Was ist kaplan turbine?

Kaplan-Turbine

Die Kaplan-Turbine ist eine Axialturbine, die für niedrige Fallhöhen und hohe Durchflussmengen optimiert ist. Sie ist eine Weiterentwicklung der Francisturbine und zeichnet sich durch verstellbare Schaufeln sowohl am Laufrad als auch am Leitapparat aus. Diese Verstellbarkeit ermöglicht einen hohen Wirkungsgrad über einen breiten Lastbereich, was sie besonders geeignet für Wasserkraftwerke mit schwankendem Wasserdurchfluss macht.

Funktionsweise:

Das Wasser strömt axial durch den Leitapparat, der aus verstellbaren Leitschaufeln besteht. Diese Leitschaufeln lenken das Wasser so um, dass es mit dem optimalen Winkel auf die Laufradschaufeln trifft. Das Laufrad der Kaplan-Turbine besitzt ebenfalls verstellbare Schaufeln. Diese Verstellung ermöglicht es, den Winkel der Schaufeln an die jeweilige Wasserdurchflussmenge anzupassen, um den Wirkungsgrad zu maximieren. Nach dem Durchströmen des Laufrades verlässt das Wasser die Turbine axial durch ein Saugrohr.

Bestandteile:

Spiralgehäuse: Leitet das Wasser gleichmäßig zum Leitapparat. Es ist oft spiralförmig geformt, um einen konstanten Wasserdruck zu gewährleisten.
Leitapparat (oder Leitschaufelring): Besteht aus verstellbaren Leitschaufeln, die den Wasserstrom auf die Laufradschaufeln lenken und regulieren. Die Verstellung erfolgt meist hydraulisch.
Laufrad (oder Rotor): Besteht aus verstellbaren Laufradschaufeln, die die kinetische Energie des Wassers in Rotationsenergie umwandeln. Die Anzahl der Laufradschaufeln ist typischerweise geringer als bei Francisturbinen.
Saugrohr: Leitet das Wasser aus dem Laufrad ab und nutzt den Unterdruck (Saugeffekt), um die Fallhöhe effektiv zu erhöhen und den Wirkungsgrad zu verbessern.
Regelung: Das System zur automatischen Anpassung der Leitschaufel- und Laufradschaufelwinkel an die Wasserdurchflussmenge und Lastbedingungen.

Vorteile:

Hoher Wirkungsgrad: Besonders über einen breiten Lastbereich durch die Verstellbarkeit der Schaufeln.
Geeignet für niedrige Fallhöhen: Optimiert für Anwendungen mit geringem Wasserdruck.
Gute Regelbarkeit: Ermöglicht eine flexible Anpassung an schwankende Lastanforderungen.

Nachteile:

Komplexere Bauweise: Die Verstellbarkeit der Schaufeln erfordert eine aufwändigere Konstruktion.
Höhere Kosten: Die komplexere Bauweise führt zu höheren Anschaffungskosten.
Anfälligkeit für Kavitation: Bei unsachgemäßer Auslegung oder Betrieb kann es zu Kavitation kommen, was die Lebensdauer der Turbine verkürzt. (Siehe auch Kavitation)

Anwendungsbereiche:

Kaplan-Turbinen werden hauptsächlich in Wasserkraftwerken mit niedrigen Fallhöhen (bis ca. 70 Meter) und hohen Durchflussmengen eingesetzt. Sie sind besonders geeignet für Flüsse und Kanäle.

Varianten:

Propellerturbine: Eine vereinfachte Form der Kaplan-Turbine mit festen Laufradschaufeln (keine Verstellung). Sie ist kostengünstiger, hat aber einen geringeren Wirkungsgrad über einen breiteren Lastbereich.
Rohrturbine: Eine Bauform, bei der die Turbine horizontal oder geneigt in einem Rohr angeordnet ist. Dies ermöglicht eine kompaktere Bauweise und eine einfachere Integration in bestehende Strukturen.
S-Turbine: Eine Variante der Rohrturbine mit einem S-förmigen Wasserweg, um die Turbine besser an die Gegebenheiten des Geländes anzupassen.

Wichtige Aspekte:

Wirkungsgrad: Der Wirkungsgrad einer Kaplan-Turbine kann unter optimalen Bedingungen über 90% liegen.
Fallhöhe: Der Fallhöhe-Bereich liegt typischerweise zwischen 2 und 70 Metern.
Kavitation: Kavitation muss durch sorgfältige Auslegung und Betrieb vermieden werden, um Schäden an der Turbine zu verhindern.

Die Kaplan-Turbine ist eine bewährte und effiziente Technologie zur Nutzung der Wasserkraft bei niedrigen Fallhöhen und trägt wesentlich zur nachhaltigen Energieerzeugung bei.