مبدأ عمل التدفق والخصائص الهيكلية لمولد الهيدروجين التفاعلي

التوربين التفاعلي هو نوع من الآلات الهيدروليكية التي تقوم بتحويل الطاقة الهيدروليكية إلى طاقة ميكانيكية باستخدام ضغط تدفق المياه.

(1) الهيكل. تشمل المكونات الهيكلية الرئيسية لتوربين رد الفعل: الممر، وغرفة رأس التوربين، وآلية توجيه الماء، وأنبوب السحب.
١) المجرى. المجرى هو أحد مكونات التوربين الهيدروليكي، ويُحوّل طاقة تدفق الماء إلى طاقة ميكانيكية دوارة. وتختلف هياكل المجرى في توربينات رد الفعل باختلاف اتجاهات تحويل طاقة الماء. يتكون مجرى توربين فرانسيس من شفرات ملتوية انسيابية، وتاج عجلة، وحلقة سفلية؛ أما مجرى توربين التدفق المحوري، فيتكون من شفرات، وجسم المجرى، ومخروط التفريغ، ومكونات رئيسية أخرى. أما مجرى توربين التدفق المائل، فيتسم بتركيب معقد. تتغير زاوية وضع الشفرات باختلاف ظروف التشغيل، وتتوافق مع فتحة ريشة التوجيه. ويشكل خط مركز دوران الشفرات زاوية مائلة (٤٥ درجة إلى ٦٠ درجة) مع محور التوربين.
٢) حجرة رأس التوربين. وظيفتها ضمان تدفق الماء بالتساوي إلى آلية توجيه الماء، وتقليل فقدان الطاقة، وتحسين كفاءة التوربين الهيدروليكي. يُستخدم الهيكل المعدني الحلزوني ذو المقطع الدائري غالبًا للتوربينات الهيدروليكية الكبيرة والمتوسطة التي يزيد ارتفاع الماء فيها عن ٥٠ مترًا، بينما يُستخدم الهيكل الخرساني الحلزوني ذو المقطع شبه المنحرف غالبًا للتوربينات التي يقل ارتفاع الماء فيها عن ٥٠ مترًا.
٣) آلية توجيه الماء. تتكون عادةً من عدد معين من ريش التوجيه الانسيابية، وآليات دورانها موزعة بشكل موحد على محيط المجرى. وظيفتها توجيه تدفق الماء إلى المجرى بالتساوي، وتغيير تدفق التوربين الهيدروليكي عن طريق ضبط فتحة ريشة التوجيه لتلبية متطلبات حمل وحدة المولد. كما أنها تعمل على سد الماء عند إغلاقها بالكامل.
٤) أنبوب السحب. لم يُستغل جزء من الطاقة المتبقية في تدفق المياه عند مخرج المجرى. وظيفة أنبوب السحب هي استعادة هذه الطاقة وتصريف المياه في اتجاه مجرى النهر. يمكن تقسيم أنبوب السحب إلى شكل مخروطي مستقيم وشكل منحني. يتميز الأول بمعامل طاقة كبير، وهو مناسب بشكل عام للتوربينات الأفقية والأنبوبية الصغيرة؛ على الرغم من أن الأداء الهيدروليكي للثاني ليس بجودة أداء المخروط المستقيم، إلا أن عمق الحفر صغير، ويُستخدم على نطاق واسع في توربينات التفاعل الكبيرة والمتوسطة الحجم.

,

(2) التصنيف. يُقسّم توربين رد الفعل إلى توربين فرانسيس، توربين قطري، توربين محوري، توربين أنبوبي، وذلك وفقًا لاتجاه تدفق المياه المار عبر سطح عمود المضخة.
١) توربين فرانسيس. توربين فرانسيس (التدفق المحوري الشعاعي أو فرانسيس) هو نوع من توربينات رد الفعل، حيث يتدفق الماء شعاعيًا حول مجرى الماء ومحوريًا. يتميز هذا النوع من التوربينات بنطاق واسع من الارتفاعات القابلة للتطبيق (من ٣٠ إلى ٧٠٠ متر)، وبنية بسيطة، وحجم صغير، وتكلفة منخفضة. أكبر توربين فرانسيس قيد التشغيل في الصين هو توربين محطة إرتان للطاقة الكهرومائية، بقدرة إنتاجية مقدرة تبلغ ٥٨٢ ميجاوات، وقدرتها الإنتاجية القصوى ٦٢١ ميجاوات.
٢) توربين التدفق المحوري. توربين التدفق المحوري هو نوع من توربينات رد الفعل التي يتدفق فيها الماء داخل وخارج العداء محوريًا. ينقسم هذا النوع من التوربينات إلى نوع المروحة الثابتة (نوع المروحة اللولبية) ونوع المروحة الدوارة (نوع كابلان). شفرات النوع الأول ثابتة ويمكن لشفرات النوع الثاني الدوران. سعة تفريغ توربين التدفق المحوري أكبر من توربين فرانسيس. نظرًا لأن موضع شفرة توربين الدوار يمكن أن يتغير مع تغير الحمل، فإنه يتمتع بكفاءة عالية في نطاق واسع من تغير الحمل. مقاومة التجويف والقوة الميكانيكية لتوربين التدفق المحوري أسوأ من تلك الموجودة في توربين فرانسيس، كما أن هيكله أكثر تعقيدًا. في الوقت الحاضر، وصل الرأس المطبق لهذا النوع من التوربينات إلى أكثر من ٨٠ مترًا.
٣) التوربين الأنبوبي. يتدفق الماء في هذا النوع من التوربينات محوريًا من التدفق المحوري إلى المجرى، دون أي دوران قبله أو بعده. يتراوح نطاق رأس الاستخدام بين ٣ و٢٠ سم. يتميز بارتفاع جسم صغير، وظروف تدفق مياه جيدة، وكفاءة عالية، وكمية منخفضة من المياه، وتكلفة منخفضة، وعدم وجود حلزون أو أنبوب سحب منحني. وكلما انخفض رأس الماء، زادت مزاياه وضوحًا.
وفقًا لطريقة توصيل ونقل المولد، تُصنف التوربينات الأنبوبية إلى نوع أنبوبي كامل وشبه أنبوبي. كما تُصنف التوربينات شبه الأنبوبية إلى نوع بصلي، ونوع عمود، ونوع امتداد عمود، ومن بينها نوع امتداد العمود المائل والعمود الأفقي. حاليًا، تُستخدم التوربينات الأنبوبية، ونوع امتداد العمود، ونوع العمود على نطاق واسع في الوحدات الصغيرة. وفي السنوات الأخيرة، يُستخدم نوع العمود أيضًا في الوحدات الكبيرة والمتوسطة.
يُركَّب مُولِّد وحدة التمديد المحوري الأنبوبية خارج قناة المياه، ويُوصَل بالتوربين المائي بواسطة عمود طويل مائل أو أفقي. هيكل هذا النوع من أعمدة التمديد أبسط من هيكل النوع البصلي.
٤) توربين التدفق القطري. يقع هيكل وحجم توربين التدفق القطري (المعروف أيضًا باسم التوربين القطري) بين توربيني فرانسيس والتدفق المحوري. يتمثل الاختلاف الرئيسي في أن الخط المركزي لشفرة المجرى يكون بزاوية معينة مع الخط المركزي للتوربين. نظرًا لخصائصه الهيكلية، لا يُسمح للوحدة بالغرق أثناء التشغيل، لذلك تم تركيب جهاز حماية إشارة الإزاحة المحورية في الهيكل الثاني لمنع تصادم الشفرة مع حجرة المجرى. يتراوح مدى رأس الاستخدام لتوربين التدفق القطري بين ٢٥ و٢٠٠ متر.

في الوقت الحاضر، أكبر طاقة إنتاج مصنفة لوحدة واحدة من توربينات السقوط المائل في العالم هي 215 ميجاوات (الاتحاد السوفيتي السابق)، وأعلى رأس استخدام هو 136 مترًا (اليابان).