Princip Kaplanovy turbíny spočívá v oběžném kole podobném lodnímu šroubu, jehož lopatky se dají natáčet současně s lopatkami rozváděcího kola, takže se turbína přizpůsobí okamžitému průtoku vody. Jde o přetlakovou turbínu, v níž voda protéká kolem ve směru osy a využívá se její pohybová i tlaková energie. Díky dvojí regulaci pracuje s vysokou účinností i při malých spádech a proměnlivých průtocích. Vynalezl ji rakouský inženýr Viktor Kaplan v Brně.
Na první pohled vypadá jako obyčejná vrtule v potrubí, jenže právě natáčení lopatek za chodu z ní udělalo jeden ze tří nejpoužívanějších typů vodních turbín. Technické muzeum v Brně uvádí, že Kaplanova turbína vznikla v laboratoři ve sklepě brněnské německé techniky a první kus vyrobila brněnská firma Ignác Storek.
Projdeme, jak turbína funguje krok za krokem, čím se liší od Francisovy a Peltonovy, co ukazuje její schéma, proč jí dlouho vadila kavitace, jak probíhal vývoj a patentové spory a kde ji v Česku uvidíte, včetně vodní elektrárny Orlík.
V kostce
- Typ: přetlaková axiální turbína, voda protéká oběžným kolem ve směru osy.
- Klíčový princip: natáčení lopatek oběžného i rozváděcího kola podle průtoku.
- Použití: hlavně malé spády a velké nestálé průtoky, vysokotlaké verze i střední spády.
- Vynálezce: Viktor Kaplan, profesor německé techniky v Brně, přihlášky patentů 1912 až 1914.
- První turbína: roku 1919 od brněnské firmy Ignác Storek pro přádelnu ve Velmu v Dolních Rakousích.
- Orlík: čtyři Kaplanovy turbíny pro spád 70,5 m, generátory 4 × 91 MW.
Co v článku najdete
Jak Kaplanova turbína funguje?
Technické muzeum v Brně řadí Kaplanovu turbínu mezi turbíny přetlakové, česky také reakční. Část tlakové energie vody se přemění na rychlost už v rozváděcím kole a zbytek v kole oběžném, takže kolo využívá pohybovou i tlakovou energii vody. Podle směru průtoku jde o turbínu axiální: voda protéká oběžným kolem ve stálé vzdálenosti od osy, rovnoběžně s hřídelí.
Oběžné kolo má jen několik lopatek a tvarem připomíná lodní šroub, jen pracuje opačně. Lodní šroub tlačí vodu, zatímco turbína od proudící vody přebírá sílu a roztáčí hřídel generátoru. Příbuznost s lodní vrtulí není náhodná, o vývoji šroubu píše článek Josef Ressel a lodní šroub. Rozhodující novinkou Kaplanova řešení ale nebyl tvar, nýbrž pohyblivé lopatky.
Proč se lopatky natáčejí?
Každá turbína je podle Technického muzea v Brně navržená na určitý spád, průtok a otáčky, při kterých má nejvyšší účinnost. Jenže řeky během roku mění průtok. Francisova turbína se podle muzea reguluje jen přivíráním a rozvíráním lopatek rozváděcího kola. Kaplan přišel s tím, že se musí natáčet lopatky oběžného kola a současně regulovat rozváděcí kolo.
Muzeum to popisuje jako hlavní výhodu vynálezu: turbína se natáčením oběžných lopatek při současné regulaci rozváděcího kola přizpůsobí okamžitým provozním podmínkám. Úhel lopatek a množství propouštěné vody tak k sobě vždy pasují. Proto se Kaplanovy turbíny hodí hlavně na malé spády při velkých nestálých průtocích, tedy na nížinné řeky, jezy a průtočné elektrárny.
✗ Vrtule v potrubí ještě není Kaplanova turbína
Technické muzeum v Brně vede vrtulovou neboli propelerovou turbínu v přehledu jako samostatný typ vedle Kaplanovy. Podobný tvar oběžného kola tedy nestačí. Podstatou Kaplanova vynálezu je natáčení lopatek oběžného kola za provozu, sladěné s regulací rozváděcího kola.
Jak vypadá schéma turbíny?
Schéma Kaplanovy turbíny se dá číst jako cesta vody. Nejdřív přitéká přivaděčem, u velkých strojů spirální skříní, která ji rovnoměrně rozdělí po obvodu. Pak prochází rozváděcím kolem s natáčivými lopatkami, které usměrní proud a regulují průtok. Následuje bezlopatkový prostor, kde se proud stáčí do směru osy, a teprve potom oběžné kolo.
Za oběžným kolem pokračuje sací trouba neboli savka, rozšiřující se potrubí do odpadu. Kaplan podle muzea kromě lopatek řešil právě proudění v bezlopatkovém prostoru a nový tvar savky. Nad tím vším sedí regulátor, který přes servomotor ovládaný tlakovým olejem přestavuje lopatky. Tak funguje i regulátor ČKD vystavený v Brně u horizontální Kaplanovy turbíny.
- Voda přitéká přivaděčem nebo spirální skříní kolem celé turbíny.
- Rozváděcí kolo s natáčivými lopatkami usměrní proud a určí průtok.
- V bezlopatkovém prostoru se proud stočí do směru osy hřídele.
- Oběžné kolo s natáčivými lopatkami přemění energii vody na otáčení hřídele.
- Savka neboli sací trouba odvede vodu do odpadu.
- Hřídel roztáčí generátor, regulátor průběžně upravuje úhel lopatek.
Srovnání s Francisovou a Peltonovou
Tři nejrozšířenější typy vodních turbín se liší hlavně tím, jak využívají energii vody a jak se regulují. Technické muzeum v Brně je v expozici Vodní motory ukazuje vedle sebe jako velké, většinou pohyblivé stroje. Následující tabulka vychází z jeho třídění turbín a popisu regulace.
| Turbína | Využití energie vody | Průtok kolem | Jak se reguluje | Typické nasazení |
|---|---|---|---|---|
| Kaplanova | Přetlaková, pohybová i tlaková energie | Axiální, ve směru osy | Natáčení lopatek rozváděcího i oběžného kola | Malé spády, velké nestálé průtoky |
| Francisova | Přetlaková, pohybová i tlaková energie | Radiálně diagonální | Přivírání a rozvírání lopatek rozváděcího kola | Historicky hojná na tocích s menšími spády |
| Peltonova | Rovnotlaká, jen pohybová energie | Tangenciální, proud z trysky | Jehla v trysce nebo deflektor paprsku | Spády nad 350 m, malé průtoky |
Jak Viktor Kaplan turbínu vynalezl?
Viktor Kaplan se narodil 27. listopadu 1876 v rakouském Mürzzuschlagu. Podle Národního technického muzea vystudoval v letech 1895 až 1900 techniku ve Vídni a po krátkém působení ve strojírně Ganz přišel roku 1903 na německou techniku do Brna. Tam se začal věnovat rychloběžným vodním turbínám. Encyklopedie dějin města Brna uvádí, že v Brně bydlel na ulici Úvoz v letech 1903 až 1931.
Roku 1910 zahájila činnost malá turbínová laboratoř ve sklepních místnostech školy, jejíž vybavení poskytla hlavně brněnská ocelárna a slévárna Ignáce Storka. Malý pokusný stroj umožňoval rychle měnit tvar lopatek a dalších částí. Kaplan podle Technického muzea v Brně postupně opustil myšlenku úpravy Francisovy turbíny a v roce 1913 dospěl ke zcela novému typu.
Národní technické muzeum uvádí, že v letech 1912 až 1914 přihlásil k patentování své hlavní čtyři vynálezy. V květnu 1913 písemně oznámil vynález a pozval zástupce turbínářských firem k předvedení. Roku 1917 seznámil svět s laboratorními výsledky, ale první světová válka a nedůvěra odborníků posunuly praktické využití o několik let.
★ Kaplana si připomenete v Brně
Technické muzeum v Brně má v expozici Vodní motory památník Viktora Kaplana a vystavuje i horizontální Kaplanovu turbínu z ČKD Blansko s regulátorem a generátorem. Další místa spojená s technikou a výrobou najdete v rozcestníku exkurze do výroby a technické památky. Aktuální otevírací dobu ověřte na webu muzea.
Kde se točila první Kaplanka?
První Kaplanovu turbínu na světě dodala roku 1919 brněnská firma Ignác Storek do přádelny ve Velmu v Dolních Rakousích. Technické muzeum v Brně dodává, že přádelnu vlastnili Kaplanovi příbuzní, kteří byli ochotni riskovat objednávku nevyzkoušené konstrukce. Encyklopedie Brna uvádí přesná data: dodávka 11. 1. 1919 a zahájení zkušebního provozu 26. 3. 1919.
Podle Národního technického muzea byla roku 1920 postavena první Kaplanova turbína na našem území v Poděbradech. Roku 1926 zahájila provoz první velká Kaplanova turbína ve Švédsku v Lilla Edet. Výrobu v Brně později převzaly Spojené strojírny a slévárny B. Šmerala a v roce 1952 přešla do ČKD Blansko, které se stalo výhradním výrobcem vodních turbín v Československu.
Proč turbínu brzdila kavitace?
Při provozu dalších instalovaných turbín se podle Technického muzea v Brně projevila kavitace, tedy tvoření bublin ve vodě za specifických podmínek. Bubliny v místech nízkého tlaku zanikají a poškozují lopatky, stěny stroje i betonové stavby elektráren. Problémy otřásly důvěrou v novou konstrukci i u výrobce, firma Storek dokonce hledala jiný výrobní program.
Kaplan zároveň čelil útokům velkých turbínářských firem, které investovaly do Francisových turbín. Národní technické muzeum uvádí, že po dvanáctiletém právním sporu získal na základě rozsudku říšského soudu v Lipsku 280 patentů ve 27 státech. Teprve vyřešení kavitace a vítězství v soudních sporech prosadily Kaplanovu turbínu mezi tři nejpoužívanější konstrukce.
Spory vynálezce vyčerpaly. Roku 1931 opustil brněnskou techniku a odešel na usedlost Rochuspoint u Unterachu v Horních Rakousích, kde podle Národního technického muzea vybudoval malou elektrárnu a dílny. Zemřel tam 23. srpna 1934. Čestný doktorát mu udělila pražská technika roku 1926 a brněnská roku 1934.
Kde Kaplanovu turbínu vidět v Česku?
Nejznámějším příkladem je vodní elektrárna Orlík. Podle ČEZ jsou v ní instalována čtyři soustrojí s Kaplanovými turbínami pro spád 70,5 m, každé s generátorem 91 MW. Takový spád je na tento typ turbíny neobvykle vysoký. Právě blanenští konstruktéři podle Technického muzea v Brně překonali problémy, které bránily použití Kaplanovy turbíny při spádech nad 40 m.
Jedno desetilopatkové oběžné kolo z Orlíku získalo podle ČEZ zlatou medaili na světové výstavě EXPO 58 v Bruselu, dnes soustrojí pracují s modernějšími osmilopatkovými koly. Co uvidíte při návštěvě, popisuje článek prohlídka vodní elektrárny Orlík. Další vodní díla otevřená veřejnosti najdete v článcích prohlídka elektrárny Lipno a exkurze na Vírskou přehradu.
| Kde | Co tam je | Podle zdroje |
|---|---|---|
| Vodní elektrárna Orlík | 4 Kaplanovy turbíny, spád 70,5 m, generátory 4 × 91 MW | ČEZ |
| Technické muzeum v Brně | Horizontální Kaplanova turbína ČKD Blansko 1955, čtyřlopatkové kolo, spád 5 až 10 m | Technické muzeum v Brně |
| Velm, Dolní Rakousy | První Kaplanova turbína na světě, 1919, firma Ignác Storek | Národní technické muzeum |
| Poděbrady | První Kaplanova turbína na našem území, 1920 | Národní technické muzeum |
| Lilla Edet, Švédsko | První velká Kaplanova turbína, 1926 | Národní technické muzeum |
Co si z toho odnést
Pět faktů, které vysvětlí princip i příběh turbíny.
- Kaplanova turbína je přetlaková a axiální, voda protéká kolem ve směru osy.
- Jádrem vynálezu je natáčení lopatek oběžného kola spolu s regulací rozváděcího kola.
- Nejlépe se hodí pro malé spády a proměnlivé průtoky, blanenské konstrukce zvládly i spády nad 40 m.
- Vznikla v brněnské laboratoři, první kus dodala firma Ignác Storek roku 1919 do Velmu.
- Kavitace a patentové spory zdržely její prosazení, dnes patří mezi tři nejpoužívanější turbíny.
Časté otázky
Jaký je princip Kaplanovy turbíny?
Voda protéká oběžným kolem ve směru osy a roztáčí ho. Lopatky oběžného i rozváděcího kola se natáčejí podle průtoku, takže turbína drží vysokou účinnost i při kolísání průtoku.
Kdo vynalezl Kaplanovu turbínu?
Rakouský inženýr Viktor Kaplan, který v letech 1903 až 1931 působil na německé technice v Brně. Hlavní vynálezy přihlásil k patentování v letech 1912 až 1914.
Kde byla první Kaplanova turbína?
Roku 1919 ji dodala brněnská firma Ignác Storek do přádelny ve Velmu v Dolních Rakousích. Na našem území byla první postavena v roce 1920 v Poděbradech.
Jaký je rozdíl mezi Kaplanovou a Francisovou turbínou?
Francisova turbína se reguluje jen lopatkami rozváděcího kola a voda jí protéká radiálně diagonálně. Kaplanova má natáčivé i lopatky oběžného kola a průtok je axiální.
Pro jaký spád se Kaplanova turbína používá?
Hlavně pro malé spády při velkých nestálých průtocích. Vysokotlaké verze se podle Technického muzea v Brně nasazují i na střední spády.
Jaké turbíny jsou na Orlíku?
Čtyři Kaplanovy turbíny pro spád 70,5 m s generátory po 91 MW. Původní desetilopatkové kolo získalo zlatou medaili na EXPO 58.
Co je kavitace u vodní turbíny?
Tvoření bublin ve vodě v místech nízkého tlaku. Jejich zánik poškozuje lopatky i stěny stroje, u prvních Kaplanových turbín to byl vážný problém.
Kde Viktor Kaplan zemřel?
Zemřel 23. srpna 1934 na své usedlosti Rochuspoint u Unterachu v Horních Rakousích, kde strávil poslední roky života.
Kde si prohlédnout Kaplanovu turbínu v Brně?
V Technickém muzeu v Brně v expozici Vodní motory, kde je i památník Viktora Kaplana a horizontální Kaplanova turbína z ČKD Blansko.
