पेल्टन टरबाइन का अवलोकन और डिजाइन सिद्धांत

पेल्टन टरबाइन (जिसे पेल्टन वाटरव्हील या बॉर्डेन टरबाइन भी कहा जाता है, अंग्रेजी में पेल्टन व्हील या पेल्टन टरबाइन) एक प्रकार की इम्पैक्ट टरबाइन है, जिसे अमेरिकी आविष्कारक लेस्टर डब्ल्यू. एलन पेल्टन ने विकसित किया था। पेल्टन टरबाइन ऊर्जा प्राप्त करने के लिए पानी के प्रवाह और वाटरव्हील से टकराने का उपयोग करती है, जो पानी के भार से चलने वाले पारंपरिक अपवर्ड-इंजेक्शन वाटरव्हील से अलग है। पेल्टन के डिजाइन के प्रकाशित होने से पहले, इम्पिंगमेंट टरबाइन के कई अलग-अलग संस्करण मौजूद थे, लेकिन वे पेल्टन के डिजाइन की तुलना में कम कुशल थे। वाटरव्हील से पानी निकलने के बाद, पानी में आमतौर पर अभी भी गति होती है, जिससे वाटरव्हील की गतिज ऊर्जा का अधिकांश भाग व्यर्थ हो जाता है। पेल्टन के पैडल की ज्यामिति ऐसी है कि इम्पेलर पानी के जेट की आधी गति से चलने के बाद बहुत कम गति पर इम्पेलर से बाहर निकलता है; इसलिए, पेल्टन का डिजाइन पानी की इम्पैक्ट ऊर्जा को लगभग पूरी तरह से कैप्चर कर लेता है, जिससे यह एक उच्च-दक्षता वाली वाटर टरबाइन बन जाती है।

उच्च दक्षता और उच्च गति वाला जल प्रवाह पाइपलाइन में प्रवेश करने के बाद, सुई वाल्व के माध्यम से जल का प्रबल स्तंभ घूमते हुए पहिये पर लगे बाल्टी के आकार के पंखे के ब्लेडों की ओर निर्देशित होता है, जिससे घूमता हुआ पहिया चलने लगता है। इन्हें इंपिंगमेंट पंखे के ब्लेड भी कहा जाता है; ये घूमने वाले पहिये के चारों ओर लगे होते हैं और इन्हें सामूहिक रूप से घूमने वाला पहिया कहा जाता है। (विवरण के लिए फोटो देखें, विंटेज पेल्टन टरबाइन)। जैसे ही जल की धार पंखे के ब्लेडों से टकराती है, बाल्टी के आकार के कारण जल की प्रवाह दिशा बदल जाती है। जल के प्रभाव से पानी की बाल्टी और घूमने वाले पहिये पर एक बल लगता है, जिसका उपयोग घूमने वाले पहिये को घुमाने के लिए किया जाता है; जल की प्रवाह दिशा अपरिवर्तनीय होती है, और जल प्रवाह का निकास पानी की बाल्टी के बाहर होता है, जिससे जल प्रवाह की गति बहुत कम हो जाती है। इस प्रक्रिया के दौरान, द्रव की धार का संवेग घूमने वाले पहिये में और वहां से जल टरबाइन में स्थानांतरित हो जाता है। इस प्रकार, यह बल वास्तव में टरबाइन के लिए कार्य करता है। टरबाइन की शक्ति और कार्यकुशलता को अधिकतम करने के लिए, रोटर और टरबाइन प्रणाली को इस प्रकार डिज़ाइन किया जाता है कि बाल्टी पर तरल जेट का वेग दोगुना हो जाए। तरल जेट की मूल गतिज ऊर्जा का बहुत छोटा हिस्सा पानी में ही रह जाता है, जिससे बाल्टी समान गति से खाली और भरती है (द्रव्यमान संरक्षण देखें), और इस प्रकार उच्च दाब वाला इनपुट तरल बिना किसी रुकावट के लगातार प्रवाहित होता रहता है। ऊर्जा का कोई नुकसान नहीं होता। आमतौर पर, रोटर पर दो बाल्टियाँ अगल-बगल लगाई जाती हैं, जिससे पानी का प्रवाह जेटिंग के लिए दो बराबर पाइपों में विभाजित हो जाता है (चित्र देखें)। यह विन्यास रोटर पर लगने वाले पार्श्व भार बलों को संतुलित करता है और सुचारू प्रवाह सुनिश्चित करने में मदद करता है, साथ ही तरल जेट से प्राप्त गतिज ऊर्जा भी हाइड्रो टरबाइन रोटर में स्थानांतरित हो जाती है।

चूंकि पानी और अधिकांश तरल पदार्थ लगभग असंपीड्य होते हैं, इसलिए तरल पदार्थ के टरबाइन में प्रवेश करने के बाद पहले चरण में ही लगभग सारी उपलब्ध ऊर्जा प्राप्त हो जाती है। दूसरी ओर, पेल्टन टरबाइन में केवल एक ही घूमने वाला पहिया भाग होता है, जबकि गैस टरबाइन संपीड्य तरल पदार्थों पर काम करते हैं।

व्यावहारिक अनुप्रयोगों में, पेल्टन टर्बाइन जलविद्युत उत्पादन के लिए सर्वोत्तम प्रकार के टर्बाइनों में से एक हैं और उन वातावरणों के लिए सबसे उपयुक्त टर्बाइन हैं जहां उपलब्ध जल स्रोत में उच्च जल स्तर और कम प्रवाह दर होती है। इसलिए, उच्च जल स्तर और कम प्रवाह वाले वातावरण में, पेल्टन टर्बाइन सबसे प्रभावी होता है, भले ही इसे दो धाराओं में विभाजित किया जाए, सैद्धांतिक रूप से इसमें समान ऊर्जा होती है। साथ ही, दो इंजेक्शन धाराओं के लिए उपयोग की जाने वाली नलिकाएं तुलनीय गुणवत्ता की होनी चाहिए, जिनमें से एक के लिए लंबी पतली नली और दूसरी के लिए छोटी चौड़ी नली की आवश्यकता होती है। पेल्टन टर्बाइन सभी आकारों के स्थलों पर स्थापित किए जा सकते हैं। टन श्रेणी में हाइड्रोलिक वर्टिकल शाफ्ट पेल्टन टर्बाइनों वाले जलविद्युत संयंत्र पहले से ही मौजूद हैं। इसकी सबसे बड़ी स्थापना इकाई 200 मेगावाट तक हो सकती है। दूसरी ओर, सबसे छोटे पेल्टन टर्बाइन केवल कुछ इंच चौड़े होते हैं और इनका उपयोग उन धाराओं से ऊर्जा निकालने के लिए किया जा सकता है जो प्रति मिनट केवल कुछ गैलन पानी प्रवाहित करती हैं। कुछ घरेलू प्लंबिंग सिस्टम पानी की आपूर्ति के लिए पेल्टन-प्रकार के वाटरव्हील का उपयोग करते हैं। पर्याप्त बिजली उत्पादन के लिए इन छोटे पेल्टन टर्बाइनों को 30 फीट (9.1 मीटर) या उससे अधिक की ऊंचाई पर उपयोग करने की सलाह दी जाती है। वर्तमान में, जल प्रवाह और डिजाइन के अनुसार, पेल्टन टर्बाइन की स्थापना स्थल की ऊंचाई अधिमानतः 49 से 5,905 फीट (14.9 से 1,799.8 मीटर) की सीमा में है, लेकिन फिलहाल इसकी कोई सैद्धांतिक सीमा निर्धारित नहीं है।