卡布蘭式水輪機(jī)（英文：Kaplan turbine）為一種轉(zhuǎn)槳式型態(tài)的水輪機(jī)，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年所開發(fā)，他將可自動調(diào)整的螺旋槳葉片以及可自動調(diào)整的導(dǎo)葉組合以實(shí)現(xiàn)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(jī)其最早為法蘭西斯式水輪機(jī)演變而來的。他的發(fā)明應(yīng)用在極低水頭高度的水力發(fā)電廠中可以有效率的產(chǎn)生電力，然而極低水頭高度對于法蘭西斯式水輪機(jī)來說是無法實(shí)現(xiàn)的。其設(shè)計(jì)水頭高度范圍為10-70米，輸出可從5至200兆瓦。動輪直徑為2和11米之間。轉(zhuǎn)速范圍從79至429轉(zhuǎn)?？ú继m式水輪機(jī)與其搭配的發(fā)電機(jī)，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(nèi)瑞拉的塔科馬發(fā)電廠中十部流道直徑4.8米的卡布蘭式水輪機(jī)，其機(jī)組發(fā)電量為235MW。

卡布蘭式水輪機(jī)當(dāng)今已被廣泛使用于高流量，低水頭的水力發(fā)電廠中。

外文名

Kaplan turbine

領(lǐng)域

電力

開發(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(diào)槳式水輪機(jī)獲得了第一個個人專利。然而其專利在商業(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(xiàn)象的問題，然而最終在1922年，因個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(jī)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(jī)，其主要設(shè)計(jì)于一般河川使用。1924年，一組8MW的機(jī)組成功在瑞典小埃德市運(yùn)轉(zhuǎn)。這意味著，卡布蘭式水輪機(jī)終究在商業(yè)上取得了成功，以及市面上廣泛的接受。

運(yùn)作原理

卡布蘭式水輪機(jī)為內(nèi)流反擊式水輪機(jī)的一種，這意味著，工作流體流入水輪機(jī)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能兩者上取得。此種水輪機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)合了徑向和軸向水輪機(jī)的功能。

流體入口處為渦旋形管路，并環(huán)繞在水輪機(jī)導(dǎo)葉上。流體流入水輪機(jī)后會以切線方向流到導(dǎo)葉和螺線上，并經(jīng)過螺旋槳類型的動輪上，來讓其旋轉(zhuǎn)。

流體出口是一條特殊形狀的導(dǎo)流管，有助于減緩流體的流速和回收動能。

卡布蘭式水輪機(jī)的設(shè)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水狀態(tài)即可設(shè)置。，然而，較高的安裝地點(diǎn)將可能導(dǎo)致水輪機(jī)扇葉被尾水管吸入的狀況產(chǎn)生，并且其所產(chǎn)生的壓降可能會引發(fā)氣穴現(xiàn)象。

可變動的邊門以及水輪機(jī)扇葉讓水輪機(jī)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?？ú继m式水輪機(jī)通常狀況下，它的運(yùn)轉(zhuǎn)效率都能夠超過90%，但可能僅應(yīng)用在非常低的水頭高度上。

目前的研究領(lǐng)域包括計(jì)算流體力學(xué)（CFD）驅(qū)動效率的改進(jìn)與新的設(shè)計(jì)，以及提高當(dāng)魚通過水輪機(jī)時的存活率。

因?yàn)?，早先卡普蘭在設(shè)計(jì)卡布蘭式水輪機(jī)時，它的螺旋槳扇葉旋轉(zhuǎn)須倚靠軸承上的高壓液壓油來保持順暢，并且，高壓液壓油須保持在極度密封狀態(tài)下，以防止隨運(yùn)轉(zhuǎn)后的尾水流入河中，如此的狀況是不希望發(fā)生的，因?yàn)椴粌H會造成資源浪費(fèi)，也會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。

實(shí)際應(yīng)用

卡布蘭式水輪機(jī)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。

以卡布蘭式水輪機(jī)為原型所制造出來的廉價微型水輪機(jī)是專門針對個別的發(fā)電地點(diǎn)所制造的，這類微型水輪機(jī)設(shè)計(jì)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高度效益，只需要通水量充足便能運(yùn)轉(zhuǎn)。

大型的卡布蘭式水輪機(jī)，通常都是針對其每個即將安裝的站點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)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(jī)安裝后都能夠發(fā)揮超過90%安裝站點(diǎn)的水力潛能。而這類專門設(shè)計(jì)的卡布蘭式水輪機(jī)，通常在設(shè)計(jì)，制造和安裝方面都是造價非常高昂的，但其運(yùn)轉(zhuǎn)年限能有十年之久。

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

衍生型態(tài)

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

??螺旋槳水輪機(jī)：其節(jié)螺旋槳扇葉為不可調(diào)節(jié)式。它被用于流量/功率不大的站點(diǎn)。其中，以商業(yè)利用來說，螺旋槳水輪機(jī)現(xiàn)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(jī)則電力的生產(chǎn)效率更能夠超過100兆瓦。在加拿大魁北克北部的拉格蘭德-1發(fā)電廠，場內(nèi)所安裝的12部螺旋槳水輪機(jī)能夠生產(chǎn)出高達(dá)1368兆瓦的電力。

??球燈泡式或是貫流式水輪機(jī)：設(shè)計(jì)為入水的導(dǎo)流管。大型的燈泡球體將發(fā)電機(jī)，導(dǎo)葉和動輪集中在管線中。管式渦輪機(jī)為完全軸向的設(shè)計(jì)，而卡布蘭式水輪機(jī)則是徑向?qū)~的設(shè)計(jì)。

??燈管式渦輪機(jī)：為球燈泡式水輪機(jī)與傳動箱的結(jié)合類型，它允許更小的發(fā)電機(jī)以及更小的球燈泡式水輪機(jī)。

??貫流式水輪機(jī)：為一種與發(fā)電機(jī)互用軸承協(xié)作發(fā)電的一種水輪機(jī)，該種水輪機(jī)安裝于河道外，并連結(jié)著動輪的外周。

??S-水輪機(jī)：由于發(fā)電機(jī)安裝于水道外，因此不再需要球燈泡狀護(hù)罩，這是透過水流緩慢的流動來運(yùn)轉(zhuǎn)以及軸承連結(jié)發(fā)電機(jī)以及動輪來聯(lián)動。

??VLH水輪機(jī)：適用于開放式水域，它是一種非常低水頭的“卡布蘭式”水輪機(jī)，能針對裝設(shè)站點(diǎn)的水流量傾斜成一個角度。它整體的直徑相當(dāng)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(jī)是直接與轉(zhuǎn)軸式永磁發(fā)電機(jī)連結(jié)，而發(fā)電機(jī)上配備有電子功率調(diào)節(jié)功能，該類型水輪機(jī)對于水中的魚是非常友善的（<5%的死亡率）。

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

參見

??阿基米德式螺旋抽水機(jī)

??水力發(fā)電

??渦輪機(jī)

??水輪機(jī)

??法蘭西斯式水輪機(jī)

??佩爾頓式水輪機(jī)

??橫流式水輪機(jī)，又稱本吉式水輪機(jī)

??戈?duì)柭宸蚴铰菪啓C(jī)

??尾水管

??渦輪機(jī)三維損失和相關(guān)資訊

??探魚器，用于研究魚類游動的法蘭西斯式和卡布蘭式水輪機(jī)沖擊裝置

??軸伸式水輪機(jī)