اصل عمل و ویژگی‌های ساختاری جریان ورودی آب ژنراتور توربین ضدحمله

توربین ضدحمله نوعی ماشین‌آلات هیدرولیکی است که از فشار جریان آب برای تبدیل انرژی آب به انرژی مکانیکی استفاده می‌کند.

(1) سازه. اجزای سازه‌ای اصلی توربین ضدحمله عبارتند از رانر، محفظه انحراف آب، مکانیزم هدایت آب و لوله مکش.
۱) رانر. رانر بخشی از توربین آبی است که انرژی جریان آب را به انرژی مکانیکی چرخشی تبدیل می‌کند. بسته به جهت تبدیل انرژی آب، ساختار رانر توربین‌های ضدحمله مختلف نیز متفاوت است. رانر توربین فرانسیس از پره‌های پیچ خورده ساده، تاج و حلقه پایینی و سایر اجزای اصلی عمودی تشکیل شده است. رانر توربین جریان محوری از پره‌ها، بدنه رانر و مخروط تخلیه و سایر اجزای اصلی تشکیل شده است: ساختار رانر توربین جریان مورب پیچیده‌تر است. زاویه قرارگیری پره را می‌توان با شرایط کاری تغییر داد و با دهانه پره راهنما مطابقت داد. خط مرکز چرخش پره با زاویه مورب (۴۵ تا ۶۰ درجه) نسبت به محور توربین قرار دارد.
۲) محفظه انحراف آب. وظیفه آن هدایت یکنواخت جریان آب به داخل مکانیزم هدایت آب، کاهش اتلاف انرژی و بهبود راندمان توربین است. توربین‌های بزرگ و متوسط ​​اغلب از حلزونی‌های فلزی با مقطع دایره‌ای با هد بالای ۵۰ متر و حلزونی‌های بتنی با مقطع ذوزنقه‌ای برای هدهای کمتر از ۵۰ متر استفاده می‌کنند.
۳) مکانیزم هدایت آب. این مکانیزم عموماً از تعداد مشخصی پره‌های هدایت جریان و مکانیزم‌های چرخشی آنها که به طور یکنواخت در اطراف رانر قرار گرفته‌اند، تشکیل شده است. وظیفه آن هدایت یکنواخت جریان آب به داخل رانر و با تنظیم میزان باز شدن پره هدایت، تغییر سرعت جریان توربین برای برآورده کردن نیازهای بار ژنراتور است و همچنین در حالت کاملاً بسته، نقش آب‌بندی آب را ایفا می‌کند.
۴) لوله مکش. جریان آب در خروجی رانر هنوز بخشی از انرژی مازاد را دارد که استفاده نشده است. نقش لوله مکش بازیابی این بخش از انرژی و تخلیه آب به پایین دست است. لوله مکش به دو نوع مخروط مستقیم و منحنی تقسیم می‌شود. نوع اول ضریب انرژی بالایی دارد و عموماً برای توربین‌های افقی و لوله‌ای کوچک مناسب است. نوع دوم عملکرد هیدرولیکی کمتری نسبت به مخروط‌های مستقیم دارد، اما عمق حفاری کمتری دارد و به طور گسترده در توربین‌های ضدحمله بزرگ و متوسط ​​استفاده می‌شود.

(2) طبقه بندی. با توجه به جهت محوری جریان آب از طریق دونده، توربین ضربه ای به توربین فرانسیس، توربین جریان مورب، توربین جریان محوری و توربین لوله ای تقسیم می شود.
۱) توربین فرانسیس. توربین فرانسیس (جریان محوری شعاعی یا فرانسیس) یک توربین ضد حمله است که در آن آب به صورت شعاعی از محیط رانر به سمت محور جریان می‌یابد. این نوع توربین دارای طیف وسیعی از هدهای قابل اجرا (۳۰ تا ۷۰۰ متر)، ساختار ساده، حجم کم و هزینه کم است. بزرگترین توربین فرانسیس که در چین به بهره‌برداری رسیده است، نیروگاه برق آبی ارتان با توان خروجی نامی ۵۸۲ مگاوات و حداکثر توان خروجی ۶۲۱ مگاوات است.
۲) توربین جریان محوری. توربین جریان محوری یک توربین ضدحمله است که در آن آب از جهت محوری وارد و در جهت محوری از رانر خارج می‌شود. این نوع توربین به دو نوع تقسیم می‌شود: نوع پره ثابت (نوع پیچی) و نوع چرخشی (نوع کاپلان). پره‌های نوع اول ثابت هستند و پره‌های نوع دوم قابل چرخش هستند. ظرفیت عبور آب توربین جریان محوری بیشتر از توربین فرانسیس است. از آنجا که پره‌های توربین پره‌دار می‌توانند با تغییر بار تغییر موقعیت دهند، در طیف وسیعی از تغییرات بار راندمان بالاتری دارند. عملکرد ضد کاویتاسیون و مقاومت مکانیکی توربین جریان محوری از توربین فرانسیس بدتر است و ساختار آن نیز پیچیده‌تر است. در حال حاضر، هد قابل استفاده برای این نوع توربین به ۸۰ متر یا بیشتر رسیده است.
۳) توربین لوله‌ای. جریان آب در این نوع توربین آبی به صورت محوری از رانر خارج می‌شود و هیچ چرخشی قبل و بعد از رانر وجود ندارد. محدوده هد بهره‌برداری ۳-۲۰ است. بدنه دارای مزایای ارتفاع کم، شرایط جریان آب خوب، راندمان بالا، مهندسی عمران کمتر، هزینه کم، عدم نیاز به حلزونی و لوله‌های پیشران خمیده است و هرچه هد کمتر باشد، مزایا آشکارتر است.
توربین‌های لوله‌ای بر اساس اتصال ژنراتور و حالت انتقال نیرو به دو نوع تقسیم می‌شوند: جریان کامل و جریان نیمه‌عمودی. توربین‌های نیمه‌عمودی خود به نوع حبابی، نوع شافتی و نوع امتداد شافت تقسیم می‌شوند. در میان آنها، نوع امتداد شافت نیز به دو نوع تقسیم می‌شود. محور مورب و محور افقی وجود دارد. در حال حاضر، پرکاربردترین نوع لوله‌ای حبابی، نوع امتداد شافت و نوع شافت عمودی بیشتر در واحدهای کوچک استفاده می‌شوند. در سال‌های اخیر، نوع شافتی نیز در واحدهای بزرگ و متوسط ​​مورد استفاده قرار گرفته است.
ژنراتور واحد لوله‌ای با محور امتدادی در خارج از آبراه نصب می‌شود و ژنراتور با یک محور مایل بلندتر یا محور افقی به توربین متصل می‌شود. این ساختار از نوع محور امتدادی ساده‌تر از نوع حبابی است.
۴) توربین جریان مورب. ساختار و اندازه توربین جریان مورب (که مورب نیز نامیده می‌شود) بین جریان مختلط و جریان محوری است. تفاوت اصلی این است که خط مرکزی پره‌های رانر با زاویه خاصی نسبت به خط مرکزی توربین قرار دارد. با توجه به ویژگی‌های ساختاری، واحد در حین کار اجازه فرو رفتن ندارد، بنابراین یک دستگاه محافظت از سیگنال جابجایی محوری در ساختار دوم نصب شده است تا از تصادفات ناشی از برخورد پره‌ها و محفظه رانر جلوگیری شود. محدوده هد بهره‌برداری توربین جریان مورب ۲۵ تا ۲۰۰ متر است.