مقدمة موجزة ومزايا التوربينات ذات التدفق المحوري

توجد أنواع عديدة من مولدات الطاقة الكهرومائية. سنتناول اليوم مولد الطاقة الكهرومائية ذو التدفق المحوري بالتفصيل. وقد انصبّ استخدام هذا النوع من المولدات في السنوات الأخيرة على تطوير مشاريع ذات ارتفاعات مائية عالية وأحجام كبيرة. كما يشهد تطوير التوربينات ذات التدفق المحوري محلياً تطوراً سريعاً. يوجد نوعان من توربينات التدفق المحوري ذات المجاديف في محطة جيزهوبا الكهرومائية، أحدهما بقطر دوار يبلغ 11.3 متراً، وهو أكبر قطر دوار لتوربينات مماثلة في العالم. فيما يلي مزايا وعيوب توربينات التدفق المحوري المتوسطة.

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 توربينات فرانسيس. وفي ظل نفس ظروف الضغط والإخراج، يُمكنه تقليل حجم وحدة التوربين الهيدروليكي بشكل كبير، وخفض وزنها، وتوفير استهلاك المواد، مما يجعله ذا جدوى اقتصادية عالية.
٢. يسهل تلبية متطلبات التصنيع من حيث شكل سطح ريش التوربين المحوري وخشونته. ولأن ريش التوربين المحوري قابلة للدوران، فإن متوسط ​​كفاءته أعلى من كفاءة توربين فرانسيس. كما أن كفاءته لا تتغير إلا قليلاً بتغير الحمل والضغط.
3. يمكن تفكيك شفرات التوربينات ذات التدفق المحوري لتسهيل التصنيع والنقل.

لذلك، تحافظ التوربينات ذات التدفق المحوري على استقرارها ضمن نطاق تشغيل واسع، وتتميز بانخفاض الاهتزازات، وكفاءة وإنتاجية عاليتين. وفي نطاق انخفاض منسوب المياه، تكاد تحل محل توربينات فرانسيس. وقد شهدت هذه التوربينات تطوراً كبيراً وانتشاراً واسعاً في العقود الأخيرة، سواءً من حيث سعة الوحدة الواحدة أو منسوب المياه.

3- عيوب التوربينات ذات التدفق المحوري
مع ذلك، فإن التوربين المحوري له عيوب أيضاً، مما يحد من نطاق استخدامه. ومن أبرز عيوبه ما يلي:
1. عدد الشفرات صغير وذو تصميم ناتئ، لذا فإن قوته ضعيفة ولا يمكن تطبيقه على محطات الطاقة الكهرومائية ذات الرؤوس المتوسطة والعالية.
2. نظرًا لتدفق الوحدة الكبير وسرعة الوحدة العالية، فإن ارتفاع السحب فيها أقل من توربين فرانسيس تحت نفس ضغط الماء، مما يؤدي إلى عمق حفر كبير واستثمار مرتفع نسبيًا لأساسات محطة الطاقة.

نظراً للعيوب المذكورة أعلاه في التوربينات المحورية، يجري تحسين ارتفاع التشغيل لهذه التوربينات باستمرار من خلال استخدام مواد جديدة ذات قوة عالية ومقاومة للتجويف في تصنيعها، وتحسين ظروف الإجهاد على الشفرات في التصميم. حالياً، يتراوح ارتفاع التشغيل لتوربينات المروحة المحورية بين 3 و90 متراً، وهو ما يدخل ضمن نطاق توربينات فرانسيس. على سبيل المثال، تبلغ قدرة التوربينة المحورية الأجنبية 181700 كيلوواط، وارتفاع تشغيلها 88 متراً، وقطر دولابها 10.3 متر. بينما تبلغ قدرة التوربينة المحورية المصنعة في الصين 175000 كيلوواط، وارتفاع تشغيلها 78 متراً، وقطر دولابها 11.3 متراً. تتميز التوربينات ذات المروحة الثابتة ذات التدفق المحوري بشفرات ثابتة وبنية بسيطة، إلا أنها لا تتناسب مع محطات الطاقة الكهرومائية التي تشهد تغيرات كبيرة في منسوب المياه والحمل. ويمكن اعتبارها خيارًا مناسبًا لمحطات الطاقة الكهرومائية الكبيرة ذات منسوب المياه المستقر، والتي تُستخدم كحمل أساسي أو كوحدات متعددة، وذلك بعد إجراء دراسة جدوى اقتصادية، خاصةً في أوقات وفرة الطاقة الكهربائية الموسمية. ويتراوح منسوب المياه المناسب لها بين 3 و50 مترًا. تعتمد التوربينات ذات المروحة الثابتة ذات التدفق المحوري عمومًا على تصميم رأسي، وتتشابه آلية عملها بشكل أساسي مع توربينات فرانسيس، مع اختلاف جوهري يتمثل في أنها، عند تغير الحمل، لا تنظم دوران ريشة التوجيه فحسب، بل تنظم أيضًا دوران ريشة الدوّار للحفاظ على كفاءة عالية.

سبق أن قدمنا ​​توربين فرانسيس. ومن بين مولدات الطاقة الكهرومائية، يختلف توربين فرانسيس اختلافًا كبيرًا عن توربين التدفق المحوري. فعلى سبيل المثال، تختلف الأشكال الهيكلية لعجلة الدوران فيهما؛ إذ تكون شفرات توربين فرانسيس شبه موازية للمحور الرئيسي، بينما تكون شفرات توربين التدفق المحوري شبه عمودية عليه.