بررسی اجمالی و اصول طراحی توربین پلتون

توربین پلتون (همچنین ترجمه شده است: چرخ آبی پلتون یا توربین بوردین، انگلیسی: چرخ پلتون یا توربین پلتون) نوعی توربین ضربه‌ای است که توسط مخترع آمریکایی لستر دبلیو. توسعه داده شد. توسط آلن پلتون توسعه داده شد. توربین‌های پلتون از آب برای جریان یافتن و ضربه زدن به چرخ آبی برای به دست آوردن انرژی استفاده می‌کنند، که با چرخ آبی سنتی تزریق رو به بالا که توسط وزن خود آب رانده می‌شود، متفاوت است. قبل از انتشار طرح پلتون، چندین نسخه مختلف از توربین ضربه‌ای وجود داشت، اما کارایی آنها کمتر از طرح پلتون بود. پس از خروج آب از چرخ آبی، آب معمولاً هنوز سرعت دارد و بخش زیادی از انرژی جنبشی چرخ آبی را هدر می‌دهد. هندسه پره‌های پلتون به گونه‌ای است که پروانه پس از کار با نصف سرعت جت آب، تنها با سرعت بسیار کمی از پروانه خارج می‌شود. بنابراین، طرح پلتون تقریباً به طور کامل انرژی ضربه‌ای آب را جذب می‌کند، به طوری که یک توربین آبی با راندمان بالا دارد.

پس از ورود جریان آب پرسرعت با راندمان بالا به خط لوله، ستون قوی آب از طریق شیر سوزنی به پره‌های فن سطلی شکل روی چرخ متحرک هدایت می‌شود تا چرخ متحرک را به حرکت درآورد. این پره‌ها که به پره‌های فن ضربه‌ای نیز معروف هستند، محیط چرخ محرک را احاطه می‌کنند و در مجموع چرخ محرک نامیده می‌شوند. (برای جزئیات بیشتر به عکس توربین پلتون قدیمی مراجعه کنید). با برخورد جت آب به پره‌های فن، جهت جریان آب به دلیل شکل سطل تغییر می‌کند. نیروی ضربه آب، گشتاوری را به سطل آب و سیستم چرخ متحرک وارد می‌کند و از این گشتاور برای چرخاندن چرخ متحرک استفاده می‌کند. جهت جریان خود آب "برگشت‌ناپذیر" است و خروجی جریان آب در خارج از سطل آب تنظیم می‌شود و سرعت جریان آب به سرعت بسیار کم کاهش می‌یابد. در طول این فرآیند، تکانه جت سیال به چرخ متحرک و از آنجا به توربین آب منتقل می‌شود. بنابراین "شوک" در واقع می‌تواند برای توربین کار انجام دهد. به منظور به حداکثر رساندن قدرت و راندمان کار توربین، سیستم روتور و توربین به گونه‌ای طراحی شده است که سرعت جت سیال را به سمت سطل دو برابر کند. و بخش بسیار کمی از انرژی جنبشی اولیه جت سیال در آب باقی می‌ماند که باعث می‌شود سطل با همان سرعت خالی و پر شود (به پایستگی جرم مراجعه کنید)، به طوری که سیال ورودی پرفشار می‌تواند بدون وقفه به تزریق ادامه دهد. نیازی به هدر رفتن انرژی نیست. معمولاً دو سطل در کنار هم روی روتور نصب می‌شوند که به جریان آب اجازه می‌دهد تا برای پرتاب به دو لوله مساوی تقسیم شود (به تصویر مراجعه کنید). این پیکربندی نیروهای بار جانبی روی روتور را متعادل می‌کند و به اطمینان از روان بودن حرکت کمک می‌کند، در حالی که انرژی جنبشی جت‌های سیال نیز به روتور توربین آبی منتقل می‌شود.

از آنجایی که آب و بیشتر مایعات تقریباً تراکم‌ناپذیر هستند، تقریباً تمام انرژی موجود در مرحله اول پس از جریان سیال به داخل توربین گرفته می‌شود. از سوی دیگر، توربین‌های پلتون، برخلاف توربین‌های گازی که با سیالات تراکم‌پذیر کار می‌کنند، تنها یک بخش چرخ متحرک دارند.

کاربردهای عملی توربین‌های پلتون یکی از بهترین انواع توربین‌ها برای تولید برق آبی هستند و مناسب‌ترین نوع توربین برای محیط زیست هستند، زمانی که منبع آب موجود دارای ارتفاع هد بسیار بالا و نرخ جریان پایین باشد. بنابراین، در محیط با هد بالا و جریان کم، توربین پلتون موثرترین است، حتی اگر به دو جریان تقسیم شود، از نظر تئوری همچنان انرژی یکسانی دارد. همچنین، لوله‌های مورد استفاده برای دو جریان تزریق باید از کیفیت قابل مقایسه‌ای برخوردار باشند، که یکی از آنها به یک لوله نازک بلند و دیگری به یک لوله کوتاه و پهن نیاز دارد. توربین‌های پلتون را می‌توان در مکان‌هایی با هر اندازه‌ای نصب کرد. در حال حاضر نیروگاه‌های برق آبی با توربین‌های پلتون شفت عمودی هیدرولیکی در کلاس تن وجود دارد. بزرگترین واحد نصب آن می‌تواند تا 200 مگاوات باشد. از سوی دیگر، کوچکترین توربین‌های پلتون تنها چند اینچ عرض دارند و می‌توانند برای استخراج انرژی از جریان‌هایی که فقط چند گالن در دقیقه جریان دارند، استفاده شوند. برخی از سیستم‌های لوله‌کشی خانگی از چرخ‌های آبی نوع پلتون برای انتقال آب استفاده می‌کنند. این توربین‌های کوچک پلتون برای استفاده در ارتفاع هد ۳۰ فوت (۹.۱ متر) یا بیشتر برای تولید توان قابل توجه توصیه می‌شوند. در حال حاضر، با توجه به جریان آب و طراحی، ارتفاع هد محل نصب توربین پلتون ترجیحاً در محدوده ۴۹ تا ۵۹۰۵ فوت (۱۴.۹ تا ۱۷۹۹.۸ متر) است، اما در حال حاضر هیچ محدودیت نظری وجود ندارد.