محركات توربينات المياه: الأنواع والمواصفات الفنية

تُعدّ توربينات المياه من المكونات الأساسية في أنظمة الطاقة الكهرومائية، إذ تُحوّل طاقة المياه المتدفقة أو المتساقطة إلى طاقة ميكانيكية. ويكمن جوهر هذه العملية فيعداء، الجزء الدوار من التوربين الذي يتفاعل مباشرةً مع تدفق المياه. يُعد تصميم ونوع ومواصفات المُشغِّل الفنية أمرًا بالغ الأهمية في تحديد كفاءة التوربين، ونطاق ارتفاعه التشغيلي، وسيناريوهات استخدامه.

1. تصنيف مجاري توربينات المياه

يتم تصنيف محركات توربينات المياه بشكل عام إلى ثلاث فئات رئيسية بناءً على نوع تدفق المياه الذي تتعامل معه:

A. عداءو الاندفاع

تعمل توربينات الدفع بنفثات مياه عالية السرعة تضرب شفراتها تحت ضغط جوي. صُممت هذه التوربينات لـارتفاع الرأس، تدفق منخفضالتطبيقات.

• بيلتون رانر:

  • بناء:دلاء على شكل ملعقة مثبتة على محيط العجلة.

  • نطاق الرأس: 100–1800 متر.

  • سرعة:سرعة دوران منخفضة؛ غالبًا ما تتطلب زيادة السرعة.

  • التطبيقات:المناطق الجبلية، الطاقة الكهرومائية الصغيرة خارج الشبكة.

B. عداءو رد الفعل

تعمل توربينات رد الفعل بضغط ماء متغير تدريجيًا أثناء مروره عبر المجرى. تُغمر هذه المجاري وتعمل تحت ضغط الماء.

• فرانسيس رانر:

  • بناء:تدفق مختلط مع حركة شعاعية ومحورية إلى الداخل.

  • نطاق الرأس: 20–300 متر.

  • كفاءة:عالية، عادة أعلى من 90%.

  • التطبيقات:تستخدم على نطاق واسع في محطات الطاقة الكهرومائية متوسطة الضغط.

• كابلان رانر:

  • بناء:مشغل تدفق محوري مع شفرات قابلة للتعديل.

  • نطاق الرأس: 2–30 متر.

  • سمات:تسمح الشفرات القابلة للتعديل بتحقيق كفاءة عالية تحت الأحمال المتنوعة.

  • التطبيقات:الأنهار ذات منسوب المياه المنخفض والتدفق العالي وتطبيقات المد والجزر.

• عداء المروحة:

  • بناء:مشابه لكابلان ولكن بشفرات ثابتة.

  • كفاءة:الأمثل فقط في ظل ظروف التدفق الثابت.

  • التطبيقات:مواقع مائية صغيرة ذات تدفق ورأس مستقرين.

C. أنواع أخرى من العدائين

• تورغو رانر:

  • بناء:تضرب نفثات الماء العداء بزاوية.

  • نطاق الرأس: 50–250 متر.

  • ميزة:سرعة دوران أعلى من بيلتون، وبناء أبسط.

  • التطبيقات:محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة والمتوسطة.

• مُشغِّل التدفق المتقاطع (توربين بانكي-ميشيل):

  • بناء:يتدفق الماء عبر الممر بشكل عرضي مرتين.

  • نطاق الرأس: 2–100 متر.

  • سمات:مناسب للطاقة الكهرومائية الصغيرة والتدفق المتغير.

  • التطبيقات:أنظمة خارج الشبكة، الطاقة الكهرومائية الصغيرة.

2. المواصفات الفنية الرئيسية للعدائين

تتطلب أنواع مختلفة من العدائين اهتمامًا دقيقًا بمعاييرهم الفنية لضمان الأداء الأمثل:

3. معايير الاختيار

عند اختيار نوع العداء، يجب على المهندسين مراعاة ما يلي:

• الرأس والتدفق:يحدد ما إذا كان سيتم اختيار الدافع أو رد الفعل.

• ظروف الموقع:تقلبات النهر، وحمل الرواسب، والتغيرات الموسمية.

• المرونة التشغيلية:هناك حاجة لضبط الشفرة أو تكييف التدفق.

• التكلفة والصيانة:العدائين الأبسط مثل Pelton أو Propeller أسهل في الصيانة.

4. الاتجاهات المستقبلية

مع التقدم في ديناميكيات السوائل الحسابية (CFD) والطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد، يتطور تصميم عداء التوربينات نحو:

• كفاءة أعلى في التدفقات المتغيرة

• عدّائين مخصصين لظروف الموقع المحددة

• استخدام المواد المركبة للحصول على شفرات أخف وزناً ومقاومة للتآكل

خاتمة

تُعدّ مجاري التوربينات المائية حجر الزاوية في تحويل الطاقة الكهرومائية. باختيار نوع المجاري المناسب وتحسين معاييره التقنية، يمكن لمحطات الطاقة الكهرومائية تحقيق كفاءة عالية وعمر خدمة طويل وتأثير بيئي أقل. سواءً في مشاريع كهربة المناطق الريفية الصغيرة أو المحطات الكبيرة المتصلة بالشبكة، يبقى المجاري هو المفتاح لإطلاق العنان لكامل إمكانات الطاقة الكهرومائية.