סקירה כללית ועקרונות תכנון של טורבינת פלטון

טורבינת פלטון (בתרגום גם: גלגל מים פלטון או טורבינת בורדיין, באנגלית: גלגל פלטון או טורבינת פלטון) היא סוג של טורבינת פגיעה, שפותחה על ידי הממציא האמריקאי לסטר וו. פותחה על ידי אלן פלטון. טורבינות פלטון משתמשות במים כדי לזרום ולפגוע בגלגל המים כדי להפיק אנרגיה, השונה מגלגל המים המסורתי המונע כלפי מעלה על ידי משקל המים עצמם. לפני שפורסם התכנון של פלטון, היו קיימות מספר גרסאות שונות של טורבינת פגיעה, אך הן היו פחות יעילות מהתכנון של פלטון. לאחר שהמים עוזבים את גלגל המים, למים בדרך כלל עדיין יש מהירות, ומבזבזים חלק ניכר מהאנרגיה הקינטית של גלגל המים. גיאומטריית המשוט של פלטון היא כזו שהאימפלר עוזב את האימפלר במהירות נמוכה מאוד לאחר פעולה בחצי ממהירות סילון המים; לכן, התכנון של פלטון לוכד את אנרגיית הפגיעה של המים כמעט לחלוטין, כך שיש לה טורבינת מים יעילה במיוחד.

לאחר שזרימת המים במהירות גבוהה וביעילות גבוהה נכנסת לצינור, עמודת המים החזקה מופנית אל להבי המאוורר בצורת דלי על הגלגל הנע דרך שסתום המחט כדי להניע את הגלגל הנע. זה ידוע גם כלהבי מאוורר פגיעה, הם מקיפים את היקף גלגל ההנעה, ונקראים יחד גלגל ההנעה. (ראה תמונה לפרטים, טורבינת פלטון וינטג'). כאשר סילון המים פוגע בלהבי המאוורר, כיוון הזרימה של המים ישתנה עקב צורת הדלי. כוח פגיעת המים יפעיל מומנט על דלי המים ועל מערכת הגלגלים הנע, וישתמש בו כדי לסובב את הגלגל הנע; כיוון הזרימה של המים עצמם הוא "בלתי הפיך", ופתח יציאת זרימת המים ממוקם מחוץ לדלי המים, וקצב הזרימה של זרימת המים יירד למהירות נמוכה מאוד. במהלך תהליך זה, המומנטום של סילון הנוזל יועבר לגלגל הנע ומשם לטורבינת המים. כך שה"הלם" אכן יכול לעשות עבודה עבור הטורבינה. על מנת למקסם את העוצמה והיעילות של עבודת הטורבינה, הרוטור ומערכת הטורבינה מתוכננים להכפיל את מהירות סילון הנוזל אל הדלי. וחלק קטן מאוד מהאנרגיה הקינטית המקורית של סילון הנוזל יישאר במים, מה שגורם לדלי להתרוקן ולהתמלא באותה מהירות (ראה שימור מסה), כך שניתן להמשיך ולהזריק את הנוזל בלחץ גבוה ללא הפרעה. אין צורך לבזבז אנרגיה. בדרך כלל, שני דליים יותקנו זה לצד זה על הרוטור, מה שיאפשר לפצל את זרימת המים לשני צינורות שווים לצורך הזרמה (ראה תמונה). תצורה זו מאזנת את כוחות העומס הצדדיים על הרוטור ומסייעת להבטיח חלקות, בעוד שהאנרגיה הקינטית מסילוני הנוזל מועברת גם לרוטור הטורבינה ההידרואלקטרית.

מכיוון שמים ורוב הנוזלים כמעט בלתי ניתנים לדחיסה, כמעט כל האנרגיה הזמינה נלכדת בשלב הראשון לאחר שהנוזל זורם לתוך הטורבינה. ​​טורבינות פלטון, לעומת זאת, בעלות רק חלק גלגל נע אחד, בניגוד לטורבינות גז הפועלות על נוזלים דחיסים.

יישומים מעשיים טורבינות פלטון הן אחד מסוגי הטורבינות הטובים ביותר לייצור חשמל הידרואלקטרי והן סוג הטורבינה המתאים ביותר לסביבה כאשר מקור המים הזמין בעל גובה ראש גבוה מאוד וקצב זרימה נמוך. לכן, בסביבה של גובה ראש גבוה וזרימה נמוכה, טורבינת פלטון היא היעילה ביותר, גם אם היא מחולקת לשני זרמים, היא עדיין מכילה את אותה אנרגיה בתיאוריה. כמו כן, הצינורות המשמשים לשני זרמי ההזרקה חייבים להיות באיכות דומה, כאשר אחד מהם דורש צינור ארוך ודק והשני צינור קצר ורחב. ניתן להתקין טורבינות פלטון באתרים בכל הגדלים. כבר קיימות תחנות כוח הידרואלקטריות עם טורבינות פלטון בעלות ציר אנכי הידראולי בקטגוריית טון. יחידת ההתקנה הגדולה ביותר שלה יכולה להיות עד 200 מגה-וואט. טורבינות הפלטון הקטנות ביותר, לעומת זאת, הן ברוחב של כמה סנטימטרים בלבד וניתן להשתמש בהן כדי להפיק אנרגיה מזרמים שזורמים רק כמה גלונים לדקה. חלק ממערכות האינסטלציה הביתיות משתמשות בגלגלי מים מסוג פלטון לאספקת מים. טורבינות פלטון קטנות אלו מומלצות לשימוש בגבהים של 9.1 מטר (30 רגל) ומעלה כדי לייצר חשמל משמעותי. כיום, בהתאם לזרימת המים ולתכנון, גובה הראש של אתר ההתקנה של טורבינת פלטון רצוי להיות בטווח של 14.9 עד 1,799.8 מטר (49 עד 5,905 רגל), אך אין כיום מגבלה תיאורטית.