卡布兰式水轮机

卡布兰式水轮机（英文：Kaplan turbine）为一种转桨式型态的水轮机，其具有可变型态的扇叶。它是由奥地利教授维克托·卡普兰于1913年所开发，他将可自动调整的螺旋桨叶片以及可自动调整的导叶组合以实现在大落差流量以及大水头高度差距上的高产能效益。

台湾电力公司设于高屏发电厂竹门机组中的横轴卡布兰式水轮机，图中绿色部分即为水轮机之外观，灰色部分即为发电机

已运转长达61年的美国华盛顿州博纳维尔水坝发电厂卡布兰式水轮机

卡布兰式水轮机其最早为法兰西斯式水轮机演变而来的。他的发明应用在极低水头高度的水力发电厂中可以有效率的产生电力，然而极低水头高度对于法兰西斯式水轮机来说是无法实现的。其设计水头高度范围为10-70米，输出可从5至200兆瓦。动轮直径为2和11米之间。转速范围从79至429转。卡布兰式水轮机与其搭配的发电机，其最高产电效率的理论水头高度为34.65米，是在2013年委内瑞拉的塔科马发电厂中十部流道直径4.8米的卡布兰式水轮机，其机组发电量为235MW。

卡布兰式水轮机当今已被广泛使用于高流量，低水头的水力发电厂中。

在此布卡布兰式水轮机之中，其基座上的扇叶是裸露在外的，这样的作法能够使得水轮机转动时，扇叶的角度可被改变。其中轮毂内包含了液压缸以用于调整扇叶角度。

开发历程

维克托·卡普兰居住在捷克共和国布尔诺，1912年，他凭借可调桨式水轮机获得了第一个个人专利。然而其专利在商业上的成功却在整整10年后。在此10年间，卡普兰致力于解决气穴现象的问题，然而最终在1922年，因个人健康因素而放弃了自己的研究。

1919年，卡普兰在捷克斯洛伐克波杰布拉迪安装了一座示范机组。1922年，福伊特推出了一组1100马力（约800千瓦）的卡布兰式水轮机，其主要设计于一般河川使用。1924年，一组8MW的机组成功在瑞典小埃德市运转。这意味着，卡布兰式水轮机终究在商业上取得了成功，以及市面上广泛的接受。

运作原理

竖轴卡布兰式水轮机（源自福伊特-西门子）

卡布兰式水轮机为内流反击式水轮机的一种，这意味着，工作流体流入水轮机后，流体压力因而改变，也使得能量的损失。能量便从水头与水流的动能两者上取得。此种水轮机设计结合了径向和轴向水轮机的功能。

流体入口处为涡旋形管路，并环绕在水轮机导叶上。流体流入水轮机后会以切线方向流到导叶和螺线上，并经过螺旋桨类型的动轮上，来让其旋转。

流体出口是一条特殊形状的导流管，有助于减缓流体的流速和回收动能。

卡布兰式水轮机的设置地点不需要是在水流的最低点，只需要其引流管要保持满水状态即可设置。，然而，较高的安装地点将可能导致水轮机扇叶被尾水管吸入的状况产生，并且其所产生的压降可能会引发气穴现象。

可变动的边门以及水轮机扇叶让水轮机操作者能够针对各种水流条件进行各种不同有效的控制。卡布兰式水轮机通常状况下，它的运转效率都能够超过90％，但可能仅应用在非常低的水头高度上。

目前的研究领域包括计算流体力学（CFD）驱动效率的改进与新的设计，以及提高当鱼通过水轮机时的存活率。

因为，早先卡普兰在设计卡布兰式水轮机时，它的螺旋桨扇叶旋转须倚靠轴承上的高压液压油来保持顺畅，并且，高压液压油须保持在极度密封状态下，以防止随运转后的尾水流入河中，如此的状况是不希望发生的，因为不仅会造成资源浪费，也会造成严重的环境污染。

实际应用

位在维也纳科技博物馆展示的维克托·卡布兰水轮机

卡布兰式水轮机在全球被广泛用于电力生产。它涵盖于各大极低头高度的水力发电站点，尤其，卡布兰式特别适合安装于上述条件之中高流量水流条件的水力发电厂。

以卡布兰式水轮机为原型所制造出来的廉价微型水轮机是专门针对个别的发电地点所制造的，这类微型水轮机设计可用于最低只需要0.3米的水头高度，其不注重于是否有无高度效益，只需要通水量充足便能运转。

大型的卡布兰式水轮机，通常都是针对其每个即将安装的站点进行设计的，以尽可能的发挥其安装站点的水力潜能，并且，通常卡布兰式水轮机安装后都能够发挥超过90％安装站点的水力潜能。而这类专门设计的卡布兰式水轮机，通常在设计，制造和安装方面都是造价非常高昂的，但其运转年限能有十年之久。

目前已发现有新的水力潜能是近海的海浪拍打时所制造的能量，请参阅波龙

衍生型态

卡布兰式水轮机是当今全球最广泛使用的转桨式水轮机，也因而衍生出许多其他型态：

• 螺旋桨水轮机：其节螺旋桨扇叶为不可调节式。它被用于流量/功率不大的站点。其中，以商业利用来说，螺旋桨水轮机现在已有水头高度只需要几英尺，便能生产几百瓦的电力的实际案例存在。而更大型的螺旋桨水轮机则电力的生产效率更能够超过100兆瓦。在加拿大魁北克北部的拉格兰德-1发电厂，场内所安装的12部螺旋桨水轮机能够生产出高达1368兆瓦的电力。
• 球灯泡式或是贯流式水轮机：设计为入水的导流管。大型的灯泡球体将发电机，导叶和动轮集中在管线中。管式涡轮机为完全轴向的设计，而卡布兰式水轮机则是径向导叶的设计。
• 灯管式涡轮机：为球灯泡式水轮机与传动箱的结合类型，它允许更小的发电机以及更小的球灯泡式水轮机。
• 贯流式水轮机：为一种与发电机互用轴承协作发电的一种水轮机，该种水轮机安装于河道外，并连结著动轮的外周。
• S-水轮机：由于发电机安装于水道外，因此不再需要球灯泡状护罩，这是透过水流缓慢的流动来运转以及轴承连结发电机以及动轮来联动。
• VLH水轮机：适用于开放式水域，它是一种非常低水头的“卡布兰式”水轮机，能针对装设站点的水流量倾斜成一个角度。它整体的直径相当大，大于3.55米。它使用于流速处于极低速状态的环境，并且水轮机是直接与转轴式永磁发电机连结，而发电机上配备有电子功率调节功能，该类型水轮机对于水中的鱼是非常友善的（<5％的死亡率）。
• 泰森式水轮机：一种固定在河床中或是连结到船或驳船下的螺旋桨水轮机设计，并且，它适合永久固定在快速流动的河水中制造电力。

参见

• 阿基米德式螺旋抽水机
• 水力发电
• 涡轮机
• 水轮机
• 法兰西斯式水轮机
• 佩尔顿式水轮机
• 横流式水轮机，又称本吉式水轮机
• 戈尔洛夫式螺旋水轮机
• 尾水管
• 涡轮机三维损失和相关资讯
• 探鱼器，用于研究鱼类游动的法兰西斯式和卡布兰式水轮机冲击装置
• 轴伸式水轮机

外部链接

• National Historic Mechanical Engineering Landmark Kaplan Turbine，于2010年6月24日检索
• Bently Nevada Application Note on Hydro turbine vibration （页面存档备份，存于互联网档案馆），于2014年8月24日检索