Kaplanova turbína a její vznik v Brně
Kaplanovu turbínu vynalezl Viktor Kaplan na německé technice v Brně: hlavní patent podal 7. srpna 1913 a od roku 1919 běžela první průmyslová turbína ve Velmu v Dolních Rakousích. Její klíč je v natáčivých lopatkách oběžného kola spolu s natáčivým rozvaděčem, díky nimž stroj hospodárně zpracuje velké průtoky při nízkém spádu.
Ve zkratce
- Viktor Kaplan se narodil roku 1876 ve Štýrsku a od roku 1903 pracoval v Brně.
- Hlavní patent podal 7. srpna 1913, čtyři hlavní vynálezy přihlásil v letech 1912 až 1914.
- První průmyslová turbína pracovala od roku 1919 v textilní továrně ve Velmu.
- Podstatou je přestavování lopatek oběžného kola i rozvaděče za chodu.
- Turbína patří do nízkých spádů a velkých průtoků, ne do každé elektrárny.
- Patentový spor trval dvanáct let a skončil Kaplanovým vítězstvím.
- Zemřel roku 1934 na svém sídle Rochuspoint v Horních Rakousích.
Kdo byl Viktor Kaplan
Viktor Kaplan se narodil 27. listopadu 1876 v Mürzzuschlagu ve Štýrsku jako třetí dítě železničního úředníka. Strojařinu vystudoval ve Vídni v letech 1895 až 1900, krátce pracoval v továrně u Vídně na motorech a roku 1903 odešel do Brna.
Brno na německé technice
V Brně nastoupil jako konstruktér na německou vysokou školu technickou, do ústavu profesora Alfreda Musila. Zájem se mu brzy soustředil na vodní turbíny. Roku 1909 získal doktorát ve Vídni a habilitoval se pro vodní motory. S Brnem byl spjat téměř tři desetiletí: profesorem se stal před první světovou válkou a řádným profesorem v květnu 1918.
Laboratoř ve sklepě a pomoc Ignaze Storka
Škola mu povolila zřídit pokusnou laboratoř na zkoušení turbín ve sklepě budovy. Podle inventáře Národního technického muzea ho přitom podporoval brněnský průmyslník Ignaz Storek, majitel brněnského železářského a slévárenského podniku. Po povolení z roku 1909 laboratoř začala pracovat roku 1910. Jeho firma později postavila i první průmyslovou turbínu.
Co přesně Kaplan vynalezl
Turbína využívá energii vody, která proudí lopatkami oběžného kola. Kaplanův přínos je nastavitelnost lopatek oběžného kola za provozu. Odborná studie z časopisu WasserWirtschaft ji označuje za jeho vlastní velký objev.
Natáčivé lopatky oběžného kola i rozvaděče
Rozvaděč řídí, jakým směrem a v jakém množství voda na oběžné kolo přitéká. U Kaplanovy turbíny jsou nastavitelné obě části a regulace je navzájem sladí. Říká se tomu dvojitá regulace. Díky ní stroj drží vysokou účinnost, i když se průtok řeky v průběhu roku výrazně mění.
Proč vyhovuje nízkým spádům
Britannica řadí Kaplanovu vrtulovou turbínu k typům pro velké průtoky při nízkém spádu, zatímco Peltonovo kolo je určeno pro malé průtoky při vysokém spádu. Řeka s malým spádem a velkým množstvím vody je přesně prostředí, pro které byla stavěna.
| Typ turbíny | Pro jaké poměry | Co je u něj charakteristické |
|---|---|---|
| Peltonovo kolo | malé průtoky, vysoký spád | voda dopadá na lopatky kola jako volný paprsek |
| Francisova turbína | střední poměry | do té doby rozšířený typ, který velcí výrobci hájili |
| Kaplanova turbína | velké průtoky, nízký spád | natáčivé lopatky oběžného kola i rozvaděče |
Patenty a cesta k první turbíně
Podle Národního technického muzea přihlásil Kaplan v letech 1912 až 1914 své čtyři hlavní vynálezy. Za nejdůležitější se považuje patent z 7. srpna 1913, vedený pod číslem 74 244. Chrání regulaci lopatek rychloběžných strojů s rozvaděčem a netýká se jen vodních turbín, ale všech proudových strojů včetně čerpadel a parních turbín. Válka a počáteční nedůvěra podle muzea posunuly využití zhruba o pět let.
První turbína tohoto druhu byla dodána roku 1919 do továrny na pletenou přízi ve Velmu v Dolních Rakousích. Vyrobila ji brněnská firma Ignaz Storek. Dnes je vystavena v Technickém muzeu ve Vídni. Od patentu k prvnímu průmyslovému nasazení tedy uplynulo šest let.
| Rok | Událost |
|---|---|
| 1903 | Kaplan přichází na německou techniku v Brně |
| 1909, 1910 | doktorát a habilitace, zahájení práce pokusné laboratoře |
| 1912 až 1914 | přihláška čtyř hlavních vynálezů |
| 7. 8. 1913 | hlavní patent na regulaci lopatek, číslo 74 244 |
| 1919 | první průmyslová turbína ve Velmu |
| počátek dvacátých let | turbína v Poděbradech, první na území Československa |
| 1925 | Lilla Edet ve Švédsku, průměr oběžného kola 5,8 m |
| 1931 | odchod z Brna do Rochuspointu |
| 1934 | Kaplanova smrt |
Kavitace a patentové spory
Nasazení na velkých řekách ukázalo nečekaný problém. Podle brněnského regionálního portálu a studie z časopisu WasserWirtschaft se na počátku dvacátých let objevilo poškození lopatek, způsobené kavitací, tedy vznikem a zánikem parních bublin v proudu. Kaplan s asistenty reagoval úpravou tvaru lopatek a svou zkušenost později shrnul i v práci o kavitaci u rychloběžných turbín z roku 1924.
Druhou zátěží byly spory. Velcí výrobci turbín bránili Francisovu turbínu a Kaplanův patent napadali. Po dvanáctiletém sporu rozhodl říšský soud v Lipsku a Kaplan získal 280 patentů ve 27 státech. Vítězství ho podle muzea výrazně vyčerpalo. Také jiný vynález s točivými lopatkami ve vodě, lodní šroub, má spory o prvenství, jak ukazuje text o Josefu Resselovi a lodním šroubu.
Kaplanova turbína ve světě a u nás
Velký stroj pracuje od roku 1925 ve švédském Lilla Edet. Má průměr oběžného kola 5,8 metru a výkon přes osm megawattů. Byla to největší vodní turbína své doby, jak uvádí rakouský Austria-Forum i česká energetická publicistika.
Železná vrata a další velké elektrárny
Vodní elektrárna Železná vrata I na Dunaji mezi Srbskem a Rumunskem má šest kaplanových soustrojí a ke komerčnímu provozu byla uvedena roku 1970.
Česká a brněnská stopa
Na území Československa podle českých pramenů instalovali první kaplanovu turbínu na počátku dvacátých let v Poděbradech. Národní technické muzeum dodnes uchovává Kaplanovu pozůstalost, založenou už dvacátými lety, kdy tehdejší Československé technické muzeum sbíralo dokumenty o jeho patentech. Brno zůstalo městem, kde Kaplan působil. Dnes je známé i závodním okruhem, jak ukazuje text o Masarykově okruhu v Brně.
Rochuspoint: poslední roky
Kaplan trpěl od dvacátých let vážnými zdravotními potížemi. Roku 1931 odešel na vlastní žádost do předčasného důchodu a usadil se na venkovském sídle Rochuspoint u Unterachu na Attersee v Horních Rakousích. Zřídil si tam dílny a malou elektrárnu a pracoval dál. Zemřel 23. srpna 1934.
Rakousko mu dalo portrét na tisícišilinkovou bankovku. Mezi další technické osobnosti patří Prokopa Diviše a hromosvodu nebo Otto Wichterleho a kontaktních čoček.
Šest tvrzení o Kaplanově turbíně, která neplatí
- Že fungovala hned po patentu. Od hlavního patentu z roku 1913 uplynulo šest let do první průmyslové turbíny a dalších šest let do velkého stroje.
- Že první stála v elektrárně. Do provozu šla v textilní továrně ve Velmu, ne ve velké vodní elektrárně.
- Že se hodí pro každý spád. Je určena pro velké průtoky při nízkém spádu, pro vysoký spád se používá Peltonovo kolo.
- Že neměla žádné potíže. Na velkých řekách se projevila kavitace, kterou bylo nutné řešit úpravou lopatek.
- Že patent nikdo nenapadal. Spor trval dvanáct let a rozhodl o něm říšský soud v Lipsku.
- Že Kaplan byl Čech. Byl Rakušan narozený ve Štýrsku, který v Brně působil na německé technice.
Časté otázky
Kdo vynalezl Kaplanovu turbínu?
Rakouský konstruktér Viktor Kaplan, který se narodil roku 1876 ve Štýrsku a od roku 1903 pracoval na německé technice v Brně. Hlavní patent na regulaci lopatek podal 7. srpna 1913. Podstatou vynálezu je oběžné kolo s natáčivými lopatkami, které spolupracuje s natáčivými lopatkami rozvaděče, takže turbína drží vysokou účinnost i při kolísavém průtoku.
Kde stála první Kaplanova turbína?
První průmyslová Kaplanova turbína byla dodána roku 1919 do textilní továrny ve Velmu v Dolních Rakousích. Postavila ji brněnská firma Ignaze Storka. Dnes je vystavena v Technickém muzeu ve Vídni. Na území Československa byla podle českých pramenů první turbína tohoto typu instalována na počátku dvacátých let v Poděbradech.
K čemu se Kaplanova turbína hodí?
Pro velké průtoky při nízkém spádu, tedy typicky pro říční jezové elektrárny. Natáčivé lopatky umožňují přizpůsobit stroj proměnlivému průtoku řeky. Pro malé průtoky při vysokém spádu se naopak používá Peltonovo kolo a pro střední poměry Francisova turbína.
Co je to kavitace a proč trápila Kaplanovu turbínu?
Kavitace je tvorba a zánik parních bublin v kapalině tam, kde tlak klesne pod určitou mez. Bubliny po zániku poškozují lopatky. U rychloběžných kaplanek se projevila hned po prvních nasazeních na velkých řekách, na počátku dvacátých let, a Kaplan s asistenty ji zmírnil úpravou tvaru lopatek.
Jak dlouho trval spor o Kaplanovy patenty?
Podle Národního technického muzea dvanáct let. Na základě rozsudku říšského soudu v Lipsku získal Kaplan 280 patentů ve 27 státech. Spor vedl proti velkým výrobcům turbín a podlomil jeho zdraví.
Kde pracují velké kaplanovy turbíny?
Například ve švédském Lilla Edet, kde od roku 1925 běží stroj s oběžným kolem o průměru 5,8 metru, a v elektrárně Železná vrata I na Dunaji, která má šest kaplanových soustrojí a provoz zahájila roku 1970.
Kde Viktor Kaplan zemřel?
Na svém venkovském sídle Rochuspoint u Unterachu na Attersee v Horních Rakousích, 23. srpna 1934. Usadil se tam roku 1931 po odchodu z brněnské vysoké školy z důvodu zdraví. Postavil si tam dílny a malou elektrárnu.
Byl Kaplan Čech?
Ne. Narodil se v rakouském Mürzzuschlagu, studoval ve Vídni a v Brně působil na německé technice téměř tři desetiletí. Do Rakouska se vrátil na odpočinek.
