जल टरबाइन का सिद्धांत और अनुप्रयोग का दायरा

जल टरबाइन द्रव मशीनरी के अंतर्गत एक टर्बोमशीनरी है। लगभग 100 ईसा पूर्व में, जल टरबाइन का प्रोटोटाइप, जल चक्र, अस्तित्व में आया। उस समय, इसका मुख्य कार्य अनाज प्रसंस्करण और सिंचाई के लिए मशीनरी चलाना था। जल चक्र, जो जल प्रवाह को शक्ति के रूप में उपयोग करने वाला एक यांत्रिक उपकरण है, वर्तमान जल टरबाइन में विकसित हुआ है, और इसके अनुप्रयोग का दायरा भी विस्तृत हुआ है। तो आधुनिक जल टरबाइन मुख्य रूप से कहाँ उपयोग किए जाते हैं?
पंप स्टोरेज पावर स्टेशनों में मुख्य रूप से टर्बाइन का उपयोग किया जाता है। जब पावर सिस्टम का लोड बेसिक लोड से कम होता है, तो इसका उपयोग वाटर पंप के रूप में किया जा सकता है। अतिरिक्त बिजली उत्पादन क्षमता का उपयोग करके, यह निचले जलाशय से ऊपरी जलाशय तक पानी पंप करता है और ऊर्जा को संभावित ऊर्जा के रूप में संग्रहित करता है। जब सिस्टम का लोड बेसिक लोड से अधिक होता है, तो इसका उपयोग हाइड्रोलिक टर्बाइन के रूप में किया जा सकता है, जो पीक लोड को नियंत्रित करने के लिए बिजली उत्पन्न करता है। इसलिए, शुद्ध पंप स्टोरेज पावर स्टेशन पावर सिस्टम की क्षमता को नहीं बढ़ा सकता है, लेकिन यह थर्मल पावर जनरेटिंग यूनिट्स की परिचालन लागत को कम कर सकता है और पावर सिस्टम की समग्र दक्षता में सुधार कर सकता है। 1950 के दशक से, पंप स्टोरेज यूनिट्स को व्यापक रूप से महत्व दिया गया है और दुनिया भर के देशों में इनका तेजी से विकास हुआ है।

प्रारंभिक चरण में या उच्च जलस्तर वाले क्षेत्रों में विकसित अधिकांश पंप स्टोरेज यूनिट तीन-मशीन प्रकार की होती हैं, यानी इनमें एक जनरेटर मोटर, एक वाटर टरबाइन और एक वाटर पंप श्रृंखला में लगे होते हैं। इसका लाभ यह है कि टरबाइन और वाटर पंप अलग-अलग डिज़ाइन किए जाते हैं, जिससे दोनों की दक्षता अधिक होती है। यूनिट बिजली उत्पादन और पानी पंप करते समय एक ही दिशा में घूमती है, जिससे बिजली उत्पादन से पंपिंग और पंपिंग से बिजली उत्पादन में तेजी से परिवर्तन किया जा सकता है। साथ ही, टरबाइन का उपयोग यूनिट को चालू करने के लिए किया जा सकता है। इसकी हानि यह है कि लागत अधिक होती है और पावर स्टेशन में निवेश भी अधिक होता है।
तिरछी प्रवाह वाली पंप टरबाइन के रनर के ब्लेड को घुमाया जा सकता है, और जलस्तर और भार में परिवर्तन होने पर भी इसका परिचालन प्रदर्शन अच्छा रहता है। हालांकि, हाइड्रोलिक विशेषताओं और सामग्री की मजबूती की सीमाओं के कारण, 1980 के दशक की शुरुआत तक इसका शुद्ध जलस्तर केवल 136.2 मीटर था (जापान का ताकागेन प्रथम विद्युत स्टेशन)। इससे अधिक जलस्तर के लिए, फ्रांसिस पंप टरबाइन की आवश्यकता होती है।
पंप स्टोरेज पावर स्टेशन में ऊपरी और निचले जलाशय होते हैं। समान ऊर्जा भंडारण की स्थिति में, लिफ्ट बढ़ाने से भंडारण क्षमता कम हो सकती है, यूनिट की गति बढ़ सकती है और परियोजना लागत कम हो सकती है। इसलिए, 300 मीटर से अधिक ऊँचाई वाले ऊर्जा भंडारण पावर स्टेशन का तेजी से विकास हुआ है। विश्व में सबसे अधिक जलस्तर वाला फ्रांसिस पंप-टर्बाइन युगोस्लाविया के बैना बास्ता पावर स्टेशन में स्थापित है। 20वीं शताब्दी से ही, जलविद्युत इकाइयाँ उच्च मापदंडों और बड़ी क्षमता की दिशा में विकसित हो रही हैं। विद्युत प्रणाली में तापीय ऊर्जा क्षमता में वृद्धि और परमाणु ऊर्जा के विकास के साथ, उचित पीक विनियमन की समस्या को हल करने के लिए, प्रमुख जल प्रणालियों में बड़े पैमाने पर पावर स्टेशनों के तेजी से विकास या विस्तार के अलावा, विश्व भर के देश सक्रिय रूप से पंप स्टोरेज पावर स्टेशन बना रहे हैं, जिसके परिणामस्वरूप पंप-टर्बाइन का तेजी से विकास हुआ है।

जल प्रवाह की ऊर्जा को घूर्णनशील यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करने वाली विद्युत मशीन के रूप में, जल विद्युत जनरेटर सेट का एक अनिवार्य अंग जल विद्युत है। आजकल, पर्यावरण संरक्षण की समस्या गंभीर होती जा रही है, और स्वच्छ ऊर्जा का उपयोग करने वाली जलविद्युत का अनुप्रयोग और प्रचार-प्रसार तेजी से बढ़ रहा है। विभिन्न जल संसाधनों का पूर्ण उपयोग करने के लिए, ज्वार-भाटे, कम ढलान वाली मैदानी नदियाँ और यहाँ तक कि लहरों ने भी व्यापक ध्यान आकर्षित किया है, जिसके परिणामस्वरूप ट्यूबलर टर्बाइन और अन्य छोटी इकाइयों का तेजी से विकास हुआ है।