈으로는 불가능했던 저두 애플리케이션에서 효율적인 전력 생산을 가능하게 했다. 헤드의 범위는 10~70m(33~230ft)이고 출력 범위는 5~200MW이다. 러너 직경은 2~11m(6ft 7인치 및 36ft 1인치)이다. 터빈은 시설에 따라 달라지는 일정한 속도로 회전한다. 이 비율은 54.5rpm(알베니 폭포 댐)에서 450rpm까지 다양하다.[2]

카플란 터빈은 현재 전 세계적으로 고유량 저두 전력 생산에 널리 사용되고 있다.

이 Kaplan 러너에서 블레이드 베이스의 피벗이 보인다. 이러한 피벗은 실행 중에 블레이드의 각도를 변경할 수 있다. 허브에는 각도를 조정하기 위한 유압 실린더가 포함되어 있다.

개발

오스트리아-헝가리 주 브룬(현 체코 브르노)에 사는 빅토르 카플란은 1912년 조절식 블레이드 프로펠러 터빈에 대한 첫 특허를 획득했다. 그러나 상업적으로 성공한 기계의 개발은 10년이 더 걸릴 것이다. 카플란은 공동화 문제로 어려움을 겪었고, 1922년 건강상의 이유로 연구를 포기했다.

1919년 카플란은 포드브래디(현 체코)에 데모대를 설치했다. 1922년에 Voith는 주로 강에 사용하기 위해 1100 HP (약 800 kW) 카플란 터빈을 도입했다. 1924년, 스웨덴의 Lilla Edet에서 8 MW 장치가 작동했다. 이것은 카플란 터빈의 상업적 성공과 광범위한 수용을 촉발시켰다.

운영이론

수직 카플란 터빈(쿠레시 보이스 시멘스).

카플란 터빈은 내부 흐름 반응 터빈으로, 작동 유체가 터빈을 통해 이동하면서 압력을 변화시켜 에너지를 포기하는 것을 의미한다. 정전기 헤드와 흐르는 물의 운동에너지에서 모두 동력을 회수한다. 그 디자인은 방사형 터빈과 축방향 터빈의 특징을 결합했다.

입구는 터빈 위켓 게이트를 감싸는 두루마리 모양의 관이다. 물은 위켓 게이트를 통해 접선되고 나선형으로 프로펠러 모양의 주자로 향하여 회전하게 한다.

콘센트는 물의 감속과 운동에너지의 회복을 돕는 특수형태의 드래프트 튜브다.

터빈은 드래프트 튜브에 물이 가득 차 있는 한 물 흐름의 가장 낮은 지점에 있을 필요가 없다. 그러나 터빈 위치가 높을수록 드래프트 튜브에 의해 터빈 블레이드에 전달되는 흡입력이 증가한다. 그 결과 발생하는 압력 강하는 공동화를 초래할 수 있다.

위켓 게이트와 터빈 블레이드의 가변 형상 덕분에 다양한 유량 조건에서 효율적인 작동이 가능하다. 카플란 터빈 효율성은 일반적으로 90% 이상이지만 매우 낮은 헤드 적용에서는 더 낮을 수 있다.[3]

현재 연구 분야는 컴퓨터유체역학(CFD) 추진 효율 개선과 통과 어류의 생존율을 높이는 새로운 설계 등이다.

프로펠러 블레이드는 고압 유압 오일 베어링 위에서 회전하기 때문에 카플란 설계의 핵심 요소는 수로로 기름이 방출되지 않도록 포지티브 씰을 유지하는 것이다. 자원의 낭비와 그로 인한 생태학적 피해 때문에 강으로 석유를 방류하는 것은 바람직하지 않다.

적용들

빅토르 카플란 터빈 테크니치스 박물관

카플란 터빈은 전력 생산에 전세계적으로 널리 사용된다. 가장 낮은 헤드 하이드로 부위에 적용되며 특히 높은 유량 조건에 적합하다.

카플란 터빈 모델의 저렴한 마이크로 터빈은 3m 헤드에 대해 설계된 개별 전력 생산을 위해 제조되며, 충분한 물 흐름을 제공하는 매우 낮은 성능에서 0.3m 헤드로 작동할 수 있다.[4]

대형 카플란 터빈은 각 부지가 가능한 최고 효율로 작동하도록 개별적으로 설계되었으며, 일반적으로 90% 이상이다. 그것들은 디자인, 제조, 설치하는데 매우 비싸지만, 수십 년 동안 운영된다.

그들은 최근 해상 파동에너지 발전에서 새로운 보금자리를 찾았다.

변형

카플란 터빈은 프로펠러형 터빈 중 가장 널리 사용되지만, 다음과 같은 몇 가지 변형들이 존재한다.

  • 프로펠러 터빈은 조절할 수 없는 프로펠러 베인이 있다. 그것들은 흐름/동력의 범위가 크지 않은 곳에서 사용된다. 상업용 제품은 불과 몇 피트 머리에서 수백 와트를 생산하기 위해 존재한다. 대형 프로펠러 터빈은 100MW 이상을 생산한다. 퀘벡 북부 라그란데-1 발전소는 12개의 프로펠러 터빈이 1368MW를 생산한다.[5]
  • 전구 또는 관형 터빈은 물 공급 튜브에 설계되어 있다. 대형 전구가 발전기, 위켓 게이트, 러너를 고정하는 수도관 중앙에 위치한다. 관형 터빈은 완전 축방향 설계인 반면, 카플란 터빈은 방사형 위켓 게이트를 가지고 있다.
  • 피트 터빈은 기어 박스가 있는 전구 터빈이다. 이것은 더 작은 발전기와 전구를 허용한다.
  • 스트라플로 터빈(Straflo Turbines)은 발전기가 수채널 외부에 있는 축방향 터빈으로, 러너의 주변부에 연결된다.
  • S터빈은 발전기를 수로의 외부에 배치하여 전구 하우징의 필요성을 제거한다. 이것은 수로의 조깅과 주자와 발전기를 연결하는 축을 통해 이루어진다.
  • VLH 터빈은 개방된 흐름으로, 매우 낮은 헤드 "카플란" 터빈이 물의 흐름에 비스듬히 기울어져 있다. 직경 3.55m 이상의 큰 지름을 가지며, 직접 연결된 샤프트 장착 영구자석 교류발전기를 이용한 저속도로, 어류 친화성이 매우 좋다(<5% 사망률).[6]
  • DEVE-Turbine은 위켓 게이트와 속도 변동에 의해 이중으로 조절되는 수직 프로펠러 터빈이다. 표준 Kaplan-Turbines에 버금가는 효율성으로 최대 4 MW의 응용 범위를 커버한다. 날개가 고정된 프로펠러 설계 때문에 물고기 친화적인 터빈으로 간주된다.[7]
    현장 설치 중 프로펠러 터빈 버전인 DEVE-Turbine.
  • 타이슨 터빈(Tyson turbines)은 빠르게 흐르는 강물에 잠기도록 설계된 고정 프로펠러 터빈으로, 강바닥에 영구 고정되거나 보트나 바지선에 부착된다.

  • 전구 또는 관형 터빈 모델

  • S 터빈의 모형

  • 대각선 도식

  • VLH 터빈

  • DEVE-Turbine의 개략도

참고 항목

참조

https://www.wws-wasserkraft.at/en

  1. ^ "New Austrian Stamps". The Sun (1765). Sydney. 24 January 1937. p. 13. Retrieved 10 March 2017 – via National Library of Australia.,...빅터 카플란, 카플란 터빈 발명가....
  2. ^ Hydropower project Tocoma (PDF). IMPSA (Report).
  3. ^ Grant Ingram (30 January 2007). "Very Simple Kaplan Turbine Design" (PDF).
  4. ^ "1000W Low-Head Kaplan Hydro Turbine". Aurora Power & Design. Retrieved 2015-09-15.
  5. ^ Société d'énergie de la Baie James (1996). Le complexe hydroélectrique de la Grande Rivière : Réalisation de la deuxième phase (in French). Montreal: Société d'énergie de la Baie James. p. 397. ISBN 2-921077-27-2.
  6. ^ VLH 터빈
  7. ^ DEVE-터빈

외부 링크