कापलान टर्बाइन

कापलान टर्बाइन एक नोदक-प्रकार की जल टर्बाइन है जिसमें समायोज्य ब्लेड होते हैं। इसे 1913 में ऑस्ट्रियाई प्रोफेसर विक्टर कापलान द्वारा विकसित किया गया था। जिन्होंने प्रवाह और हाइड्रोलिक हेड की एक विस्तृत श्रृंखला पर दक्षता प्राप्त करने के लिए स्वचालित रूप से समायोजित विकेट गेट (हाइड्रोलिक्स) के साथ स्वचालित रूप से समायोजित नोदक ब्लेड को जोड़ा।

कापलान टर्बाइन फ्रांसिस टर्बाइन के क्रमिक विकास का भाग था। इसके आविष्कार ने लो-हेड (हाइड्रोलिक) अनुप्रयोगों में कुशल बिजली उत्पादन  प्रारंभ किया जो फ्रांसिस टर्बाइनों के साथ संभव नहीं था। सिरे के क्रम में 10 से 70 मीटर (33 से 230 फीट) तक होता है और उत्पादन 5 से 200 मेगावाट तक होता है। चक्राल का व्यास 2 से 11 मीटर (6 फीट 7 इंच और 36 फीट 1 इंच) के मध्य होता है। टर्बाइन एक स्थिर दर पर घूमते हैं, जो अलग-अलग टरबाइनों में भिन्न होती है। यह दर 450 आरपीएम से लेकर 54.5 आरपीएम (अलबेनी फॉल्स डैम) तक कम है।

कापलान टर्बाइन अब विश्व भर में व्यापक रूप से उच्च प्रवाह के लो-हेड के बिजली उत्पादन में उपयोग किया जाता है।

विकास
ब्रून, ऑस्ट्रिया-हंगरी (अब ब्रनो, चेकिया) में रहने वाले विक्टर कापलान ने सन 1912 में समायोज्य ब्लेड नोदक टर्बाइन के लिए अपना पहला पेटेंट (किसी आविष्कार पर पूर्ण अधिकार) प्राप्त किया। परंतु व्यावसायिक रूप से सफल मशीन के विकास में एक और दशक लग गया। कपलान, मशीन में गुहिकायन की समस्याओं से लड़ रहे थे और सन 1922 में स्वास्थ्य कारणों से उन्होंने अपने शोध को रोक दिया।

सन 1919 में कपलान ने पोडेब्राडी (अब चेकिया में) में एक प्रदर्शन इकाई की स्थापना की। 1922 में वोइथ ने मुख्य रूप से नदियों पर उपयोग के लिए 1100 एचपी (लगभग 800 किलोवाट) कापलान टर्बाइन प्रस्तुत किया। 1924 में स्वीडन के लीला एडेट में 8 मेगावाट की एक इकाई आरम्भ हुई। इसने कपलान टर्बाइनों की व्यावसायिक सफलता और व्यापक स्वीकृति का शुभारंभ किया।

संचालन का सिद्धांत
कापलान टर्बाइन अंतर्मुखी प्रवाह प्रतिक्रिया टर्बाइन है जिसका अर्थ है कि काम कर रहे द्रव के दबाव में परिवर्तन होता रहे क्योंकि यह टर्बाइन के माध्यम से चलता है और अपनी ऊर्जा छोड़ देता है। द्रवस्थैतिक दाबोच्चता और बहते पानी की गतिज ऊर्जा दोनों से शक्ति प्राप्त होती है। इसकी बनावट त्रिज्यीय और अक्षीय टर्बाइनों की विशेषताओं को सम्मिलित करती है।

प्रवेशिका एक घुमावदार ट्यूब (नलिका) होती है जो टरबाइन के विकेट गेट के चारों ओर लपेटी जाती है। पानी को विकेट गेट और प्रवेशिका के माध्यम से एक नोदक के आकार के चक्राल पर निर्देशित किया जाता है जिससे यह घूमता है।

विसर्जन नलिका एक विशेष आकार की ड्राफ्ट ट्यूब है जो जल की गति को धीमा करने और गतिज ऊर्जा को पुनः प्राप्त करने में सहायता करती है।

जब तक ड्राफ्ट ट्यूब पानी से भरी रहती है तब तक टर्बाइन को जल प्रवाह के निम्नतम बिंदु पर होने की आवश्यकता नहीं होती है। टर्बाइन का उच्च स्थान जो कि ड्राफ्ट ट्यूब द्वारा टर्बाइन ब्लेड पर लगाए गए सक्शन को बढ़ाता है। परिणामी दबाव कम होने से गुहिकायन हो सकता है।

विकेट गेट और टर्बाइन ब्लेड की परिवर्तनीय ज्यामिति प्रवाह स्थितियों की श्रृंखला के लिए कुशल संचालन प्रदान करती है। कापलान टर्बाइन दक्षता सामान्यतः 90% से अधिक होती है लेकिन बहुत निम्न श्रेणी के अनुप्रयोगों में कम हो सकती है। अनुसंधान के वर्तमान क्षेत्रों में संगणनात्मक तरल गतिकी (सीएफडी) संचालित दक्षता में सुधार और नए प्रारूप सम्मिलित हैं जो मछली के जीवित रहने की दर को बढ़ाते हैं।

कापलान डिजाइन का एक महत्वपूर्ण कार्य जलमार्ग में तेल के उत्सर्जन को रोकने के लिए सकारात्मक पकड़ बनाए रखना है क्योंकि नोदक ब्लेड उच्च दबाव वाले हाइड्रोलिक तेल बीयरिंगों पर घूमते हैं। संसाधनों के नष्ट होने और परिणामस्वरूप पारिस्थितिक क्षति के कारण नदियों में तेल का निर्वहन वांछनीय नहीं है।

अनुप्रयोग
कापलान टर्बाइन का व्यापक रूप बिजली उत्पादन के लिए विश्व भर में उपयोग किया जाता है। ये लो-हेड हाइड्रो क्षेत्र को समाविष्ट करते हैं और विशेष रूप से उच्च प्रवाह स्थितियों के लिए अनुकूल होते हैं।

कापलान टर्बाइन प्रारूप पर कम मूल्य के माइक्रो टर्बाइनों को 3 मीटर हेड के लिए प्रारूप किए गए व्यक्तिगत बिजली उत्पादन हेतु निर्मित किया जाता है जो पर्याप्त जल प्रवाह प्रदान करने पर अत्यधिक कम प्रदर्शन पर 0.3 मीटर हेड के साथ कार्य कर सकता है।

बड़े कापलान टर्बाइनों को व्यक्तिगत रूप से प्रत्येक क्षेत्र के लिए उच्चतम संभव दक्षता पर संचालित करने के लिए (सामान्यतः 90% से अधिक) रूपित किया गया है। ये दशकों तक कार्य करते हैं परंतु प्रारूप, निर्माण और स्थापित करने के लिए बहुत मूल्यवान हैं।

कुछ समय पूर्व ही अपतटीय तरंग ऊर्जा उत्पादन में वेव ड्रैगन के रूप में एक नया अनुप्रयोग प्राप्त किया गया है।

विविधताएं
कापलान टर्बाइन में नोदक-प्रकार के टर्बाइनों का सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है परंतु कई अन्य भिन्नताएं भी प्रस्तुत हैं:
 * नोदक टर्बाइन में असमायोज्य नोदक पिच्छफलक होते हैं। उनका उपयोग वहां किया जाता है जहां प्रवाह/ शक्ति की सीमा बड़ी नहीं होती है। केवल कुछ फीट हेड से कई सौ वाट उत्पादन के लिए वाणिज्यिक उत्पाद उपलब्ध हैं। बड़े नोदक टर्बाइन 100 मेगावाट से अधिक का उत्पादन करते हैं। उत्तरी क्यूबेक में ला ग्रांडे -1 जनरेटिंग स्टेशन पर, 12 नोदक टर्बाइन 1368 मेगावाट उत्पन्न करते हैं।
 * बल्ब या ट्यूबलर टर्बाइन को जल वितरण ट्यूब में प्रारूप किया गया है। एक बड़ा बल्ब पानी के पाइप में केंद्रित होता है जो जनरेटर, विकेट गेट और चक्राल पर अपनी पकड़ बनाये रखता है। ट्यूबलर टर्बाइन पूरी तरह से अक्षीय प्रारूप में हैं जबकि कापलान टर्बाइन में त्रिज्यीय विकेट गेट है।
 * पिट टर्बाइन गियर बॉक्स के साथ एक बल्ब टर्बाइन हैं। यह एक छोटे जनरेटर और बल्ब के साथ कार्य करता है।
 * स्ट्राफ्लो टर्बाइन अक्षीय टर्बाइन होते हैं जिनमें जनरेटर जल क्षेत्र से बाहर होता है जो चक्राल की परिधि से जुड़ा होता है।
 * एस-टरबाइन जनरेटर को जल क्षेत्र बाहर रखकर बल्ब आवासन की आवश्यकता को समाप्त करते हैं। यह जल क्षेत्र में एक घुमावदार चक्राल और जनरेटर को जोड़ने वाले शाफ्ट के साथ पूरा किया जाता है।
 * वीएलएच टर्बाइन एक खुला प्रवाह है, बहुत कम हेड वाला "कपलान" टर्बाइन पानी के प्रवाह के कोण पर झुका हुआ होता है। इसका एक बड़ा व्यास > 3.55 मीटर है, इलेक्ट्रॉनिक विद्युत विनियमन के साथ सीधे स्थायी चुंबक के साथ जुडी शाफ्ट अल्टरनेटर का उपयोग करके कम गति करती है व मछली के लिए अनुकूल है (<5% मृत्यु दर)।
 * डाइव-टरबाइन एक लंबवत नोदक टर्बाइन है जिसमें विकेट गेट्स और गति विविधताओं द्वारा दोहरा विनियमन है। यह मानक कपलान-टर्बाइनों की तुलना में क्षमता के साथ 4 मेगावाट तक के अनुप्रयोग की एक श्रृंखला के अंतर्गत कार्य करता है। स्थिर ब्लेड के साथ नोदक प्रारूप के कारण इसे मछली के अनुकूल टर्बाइन माना जाता है।
 * टायसन टर्बाइन एक निश्चित नोदक टर्बाइन है जिसे अधिक प्रवाह वाली नदी में डुबोने के लिए रुपित किया गया है इन्हे या तो नदी के तल में स्थायी रूप से लंगर डालकर या नाव या बार्ज से जोड़ा जा सकता है।DIVE-Turbine (cropped).png

यह भी देखें

 * बांकी टर्बाइन
 * ड्राफ्ट ट्यूब
 * फ्रांसिस टरबाइन
 * गोरलोव हेलिकल टर्बाइन
 * जलविद्युत
 * जलविद्युत
 * पेल्टन व्हील
 * पेंच टरबाइन
 * सेंसर फिश, एक उपकरण जिसका प्रयोग मछली पर प्रभाव का अध्ययन करने के लिए किया जाता है जब वह फ्रांसिस और कापलान टर्बाइनों से यात्रा करती है।
 * टर्बोमशीनरी में त्रि-आयामी नुकसान और सहसंबंध
 * टर्बाइन
 * जल टर्बाइन

संदर्भ
https://www.wws-wasserkraft.at/en

बाहरी कड़ियाँ

 * National Historic Mechanical Engineering Landmark Kaplan Turbine, retrieved 2010 June 24
 * Bently Nevada Application Note on Hydro turbine vibration, retrieved 2014 August 14
 * 3D model Kaplan turbine, retrieved 2021 February 10