卡布蘭式水輪機（英文：Kaplan turbine）為一種轉槳式型態(tài)的水輪機，其具有可變型態(tài)的扇葉。它是由奧地利教授維克托·卡普蘭于1913年所開(kāi)發(fā)，他將可自動(dòng)調整的螺旋槳葉片以及可自動(dòng)調整的導葉組合以實(shí)現在大落差流量以及大水頭高度差距上的高產(chǎn)能效益。

卡布蘭式水輪機其最早為法蘭西斯式水輪機演變而來(lái)的。他的發(fā)明應用在極低水頭高度的水力發(fā)電廠(chǎng)中可以有效率的產(chǎn)生電力，然而極低水頭高度對于法蘭西斯式水輪機來(lái)說(shuō)是無(wú)法實(shí)現的。其設計水頭高度范圍為10-70米，輸出可從5至200兆瓦。動(dòng)輪直徑為2和11米之間。轉速范圍從79至429轉。卡布蘭式水輪機與其搭配的發(fā)電機，其最高產(chǎn)電效率的理論水頭高度為34.65米，是在2013年委內瑞拉的塔科馬發(fā)電廠(chǎng)中十部流道直徑4.8米的卡布蘭式水輪機，其機組發(fā)電量為235MW。

卡布蘭式水輪機當今已被廣泛使用于高流量，低水頭的水力發(fā)電廠(chǎng)中。

外文名

Kaplan turbine

領(lǐng)域

電力

開(kāi)發(fā)歷程

維克托·卡普蘭居住在捷克共和國布爾諾，1912年，他憑借可調槳式水輪機獲得了第一個(gè)個(gè)人專(zhuān)利。然而其專(zhuān)利在商業(yè)上的成功卻在整整10年后。在此10年間，卡普蘭致力于解決氣穴現象的問(wèn)題，然而最終在1922年，因個(gè)人健康因素而放棄了自己的研究。

1919年，卡普蘭在捷克斯洛伐克波杰布拉迪安裝了一座示范機組。1922年，福伊特推出了一組1100馬力（約800千瓦）的卡布蘭式水輪機，其主要設計于一般河川使用。1924年，一組8MW的機組成功在瑞典小埃德市運轉。這意味著(zhù)，卡布蘭式水輪機終究在商業(yè)上取得了成功，以及市面上廣泛的接受。

運作原理

卡布蘭式水輪機為內流反擊式水輪機的一種，這意味著(zhù)，工作流體流入水輪機后，流體壓力因而改變，也使得能量的損失。能量便從水頭與水流的動(dòng)能兩者上取得。此種水輪機設計結合了徑向和軸向水輪機的功能。

流體入口處為渦旋形管路，并環(huán)繞在水輪機導葉上。流體流入水輪機后會(huì )以切線(xiàn)方向流到導葉和螺線(xiàn)上，并經(jīng)過(guò)螺旋槳類(lèi)型的動(dòng)輪上，來(lái)讓其旋轉。

流體出口是一條特殊形狀的導流管，有助于減緩流體的流速和回收動(dòng)能。

卡布蘭式水輪機的設置地點(diǎn)不需要是在水流的最低點(diǎn)，只需要其引流管要保持滿(mǎn)水狀態(tài)即可設置。，然而，較高的安裝地點(diǎn)將可能導致水輪機扇葉被尾水管吸入的狀況產(chǎn)生，并且其所產(chǎn)生的壓降可能會(huì )引發(fā)氣穴現象。

可變動(dòng)的邊門(mén)以及水輪機扇葉讓水輪機操作者能夠針對各種水流條件進(jìn)行各種不同有效的控制。卡布蘭式水輪機通常狀況下，它的運轉效率都能夠超過(guò)90%，但可能僅應用在非常低的水頭高度上。

目前的研究領(lǐng)域包括計算流體力學(xué)（CFD）驅動(dòng)效率的改進(jìn)與新的設計，以及提高當魚(yú)通過(guò)水輪機時(shí)的存活率。

因為，早先卡普蘭在設計卡布蘭式水輪機時(shí)，它的螺旋槳扇葉旋轉須倚靠軸承上的高壓液壓油來(lái)保持順暢，并且，高壓液壓油須保持在極度密封狀態(tài)下，以防止隨運轉后的尾水流入河中，如此的狀況是不希望發(fā)生的，因為不僅會(huì )造成資源浪費，也會(huì )造成嚴重的環(huán)境污染。

實(shí)際應用

卡布蘭式水輪機在全球被廣泛用于電力生產(chǎn)。它涵蓋于各大極低頭高度的水力發(fā)電站點(diǎn)，尤其，卡布蘭式特別適合安裝于上述條件之中高流量水流條件的水力發(fā)電廠(chǎng)。

以卡布蘭式水輪機為原型所制造出來(lái)的廉價(jià)微型水輪機是專(zhuān)門(mén)針對個(gè)別的發(fā)電地點(diǎn)所制造的，這類(lèi)微型水輪機設計可用于最低只需要0.3米的水頭高度，其不注重于是否有無(wú)高度效益，只需要通水量充足便能運轉。

大型的卡布蘭式水輪機，通常都是針對其每個(gè)即將安裝的站點(diǎn)進(jìn)行設計的，以盡可能的發(fā)揮其安裝站點(diǎn)的水力潛能，并且，通常卡布蘭式水輪機安裝后都能夠發(fā)揮超過(guò)90%安裝站點(diǎn)的水力潛能。而這類(lèi)專(zhuān)門(mén)設計的卡布蘭式水輪機，通常在設計，制造和安裝方面都是造價(jià)非常高昂的，但其運轉年限能有十年之久。

目前已發(fā)現有新的水力潛能是近海的海浪拍打時(shí)所制造的能量，請參閱波龍。

衍生型態(tài)

卡布蘭式水輪機是當今全球最廣泛使用的轉槳式水輪機，也因而衍生出許多其他型態(tài)：

??螺旋槳水輪機：其節螺旋槳扇葉為不可調節式。它被用于流量/功率不大的站點(diǎn)。其中，以商業(yè)利用來(lái)說(shuō)，螺旋槳水輪機現在已有水頭高度只需要幾英尺，便能生產(chǎn)幾百瓦的電力的實(shí)際案例存在。而更大型的螺旋槳水輪機則電力的生產(chǎn)效率更能夠超過(guò)100兆瓦。在加拿大魁北克北部的拉格蘭德-1發(fā)電廠(chǎng)，場(chǎng)內所安裝的12部螺旋槳水輪機能夠生產(chǎn)出高達1368兆瓦的電力。

??球燈泡式或是貫流式水輪機：設計為入水的導流管。大型的燈泡球體將發(fā)電機，導葉和動(dòng)輪集中在管線(xiàn)中。管式渦輪機為完全軸向的設計，而卡布蘭式水輪機則是徑向導葉的設計。

??燈管式渦輪機：為球燈泡式水輪機與傳動(dòng)箱的結合類(lèi)型，它允許更小的發(fā)電機以及更小的球燈泡式水輪機。

??貫流式水輪機：為一種與發(fā)電機互用軸承協(xié)作發(fā)電的一種水輪機，該種水輪機安裝于河道外，并連結著(zhù)動(dòng)輪的外周。

??S-水輪機：由于發(fā)電機安裝于水道外，因此不再需要球燈泡狀護罩，這是透過(guò)水流緩慢的流動(dòng)來(lái)運轉以及軸承連結發(fā)電機以及動(dòng)輪來(lái)聯(lián)動(dòng)。

??VLH水輪機：適用于開(kāi)放式水域，它是一種非常低水頭的“卡布蘭式”水輪機，能針對裝設站點(diǎn)的水流量?jì)A斜成一個(gè)角度。它整體的直徑相當大，大于3.55米。它使用于流速處于極低速狀態(tài)的環(huán)境，并且水輪機是直接與轉軸式永磁發(fā)電機連結，而發(fā)電機上配備有電子功率調節功能，該類(lèi)型水輪機對于水中的魚(yú)是非常友善的（<5%的死亡率）。

??泰森式水輪機：一種固定在河床中或是連結到船或駁船下的螺旋槳水輪機設計，并且，它適合永久固定在快速流動(dòng)的河水中制造電力。

參見(jiàn)

??阿基米德式螺旋抽水機

??水力發(fā)電

??渦輪機

??水輪機

??法蘭西斯式水輪機

??佩爾頓式水輪機

??橫流式水輪機，又稱(chēng)本吉式水輪機

??戈爾洛夫式螺旋水輪機

??尾水管

??渦輪機三維損失和相關(guān)資訊

??探魚(yú)器，用于研究魚(yú)類(lèi)游動(dòng)的法蘭西斯式和卡布蘭式水輪機沖擊裝置

??軸伸式水輪機