توربین آبی یا توربین هیدرولیکی Hydraulic Turbine
در این توربین‌ها از نیروی آب جهت به حرکت در آوردن توربین استفاده میشود. و غالبا برای به حرکت در آوردن ژنراتورها در نیروگاههای تولید برق بکار گرفته می‌شوند.
انواع توربین آبی یا توربین هیدرولیکی Hydraulic Turbine
· توربین آبی یا توربین هیدرولیکی Hydraulic Turbine ضربه‌ای (Impulse Hydraulic Turbine )
· توربین آبی یا توربین هیدرولیکی Hydraulic Turbine واکنشی یا عکس العملی (Reaction Hydraulic Turbine)
توربین آبی یا توربین هیدرولیکی Hydraulic Turbine ضربه ای
این توربین توسط فردی بنام لسترای پلتون اختراع گردید و به همین خاطر به توربین پلتون (Pelton) نیز معروف است. در این توربین جریان‌های سریع آب توسط نازل‌ها به طرف لبه چرخ هدایت می‌شوند و نیروی جریان سریع آب به لبه پرههای یک چرخ فشار وارد می‌کند و باعث چرخیدن چرخ می‌گردد، چرخ نیز در همان جهت جریان آب را به حرکت در می‌آورد. به دلیل وجود فشار بالا در چرخ گردنده، باید محفظه آن بسیار ضخیم باشد تا همواره از ایجاد خطر و انفجار احتمالی جلوگیری شود.
در توربین آبی یا توربین هیدرولیکی Hydraulic Turbine توربین می‌بایست سرعت جریان آب زیاد باشد تا بازدهی مطلوب حاصل شود. توربین هیدرولیک ضربه‌ای برای ارتفاع آب ۱۲۰۰ - ۱۵۰ متر طراحی شده است و از آن در تعدادی از کاربردهای ذخیره سازی آب توسط پمپ نیز استفاده میشود.
در توربین آبی یا هیدرولیکی Hydraulic Turbine پلتون در حوالی تمامی بارها راندمان هیدرولیکی بین ۹۰ تا ۹۳ درصد تغییر می‌کند و ضریب سرعت بین ۹۶ تا ۹۸ درصد می‌باشد. سرعت مخصوص توربین پلتون بین ۲ تا ۱۶ دور در دقیقه است و مطلب با اهمیت دیگر این است که در ارتفاعات زیاد، خوردگی پرههای چرخها که سرعت مخصوص زیادی دارند به علت سرعت زیاد فواره‌ها بیشتر میشود. توربین‌های هیدرولیک ضربه‌ای خود به دو گروه زیر تقسیم بندی می‌شوند:
- توربین آبی یا توربین هیدرولیکی Hydraulic Turbine هیدرولیک ضربه‌ای با محور افقی
- توربین آبی یا توربین هیدرولیکی Hydraulic Turbine هیدرولیک ضربه‌ای با محور عمودی
توربین آبی یا توربین هیدرولیکی Hydraulic Turbine ضربه‌ای با محور افقی همانطور که از نامش پیداست دارای محور افقی می‌باشد. این نوع توربین دارای او يا ۲ نازل در هر گرداننده می‌باشد که به یک ژنراتور وصل میشود. دو گرداننده ممکن است در یک طرف ژنراتور قرار بگیرند و یا اینکه هر یک از آنها در یک طرف ژنراتور باشند. در توربین ضربه‌ای با محور افقی، اغلب در یک طرف ژنراتور و موتور، و در طرف دیگر پمپ نصب می‌گردد.
توربین آبی یا توربین هیدرولیکی Hydraulic Turbine ضربه‌ای با محور عمودی دارای ۴ تا ۶ نازل می‌باشد که در آن، توربین در بالای پمپ نصب میشود بنحوی که با یک فشار مثبت در مکش پمپ عمل خواهد کرد.
توربین آبی یا توربین هیدرولیکی Hydraulic Turbine واکنشی با عکس العملی
توربین‌های واکنشی در حقیقت توربو ماشین‌هایی هستند که دارای ارتفاع کم و جریان زیاد می‌باشند. جریان در این نوع توربین‌ها عکس جریان پمپ است یعنی از مقطع با قطر بیشتر وارد شده و پس از دادن بیشترین انرژی خود به پروانه یا چرخ از میان چشم توربين خارج میشود. در این توربین جریان آب روی یک سری پرههای منحنی شکل ریخته میشود و واکنش آب روی تیغه‌ها سبب میشود که تیغه‌ها در جهت مخالف حرکت نمایند.
توربین‌های واکنشی خود به سه دسته زیر تقسیم بندی می‌شوند:
- توربین آبی یا توربین هیدرولیکی Hydraulic Turbine واکنشی جریان درونی (Francis Turbine)
- توربین آبی یا توربین هیدرولیکی Hydraulic Turbine واکنشی جریان مورب (Deriaz Turbine)
- توربین آبی یا توربین هیدرولیکی Hydraulic Turbine واکنشی پروانه‌ای (Propeller Turbine)
توربین واکنشی جریان درونی (Francis Turbine)
این توربین توسط مهندسی آمریکایی به نام جیمز بی فرانسیس در سال ۱۸۴۹ میلادی ساخته شد و به همین خاطر به توربین فرانسیس (Francis) معروف است. توربین‌های فرانسیس در میان توربین‌های هیدرولیک بیشترین کاربرد را دارند و از آنها به عنوان پمپ‌های برگشت پذیر استفاده میشود.
در این توربین آب قبل از جریان یافتن به مسیر خروجی، بطور شعاعی از یک محفظه حلقه‌ای جریان یافته و با زاویه ۹۰ درجه به پرههای توربین بر می‌گردد. این توربین دارای ارتفاع آب متوسط تا زیاد می‌باشد و محدوده ارتفاع آب آنها معمولا حدود ۵۰۰ - ۲۰ متر می‌باشد.
توربین‌های فرانسیس خود در دو نوع ذیل ساخته می‌شوند:
- توربین‌های فرانسیس کوچک که با محور افقی ساخته می‌شوند.
- توربین‌های فرانسیس بزرگ که با محور عمودی ساخته می‌شوند.
توربین آبی یا توربین هیدرولیکی Hydraulic Turbine واکنشی جریان مورب (Deriaz Turbine)
در توربین آبی یا توربین هیدرولیکی Hydraulic Turbine، جریان آب بطور جزئی در محفظه حلقوی برگرداننده میشود، به طوریکه جریان آب میان تیغه‌ها دارای جریان مورب می‌باشد. این توربین با محور عمودی ساخته میشود و برای ارتفاع آب حدود ۱۲۰ - ۱۸ متر استفاده میشود. در طرح‌های خاص آن، ارتفاع آب تا حدود ۲۰۰ متر نیز قابل دستیابی می‌باشد.
در توربین‌های فرانسیس اگر جریان کمتر از مقدار واقعی طراحی شود و یا اینکه ارتفاع آب بطور قابل توجهی تغییر نماید، راندمان سریع افت پیدا می‌کند. در صورت بروز چنین مواردی می‌توان از توربین دریاز استفاده نمود.
توربین در یاز دارای دو نوع پره می‌باشد که یکی پرههای گردنده هستند و دیگری پرههای راهنما می‌باشند. این پره‌ها قابل تنظیم بوده بنحوی که پرههای گردنده توسط موتور سرووی هیدرولیکی و پرههای راهنما توسط رینگ‌ها تنظیم می‌شوند. حرکت هر دو پره توسط سیستم کنترل بصورت هم زمان انجام می‌گیرد تا راندمان همواره بالا نگه داشته شود.
توربین آبی یا توربین هیدرولیکی Hydraulic Turbine واکنشی پروانه‌ای (Propeller Turbine)
این توربین‌ها دارای ارتفاع آب پایین می‌باشند و با توجه به نوع تیغه‌های مورد استفاده در دو گروه ذیل دسته بندی می‌شوند:
- توربین پروانه‌ای با تیغه ثابت (Fixed Pitch Propeller Turbine)
- توربین پروانه‌ای با تیغه قابل تنظیم (Variable Pitch Propeller Turbine)
توربین پروانه‌ای با تیغه ثابت دارای محور عمودی می‌باشد و در محل‌هایی که ارتفاع آب نسبتا ثابت است استفاده میشود. دامنه خروجی این توربین حدود ۴۰ مگا وات برای هر واحد می‌باشد.
همانطور که گفته شد توربین‌های پروانه‌ای جهت ارتفاع‌های پایین بکار گرفته می‌شوند. در این شرایط بروز تغییرات کوچک در فشار و یا سطح آب می‌تواند باعث ایجاد تغییرات مهمی در فشار كل توربین شود. این اتفاق در یک توربین پروانه‌ای با تیغه ثابت باعث بروز تغییرات قابل توجهی در راندمان توربین میشود، از این روی می‌بایست از توربین تیغه‌ای با پره ثابت در جاهایی که ارتفاع آب نسبتا ثابت می‌باشد استفاده کرد.
توربین پروانه‌ای با تیغه قابل تنظیم را تحت عنوان توربین کاپلان (Kaplan) می‌شناسند. توربین کاپلان بزرگترین نوع از توربین‌های هیدرولیکی با ارتفاع آب پایین می‌باشد. این توربین همانند توربین دریاز دارای دو نوع پره شامل پرههای گرداننده و پرههای راهنما می‌باشد که هر دو قابل تنظیم هستند. توربین کاپلان بطور عمودی نصب میشود و برای ارتفاع ۷۵ - ۵ متر ساخته میشود و قدرت خروجی آن حدود ۱۰۰ مگا وات برای هر واحد می‌باشد. البته واحد‌هایی با خروجی ۱۷۵ مگا وات نیز وجود دارد.
یک نمونه از توربین کاپلان تحت عنوان " توربین بالب" وجود دارد که در آن توربین در قسمت توپی شکل خود دارای مسیر ناودانی می‌باشد که باعث جریان مستقیم آب از میان توربین میشود. توربین بالب دارای ابعاد کوچکتر می‌باشد و ساخت آن ارزانتر است. این توربین دارای محور افقی و یا زاویه دار می‌باشد.
توربین بالب تا ارتفاع ۲۱ متر مناسب است و خروجی هر واحد آن کمتر از ۱۰ مگا وات می‌باشد. البته به واحد‌هایی تا خروجی ۵۰ مگا وات نیز قابل توسعه می‌باشد.
