カプラン水車

カプラン水車は、調整可能なブレードを備えたプロペラ型水車です。1913年にオーストリアのヴィクトル・カプラン教授によって開発されました^[1] 。カプラン教授は、自動調整プロペラブレードと自動調整ウィケットゲートを組み合わせることで、広範囲の流量と水位で効率を実現しました。

カプラン水車はフランシス水車の進化形である。この発明により、フランシス水車では不可能だった低落差での効率的な発電が可能になった。 ^[2]落差は10～70メートル（33～230フィート）で、出力は5～200MWである。ランナーの直径は2～11メートル（6フィート7インチ～36フィート1インチ）である。水車は一定の速度で回転するが、その速度は施設によって異なる。その速度は最低54.5rpm（アルベニ滝ダム）から450rpmまでである。^[3]

カプラン水車は現在、高流量、低落差の発電において世界中で広く使用されています。

オーストリア＝ハンガリー帝国のブルノ（現在のチェコ共和国）に住んでいたヴィクトル・カプランは、1912 年に可変ブレード プロペラ タービンに関する最初の特許を取得しました。しかし、商業的に成功する機械の開発にはさらに 10 年かかりました。カプランはキャビテーションの問題に悩まされ、1922 年に健康上の理由で研究を断念しました。

1919 年、カプランはポジェブラディ(現在のチェコ共和国)に実証ユニットを設置しました。1922 年、フォイトは主に河川で使用するために 1100 HP (約 800 kW) のカプラン水車を導入しました。1924 年には、スウェーデンのリラ エデットで 8 MW ユニットが稼働を開始しました。これがカプラン水車の商業的成功の始まりとなり、広く受け入れられるようになりました。

カプラン水車は内向きの流れの反動型水車です。つまり、作動流体は水車内を移動してエネルギーを放出するにつれて圧力が変化します。動力は静水頭と流水の運動エネルギーの両方から回収されます。この設計は、ラジアル水車と軸流水車の特徴を組み合わせたものです。

入口は、タービンのウィケット ゲートを囲む渦巻き状の管です。水はウィケット ゲートを通って接線方向に導かれ、プロペラ型のランナーに向かって螺旋状に流れ、ランナーを回転させます。

出口は特殊な形状のドラフトチューブで、水を減速させ、運動エネルギーを回収するのに役立ちます。

ドラフト チューブが水で満たされている限り、タービンは水流の最低点にある必要はありません。ただし、タービンの位置が高いほど、ドラフト チューブによってタービン ブレードに与えられる吸引力が増します。その結果、圧力が低下し、キャビテーションが発生する可能性があります。

ウィケットゲートとタービンブレードの可変形状により、さまざまな流れの条件で効率的な動作が可能になります。カプラン水車の効率は通常90％以上ですが、非常に低いヘッドのアプリケーションでは低くなる可能性があります。^[4]

現在の研究分野には、数値流体力学(CFD) による効率改善や、通過する魚の生存率を高める新しい設計などがあります。

プロペラのブレードは高圧油圧オイルベアリング上で回転するため、カプラン設計の重要な要素は、水路へのオイルの流出を防ぐために確実なシールを維持することです。川へのオイルの流出は、資源の浪費とそれに伴う生態系へのダメージのため、望ましくありません。

カプラン水車は、世界中で電力生産に広く使用されています。最も低い落差の水力発電所をカバーし、特に高流量条件に適しています。

カプラン水車モデルの安価なマイクロタービンは、3mの落差用に設計された個別の発電用に製造されており、十分な水流があれば、0.3mの落差でも大幅に性能を低下させて稼働することができます。^[5]

大型カプラン水車は、各サイトごとに個別に設計され、通常 90% を超える最高の効率で稼働します。設計、製造、設置には非常に費用がかかりますが、数十年にわたって稼働します。

彼らは最近、沖合波力発電における新たな用途を発見しました。Wave Dragonをご覧ください。

カプラン水車はプロペラ型水車の中で最も広く使用されていますが、他にもいくつかのバリエーションが存在します。

• プロペラタービンには調整不可能なプロペラ羽根があります。流量/出力の範囲が広くない場合に使用されます。数フィートの落差から数百ワットを生産する市販製品があります。大型のプロペラタービンは100MW以上の出力があります。ケベック州北部のラグランド1発電所では、12台のプロペラタービンが1368MWを発電しています。^[6]
• バルブ型または管状タービンは、水供給管内に設計されています。大きなバルブが水パイプの中央に配置され、そこに発電機、ウィケット ゲート、ランナーが取り付けられています。管状タービンは完全に軸方向の設計ですが、カプラン タービンには放射状のウィケット ゲートがあります。
• ピット タービンはギア ボックスを備えたバルブ タービンです。これにより、発電機とバルブを小型化できます。
• ストラフロ水車は、水路の外側に発電機が配置され、ランナーの外周に接続された軸流水車です。
• S 型タービンでは、水路の外側に発電機を配置することでバルブ ハウジングが不要になります。これは、水路のジョグと、ランナーと発電機を接続するシャフトによって実現されます。
• VLHタービンは、水流に対して斜めに傾いたオープンフローの非常に低いヘッドの「カプラン」タービンです。直径は3.55m以上と大きく、電子制御式永久磁石オルタネータを搭載したシャフト直結型で低速であり、魚に非常に優しい（死亡率5%未満）タービンです。^[7]
• DIVEタービンは、ウィケットゲートと速度可変による二重制御を備えた垂直プロペラタービンです。標準のカプランタービンに匹敵する効率で最大4MWの用途をカバーします。固定ブレードを備えたプロペラ設計により、魚に優しいタービンと考えられています。^[8]

  

• タイソン タービンは、川底に恒久的に固定するか、ボートやはしけに取り付けて、流れの速い川に沈めるように設計された固定プロペラ タービンです。

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  球形タービンまたは管状タービンのモデル
• 
  S型タービンのモデル
• 
  ストラフロタービンの概略図
• 
  VLHタービン
• 
  ダイブタービンの概略図

https://www.wws-wasserkraft.at/ja

ウィキメディア・コモンズには、カプラン水車に関連するメディアがあります。

• 国立歴史的機械工学ランドマーク カプランタービン、2010年6月24日取得
• ベントリー・ネバダの水力タービンの振動に関するアプリケーションノート、2014年8月14日取得
• カプラン水車の3Dモデル、2021年2月10日取得