పునరుత్పాదక మరియు తక్కువ ఖర్చుతో కూడిన లక్షణాల కారణంగా జలవిద్యుత్, ఇంధన పరివర్తనలో ఒక కీలకమైన అంశం.

స్వచ్ఛమైన శక్తి రంగంలో, జలవిద్యుత్ దాని పునరుత్పాదక స్వభావం, తక్కువ ఖర్చు మరియు బలమైన గరిష్ట లోడ్ సమతుల్య సామర్థ్యాల కారణంగా శక్తి పరివర్తనకు ఒక ముఖ్యమైన స్తంభంగా నిలుస్తుంది. త్రీ గోర్జెస్ డ్యామ్ యొక్క భారీ టర్బైన్‌ల నుండి పర్వత ప్రాంతాలలోని చిన్న జలవిద్యుత్ ప్లాంట్‌ల యొక్క సున్నితమైన ప్రవాహం వరకు, టర్బైన్ యొక్క భ్రమణం ఎల్లప్పుడూ “నీటి స్థితిశక్తి → యాంత్రిక శక్తి → విద్యుత్ శక్తి” అనే శక్తి మార్పిడితో కూడి ఉంటుంది. విభిన్న నీటి పీడనం మరియు ప్రవాహ పరిస్థితులలో జలవిద్యుత్ టర్బైన్-జనరేటర్ యూనిట్ యొక్క అద్భుతమైన అనుకూలతలోనే జలవిద్యుత్ యొక్క ప్రధాన ఆకర్షణ ఉంది. ఈ డైనమిక్ ప్రదర్శన నమూనా, రియాక్షన్ టర్బైన్‌లు మరియు ఇంపల్స్ టర్బైన్‌ల వంటి ప్రధాన టర్బైన్ రకాలను ఖచ్చితంగా ప్రతిరూపం చేయడం ద్వారా, టర్బైన్ మరియు నీటి ప్రవాహం మధ్య పరస్పర చర్య యొక్క ప్రత్యేకమైన చాతుర్యాన్ని ప్రదర్శిస్తుంది. (1) రియాక్షన్ టర్బైన్ మోడల్: నీటి ప్రవాహం మరియు బ్లేడ్‌ల మధ్య “ఆలింగనం చేసుకునే” శక్తి మార్పిడి ఫ్రాన్సిస్ టర్బైన్ మోడల్ అత్యంత విస్తృతంగా ఉపయోగించబడే “ఆల్-రౌండర్.” ఈ మోడల్ త్రీ గోర్జెస్ పవర్ స్టేషన్‌లోని 700MW యూనిట్ యొక్క ప్రధాన నిర్మాణాన్ని 1:25 స్కేల్‌లో పునరుత్పత్తి చేస్తుంది. రన్నర్ 30 సెం.మీ వ్యాసం కలిగి ఉంటుంది మరియు రేడియల్‌గా అమర్చబడిన 13 స్ట్రీమ్‌లైన్డ్ బ్లేడ్‌లను (15° ఇన్లెట్ కోణం, 20° అవుట్‌లెట్ కోణం) కలిగి ఉంటుంది; రన్నర్ చుట్టూ సర్దుబాటు చేయగల గైడ్ వేన్‌లు (24 వేన్‌లు, ABS ప్లాస్టిక్ మరియు మెటల్ ఫ్రేమ్ మిశ్రమంతో తయారు చేయబడినవి) ఉంటాయి, ఇవి "గవర్నర్ రింగ్"కు అనుసంధానించబడి ఉంటాయి, ఇది గైడ్ వేన్ ఓపెనింగ్‌ను (0-30°) సర్దుబాటు చేయగలదు. పారదర్శక కేసింగ్ కాస్ట్ యాక్రిలిక్‌తో తయారు చేయబడింది. నీరు (మైక్రో పంప్ ద్వారా నడపబడే సర్క్యులేటింగ్ వాటర్ సిస్టమ్ నుండి) గైడ్ వేన్‌ల ద్వారా మార్గనిర్దేశం చేయబడి, అన్ని వైపుల నుండి కేసింగ్‌లోకి సమానంగా ప్రవహిస్తుంది మరియు 20 మీ/సె అనుకరణ ప్రవాహ వేగంతో రన్నర్ బ్లేడ్‌లను తాకుతుంది, ఇది రన్నర్‌ను తిరిగేలా చేస్తుంది (150 rpm, ఇది అసలు యూనిట్ యొక్క 125 rpmకి అనుగుణంగా ఉంటుంది). ఈ డైనమిక్ ప్రదర్శన యొక్క ప్రధానాంశం "పరిధీయ నీటి ప్రవేశం" యొక్క శక్తి మార్పిడిలో ఉంది: గైడ్ వేన్ ఓపెనింగ్‌ను 20°కి సర్దుబాటు చేసినప్పుడు, ఫ్లో మీటర్ "సిమ్యులేటెడ్ ఫ్లో రేట్ 5L/s" అని చూపిస్తుంది, స్పీడ్ మీటర్ 150 rpm వద్ద స్థిరపడుతుంది మరియు జనరేటర్ మోడల్ 220V అవుట్‌పుట్‌ను ఇస్తుంది. "వరద కాలంలో పెరిగిన ప్రవాహాన్ని" (గైడ్ వేన్ పూర్తిగా తెరిచి) అనుకరించినప్పుడు, టర్బైన్ వేగం 180 rpmకి పెరుగుతుంది మరియు వోల్టేజ్ 240Vకి పెరుగుతుంది. అదే సమయంలో స్క్రీన్ "ఫ్రాన్సిస్ టర్బైన్‌లు 50-700 మీటర్ల వాటర్ హెడ్‌లకు అనుకూలంగా ఉంటాయి మరియు 95% సామర్థ్యాన్ని సాధించగలవు" అని ప్రదర్శిస్తుంది. ఈ డిజైన్ "బ్లేడ్‌లకు ఇరువైపులా ఉన్న పీడన వ్యత్యాసం టర్బైన్‌ను నడపడం" అనే ప్రతిచర్య సూత్రాన్ని స్పష్టంగా అర్థమయ్యేలా చేస్తుంది, అధిక వాటర్ హెడ్ మరియు పెద్ద ఫ్లో రేట్ల కోసం ఫ్రాన్సిస్ టర్బైన్‌లు ఎందుకు ప్రాధాన్యత ఎంపికగా ఉన్నాయో ఇది సంపూర్ణంగా వివరిస్తుంది. యాక్సియల్ ఫ్లో టర్బైన్ మోడల్, తక్కువ వాటర్ హెడ్‌ల కోసం "యాక్సియల్ వాటర్ ఇన్‌టేక్" యొక్క ప్రయోజనాలను ప్రదర్శిస్తుంది, ఇందులో స్థిరమైన మరియు సర్దుబాటు చేయగల బ్లేడ్ రకాలు రెండూ ఉంటాయి. సర్దుబాటు చేయగల బ్లేడ్ మోడల్‌లో 40 సెం.మీ వ్యాసం గల రోటర్ ఉంటుంది, దీనికి 6 బ్లేడ్‌లు అమర్చబడి ఉంటాయి. ఇవి నీటి ప్రవాహ పరిస్థితులకు అనుగుణంగా (మైక్రో సర్వో మోటార్ ద్వారా నియంత్రించబడి) తిరుగుతాయి. దీని బ్లేడ్ కోణాన్ని -10° నుండి +15° వరకు సర్దుబాటు చేయవచ్చు. గైడ్ వేన్ మరియు రోటర్ ఏకకేంద్రకంగా అమర్చబడి ఉంటాయి, నీరు అక్షీయంగా రోటర్‌లోకి ప్రవహిస్తుంది. నీటి ఒత్తిడి మరియు వాటి స్వంత భ్రమణం యొక్క సంయుక్త ప్రభావంతో బ్లేడ్‌లు తిరుగుతాయి. ఈ మోడల్ యొక్క "వాటర్ హెడ్ సర్దుబాటు" ఇంటరాక్టివ్ ఫీచర్ ప్రత్యేకమైనది: ప్రేక్షకులు "తక్కువ వాటర్ హెడ్ 3-5 మీ" (ఉదాహరణకు, మైదానంలోని నది) ఎంచుకున్నప్పుడు, బ్లేడ్ కోణం +15°కి సర్దుబాటు చేయబడుతుంది (నీటితో తాకే ప్రాంతం పెరుగుతుంది), గైడ్ వేన్ ఓపెనింగ్ 30°గా ఉంటుంది మరియు రోటర్ వేగం 60 rpm ఉంటుంది; "మధ్యస్థ వాటర్ హెడ్ 10-30 మీ"కి మారినప్పుడు, బ్లేడ్ కోణం 0°కి సర్దుబాటు చేయబడుతుంది, వేగం 100 rpmకి పెరుగుతుంది మరియు స్క్రీన్‌పై "యాక్సియల్ ఫ్లో టర్బైన్‌లు అధిక ప్రవాహ రేట్లు మరియు తక్కువ వాటర్ హెడ్‌ల వద్ద 92% సామర్థ్యాన్ని సాధించగలవు" అని ప్రదర్శించబడుతుంది. సర్దుబాటు చేయగల పిచ్ మరియు స్థిర-పిచ్ టర్బైన్‌ల తులనాత్మక ప్రదర్శనకు ఎక్కువ విద్యా విలువ ఉంది: ఒకే ప్రవాహ రేటు వద్ద, సర్దుబాటు చేయగల పిచ్ టర్బైన్, బ్లేడ్ కోణాన్ని సర్దుబాటు చేయడం ద్వారా, స్థిర-పిచ్ టర్బైన్ కంటే 8-10% ఎక్కువ సామర్థ్యాన్ని సాధిస్తుంది (సామర్థ్య వక్రరేఖ తెరపై నిజ సమయంలో ప్రదర్శించబడుతుంది), ఇది "సర్దుబాటు చేయగల పిచ్ టర్బైన్‌లు విస్తృత శ్రేణి ప్రవాహ రేట్లకు అనుగుణంగా మారగలగడం" అనే సాంకేతిక ప్రయోజనాన్ని స్పష్టంగా వివరిస్తుంది. నీటిపారుదల ప్రాంతాలలో చిన్న జలవిద్యుత్ గురించి బోధించడంలో ఈ పోలిక చాలా ముఖ్యమైనది, "గ్రామీణ చిన్న జలవిద్యుత్ ప్రాజెక్టులలో యాక్సియల్-ఫ్లో టర్బైన్‌లను తరచుగా ఎందుకు ఉపయోగిస్తారో" విద్యార్థులు అర్థం చేసుకోవడానికి ఇది సహాయపడుతుంది. వాలుగా ఉండే-ప్రవాహ టర్బైన్ నమూనా "హెడ్ అడాప్టేషన్‌లో ఒక మాస్టర్," దీని రన్నర్ బ్లేడ్ అక్షం ప్రధాన షాఫ్ట్‌కు 45° కోణంలో ఉంటుంది (మిశ్రమ-ప్రవాహ మరియు యాక్సియల్-ఫ్లో టర్బైన్‌ల మధ్య). ఈ నమూనా యొక్క బ్లేడ్‌లను ఏకకాలంలో (-5° నుండి +25° వరకు) సర్దుబాటు చేయవచ్చు, గైడ్ వేన్‌లు మరియు రన్నర్ కలిసి సర్దుబాటు అవుతాయి. సిమ్యులేటెడ్ హెడ్ 40 మీటర్ల నుండి 120 మీటర్లకు పెరిగినప్పుడు, బ్లేడ్ కోణం స్వయంచాలకంగా +25° నుండి -5°కి సర్దుబాటు అవుతూ, 120 rpm స్థిరమైన రన్నర్ వేగాన్ని కొనసాగిస్తుంది. ఇది "మూడు రెట్ల హెడ్ వైవిధ్యంలో అధిక సామర్థ్యం" అనే లక్షణాన్ని ప్రదర్శిస్తుంది. పారదర్శక కేసింగ్ ప్రత్యేకమైన ప్రవాహ మార్గాన్ని స్పష్టంగా గమనించడానికి వీలు కల్పిస్తుంది మరియు స్క్రీన్‌పై కనిపించే సామర్థ్యపు కాంటూర్ మ్యాప్, "మిశ్రమ-ప్రవాహ మరియు అక్షసంబంధ-ప్రవాహ టర్బైన్‌ల మధ్య దాని అనుకూలతను" అర్థం చేసుకోవడానికి వీక్షకులకు సహాయపడుతుంది.

(2) ఇంపల్స్ టర్బైన్ మోడల్: నీటి ప్రవాహం మరియు బ్లేడ్‌ల “ఘర్షణ-రకం” శక్తి విడుదల
పెల్టన్ టర్బైన్ మోడల్, అధిక-హెడ్ అనువర్తనాలకు "పవర్ ఛాంపియన్"గా నిలుస్తుంది, ఇది స్విట్జర్లాండ్‌లోని లియోన్‌హార్డ్ పవర్ స్టేషన్ యొక్క క్లాసిక్ డిజైన్‌ను పునఃసృష్టిస్తుంది. 12 కప్పు ఆకారపు బకెట్లు (ప్రతి ఒక్కటి 50mL సామర్థ్యంతో, క్రోమ్ పూత పూసిన ఇత్తడితో తయారు చేయబడినవి) రన్నర్ (25cm వ్యాసం) చుట్టూ సమానంగా పంపిణీ చేయబడ్డాయి; "నాజిల్" (0.5cm వ్యాసం) 360° తిరుగుతుంది. అధిక-పీడన నీరు (500-1000 మీటర్ల హెడ్‌ను అనుకరించే ప్లంజర్ పంప్ ద్వారా అందించబడుతుంది) అధిక-వేగపు జెట్‌ను (50m/s) ఏర్పరుస్తుంది, ఇది బకెట్ల "స్ప్లిటర్"ను ఖచ్చితంగా తాకి, నీటి గతి శక్తిని తిరిగే రన్నర్ యొక్క యాంత్రిక శక్తిగా మారుస్తుంది. ఈ డైనమిక్ ప్రదర్శన యొక్క ముఖ్యాంశం "జెట్ ఇంపాక్ట్" ద్వారా జరిగే శక్తి బదిలీ: ఒకే నాజిల్‌ను యాక్టివేట్ చేసినప్పుడు, టర్బైన్ వీల్‌ను తాకే నీటి జెట్ ఒక గుర్తించదగిన "రియాక్షన్ ఫోర్స్" (రోటర్ యొక్క తక్షణ త్వరణం)ను ఉత్పత్తి చేస్తుంది, ఇది నిమిషానికి 300 సార్లు (rpm) తిరుగుతూ, 500W సిమ్యులేటెడ్ జనరేటర్ అవుట్‌పుట్ పవర్‌ను అందిస్తుంది. రెండు నాజిల్‌లను (సమరూపంగా అమర్చినప్పుడు), వేగం నిమిషానికి 580 సార్లు (rpm) మరియు పవర్ 980Wకు పెరుగుతుంది. "అధిక నీటి మట్టం (వాటర్ హెడ్) వద్ద ఈ రకమైన టర్బైన్ సామర్థ్యం 90% వరకు చేరుకోగలదు, మరియు నీరు కేసింగ్‌లోకి ప్రవేశించదు, అందువల్ల ఇది అధిక అవక్షేపాలు ఉన్న నీటికి అనుకూలంగా ఉంటుంది" అని స్క్రీన్ ప్రదర్శిస్తుంది. "గతిజ శక్తి బదిలీ నీటి పీడనంపై ఆధారపడదు, కేవలం అధిక వేగంతో ప్రవహించే నీటి తాకిడిపై మాత్రమే ఆధారపడి ఉంటుంది" అనే సూత్రాన్ని ఈ డిజైన్ స్పష్టంగా వివరిస్తుంది. ఇది "100 మీటర్ల కంటే ఎక్కువ హెడ్ ఉన్న పర్వత ప్రాంత జలవిద్యుత్ ప్లాంట్‌లకు" ఎందుకు అనుకూలంగా ఉంటుందో సంపూర్ణంగా తెలియజేస్తుంది. వాలుగా తాకే టర్బైన్ నమూనా "వాలుగా ఉండే జెట్ తాకిడి" యొక్క అనువైన అనుకూలతను ప్రదర్శిస్తుంది. ఇందులో నాజిల్ టర్బైన్ చక్రం తలానికి 22.5° కోణంలో అమర్చబడి ఉంటుంది, మరియు నీరు గరిటె ఆకారపు బ్లేడ్లను (18 బ్లేడ్లు) వాలుగా తాకుతుంది. ఇంటరాక్టివ్ ఫీచర్ ద్వారా, వీక్షకులు నాజిల్ కోణాన్ని సర్దుబాటు చేసుకుని, రోటర్ వేగంలో మార్పును గమనించవచ్చు—కోణం 22.5° నుండి మారినప్పుడు వేగం 10-15% తగ్గుతుంది, ఇది సామర్థ్యంపై కోణ కచ్చితత్వం యొక్క ప్రభావాన్ని వివరిస్తుంది. ఈ రకమైన నమూనా తరచుగా "పర్వత ప్రాంతాలలో చిన్న తరహా జలవిద్యుత్"ను వివరించడానికి ఉపయోగించబడుతుంది, ఇది "20-300 మీటర్ల హెడ్ మరియు తక్కువ ప్రవాహ రేట్లు కలిగిన వికేంద్రీకృత శక్తి వ్యవస్థలకు" అనుకూలంగా ఉంటుంది. డబుల్-ఇంపాక్ట్ టర్బైన్ నమూనా "నీరు బ్లేడ్లను రెండుసార్లు తాకడం" ద్వారా శక్తి వినియోగాన్ని గరిష్ఠం చేస్తుంది. టర్బైన్ చక్రానికి రెండు పొరల బ్లేడ్లు ఉంటాయి; మొదటి తాకిడి తర్వాత, నీరు చక్రం గుండా ప్రవహించి కింది పొరను తాకుతుంది. పారదర్శకమైన చక్రం వీక్షకులకు "డబుల్-ఇంపాక్ట్" మార్గాన్ని చూసేందుకు వీలు కల్పిస్తుంది. "డబుల్-ఇంపాక్ట్ డిజైన్ యొక్క సామర్థ్యం కొద్దిగా తక్కువగా (75-85%) ఉన్నప్పటికీ, దాని సరళమైన నిర్మాణం మరియు తక్కువ ఖర్చు దానిని గ్రామీణ సూక్ష్మ-జలవిద్యుత్ కోసం అనుకూలంగా చేస్తాయి" అని స్క్రీన్ ప్రదర్శిస్తుంది. ఈ డిజైన్ "సరళమైన డిజైన్లలో శక్తి వినియోగం యొక్క వివేకాన్ని" సులభంగా స్పష్టం చేస్తుంది. (3) ప్రత్యేక రకాల హైడ్రో టర్బైన్ నమూనాలు: తీవ్రమైన పరిస్థితుల కోసం వినూత్న డిజైన్లు
బల్బ్ టర్బైన్ నమూనా అనేది తక్కువ హెడ్ ఉన్న జలవిద్యుత్ ప్లాంట్ల కోసం ఒక "ఫ్లాట్-ప్రొఫైల్" పరిష్కారం. ఇది "బల్బ్ ఆకారపు" నిర్మాణాన్ని కలిగి ఉంటుంది—జనరేటర్ నీటి ప్రవాహ మార్గంలో ఒక బల్బ్ ఆకారపు కేసింగ్‌లో అమర్చబడి ఉంటుంది, మరియు టర్బైన్ రోటర్ నేరుగా జనరేటర్ షాఫ్ట్‌కు అనుసంధానించబడి ఉంటుంది (స్పైరల్ కేసింగ్ ఉండదు). నీరు ఈ యూనిట్ గుండా అక్షీయంగా ప్రవహిస్తుంది. 2-8 మీటర్ల అనుకరణ హెడ్ ఎత్తుల కోసం (ఉదాహరణకు, టైడల్ పవర్ ప్లాంట్లు), రోటర్ (40 సెం.మీ వ్యాసం, 8 వంగిన బ్లేడ్లు) నిమిషానికి 80 సార్లు (rpm) తిరుగుతుంది. "బల్బ్ టర్బైన్లు 88% వరకు సామర్థ్యాన్ని సాధించగలవు, నదీగర్భ విద్యుత్ ప్లాంట్లకు అనువైనవి, మరియు తక్కువ సివిల్ ఇంజనీరింగ్ ఖర్చులను కలిగి ఉంటాయి" అని స్క్రీన్ ప్రదర్శిస్తుంది. పారదర్శక కేసింగ్ "నేరుగా ప్రవహించే నీటి ప్రవాహం" లక్షణాన్ని స్పష్టంగా చూపిస్తుంది, ఇది టైడల్ మరియు నీటిపారుదల కాలువల వంటి తక్కువ హెడ్ అనువర్తనాలలో దీని విస్తృత వినియోగాన్ని వివరిస్తుంది. టైడల్ టర్బైన్ నమూనా ద్విదిశాత్మక విద్యుత్ ఉత్పత్తిని ప్రదర్శిస్తుంది. దీని రోటర్ బ్లేడ్‌లు సమరూప “S-ఆకారపు” డిజైన్‌ను కలిగి ఉంటాయి, దీనివల్ల నీరు ఎడమ నుండి కుడికి ప్రవహించినా లేదా కుడి నుండి ఎడమకు ప్రవహించినా రోటర్ తిరుగుతుంది (60 rpm). ఈ మోడల్ ఒక “టైడల్ సిమ్యులేషన్ ట్యాంక్”కు అనుసంధానించబడింది. ఇది నీటి మట్టాలు పెరగడం, తగ్గడం ఉపయోగించి ముందుకు వెనుకకు కదిలే ప్రవాహాన్ని సృష్టిస్తుంది. ఇది “అధిక పోటు సమయంలో విద్యుత్ ఉత్పత్తి → తక్కువ పోటు సమయంలో విద్యుత్ ఉత్పత్తి → నిశ్చల పోటు సమయంలో నిలిపివేత” అనే చక్రాన్ని ప్రదర్శిస్తుంది. తెరపై “టైడల్ టర్బైన్‌లు చంద్రుని గురుత్వాకర్షణను ఉపయోగించుకుంటాయి, పునరుత్పాదకమైనవి మరియు అత్యంత ఊహించదగినవి” అని ప్రదర్శించబడుతుంది. ఈ డిజైన్ “స్వచ్ఛమైన శక్తి మరియు సహజ లయల” మధ్య ఉన్న సమన్వయాన్ని దృశ్యమానంగా స్పష్టం చేస్తుంది.