انواع توربین‌های چرخشی
توربین آبی یک نوع توربین هیدرولیکی است که از جریان آب برای تولید انرژی مکانیکی استفاده می‌کند.
این توربین‌ها در قرن نوزده میلادی توسعه یافتند و تا پیش از توربین‌های برقی مهم‌ترین منبع تولید قدرت در صنایع بودند. امروزه این توربین‌ها بیشتر برای تولید برق به کار میروند. این توربین‌ها بیشتر در سدها برای تبدیل انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل آب به برق مورد استفاده قرار می‌گیرند.
تاریخچه توربین ها
چرخ آب برای هزاران سال برای تولید قدرت در صنایع مورد استفاده قرار گرفته است. توسعه چرخ‌های آب به توربین‌های مدرن در طول حدود یک صد سال در دوران انقلاب صنعتی و با استفاده از اصول و روش‌های علمی صورت گرفته است. به علاوه، از مواد جدید و روش ساخت نوین که در قرن نوزده موجود بودند برای توسعه این توربین‌ها استفاده شد.
مهندس فرانسوی کلود بوردین(Claude Burdin) در اوایل قرن ۱۹ از واژه چرخش برای این مدل توربین‌ها استفاده کرد. این واژه از کلمه لاتین ” whirling ” یا ” vortex ” مشتق شده‌است. تفاوت اصلی بین توربین‌های آب اولیه و چرخ‌های آب در مؤلفه چرخشی آب است که انرژی را به یک روتور چرخان می‌رساند. این بخش اضافی متحرک در توربین‌های آبی کمک می‌کند که اندازه این توربین‌ها کوچکتر از چرخ‌های آبی با همان توانایی تولید قدرت باشد. چرخش در توربین‌های آبی باعث می‌شود که این توربین مقدار آب بیشتری را در زمان کم تر به عنوان ورودی دریافت کنند.
توربین‌های چرخشی به دو نوع توربین‌های عکس العملی و توربین‌های ضربه‌ای تقسیم می‌شوند که در ادامه بیشتر در مورد هریک توضیح خواهیم داد.
توربین‌های عکس العملی
در این توربین‌ها آب با گذر از بین پره‌های توربین فشار خود را از دست داده و باعث حرکت رانر می‌شود. مانند:
- توربین کاپلان (Kaplan, Propeller)
توربین کاپلان یک نوع توربین هیدرولیکی با پره‌های قابل تنظیم است. پره‌های این توربین به شکل پره‌های پیچی بوده و قابلیت تنظیم زاویه پره‌ها را دارند. این ویژگی به توربین کاپلان امکان تنظیم بهینه جریان آب و تغییر سرعت آن را می‌دهد. به عبارت دیگر، توربین کاپلان قادر است در شرایط مختلف جریان آب، بهره‌وری بالا و عملکرد بهینه را داشته باشد. این توربین برای استفاده در رودخانه‌ها و سدها با ارتفاع آب بیشتر مناسب است.
- توربین فرانسیس (Francis)
توربین فرانسیس نیز یک نوع توربین هیدرولیکی با پره‌های قابل تنظیم است. اما در این توربین، پره‌ها ابعاد بزرگتری دارند و همچنین شکل پره‌ها خمیده است. این پره‌ها جریان آب وارد شده را به صورت خمیده و با فشار بالا به بیرون هدایت می‌کنند. توربین فرانسیس برای استفاده در رودخانه‌ها و سدها با ارتفاع آب کمتر مناسب است و بهره‌وری بالا و عملکرد بهینه را در شرایط مختلف جریان آب ارائه می‌دهد.
- توربین تایسون Tyson
توربین تایسون یک توربین آبی مخروطی با پره‌های مارپیچ شکل است که در قسمتی از راس به سمت پایین بیرون می‌آیند و به تدریج در بعد شعاعی افزایش می‌یابد و با مارپیچ به سمت پایه مخروط از گام آن کاسته می‌شود. این طرح نیازی به قاب ندارد، زیرا مستقیماً در آب جاری قرار می‌گیرد.
این توربین که به عنوان بخشی از یک سیستم برق آبی که نیرو را از جریان آب استخراج می‌کند، در زیر یک قایق نصب می‌شود و یک سیستم قدرت، معمولاً یک پمپ آبیاری بالابر یا ژنراتور، در بالای کلک توسط تسمه یا چرخ دنده به حرکت در می‌آید وتوربین به وسط یک رودخانه یا نهر، جایی که جریان در آن سریع‌ترین است، کشیده می‌شود و به ساحل متصل می‌شود. نیازی به مهندسی محلی ندارد و به راحتی می توان آن را به مکان های دیگر منتقل کرد.
اسکروتوربین(Screw turbin)
اسکروتوربین یک نوع توربین هیدرولیکی است که برای تبدیل انرژی جریان آب به انرژی مکانیکی استفاده می‌شود. این توربین از یک پیچ متحرک به شکل صفحه‌های پیچیده تشکیل شده است که در داخل یک محفظه استوانه‌ای قرار دارد. وقتی جریان آب وارد محفظه توربین می‌شود، فشار آب باعث چرخش پیچ متحرک می‌شود. این چرخش پیچ متحرک، باعث تولید گشتاور و سرعت چرخش می‌شود که انرژی مکانیکی را تولید می‌کند. سپس این انرژی مکانیکی به یک ژنراتور منتقل می‌شود تا به انرژی الکتریکی تبدیل شود. اسکروتوربین به دلیل طراحی خاص خود، قابلیت کارکرد در جریان آب با سرعت کمتر و حجم بالا را دارد. این توربین به خوبی در رودخانه‌ها، کانال‌ها و سدها با جریان آب پایین و پایدار عمل می‌کند. همچنین، اسکروتوربین به دلیل عدم وجود پره‌های متحرک، صدا و لرزش کمتری نسبت به توربین‌های دیگر دارد. از دیگر مزایای اسکروتوربین می‌توان به ساختار ساده و قابل نگهداری، عمر طولانی، قابلیت تنظیم جریان آب و انرژی پایدار و قابل تجدیدپذیر اشاره کرد. با این حال، این توربین برای تولید انرژی در مقیاس بزرگ مناسب نیست.
توربین های ضربه ای
در این نوع توربین تغییر فشار به وجود نمی‌آید بلکه با یک نازل سرعت آب افزایش داده می‌شود و آب به پره‌ها ضربه می‌زند. مانند:
- توربین پلتون (Pelton)
توربین پلتون یک نوع توربین آبی است که برای استفاده در سدها و رودخانه‌های با ارتفاع آب بالا طراحی شده است. این توربین از جریان آب با فشار بالا استفاده می‌کند. ساختار اصلی توربین پلتون شامل یک صفحه پره‌های تقسیم‌کننده و یک یا چند پره آبی است. جریان آب وارد توربین می‌شود و به وسیله پره‌های آبی به سمت پره‌های تقسیم‌کننده هدایت می‌شود. پره‌های تقسیم‌کننده جریان آب را به چند جریان کوچکتر تقسیم می‌کنند و آنها را به سمت پره‌های آبی هدایت می‌کنند. جریان آب با سرعت بالا وارد پره‌های آبی می‌شود و باعث چرخش آنها می‌شود. انرژی مکانیکی تولید شده، توسط چرخش پره‌های آبی به ژنراتور منتقل می‌شود و برق تولید می‌شود.
- توربین تورگو Turgo
توربین تورگو یک نوع توربین آبی است که برای استفاده در سدها و رودخانه‌هایی با ارتفاع آب متوسط طراحی شده است. این توربین از جریان آب با فشار و سرعت متوسط استفاده می‌کند. ساختار اصلی توربین تورگو شامل یک صفحه پره‌های ورودی، یک صفحه پره‌های راهرو و یک صفحه پره‌های خروجی است. جریان آب وارد توربین می‌شود و به وسیله پره‌های ورودی به سمت پره‌های راهرو هدایت می‌شود. پره‌های راهرو جریان آب را به صورت متعامد تغییر جهت می‌دهند و آن را به سمت پره‌های خروجی هدایت می‌کنند. جریان آب با سرعت و فشار متوسط وارد پره‌های خروجی می‌شود و باعث چرخش آنها می‌شود. انرژی مکانیکی تولید شده توسط چرخش پره‌های خروجی به ژنراتور منتقل می‌شود و برق تولید می‌شود.
- Michell-Banki یا Crossflow یا Ossberger
توربین Michell-Banki یک نوع توربین آبی است که برای تبدیل انرژی جریان آب به انرژی مکانیکی استفاده می‌شود. این توربین به نام دو مهندس استرالیایی به نام‌های Alan Arnold Griffith Michell و John S. Banki نامگذاری شده است. توربین Michell-Banki یک توربین پلتونی است که برای استفاده در رودخانه‌ها و سدها با ارتفاع آب کمتر مناسب است. این توربین دارای پره‌هایی با شکل خمیده است که جریان آب را به سمت محور چرخش توربین هدایت می‌کنند. پره‌های توربین به صورت ثابت بر روی یک روتور نصب شده‌اند و با جریان آب، روتور را می‌چرخانند. توربین Michell-Banki به دلیل ساختار ساده و قابلیت تولید انرژی در جریان آب با ارتفاع کم، محبوبیت زیادی در کاربردهای کوچک و متوسط مانند نیروگاه‌های کوچک و میکروهیدروپاور دارد. همچنین، این توربین به دلیل هزینه تولید نسبتاً پایین و عمر طولانی، به عنوان یک راه حل اقتصادی برای تولید انرژی پایدار مورد استفاده قرار می‌گیرد.
