نطاق تطبيق توربينات فرانسيس

التوربين المائي نوع من أنواع الآلات التوربينية في مجال الآلات المائية. ظهر النموذج الأولي للتوربين المائي في حوالي عام 100 قبل الميلاد. في ذلك الوقت، كانت وظيفته الرئيسية تشغيل آلات معالجة الحبوب والري. تطور التوربين المائي، كجهاز ميكانيكي يعمل بتدفق الماء، إلى شكله الحالي، كما توسع نطاق استخدامه. فأين تُستخدم التوربينات المائية الحديثة بشكل رئيسي؟

تُستخدم التوربينات المائية بشكل أساسي في محطات الطاقة الكهرومائية ذات التخزين بالضخ. فعندما يكون حمل النظام أقل من الحمل الأساسي، يمكن استخدامها كمضخة مياه لاستغلال فائض الطاقة المولدة لضخ المياه من الخزان السفلي إلى الخزان العلوي وتخزين الطاقة على شكل طاقة كامنة. أما عندما يكون حمل النظام أعلى من الحمل الأساسي، فيمكن استخدامها كتوربينات مائية لتوليد الكهرباء لضبط ذروة الحمل. لذا، لا تُساهم محطات الطاقة الكهرومائية ذات التخزين بالضخ وحدها في زيادة قدرة النظام، ولكنها تُحسّن من كفاءة تشغيل وحدات توليد الطاقة الحرارية، وترفع من الكفاءة الإجمالية للنظام. ومنذ خمسينيات القرن الماضي، حظيت وحدات التخزين بالضخ باهتمام واسع وتطورت بسرعة في جميع أنحاء العالم.

تعتمد وحدات التخزين بالضخ التي طُوّرت في المراحل الأولى أو التي تتميز بارتفاع منسوب المياه في الغالب على النوع ثلاثي الآلات، أي أنها تتكون من مولد كهربائي وتوربين مائي ومضخة مياه متصلة على التوالي. وتكمن ميزتها في تصميم التوربين المائي والمضخة بشكل منفصل، مما يُتيح كفاءة عالية، كما أن اتجاه دوران الوحدة يكون واحدًا أثناء التوليد والضخ، مما يسمح بالتحويل السريع بين توليد الطاقة والضخ. وفي الوقت نفسه، يُمكن استخدام التوربين لبدء تشغيل الوحدة. أما عيوبها فتتمثل في ارتفاع التكلفة وحاجتها إلى استثمار كبير في محطة توليد الطاقة.

يمكن لشفرات دافع توربين مضخة التدفق المائل الدوران مع الحفاظ على أداء تشغيلي جيد حتى مع تغير منسوب المياه والحمل. ومع ذلك، ونظرًا لمحدودية الخصائص الهيدروليكية وقوة المواد، لم يتجاوز أقصى منسوب للمياه 136.2 مترًا في أوائل ثمانينيات القرن الماضي (محطة كوجين رقم 1 لتوليد الطاقة في اليابان). وللحصول على مناسيب مياه أعلى، يلزم استخدام توربينات مضخات فرانسيس.

تُجهز محطات الطاقة الكهرومائية ذات التخزين بالضخ بخزانين علوي وسفلي. عند تخزين نفس كمية الطاقة، يمكن أن يؤدي رفع مستوى الماء إلى تقليل سعة التخزين، وزيادة سرعة الوحدة، وخفض تكلفة المشروع. لذلك، تشهد محطات الطاقة الكهرومائية ذات التخزين بالضخ، والتي يزيد ارتفاعها عن 300 متر، نموًا سريعًا. تُعد محطة بيناباشتا للطاقة في يوغوسلافيا الأمريكية من أبرز محطات الطاقة الكهرومائية في العالم، حيث تتميز بأعلى مستوى ماء في العالم. تبلغ قدرة الوحدة الواحدة 315 ميغاواط، ويبلغ ارتفاع الماء في التوربين 600.3 متر. أما المضخة، فيبلغ ارتفاعها 623.1 متر، وسرعة دورانها 428.6 دورة في الدقيقة. وقد دخلت حيز التشغيل عام 1977. منذ بداية القرن العشرين، تتجه وحدات الطاقة الكهرومائية نحو تطوير معايير عالية وقدرات كبيرة. ومع زيادة القدرة على توليد الطاقة في شبكة الكهرباء، وتطور الطاقة النووية، ولحل مشكلة خفض ذروة الطلب بشكل معقول، تعمل دول العالم بنشاط على بناء محطات الطاقة الكهرومائية ذات التخزين بالضخ، بالإضافة إلى تطوير أو توسيع محطات الطاقة واسعة النطاق في أنظمة المياه الرئيسية. لذلك، تطورت التوربينات الضخية بسرعة.

تُعدّ التوربينات المائية، بوصفها آلة توليد طاقة تحوّل طاقة تدفق المياه إلى طاقة ميكانيكية دورانية، جزءًا لا غنى عنه في مجموعات مولدات التوربينات المائية. وفي الوقت الحاضر، تتفاقم مشكلة حماية البيئة، مما يُسهم في زيادة استخدام الطاقة الكهرومائية، وهي طريقة لتوليد الطاقة باستخدام الطاقة النظيفة. وللاستفادة القصوى من مختلف الموارد المائية، حظيت المد والجزر والأنهار ذات الانحدار المنخفض، وحتى الأمواج، باهتمام واسع النطاق، الأمر الذي أدى إلى التطور السريع للتوربينات الأنبوبية وغيرها من الوحدات الصغيرة.