مقدمة موجزة عن مولد توربينات كابلان

توجد أنواع عديدة من مولدات الطاقة الكهرومائية. سأتناول اليوم مولدات الطاقة الكهرومائية ذات التدفق المحوري بالتفصيل. وقد انصبّ استخدام مولدات التوربينات ذات التدفق المحوري في السنوات الأخيرة بشكل رئيسي على تطوير مشاريع ذات ارتفاعات عالية وأحجام كبيرة. وتشهد توربينات التدفق المحوري المحلية تطورًا سريعًا. وقد تم بناء توربينين من نوع المجداف ذي التدفق المحوري في محطة جيزهوبا للطاقة الكهرومائية. يبلغ قطر أحدهما 11.3 مترًا، وهو الأكبر من نوعه في العالم حاليًا. فيما يلي مزايا وعيوب توربينات التدفق المحوري.

مزايا التوربينات ذات التدفق المحوري
بالمقارنة مع توربينات فرانسيس، تتمتع توربينات التدفق المحوري بالمزايا الرئيسية التالية:
1. يتميز هذا التوربين بسرعة نوعية عالية وخصائص طاقة ممتازة. ولذلك، فإن سرعة الوحدة ومعدل التدفق فيها أعلى من توربين فرانسيس. وفي ظل نفس ضغط الماء وظروف الإنتاج، يمكن تقليل حجم وحدة التوربين بشكل كبير، وخفض وزنها، وتوفير استهلاك المواد، مما يجعله اقتصاديًا للغاية.
٢. يُمكن لشكل سطح ريشة دولاب التوربين المحوري وخشونته تلبية متطلبات التصنيع بسهولة. ولأن ريش التوربين المحوري الدوار ذي المجداف الدوار قابلة للدوران، فإن متوسط ​​كفاءته أعلى من كفاءة التوربين المختلط التدفق. ولا تتغير الكفاءة بشكل ملحوظ بتغير الحمل أو منسوب المياه.
3. يمكن تفكيك شفرات التوربين ذي التدفق المحوري، مما يسهل عملية التصنيع والنقل.
لذلك، يمكن لتوربين التدفق المحوري الحفاظ على استقراره ضمن نطاق تشغيل أوسع، مع اهتزازات أقل، وكفاءة وإنتاجية أعلى. وفي نطاق الضغط المنخفض، حلّ تقريبًا محل توربين فرانسيس. وقد شهدت العقود الأخيرة تطورًا كبيرًا، سواء من حيث سعة الوحدة الواحدة أو استخدام ضغط الماء، كما أن تطبيقاته واسعة النطاق.

عيوب التوربينات ذات التدفق المحوري
مع ذلك، فإن التوربين المحوري يعاني أيضاً من بعض العيوب التي تحد من نطاق استخدامه. ومن أبرز هذه العيوب:
1. عدد الشفرات قليل، وهو من النوع الكابولي، لذا فإن قوته ضعيفة، ولا يمكن استخدامه في محطات الطاقة الكهرومائية ذات الرأس المتوسط ​​والعالي.
2. نظرًا لارتفاع معدل تدفق الوحدة وسرعة الوحدة العالية، فإن ارتفاع السحب فيها أقل من ارتفاع السحب في توربين فرانسيس في ظل نفس ظروف الضغط، مما يؤدي إلى عمق حفر كبير لأساس محطة الطاقة واستثمار مرتفع نسبيًا.

نظراً للعيوب المذكورة أعلاه في توربينات التدفق المحوري، تُستخدم مواد جديدة عالية القوة ومضادة للتجويف في تصنيع التوربينات، كما تم تحسين قوة الشفرات في التصميم، مما أدى إلى تحسين مستمر في ارتفاع تطبيق توربينات التدفق المحوري. حالياً، يتراوح ارتفاع تطبيق توربينات التدفق المحوري ذات الشفرات من 3 إلى 90 متراً، وهو ما يُقارب نطاق توربينات فرانسيس. على سبيل المثال، تبلغ أقصى قدرة إنتاجية لوحدة واحدة من توربينات التدفق المحوري ذات الشفرات المستوردة 181,700 كيلوواط، وأقصى ارتفاع مائي 88 متراً، وقطر دولاب التوربين 10.3 متراً. أما أقصى قدرة إنتاجية لوحدة واحدة من توربينات التدفق المحوري ذات الشفرات المصنعة محلياً فتبلغ 175,000 كيلوواط، وأقصى ارتفاع مائي 78 متراً، وأقصى قطر دولاب التوربين 11.3 متراً. تتميز التوربينات ذات المروحة الثابتة ذات التدفق المحوري بشفرات ثابتة وبنية بسيطة، لكنها لا تتكيف مع محطات الطاقة الكهرومائية ذات التغيرات الكبيرة في منسوب المياه والحمل. في حالة استقرار منسوب المياه، تُستخدم هذه التوربينات كحمل أساسي أو في محطات الطاقة واسعة النطاق متعددة الوحدات. ويمكن اعتبارها خيارًا اقتصاديًا مناسبًا عند وفرة الطاقة الموسمية. يتراوح منسوب المياه المناسب لها بين 3 و50 مترًا. أما توربينات المجداف ذات التدفق المحوري، فتستخدم عادةً أجهزة رأسية. وتتشابه آلية عملها بشكل أساسي مع توربينات فرانسيس، مع اختلاف يتمثل في أنها لا تنظم دوران ريش التوجيه فحسب، بل تضبط أيضًا دوران شفرات الدوّار للحفاظ على كفاءة عالية عند تغير الحمل.

سبق أن قدمنا ​​توربينات فرانسيس. ولا يزال هناك فرق كبير بين توربينات فرانسيس وتوربينات التدفق المحوري من بين مولدات التوربينات. فعلى سبيل المثال، يختلف تصميم دواراتها؛ إذ تكون شفرات توربينات فرانسيس شبه موازية للمحور الرئيسي، بينما تكون شفرات توربينات التدفق المحوري شبه عمودية عليه.