نظرة عامة ومبادئ تصميم توربينات بيلتون

توربين بيلتون (يُترجم أيضًا: عجلة بيلتون المائية أو توربين بوردان، بالإنجليزية: عجلة بيلتون أو توربين بيلتون) هو نوع من توربينات التأثير، والذي طوره المخترع الأمريكي ليستر دبليو. طوره آلان بيلتون. تستخدم توربينات بيلتون الماء للتدفق وضرب عجلة الماء للحصول على الطاقة، وهو ما يختلف عن عجلة الماء التقليدية ذات الحقن الصاعد والتي تعمل بوزن الماء نفسه. قبل نشر تصميم بيلتون، كانت هناك عدة إصدارات مختلفة من توربين الاصطدام، لكنها كانت أقل كفاءة من تصميم بيلتون. بعد أن يترك الماء عجلة الماء، لا يزال الماء عادةً ما يحتفظ بالسرعة، مما يهدر الكثير من الطاقة الحركية لعجلة الماء. هندسة مجداف بيلتون هي أن الدافع يترك الدافع بسرعة منخفضة جدًا فقط بعد التشغيل بنصف سرعة نفاثة الماء؛ ولذلك، فإن تصميم بيلتون يلتقط طاقة تأثير الماء بالكامل تقريبًا، بحيث يحتوي على توربين مائي عالي الكفاءة.

بعد دخول تدفق الماء عالي الكفاءة والسرعة إلى خط الأنابيب، يُوجَّه عمود الماء القوي إلى شفرات المروحة على شكل دلو على العجلة المتحركة عبر صمام الإبرة لتحريكها. تُعرف هذه أيضًا بشفرات مروحة الاصطدام، وهي تُحيط بمحيط عجلة القيادة، وتُسمى مجتمعةً عجلة القيادة. (انظر الصورة لمزيد من التفاصيل، توربين بيلتون العتيق). عندما يصطدم نفاثة الماء بشفرات المروحة، يتغير اتجاه تدفق الماء بسبب شكل الدلو. تُؤثر قوة تأثير الماء على دلو الماء ونظام العجلة المتحركة، مما يُؤدي إلى تدويرها؛ اتجاه تدفق الماء نفسه "غير رجعي"، ومخرج تدفق الماء مُثبت خارج دلو الماء، وينخفض ​​معدل تدفق الماء إلى سرعة منخفضة جدًا. خلال هذه العملية، ينتقل زخم نفاثة السائل إلى العجلة المتحركة، ومنها إلى توربين الماء. لذا، يُمكن لـ"الصدمة" أن تُنجز عملًا للتوربين. لتحقيق أقصى قدر من قوة وكفاءة عمل التوربين، صُمم نظام الدوار والتوربين لمضاعفة سرعة تدفق السائل على الدلو. وستبقى نسبة ضئيلة جدًا من الطاقة الحركية الأصلية للسائل في الماء، مما يجعل الدلو يفرغ ويمتلئ بنفس السرعة (انظر قانون حفظ الكتلة)، بحيث يمكن الاستمرار في حقن سائل الإدخال عالي الضغط دون انقطاع. لا حاجة لإهدار أي طاقة. عادةً، يتم تثبيت دلوين جنبًا إلى جنب على الدوار، مما يسمح بتقسيم تدفق الماء إلى أنبوبين متساويين للنفث (انظر الصورة). يوازن هذا التكوين قوى الحمل الجانبية على الدوار ويساعد على ضمان سلاسة الحركة، بينما يتم أيضًا نقل الطاقة الحركية من نفثات السوائل إلى دوار التوربين المائي.

بما أن الماء ومعظم السوائل شبه غير قابلة للانضغاط، فإن معظم الطاقة المتاحة تُلتقط في المرحلة الأولى بعد تدفق السائل إلى التوربين. من ناحية أخرى، تحتوي توربينات بيلتون على عجلة متحركة واحدة فقط، على عكس توربينات الغاز التي تعمل على سوائل قابلة للانضغاط.

التطبيقات العملية: تُعد توربينات بيلتون من أفضل أنواع التوربينات لتوليد الطاقة الكهرومائية، وهي أنسب أنواع التوربينات للبيئة عندما يكون مصدر المياه المتاح ذا ارتفاعات عالية جدًا ومعدلات تدفق منخفضة. لذلك، في بيئة ذات ارتفاعات عالية وتدفق منخفض، يُعد توربين بيلتون الأكثر فعالية، حتى لو تم تقسيمه إلى تيارين، فإنه لا يزال يحتوي على نفس الطاقة من الناحية النظرية. كما يجب أن تكون الأنابيب المستخدمة لتياري الحقن متماثلة الجودة، حيث يتطلب أحدهما أنبوبًا طويلًا رفيعًا والآخر أنبوبًا قصيرًا عريضًا. يمكن تركيب توربينات بيلتون في مواقع بجميع الأحجام. توجد بالفعل محطات طاقة كهرومائية مزودة بتوربينات بيلتون ذات عمود رأسي هيدروليكي من فئة الطن. يمكن أن تصل أكبر وحدة تركيب لها إلى 200 ميجاوات. من ناحية أخرى، يبلغ عرض أصغر توربينات بيلتون بضع بوصات فقط، ويمكن استخدامها لاستخراج الطاقة من تيارات تتدفق فقط بضعة غالونات في الدقيقة. تستخدم بعض أنظمة السباكة المنزلية عجلات مائية من نوع بيلتون لتوصيل المياه. يُنصح باستخدام توربينات بيلتون الصغيرة هذه على ارتفاعات رأسية تبلغ 9.1 متر (30 قدمًا) أو أكثر لتوليد طاقة كبيرة. حاليًا، ووفقًا لتدفق المياه وتصميمها، يتراوح ارتفاع رأس توربين بيلتون في موقع تركيبه بين 14.9 و1799.8 مترًا (49 إلى 5905 قدمًا)، ولكن لا يوجد حد نظري لذلك حاليًا.