Կապլան տուրբին. ցածր արագությամբ ջրի հոսքի լավագույն լուծումը
Հիդրոէլեկտրակայանների (ՀԷԷԱ) աշխարհում ոչ բոլոր վայրերն ունեն արագահոս գետեր կամ բարձր ջրի մակարդակներ: Շատ տարածքներ ունեն համեմատաբար դանդաղ ջրի հոսքեր, սակայն դրանց արտահոսքը մեծ է և կայուն ամբողջ տարվա ընթացքում: Հենց այս պայմաններում է, որ Կապլան տուրբինը դառնում է շատ առաջնային ընտրություն: Այս տուրբինը հայտնի է որպես ցածր արագության ջրի հոսքն օգտագործելու ամենաարդյունավետ տեխնոլոգիաներից մեկը՝ ցածրից մինչև միջին ճնշումներով, ինչը այն հարմար է դարձնում տարբեր տարածքներում կիրառման համար, ներառյալ ցածրադիր գետերը և ոռոգման ջրանցքները:
Կապլան տուրբինի հետ ծանոթություն
Կապլանի տուրբինը ռեակցիոն տուրբինի տեսակ է, որն աշխատում է ջրի ճնշման և հոսքի արագության փոփոխությունների միջոցով՝ պտտեցնելով վազորդը (տուրբինային անիվը): Այս տուրբինն առաջին անգամ մշակվել է Վիկտոր Կապլանի կողմից 20-րդ դարի սկզբին: Կապլանի դիզայնի հիմնական առավելությունը վազորդի պտուտականման ձևն է և կարգավորվող շեղբի անկյունը: Շեղբի անկյունը փոխելու հնարավորությունը թույլ է տալիս տուրբինին պահպանել բարձր արդյունավետություն՝ չնայած ջրի հոսքի տատանումներին:
Ընդհանուր առմամբ, Կապլան տուրբինները լայնորեն օգտագործվում են ցածր ճնշման (մոտ 2-30 մետր) և բարձր արտանետումներով հիդրոէլեկտրակայաններում: Ի տարբերություն Պելտոնի տուրբինների, որոնք հարմար են բարձր ճնշման համար, կամ Ֆրենսիսի տուրբինների, որոնք ավելի ճկուն են միջին ճնշման համար, Կապլան տուրբինները «նախատեսված են» էներգետիկ ներուժը մաքսիմալացնելու ավելի քիչ արագ հոսքերի դեպքում:
Կապլանի տուրբինի աշխատանքի սկզբունքը
Կապլան տուրբինի աշխատանքային սկզբունքը սկսվում է, երբ ջուրը մղիչ խողովակի կամ մուտքային ջրանցքի միջոցով հոսում է տուրբինի պատյան։ Այնուհետև ջուրն անցնում է ուղղորդող թևերի միջով, որոնք կարգավորում են հոսքի արագությունը և ուղղորդում հոսքը ճիշտ անկյան տակ։ Այնուհետև ջուրը հարվածում է ջրատարին, ստիպելով այն պտտվել։
Կապլանը սովորական պտուտակային տուրբինից տարբերվում է երկու կառավարման մեխանիզմների առկայությամբ.
1. Դռնակի դարպասի կարգավորում. կարգավորում է մտնող ջրի քանակը:
2. Շարժիչի շեղբի անկյան կարգավորում. շեղբի անկյունը փոխել այնպես, որ այն միշտ օպտիմալ լինի հոսքի ուղղության համար:
Այս համադրությունը, որը հայտնի է որպես կրկնակի կարգավորում, Կապլան տուրբինը դարձնում է հատկապես գերազանց, երբ գետի արտահոսքը տատանվում է սեզոնային կամ շահագործման պայմանների պատճառով։
Շարժիչը պտտելուց հետո ջուրը դուրս է գալիս մղիչ խողովակի միջով: Մղիչ խողովակը օգնում է վերականգնել ճնշման էներգիայի մի մասը և մեծացնում է տուրբինի ընդհանուր արդյունավետությունը: Այս համակարգը մաքսիմալացնում է ջրի էներգիայի օգտագործումը՝ համեմատած ճնշման վերականգնման համակարգ չունեցող նախագծերի հետ:
Ինչո՞ւ է Կապլան տուրբինը հարմար ցածր արագության հոսքերի համար։
Ցածր արագությամբ ջրի հոսքը սովորաբար համընկնում է ցածր ճնշման հետ։ Ցածր ճնշման դեպքում ջրի պոտենցիալ էներգիան շատ բարձր չէ, ուստի անհրաժեշտ է համակարգ, որը կարող է մեծ ծավալի ջրից (արտանետումից) բարձր էներգիա արտադրել։ Կապլան տուրբինը նախատեսված է հենց դրա համար։
Կապլանի այս պայմաններում գերազանցության հիմնական պատճառներից մի քանիսը.
– Բարձր արդյունավետություն ցածր ճնշման դեպքում. Կապլանը կարող է հասնել բարձր արդյունավետության (հաճախ >90% նախագծային պայմաններում), քանի որ դրա նախագծումը նվազեցնում է էներգիայի կորուստները։
– Օպտիմալ է մեծ արտանետման դեպքում. որքան մեծ է արտանետումը, այնքան ավելի արդյունավետ է աշխատում Կապլանը, եթե ջրանցքը և հոսքագծի նախագիծը համապատասխան են։
– Բեռնվածության տատանումների նկատմամբ դիմացկունություն. կրկնակի կարգավորման մեխանիզմը օգնում է տուրբինին մնալ կայուն և արդյունավետ, երբ արտանետման փոփոխությունները տեղի են ունենում։
Այսպիսով, երբ տեղանքն ունի լայն գետ, մշտական ջրահեռացում, բայց չունի ջրվեժներ կամ մեծ բարձրության տարբերություններ, Կապլանը հաճախ ամենաարդյունավետ և տեխնիկական լուծումն է։
Կապլան տուրբինի հիմնական բաղադրիչները
Կապլանի կատարողականը հասկանալու համար կարևոր է ճանաչել դրա հիմնական բաղադրիչները.
1. Շարժիչ (տուրբինային պտուտակ)
Սովորաբար այն ունի 3-ից 6 շեղբ՝ կախված չափից և կարիքներից: Շեղբերը կարող են պտտվել իրենց առանցքի շուրջ՝ անկյունը կարգավորելու համար:
2. Դարպաս / ուղղորդող թև
Ուղղորդող թևիկների շարք, որոնք կարգավորում են հոսքը և ուղղորդում ջուրը դեպի հոսքագիծը։
3. Քամու խողովակ
Ջրանցք, որը դանդաղեցնում է արտահոսքը և կինետիկ էներգիան վերածում ճնշման էներգիայի, այդպիսով մեծացնելով արդյունավետությունը։
4. Լիսեռ
Գլանաձև լիսեռը գեներատորին միացնելը։ Այն կարող է լինել ուղղահայաց կամ հորիզոնական, չնայած ուղղահայաց մոդելն ավելի հաճախ օգտագործվում է մեծ հզորությունների համար։
5. Կառավարման և ակտուատորային համակարգեր
Ավտոմատ կերպով կարգավորում է գլանի շեղբերի և դարպասի շարժը՝ հիմնվելով գեներատորի լիցքաթափման և բեռի վրա։
Կապլան տուրբինի առավելությունները
Կապլանի տուրբինը որոշակի պայմանների համար հայտնի է որպես «չեմպիոն»։ Ահա այն առավելություններից մի քանիսը, որոնք այն դարձնում են հանրաճանաչ ընտրություն.
- Բարձր արդյունավետություն լայն աշխատանքային տիրույթում
Քանի որ պտույտի թևերը կարող են կարգավորվել, տուրբինը մնում է արդյունավետ հոսքի լայն միջակայքում։
– Հարմար է մեծածավալ և մինի հիդրոէլեկտրակայանների համար
Կապլանը նախատեսված չէ միայն մեծ ամբարտակների համար. ավելի փոքր տարբերակները կարող են կիրառվել ոռոգման ջրանցքների կամ ջրարգելակների վրա։
- Արագ արձագանք բեռի փոփոխություններին
Կառավարման համակարգը թույլ է տալիս տուրբինին կայուն կերպով հարմարվել էլեկտրաէներգիայի պահանջարկի փոփոխություններին։
– Ավելի հարմար է ցածր հոսքերի համար
Այլ տուրբինների համեմատ, Կապլանը «քամում» է ավելի շատ էներգիա ավելի քիչ արագ հոսող ջրից։
Տանտանգան և Կեկուրանգան
Իր առավելություններից անկախ, Կապլան տուրբինն ունի նաև մի շարք դժվարություններ.
- Սկզբնական ծախսերը համեմատաբար բարձր են
Ավելի բարդ շեղբի կարգավորման մեխանիզմի և կառավարման համակարգի առկայության պատճառով։
- Ավելի բարդ սպասարկում
Ավելի շարժական մասերը պահանջում են կանոնավոր ստուգում, յուղում և կարգաբերում։
– Հակված է կավիտացիայի՝ սխալ նախագծման/շահագործման դեպքում
Ցածր ճնշման դեպքում գոլորշու պղպջակները կարող են առաջանալ և վնասել շեղբերի մակերեսները: Հետևաբար, պետք է ուշադիր դիտարկել ներքաշման խողովակի նախագծումը և շահագործման կարգավորումները:
- Պահանջվում է բարձր որակի պատրաստում
Որպեսզի շեղբը կարողանա ճշգրիտ շարժվել և դիմացկուն լինի կոռոզիային և էրոզիային։
Սակայն, բարձր արտանետումով և ցածր ճնշումով նախագծերում երկարաժամկետ արդյունավետության և էներգիայի արտադրության աճը հաճախ գերազանցում է սկզբնական ավելի բարձր ծախսերը։
Կապլան տուրբինների կիրառությունները դաշտում
Կապլանի տուրբինները լայնորեն կիրառվում են՝
– Գետային հոսանքի վրա հիմնված հիդրոէներգիա (առանց մեծ ջրամբարների) ցածրադիր գետերի վրա։
– Փոքր գլխիկով, բայց մեծ արտահոսքով ամբարտակ։
– Մինի հիդրոէլեկտրակայանի նախագիծ ոռոգման ջրանցքներում։
– Էլեկտրակայաններ՝ գետաբերանների կամ ջրանցքների մոտ, որոնք ունեն կայուն հոսք։
Ինդոնեզիայի համատեքստում, որն ունի բազմաթիվ խոշոր գետեր և լայնածավալ ոռոգման ցանց, Կապլան տուրբինների կիրառման ներուժը բավականին մեծ է, հատկապես հեռավոր տարածքների էլեկտրաֆիկացման համար՝ փոքր, բայց հաստատուն հոսքեր օգտագործող մինի հիդրոէլեկտրակայաններով։
Եզրակացություն
Կապլան տուրբինները հիանալի լուծում են ցածր արագության ջրային հոսքերի համար, հատկապես ցածրից մինչև միջին ճնշման և բարձր արտանետումների համակարգերում: Իրենց կարգավորվող վազքի դիզայնի և կրկնակի կարգավորման մեխանիզմի շնորհիվ Կապլան տուրբինները կարողանում են պահպանել բարձր արդյունավետություն շահագործման լայն պայմաններում: Չնայած շինարարության և սպասարկման ծախսերը սովորաբար ավելի բարձր են, քան որոշ այլ տեսակի տուրբինների դեպքում, դրանց երկարաժամկետ արդյունավետությունը հաճախ ներդրումը դարձնում է բավականին արժեքավոր:
Վերջին հաշվով, հիդրոէներգիայի համար տուրբինի ընտրությունը բոլորի համար միատեսակ մոտեցում չէ. այն պետք է հաշվի առնի ճնշումը, ելքը, սեզոնային տատանումները և հզորության պահանջները: Այնուամենայնիվ, երբ հասանելի է չափավոր, բայց առատ ջրի հոսք, Կապլան տուրբինը գրեթե միշտ հանդես է գալիս որպես ամենատրամաբանական և արդյունավետ լուծում:
