Ինչպես են Կապլան տուրբինները հարմար ցածր արագության ջրային հոսքերի համար

Ինչպես են Կապլան տուրբինները հարմար ցածր արագության ջրային հոսքերի համար

Հիդրոէլեկտրակայանները (ՀԷԿ) օգտագործում են ջրի պոտենցիալը և կինետիկ էներգիան՝ էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար: Այնուամենայնիվ, ոչ բոլոր վայրերն ունեն մեծ ջրի գլխիկներ կամ արագ հոսող հոսանքներ: Շատ գետեր, ոռոգման ջրանցքներ և ցածրադիր ամբարտակներ բնութագրվում են համեմատաբար ցածր արագության հոսքերով՝ ցածրից մինչև միջին գլխիկներով: Այս պայմաններում տուրբինի տեսակի ընտրությունը որոշիչ գործոն է այն բանի համար, թե արդյոք էներգետիկ նախագիծը կլինի արդյունավետ և տնտեսապես կենսունակ: Նման սցենարների համար ամենահայտնի լուծումներից մեկը Կապլան տուրբինն է՝ ռեակցիոն տուրբին, որը հատուկ նախագծված է ցածր գլխիկների և բարձր արտանետումների դեպքում արդյունավետ մնալու համար, որոնք հաճախ կապված են ցածր արագության ջրային հոսքերի հետ:

Ցածր արագության հոսքի բնութագրերի ըմբռնումը

Դանդաղ հոսող ջուրը սովորաբար հանդիպում է ցածրադիր վայրերում կամ մեղմ թեքությամբ գետերի վրա: Այս վայրերում վերևի և ներքևի հոսանքների միջև բարձրության տարբերությունը փոքր է, ուստի առկա ճնշումը և պոտենցիալ էներգիան նույնպես ավելի ցածր են, քան լեռնային հիդրոէլեկտրակայաններում: Այնուամենայնիվ, այս տարածքները հաճախ ունեն մեծ և կայուն արտանետումներ, հատկապես խոշոր գետերից կամ ոռոգման ջրանցքներից ներքև: Հիմնական մարտահրավերը «հանգիստ» հոսքի էներգիան փոխակերպելն է մեխանիկական պտտման, որը բավականաչափ հզոր է գեներատորը գործարկելու համար:

Ահա թե որտեղ է Կապլան տուրբինը ցույց տալիս իր առավելությունը. իմպուլսային տուրբինի (օրինակ՝ Պելտոնի) նման բարձր ճնշման ջրային շիթերի արագությանը հույսը դնելու փոխարեն, Կապլանն օգտագործում է տուրբինի պատյանի (պարուրաձև պատյան և վազորդ) ներսում ճնշման և հոսքի համադրությունը՝ պտտող մոմենտ ստեղծելու համար։

Ի՞նչ է Կապլանի տուրբինը։

Կապլան տուրբինը ռեակցիոն տիպի ջրային տուրբին է՝ առանցքային հոսքով. ջուրը հոսում է տուրբինի առանցքին զուգահեռ: Դրա վազորդը նման է նավի պտուտակի, բայց շատ ավելի բարդ տեխնոլոգիայով: Կապլանի հիմնական առանձնահատկությունը փոփոխական քայլով վազորդային թևերն ու կարգավորվող ուղղորդող թևիկներն են (պատյաններ): Այս կրկնակի դասավորությունը Կապլանը դարձնում է բարձր հարմարվողական հոսքի արագության և ճնշման փոփոխություններին:

Ընդհանուր առմամբ, Կապլանը հարմար է ցածր ճնշման տիրույթներում (հաճախ մոտ 2-30 մետր, կախված նախագծից) և բարձր հոսքի արագություններում օգտագործելու համար: Սա հատկապես տարածված է ցածր արագության հոսքերի դեպքում, քանի որ առանց բարձր ճնշման բարձր հզորության հասնելու համար համակարգը պետք է հույսը դնի հոսքի ծավալի վրա:

Ինչո՞ւ է Կապլանը արդյունավետ ցածր արագության հոսքերի դեպքում։

1. Նախատեսված է ցածր ճնշման և մեծ արտանետման համար
Հիդրավլիկական հզորությունը կարելի է պարզապես հասկանալ հետևյալ հարաբերության միջոցով. հզորությունը մեծանում է մեծ արտանետման (Q) և/կամ ճնշման (H) հետ։ Ցածր արագության հոսքերի դեպքում H-ն սովորաբար փոքր է։ Հետևաբար, խելամիտ ռազմավարություն է արտանետման օգտագործումը մեծացնելը։ Կապլան տուրբինն ունի երկրաչափություն և հոսքի ալիք, որը թույլ է տալիս մեծ ծավալի ջրի հոսքը՝ համեմատաբար փոքր կորուստներով։

Կապլանի վազորդը մեծ տրամագծով է և ունակ է էներգիա կլանել ավելի դանդաղ հոսքերից։ Սա նշանակում է, որ նույնիսկ երբ ջուրը չի շարժվում մեծ արագությամբ, տուրբինը դեռ կարող է բավարար պտտող մոմենտ ստեղծել։

2. Շարժիչի շեղբը կարող է թեքվել անկյունային՝ արդյունավետությունը պահպանելու համար:
Շատ գետային համակարգերում ջրի հոսքը տատանվում է եղանակների հետ։ Եթե տուրբինը հարմարվողական չէ, արդյունավետությունը կտրուկ կնվազի ցածր ջրի հոսքի ժամանակ կամ ճնշման փոփոխության ժամանակ։ Կապլան տուրբինում վազող թևերը կարող են պտտվել՝ ջրի հոսքի նկատմամբ հարձակման անկյունը կարգավորելու համար։ Սա կարևոր է, քանի որ ճիշտ հարձակման անկյունը կհանգեցնի.
- նվազեցնել տուրբուլենտությունը,
- էներգիայի կորուստների կրճատում,
– խուսափել հոսքի մեջ կանգառներից,
- և պահպանել արդյունավետությունը տարբեր շահագործման պայմաններում։

Այս հնարավորությունը Կապլանը դարձնում է գերազանց պարզ պտուտակավոր տուրբինների (ֆիքսված շեղբերով) համեմատ, որոնք սովորաբար օպտիմալ են միայն մեկ կոնկրետ շահագործման կետում։

3. Դռնակով դարպասը կարգավորում է հոսքը սահուն
Բացի հոսքագծի թևերի կարգավորմանը, Kaplan-ը ունի նաև դարպասներ, որոնք կարող են բացվել և փակվել՝ հոսքագծի մեջ մտնող ջրի քանակը կարգավորելու համար: Հոսքի ցածր արագությունների դեպքում հոսքի վերահսկողությունը կարևոր է տուրբինի կայուն պտույտը և գեներատորի հզորությունը պահպանելու համար: Դռնագծի դարպասները օգնում են հոսքը հոսքագծի մեջ ուղղորդել ճիշտ ձևով (նվազագույնի հասցնելով ավելորդ պտույտը), այդպիսով առավելագույնի հասցնելով ջրի էներգիայի օգտագործումը:

Դռնակային դարպասի և թեքության շեղբի կառավարման համադրությունը հաճախ անվանում են կրկնակի կարգավորում, և սա Կապլանի «հիմնական զենքն» է ցածր ճնշման գետերում տեղի ունեցող հաճախակի ելքի տատանումների հետ գործ ունենալու համար։

4. Առանցքային հոսքը նվազագույնի է հասցնում էներգիայի կորուստը
Կապլան տուրբինը ջուրը հոսում է առանցքային ուղղությամբ, համեմատաբար «ուղիղ» առանցքի երկայնքով։ Ավելի պարզ հոսքի ուղին նվազեցնում է կորուստները՝ ուղղության կտրուկ փոփոխությունների պատճառով։ Սահմանափակ էներգիայի (ցածր ճնշման) պայմաններում ցանկացած կորուստ դառնում է զգալի։ Կապլանի նախագիծը ձգտում է ապահովել ջրի ճնշման և արագության առավելագույնս արդյունավետ փոխակերպումը մեխանիկական էներգիայի։

Բացի այդ, ելքի մոտ մղիչ խողովակի օգտագործումը օգնում է վերականգնել մնացած ճնշման/արագության էներգիայի մի մասը՝ բարձրացնելով ընդհանուր արդյունավետությունը: Ցածր արագության վայրերի համար մղիչ խողովակի միջոցով այս էներգիայի վերականգնումը անգնահատելի է:

Կարճ համեմատություն այլ տուրբինների հետ

Կապլանն ընդդեմ Պելտոնի
Պելտոնի տուրբինները գերազանց են բարձր ճնշման, ցածր հոսքի արագությունների և բարձր արագության շիթերի դեպքում: Ցածր հոսքի արագությունների և ցածր ճնշման դեպքում Պելտոնի տուրբինները ոչ այնքան իդեալական են, քանի որ դրանց մոտ բավարար ճնշում չկա հզոր շիթ ձևավորելու համար: Կապլանի տուրբիններն ավելի հարմար են, քանի որ դրանք գործում են որպես ռեակցիոն տուրբիններ՝ օգտագործելով մեծ ծավալի հոսքեր:

Կապլանն ընդդեմ Ֆրենսիսի
Ֆրենսիս տուրբինները, որպես կանոն, հարմար են միջին ճնշման դեպքում: Ցածր ճնշման դեպքում Ֆրենսիս տուրբինները կարող են աշխատել, բայց հաճախ այնքան արդյունավետ չեն, որքան Կապլան տուրբինները, հատկապես, երբ հոսքի արագությունը տատանվում է: Կապլան տուրբինները սովորաբար նախընտրելի ընտրություն են ցածր ճնշման նախագծերի համար:

Կապլանն ընդդեմ Քրոսֆլոուի
Խաչաձև հոսքով տուրբինները լայնորեն կիրառվում են փոքր մասշտաբներում՝ իրենց պարզ կառուցվածքի, ցածր գնի և կեղտի նկատմամբ դիմադրողականության շնորհիվ: Այնուամենայնիվ, դրանց արդյունավետությունը, ընդհանուր առմամբ, զիջում է Կապլան տուրբիններին՝ բարձր հոսքի կիրառությունների և բարձր արդյունավետություն պահանջող գործողությունների համար: Երբ նպատակը ավելի մեծ հզորություն և առավելագույն արդյունավետություն է, Կապլան տուրբինները հաճախ առավելություն ունեն:

Կապլանի տուրբինի կիրառումը ցածր արագության հոսքում

Կապլանի տուրբինները լայնորեն կիրառվում են՝
– Գետային հոսանքի վրա հիմնված հիդրոէլեկտրակայաններ (առանց մեծ ջրամբարների) ցածրադիր գետերի վրա,
– ցածր ջրթափ (ցածր ճնշման ամբարտակ),
– կայուն արտահոսքով ոռոգման ջրանցքներ,
– մեծածավալ միկրոհիդրոէլեկտրակայանների նախագծեր, որոնք ունեն փոքր ճնշում, բայց առատ հոսքեր։

Ժամանակակից վերականգնվող էներգիայի համատեքստում Կապլանի մեթոդը նույնպես արդիական է, քանի որ այն թույլ է տալիս օգտագործել նախկինում պակաս խոստումնալից համարվող վայրերը՝ բարձր ճնշման բացակայության պատճառով: Ճիշտ պլանավորման դեպքում նույնիսկ «հանգիստ» գետերը կարող են զգալի քանակությամբ էլեկտրաէներգիա արտադրել:

Դժվարություններ և ուշադրություն դարձնելու բաներ

Չնայած ցածր արագության հոսքերի համար իդեալական լինելուն, Կապլան տուրբինը զերծ չէ իր դժվարություններից.
1. Մեխանիկական բարդություն. վազող թևերի վրա տեղադրված թեքության կառավարման համակարգը ավելացնում է շարժվող բաղադրիչներ և սպասարկման պահանջներ:
2. Սկզբնական արժեք. ընդհանուր առմամբ ավելի թանկ են, քան պարզ տուրբինները՝ արտադրության ճշգրտության և կառավարման համակարգերի շնորհիվ։
3. Կավիտացիա. ցածր ճնշման և որոշակի շահագործման պայմաններում կարող է առաջանալ կավիտացիայի ռիսկ, ուստի խողովակաշարի հոսքը, ճնշումը և քաշի խողովակի նախագծումը պետք է ուշադիր հաշվարկվեն:
4. Ջրի որակը. նստվածքը, աղբը և հղկող նյութերը կարող են արագացնել շեղբերի և բաղադրիչների մաշվածությունը, ուստի անհրաժեշտ է ֆիլտրման համակարգ (աղբաման) և նստվածքի կառավարման համակարգ:

Այնուամենայնիվ, շատ նախագծերում Կապլանի արդյունավետության առավելությունները և հարմարվողական հնարավորությունները կարող են փոխհատուցել այս լրացուցիչ ծախսերը՝ տարվա ընթացքում ավելի կայուն և ավելի բարձր էներգիայի արտադրության միջոցով։

Եզրակացություն

Կապլան տուրբինը հարմար է ցածր արագության ջրային հոսքերի համար, քանի որ այն նախագծված է օպտիմալ կերպով աշխատելու ցածր ճնշման և բարձր ելքերի դեպքում, երկու պայմաններ, որոնք ամենից հաճախ ուղեկցում են ցածրադիր գետային հոսքերին: Դրա արդյունավետությունը ապահովվում է առանցքային հոսքի նախագծմամբ, մղիչ խողովակների օգտագործմամբ և կրկնակի կարգավորման հիմնական առավելությամբ. դռնակավոր դարպասները կարգավորում են ելքը, իսկ կարգավորվող թիակները պահպանում են հարձակման իդեալական անկյունը տարբեր պայմաններում: Այսպիսով, Կապլանը հուսալի ընտրություն է ոչ շատ արագ, բայց ծավալով առատ ջրային հոսքերի էներգետիկ ներուժը մաքսիմալացնելու համար՝ օգնելով ընդլայնել ավելի մաքուր և կայուն հիդրոէլեկտրակայանների արտադրության հնարավորությունները:

Եթե ​​ցանկանում եք, կարող եմ այս հոդվածը հարմարեցնել ավելի տեխնիկական լինելուն (հզորության, արդյունավետության և արտադրողականության կորի բանաձևերով) կամ ավելի տարածված լինելուն լայն ընթերցողների համար, ինչպես նաև ավելացնել Կապլանի հիդրոէլեկտրակայանների ուսումնասիրությունների օրինակներ որոշակի գետերի վերաբերյալ։