نظرة عامة ومبادئ تصميم توربينات بيلتون

توربين بيلتون (يُترجم أيضًا إلى: عجلة بيلتون المائية أو توربين بوردين، بالإنجليزية: عجلة بيلتون أو توربين بيلتون) هو نوع من التوربينات الصدمية، طوّره المخترع الأمريكي ليستر دبليو. آلان بيلتون. تستخدم توربينات بيلتون الماء المتدفق ليصطدم بالعجلة المائية لاستخلاص الطاقة، وهو ما يختلف عن العجلة المائية التقليدية ذات الحقن الصاعد التي تعمل بوزن الماء نفسه. قبل نشر تصميم بيلتون، وُجدت عدة نسخ مختلفة من التوربينات الصدمية، لكنها كانت أقل كفاءة من تصميم بيلتون. بعد خروج الماء من العجلة المائية، عادةً ما يحتفظ الماء بسرعة، مما يُهدر جزءًا كبيرًا من الطاقة الحركية للعجلة. يتميز تصميم مجداف بيلتون بأن المروحة تخرج من المروحة بسرعة منخفضة جدًا بعد أن تدور بنصف سرعة تدفق الماء. لذلك، فإن تصميم بيلتون يلتقط طاقة تأثير الماء بالكامل تقريبًا، بحيث يكون التوربين المائي عالي الكفاءة.

بعد دخول تدفق الماء عالي الكفاءة والسرعة إلى خط الأنابيب، يُوجَّه عمود الماء القوي عبر صمام إبرة إلى شفرات المروحة ذات الشكل الدلوي الموجودة على العجلة المتحركة، لتشغيلها. تُعرف هذه الشفرات أيضًا بشفرات مروحة الاصطدام، وهي تُحيط بمحيط العجلة الدافعة، وتُسمى مجتمعةً بالعجلة الدافعة. (انظر الصورة لمزيد من التفاصيل، توربين بيلتون عتيق). عندما يصطدم تيار الماء بشفرات المروحة، يتغير اتجاه تدفق الماء نتيجةً لشكل الدلو. تُؤثر قوة اصطدام الماء بعزم على دلو الماء ونظام العجلة المتحركة، ويُستخدم هذا العزم لتدوير العجلة. يكون اتجاه تدفق الماء "غير قابل للانعكاس"، ويقع مخرج تدفق الماء خارج دلو الماء، مما يُؤدي إلى انخفاض معدل تدفق الماء إلى سرعة منخفضة جدًا. خلال هذه العملية، تنتقل قوة دفع تيار الماء إلى العجلة المتحركة، ومنها إلى توربين الماء. وهكذا، يُمكن لهذا "الصدمة" أن تُؤدي عملًا للتوربين. لتحقيق أقصى قدر من الطاقة والكفاءة في عمل التوربين، صُمم نظام الدوار والتوربين لمضاعفة سرعة تدفق السائل على الدلو. وتبقى نسبة ضئيلة جدًا من الطاقة الحركية الأصلية للسائل في الماء، مما يجعل الدلو يفرغ ويمتلئ بنفس السرعة (انظر قانون حفظ الكتلة)، وبالتالي يستمر حقن السائل عالي الضغط دون انقطاع. فلا حاجة لإهدار أي طاقة. عادةً، يُركب دلوين جنبًا إلى جنب على الدوار، مما يسمح بتقسيم تدفق الماء إلى أنبوبين متساويين للضخ (انظر الصورة). يُوازن هذا التصميم قوى الحمل الجانبي على الدوار ويساعد على ضمان سلاسة التدفق، بينما تُنقل الطاقة الحركية من نفاثات السائل أيضًا إلى دوار التوربين المائي.

بما أن الماء ومعظم السوائل غير قابلة للانضغاط تقريبًا، فإن معظم الطاقة المتاحة تُستغل في المرحلة الأولى بعد تدفق السائل إلى التوربين. أما توربينات بيلتون، من ناحية أخرى، فلها قسم عجلة متحرك واحد فقط، على عكس التوربينات الغازية التي تعمل على سوائل قابلة للانضغاط.

تُعدّ توربينات بيلتون من أفضل أنواع التوربينات لتوليد الطاقة الكهرومائية، وهي الأنسب للبيئات التي تتميز بارتفاعات رأسية عالية ومعدلات تدفق منخفضة. لذا، في هذه البيئات، تُعتبر توربينات بيلتون الأكثر فعالية، حتى عند تقسيمها إلى تيارين، إذ تحتفظ نظريًا بنفس الطاقة. كما يجب أن تكون الأنابيب المستخدمة لتياري الحقن متقاربة الجودة، أحدهما يتطلب أنبوبًا طويلًا رفيعًا والآخر أنبوبًا قصيرًا عريضًا. يمكن تركيب توربينات بيلتون في مواقع بمختلف الأحجام، وتوجد بالفعل محطات طاقة كهرومائية مزودة بتوربينات بيلتون ذات عمود رأسي هيدروليكي بقدرة تصل إلى طن. تصل قدرة أكبر وحدة تركيبية إلى 200 ميغاواط. أما أصغر توربينات بيلتون، فلا يتجاوز عرضها بضع بوصات، ويمكن استخدامها لاستخراج الطاقة من تيارات لا يتجاوز تدفقها بضعة غالونات في الدقيقة. تستخدم بعض أنظمة السباكة المنزلية عجلات مائية من نوع بيلتون لتوصيل المياه. يُوصى باستخدام هذه التوربينات الصغيرة من نوع بيلتون على ارتفاعات رأسية تبلغ 9.1 متر (30 قدمًا) أو أكثر لتوليد طاقة كبيرة. حاليًا، وبحسب تدفق المياه والتصميم، يُفضل أن يكون الارتفاع الرأسي لموقع تركيب توربين بيلتون بين 14.9 و1799.8 مترًا (49 إلى 5905 قدمًا)، ولكن لا يوجد حد نظري لذلك في الوقت الراهن.