مبدأ عمل وخصائص هيكلية لتدفق مدخل المياه لمولد التوربينات المضادة للهجوم

التوربين المضاد للهجوم هو نوع من الآلات الهيدروليكية التي تستخدم ضغط تدفق المياه لتحويل طاقة المياه إلى طاقة ميكانيكية.

(1) الهيكل. المكونات الهيكلية الرئيسية لتوربين الهجوم المضاد هي الدوار، وغرفة تحويل المياه، وآلية توجيه المياه، وأنبوب السحب.
1) الدوّار. الدوّار جزء من التوربين المائي يحوّل طاقة تدفق الماء إلى طاقة ميكانيكية دورانية. تختلف بنية الدوّار في التوربينات ذات التدفق المعاكس باختلاف اتجاه تحويل طاقة الماء. يتكون دوّار توربين فرانسيس من شفرات ملتوية انسيابية، وحلقة علوية وسفلية، ومكونات رأسية رئيسية أخرى؛ بينما يتكون دوّار توربين التدفق المحوري من شفرات، وجسم الدوّار، ومخروط التصريف، ومكونات رئيسية أخرى؛ أما بنية دوّار توربين التدفق القطري فهي أكثر تعقيدًا. يمكن تغيير زاوية وضع الشفرات وفقًا لظروف التشغيل ومطابقتها مع فتحة ريشة التوجيه. يكون خط مركز دوران الشفرات بزاوية مائلة (45°-60°) بالنسبة لمحور التوربين.
٢) غرفة تحويل المياه. وظيفتها هي ضمان تدفق المياه بشكل متساوٍ إلى آلية توجيه المياه، وتقليل فقد الطاقة، وتحسين كفاءة التوربين. غالبًا ما تستخدم التوربينات الكبيرة والمتوسطة الحجم حلزونات معدنية ذات مقطع عرضي دائري للرؤوس التي يزيد ارتفاعها عن ٥٠ مترًا، وحلزونات خرسانية ذات مقطع عرضي شبه منحرف للرؤوس التي يقل ارتفاعها عن ٥٠ مترًا.
3) آلية توجيه المياه. تتكون هذه الآلية عادةً من عدد من ريش التوجيه الانسيابية وآلياتها الدوارة، مرتبة بانتظام على محيط دولاب التوربين. وتتمثل وظيفتها في توجيه تدفق المياه بشكل متساوٍ إلى داخل دولاب التوربين، ومن خلال ضبط فتحة ريش التوجيه، يتم تغيير معدل تدفق المياه في التوربين لتلبية متطلبات الحمل لمجموعة المولدات، كما أنها تؤدي دورًا في منع تسرب المياه عند إغلاقها بالكامل.
4) أنبوب السحب. لا يزال تدفق الماء عند مخرج دولاب التوربين يحتوي على جزء من الطاقة الفائضة غير المُستغلة. يتمثل دور أنبوب السحب في استعادة هذا الجزء من الطاقة وتصريف الماء إلى المصب. ينقسم أنبوب السحب إلى نوعين: مخروطي مستقيم ومنحنٍ. يتميز النوع الأول بمعامل طاقة عالٍ، وهو مناسب عمومًا للتوربينات الأفقية والأنبوبية الصغيرة؛ أما النوع الثاني، فيتميز بأداء هيدروليكي أقل من المخاريط المستقيمة، ولكنه يتميز بعمق حفر أقل، ويُستخدم على نطاق واسع في توربينات الهجوم المعاكس الكبيرة والمتوسطة الحجم.

(2) التصنيف. وفقًا للاتجاه المحوري لتدفق المياه عبر العجلة، يتم تقسيم التوربين الصدمي إلى توربين فرانسيس، وتوربين التدفق القطري، وتوربين التدفق المحوري، وتوربين أنبوبي.
1) توربين فرانسيس. توربين فرانسيس (أو توربين التدفق المحوري الشعاعي) هو توربين ذو تدفق عكسي، حيث يتدفق الماء شعاعيًا من محيط دولاب التوربين باتجاه المحور. يتميز هذا النوع من التوربينات بنطاق واسع من الارتفاعات المناسبة (30-700 متر)، وبنية بسيطة، وحجم صغير، وتكلفة منخفضة. أكبر توربين فرانسيس تم تشغيله في الصين هو محطة إرتان للطاقة الكهرومائية، بقدرة إنتاجية اسمية تبلغ 582 ميغاواط وقدرة إنتاجية قصوى تبلغ 621 ميغاواط.
2) التوربين المحوري. التوربين المحوري هو توربين ذو تدفق عكسي، حيث يتدفق الماء من الاتجاه المحوري ويخرج من دولاب التوربين في نفس الاتجاه. ينقسم هذا النوع من التوربينات إلى نوعين: التوربين ذو الشفرات الثابتة (التوربين اللولبي) والتوربين الدوار (توربين كابلان). شفرات النوع الأول ثابتة، بينما شفرات النوع الثاني قابلة للدوران. تتميز التوربينات المحورية بقدرة أكبر على تمرير الماء مقارنةً بتوربينات فرانسيس. ونظرًا لإمكانية تغيير موضع شفرات التوربين ذي الشفرات الثابتة مع تغير الحمل، فإنها تتمتع بكفاءة أعلى في نطاق واسع من تغيرات الحمل. مع ذلك، فإن أداء التوربين المحوري في مقاومة التكهف وقوته الميكانيكية أقل من توربينات فرانسيس، كما أن بنيته أكثر تعقيدًا. حاليًا، يصل الارتفاع المناسب لهذا النوع من التوربينات إلى 80 مترًا أو أكثر.
3) التوربين الأنبوبي. يتدفق الماء في هذا النوع من التوربينات بشكل محوري خارج دولاب التوربين، دون دوران قبل أو بعده. يتراوح نطاق ضغط التشغيل بين 3 و20. يتميز هيكل التوربين بانخفاض ارتفاعه، وظروف تدفق الماء الجيدة، وكفاءته العالية، وقلة أعمال الإنشاءات المدنية، وانخفاض تكلفته، وعدم الحاجة إلى حلزونات أو أنابيب سحب منحنية، وكلما انخفض ضغط التشغيل، زادت مزاياه وضوحًا.
تُقسم التوربينات الأنبوبية إلى نوعين: كاملة التدفق وشبه كاملة التدفق، وذلك وفقًا لتوصيل المولد ونمط النقل. وتنقسم التوربينات شبه كاملة التدفق بدورها إلى ثلاثة أنواع: التوربينات ذات البصيلة، والتوربينات ذات العمود، والتوربينات ذات العمود الممتد. وينقسم النوع ذو العمود الممتد أيضًا إلى نوعين: المحور المائل والمحور الأفقي. حاليًا، تُستخدم التوربينات الأنبوبية ذات البصيلة، والتوربينات ذات العمود الممتد، والتوربينات ذات العمود الرأسي على نطاق واسع في الوحدات الصغيرة. وفي السنوات الأخيرة، بدأ استخدام التوربينات ذات العمود في الوحدات الكبيرة والمتوسطة الحجم.
يُركّب مولد وحدة التمديد الأنبوبية للعمود خارج المجرى المائي، ويتصل المولد بالتوربين بواسطة عمود مائل أطول أو عمود أفقي. يتميز هذا النوع من التمديد الأنبوبي ببساطته مقارنةً بالنوع ذي الشكل البصلي.
4) التوربين ذو التدفق القطري. يقع تصميم وحجم التوربين ذو التدفق القطري (أو القطري) بين تصميم وحجم التوربين ذي التدفق المختلط والتوربين ذي التدفق المحوري. ويكمن الاختلاف الرئيسي في أن محور شفرات الدوّارة يكون بزاوية معينة بالنسبة لمحور التوربين. ونظرًا لخصائصه الهيكلية، لا يُسمح للوحدة بالانخفاض أثناء التشغيل، لذا تم تركيب جهاز حماية من الإزاحة المحورية في الهيكل الثاني لمنع حوادث اصطدام الشفرات بحجرة الدوّارة. ويتراوح مدى ارتفاع التشغيل للتوربين ذي التدفق القطري بين 25 و200 متر.