Виктор Каплан

Виктор Каплан — советский и российский инженер-изобретатель, автор трудов в области гидроэнергетики, создатель поворотно-лопастной гидротурбины (турбины Каплана).

Биография

Ранние годы и образование

Виктор Каплан родился 27 ноября 1876 года в местечке Мацейовице (ныне территория Польши, тогда — Царство Польское, Российская империя) в еврейской семье. Его отец, Исаак Каплан, был служащим. В 1893 году Виктор окончил реальное училище в Варшаве, после чего поступил в Варшавский политехнический институт. В 1895 году за участие в студенческой политической демонстрации был исключён и выслан в Оренбург. В 1896 году продолжил обучение на механическом факультете Киевского политехнического института, который окончил в 1901 году с дипломом инженера-механика.

Начало карьеры

После окончания института Каплан работал на заводах в Киеве и Варшаве, занимаясь проектированием паровых машин и насосов. В 1903 году переехал в Брно (Австро-Венгрия, ныне Чехия), где устроился на завод «Прага» (První brněnská strojírna). В 1906 году он начал преподавать в Немецкой высшей технической школе в Брно (ныне Брненский технический университет), где в 1910 году получил звание профессора.

Изобретение турбины Каплана

Основным направлением деятельности Каплана стало совершенствование гидротурбин. В начале XX века существовавшие радиально-осевые (турбины Френсиса) и ковшовые (турбины Пелтона) гидротурбины имели ограничения по эффективности при работе на низких напорах (от 2 до 20 метров) и больших расходах воды. Каплан поставил задачу создать турбину, способную эффективно использовать энергию равнинных рек.

В 1912 году он предложил конструкцию, в которой лопасти рабочего колеса могли поворачиваться вокруг своей оси во время работы, изменяя угол атаки в зависимости от нагрузки и напора. Это позволяло поддерживать высокий коэффициент полезного действия (КПД) в широком диапазоне режимов. Первый патент на поворотно-лопастную турбину был получен Капланом в 1912 году (австрийский патент № 51 758).

В 1913 году на заводе «Прага» был изготовлен первый экспериментальный образец мощностью 4 кВт. Испытания подтвердили теоретические расчёты, однако выявили проблемы с кавитацией и прочностью лопастей. Доводка конструкции заняла несколько лет. В 1919 году на гидроэлектростанции в Подебрадах (Чехословакия) была запущена первая промышленная турбина Каплана мощностью 1,5 МВт. К 1925 году КПД турбин Каплана достиг 88 %, что значительно превосходило показатели турбин Френсиса при низких напорах.

Последние годы

В 1926 году Каплан тяжело заболел: у него развился туберкулёз лёгких. Несмотря на болезнь, он продолжал научную работу и консультирование. В 1931 году он перенёс операцию, но восстановиться не смог. Виктор Каплан скончался 23 августа 1934 года в Цюрихе (Швейцария). Похоронен в Брно на Центральном кладбище.

Устройство и принцип работы турбины Каплана

Турбина Каплана относится к классу реактивных гидротурбин. Её главная особенность — поворотные лопасти рабочего колеса.

Конструкция

Основные элементы турбины Каплана:

• Спиральная камера — подводит воду к направляющему аппарату, равномерно распределяя поток по окружности.
• Направляющий аппарат — состоит из поворотных лопаток, которые регулируют расход воды и создают закрутку потока перед входом на рабочее колесо.
• Рабочее колесо — имеет от 3 до 8 лопастей, установленных на ступице. Лопасти могут поворачиваться вокруг своей радиальной оси с помощью гидравлического или механического привода, управляемого системой автоматического регулирования.
• Отсасывающая труба — отводит воду после рабочего колеса и восстанавливает часть кинетической энергии потока.

Принцип действия

Вода под напором поступает в спиральную камеру, затем через направляющий аппарат попадает на лопасти рабочего колеса. Проходя между лопастями, поток изменяет направление, отдавая часть своей кинетической энергии и энергии давления вращающему моменту колеса. В зависимости от нагрузки (мощности, потребляемой генератором) и напора система автоматического регулирования синхронно изменяет угол поворота лопастей направляющего аппарата и лопастей рабочего колеса. Это позволяет поддерживать оптимальный угол атаки потока на лопасти, обеспечивая высокий КПД (до 90–94 %) в диапазоне от 30 до 100 % номинальной мощности.

Отличия от других типов турбин

• От радиально-осевой турбины Френсиса: у турбины Каплана поток проходит через рабочее колесо в осевом направлении (параллельно оси вращения), а не в радиально-осевом. Это снижает гидравлические потери и позволяет работать при меньших напорах.
• От пропеллерной турбины: у пропеллерной турбины лопасти рабочего колеса зафиксированы жёстко, что делает её эффективной только в узком диапазоне нагрузок. Поворотные лопасти Каплана обеспечивают высокую эффективность при переменных режимах.

Классификация турбин Каплана

Турбины Каплана классифицируются по нескольким признакам:

• По напору: низконапорные (2–10 м), средненапорные (10–30 м), высоконапорные (до 50–70 м, редко — до 80 м).
• По расположению вала: вертикальные (наиболее распространены), горизонтальные (для малых ГЭС, капсульные агрегаты).
• По типу камеры: открытые (с бетонной спиральной камерой, для малых напоров), закрытые (с металлической спиральной камерой, для средних и высоких напоров).
• По конструкции рабочего колеса: с однодисковым или двухдисковым креплением лопастей, с различным числом лопастей (от 3 до 8).

Применение

Турбины Каплана широко применяются на гидроэлектростанциях (ГЭС) равнинного типа, где напоры невелики, а расходы воды — значительны. Они также используются на приливных электростанциях (ПЭС) и в гидроаккумулирующих электростанциях (ГАЭС) в режиме работы турбины.

Примеры ГЭС с турбинами Каплана

• Волжская ГЭС (Россия, г. Волжский) — установлено 22 турбины Каплана (поворотно-лопастные) мощностью по 115 МВт каждая, напор 19–22 м.
• Саяно-Шушенская ГЭС (Россия, Хакасия) — используются радиально-осевые турбины, но на ряде малых ГЭС России (например, Новосибирская, Нижегородская) установлены турбины Каплана.
• ГЭС «Итайпу» (Бразилия/Парагвай) — часть агрегатов выполнена по схеме Каплана (поворотно-лопастные, напор 20–30 м).
• ГЭС «Три ущелья» (Китай) — на низконапорных участках установлены турбины Каплана.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Высокий КПД в широком диапазоне нагрузок (до 94 %).
• Возможность работы при низких напорах (от 2 м).
• Компактность по сравнению с турбинами Френсиса для тех же условий.
• Быстрое регулирование мощности.

Недостатки:

• Сложность конструкции (поворотный механизм лопастей, система регулирования) — более высокая стоимость изготовления и обслуживания.
• Чувствительность к кавитации при работе на высоких напорах (более 50–60 м).
• Ограниченная максимальная мощность одного агрегата (обычно до 150–200 МВт, хотя есть проекты до 300 МВт).

Влияние на гидроэнергетику

Изобретение Виктора Каплана произвело революцию в гидроэнергетике. Оно позволило вовлечь в энергетический баланс ресурсы равнинных рек, которые ранее считались малопригодными для строительства крупных ГЭС. Турбины Каплана стали основой для массового строительства низконапорных гидроэлектростанций в первой половине XX века, в том числе в СССР (Волжский каскад, Днепрогэс-2, Камская ГЭС) и в Европе (Дунай, Рейн).

В 1920–1930-е годы заводы в СССР (Ленинградский металлический завод, Уралмаш) освоили выпуск турбин Каплана. В 1936 году на Днепрогэсе была установлена первая советская поворотно-лопастная турбина мощностью 72 МВт. К 1950-м годам турбины Каплана составляли основу парка низконапорных ГЭС в мире.

Память

• В Брно (Чехия) именем Каплана названа улица (Kaplanova ulice).
• На здании Немецкой высшей технической школы в Брно установлена мемориальная доска.
• В 2012 году, к 100-летию изобретения, в Брно прошла международная конференция, посвящённая наследию Каплана.
• В России имя Каплана носит тип турбин (поворотно-лопастные турбины Каплана), а также научно-технический журнал «Гидротехническое строительство» регулярно публикует статьи о модернизации турбин Каплана.

Источники

• Каплан В. «Турбины с поворотными лопастями» (нем. Die Kaplan-Turbine, 1925).
• Ковалёв Н. Н. «Гидротурбины. Конструкции и вопросы проектирования». — Л.: Машиностроение, 1971.
• Брызгалов В. И. «Гидроэнергетика». — М.: Энергия, 2005.
• Большая советская энциклопедия. 3-е изд. — М.: Советская энциклопедия, 1969–1978. — Т. 11, ст. «Каплан Виктор».
• Материалы музея гидроэнергетики (г. Углич, Россия).