توربین کاپلان

توربین کاپلان با محور عمودی و درفت تیوب زانویی
نیروگاه‌های برق آبی کوچک

چینش‌های متفاوتی برای واحدهای کوچک کاپلان با محور عمودی وجود دارد. معمولاً از رانرهایی استفاده می‌کنند که نسبت به سطح آب پایین دست در ارتفاع بالاتری قرار می‌گیرند. بنابراین نیازی به دریچه ای برای درافت تیوب وجود ندارد .
محل نیروگاه، شکلی نیمه کروی دارد. همان طور که در شکل دیده می‌شود، برای دسترسی به هدکاور توربین، فضای کمی وجود دارد. این مساله، محدودیت اساسی را در این چینش نشان می‌دهد. بنابراین از روی احتیاط، ارتفاع ژنراتور و شفت توربین را بیشتر می گیرند تا فضای کافی برای تعمیرات به‌وجود آید. بنابراین بیرون آوردن توربین، نیازمند بیرون آوردن ژنراتور و همچنین افزایش‌دهنده‌ی سرعت خواهد بود که سبب افزایش هزینه‌ها خواهد شد. بنابراین اولویت با چینش هایی با شفت افقی خواهد بود که از واحدهای S شکل استفاده می‌کنند. ولی در هر صورت، نحوه‌ی نصب به آسانی مشابه شکل زیر خواهد بود.
نیروگاه های برق آبی کوچک -
ژنراتور در یک حباب تخم‌مرغی(بالب) و یا یک Pit و در مسیر آب بالادست قرار می‌گیرد. نصب به صورت Pit، همان حالت بالب است که قسمت بالای آن باز شده باشد و امکان دسترسی به ژنراتور را ساده‌تر می‌سازد. به این دلیل برای حفظ اندازه‌ی ژنراتور، نیاز به گیربکسی است که سرعت ژنراتور را بین 600 تا 1000 rpm افزایش دهد. اگر دور رانر توربین، بیش از 275 rpm باشد، نیازی به گیربکس نیست. این حالت را در شکل می‌توان دید.
پایین‌دست بالب یا pit ، تجهیزاتی مانند پره‌های ثابت، پره‌های متحرک(ویکت گیت)، رانر کاپلان و در نهایت یک درفت تیوب مخروطی وجود دارد. همان‌طور که گفتیم، برای تعمیرات، دستیابی راحتی به اطراف توربین وجود دارد. بنابراین مانند همه‌ی واحدهای با شفت افقی، بدون درآوردن ژنراتور، می‌توان رانر را برای تعمیرات بیرون آورد. واحدهای بالب فقط در قطرهای زیاد وجود دارند و با توجه به مشکل " دسترسی محدود" به بالب، باید تا حد ممکن، کمتر استفاده شوند. واحدهای pit type از این جهت، مطلوب‌ترند.
Turbine selection for small low-head hydro developments. By:J. L. Gordon, P. Eng - Hydropower consultant
نیروگاه های برق آبی کوچک -
توربین کاپلان S- type با محور افقی
این توربین‌ها معمول‌ترین توربین با هد پایین هستند که در نیروگاه‌های برق آبی کوچک استفاده می‌شوند که توسط بسیاری از سازندگان به‌صورت از پیش طراحی شده‌ای، ساخته می‌شوند. قطر این توربین‌ها از 1 متر تا 4 متر ساخته می‌شود و در محدوده‌ی هدهای از 5 متر تا 25 متر و همچنین در محدوده‌ی توان‌های حداکثر تا12MW به‌کار گرفته می شوند.
نیروگاه های برق آبی کوچک -
این مدل توربین در محلهایی با زوایای شیب 15 تا 45 درجه نسبت به افق و در سایت‌های به‌کار می روند که هد بسیار کمی با ارتفاع خالص بین 2 تا 8 متر دارند. این توربین‌ها در محدوده‌ی توان‌های حداکثر تا 2.6MW به‌کار گرفته می‌شوند.
محل کاربرد هیدروتوربین‌های کوچک:
1. Inclined axis, very low head Kaplan gear turbine
این مدل توربین در محلهایی با زوایای شیب 15 تا 45 درجه نسبت به افق و در سایت‌های به‌کار می روند که هد بسیار کمی با ارتفاع خالص بین 2 تا 8 متر دارند. این توربین‌ها در محدوده‌ی توان‌های حداکثر تا 2.6MW به‌کار گرفته می‌شوند.
2. Horizontal axis “S” type Kaplan turbine
این توربین‌ها در محدوده‌ی هدهای از 5 متر تا 25 متر وهمچنین در محدوده‌ی توان‌های حداکثر تا12MW به‌کار گرفته می شوند.
5. Horizontal axis “S” type propeller turbine.
6. Horizontal axis pit type propeller turbines.
از مدل‌های 5 و 6 که در فهرست بالا آورده شده‌اند به‌خاطر مشخصه‌ی بسیار حساس راندمان این توربین‌ها نسبت به تغییرات هد و فلو به ندرت استفاده می‌شود و این توربین‌ها تنها در سایتهایی به‌کار گرفته می‌شوند که کمترین تغییر در میزان هد و فلوی آب را دارند.
7. Unit #7. Horizontal axis Francis turbine
این توربین‌ها عمدتاٌ با رانرهایی با قطر کمتر از 1.8 متر بکار می روند. برای به‌کارگیری این توربین‌ها به هد خالص بین 20 تا 100 متر نیاز دارند و در محدوده‌ی توانی حداکثر تا 12MW به‌کار گرفته می‌شوند. در بیشتر کاربردهایی که از این نوع توربین استفاده شده است، توان خروجی کمتر از 5MW بوده است.
8. Unit #8. Horizontal axis, double runner Francis turbine
در برخی از سایت‌ها که هد نیروگاه برای نصب یک رانر بسیار کم است، برای افزایش سرعت رانر از این نوع توربین استفاده می شود. در بیشتر کاربردهای به‌کار رفته، توان این نوع توربین کمتر از 5MW بوده است . اصولاٌ این نوع توربین در محدوده‌ی توان 1MW تا 15MW و ارتفاع یا هدهای 15 تا 100 متر به‌کار می‌روند.
9. Unit #9. Vertical axis “Saxo” axial flow Kaplan turbine
تا کنون تعداد بسیار کمی از این نمونه توربین ساخته شده‌اند. در این نمونه توربین، با افزایش میزان فلو، راندمان توربین افت می کند که در نتیجه باید از رانری با قطر بزرگ‌تر در این موارد استفاده شود