Kaplan-turbines: Kenmerken, Toepassingen en Werking

Onder de vele turbinetypes is de Kaplan-turbine een belangrijke vertegenwoordiger. Het werkt op het principe van axiale stroom reactie. Bij axiale stroomturbines stroomt water door de loper in richting parallel aan de rotatie-as. De Kaplan-turbine heeft verstelbare loperbladen, wat efficiënte energieproductie in lage-valtoepassingen mogelijk maakte (10-70 meter val, 5-200 MW uitgang). Toepassing: hoge doorstroming, lage val.

Wat is een Kaplan-turbine?

Een Kaplan-turbine is een propeller-typet waterturbine op basis van axiale stroom reactie. Uniek: verstelbare bladen. De uitvinding maakte efficiënte stroomopwekking in lage-valtoepassingen mogelijk (niet mogelijk met Francis-turbines). Ontwikkeld in 1913 door Oostenrijkse professor Viktor Kaplan: automatisch verstelbare propellerbladen gecombineerd met automatisch verstelbare geleidschaufels (wicket gates) voor efficiëntie over breed bereik van doorstroming en waterstanden.

Toepassingen

• Productie van elektriciteit (hoofdfunctie)
• Kleine modellen voor individuele energieproductie
• Grote turbines voor locaties met maximaal mogelijke efficiëntie
• Recente toepassing: offshore golvenenergie-opwekking

Componenten en functies

Spiraalkamer (Scroll Casing)

Spriaalvormige kamer met afnemende dwarsdoorsnede. Water uit drukleiding (penstock) stroomt naar geleidschaufels, maakt 90° bocht, stroomt Axiaal door loper. Beschermt loper, bladen, geleidschaufels en interne onderdelen tegen externe schade.

Geleidschaufelmechanisme (Guide Vane Mechanism)

Beheert de hele turbine. Opent/gesloten afhankelijk van vermogensvraag. Meer vermogen → wijd open voor meer water op bladen. Minder vermogen → dicht om stroom te stoppen. Zonder dit mechanisme daalt efficiëntie drastisch.

Uittrechttbuis (Draft Tube)

Afvoeren water van turbine-uitlaat naar onderwater (tailrace). Druk bij uitlaat loper van reactieturbines is doorgaans lager dan atmosferisch. Directe afvoering onmogelijk. Buis/pijp met geleidelijk toenemende dwarsdoorsnede voor drukhervorming.

Loperbladen (Runner Blades)

Hart van de Kaplan-turbine. Bladen op as verbonden met generatoras. Grote boss op loper voor stevige montage. Bladen verstelbaar naar optimale aanvalshoek voor maximaal vermogen. Bladen hebben verwindling over hun lengte.

Werkingsprincipe

Water uit penstock → spiraalkamer (vorm behoudt stroomsdruk) → verstelbare geleidschaufels (regelen doorstroming) → 90° bocht → axiaal op loperbladen. Reactiekracht van water zorgt voor rotatie loperbladen. Verwindling in bladen zorgt voor optimale aanvalshoek over alle dwarsdoorsneden.

Water → uittrechttbuis: druk- en kinetische energie dalen. Kinetische energie geconverteerd naar drukenergie → drukstijging. Rotatie loper → generatoras → elektriciteit.

Voor- en nadelen

Voordelen

• Minder complex ontwerp, eenvoudige constructie
• Kleine installatieruimte vereist
• Zeer hoge efficiëntie ten opzichte van andere typen
• Efficiënter bij lage val
• Minder bladen nodig
• Roestvrij staal bladen verminderen cavitatie

Nadelen

• Cavitatie is grootste nadeel: optreedt door drupdruk in uittrechttbuis
• As alleen verticaal positioneerbaar
• Vereist grote doorstroomsnelheid

Conclusie

Kaplan-turbines zijn propeller-typet waterturbines op axiale stroom reactie basis. Hoofdfunctie: elektriciteitsopwekking. Behandeld: definitie, toepassingen, werking, componenten, diagram, voor- en nadelen.