ภาพรวมและหลักการออกแบบของกังหันเพลตัน

กังหันเพลตัน (แปลว่า กังหันน้ำเพลตัน หรือ กังหันบูร์แดน ภาษาอังกฤษ: กังหันเพลตัน หรือ กังหันเพลตัน) เป็นกังหันประเภทหนึ่งที่มีลักษณะกระแทก ซึ่งพัฒนาโดยเลสเตอร์ ดับเบิลยู นักประดิษฐ์ชาวอเมริกัน พัฒนาโดยอลัน เพลตัน กังหันเพลตันใช้การไหลของน้ำและกระทบกับกังหันน้ำเพื่อให้ได้พลังงาน ซึ่งแตกต่างจากกังหันน้ำแบบฉีดขึ้นด้านบนแบบดั้งเดิมที่ขับเคลื่อนด้วยน้ำหนักของน้ำเอง ก่อนที่การออกแบบของเพลตันจะถูกตีพิมพ์ มีกังหันแบบกระแทกหลายรุ่น แต่มีประสิทธิภาพน้อยกว่าการออกแบบของเพลตัน หลังจากน้ำออกจากกังหันน้ำแล้ว น้ำมักจะยังคงมีความเร็ว ทำให้สูญเสียพลังงานจลน์ของกังหันน้ำไปมาก เรขาคณิตของใบพัดของเพลตันเป็นแบบที่ใบพัดออกจากใบพัดด้วยความเร็วต่ำมากหลังจากทำงานด้วยความเร็วครึ่งหนึ่งของเจ็ทน้ำ ดังนั้น การออกแบบของเพลตันจึงจับพลังงานการกระทบของน้ำได้เกือบทั้งหมด จึงทำให้

หลังจากที่กระแสน้ำความเร็วสูงที่มีประสิทธิภาพสูงเข้าสู่ท่อแล้ว คอลัมน์น้ำที่แรงจะถูกส่งไปยังใบพัดรูปถังบนล้อที่เคลื่อนที่ผ่านวาล์วเข็มเพื่อขับเคลื่อนล้อที่เคลื่อนที่ ใบพัดนี้เรียกอีกอย่างว่าใบพัดแบบกระแทก ซึ่งจะล้อมรอบขอบของล้อขับเคลื่อน และเรียกรวมกันว่าล้อขับเคลื่อน (ดูรายละเอียดในภาพถ่าย กังหัน Pelton แบบวินเทจ) เมื่อเจ็ทน้ำกระทบใบพัดของพัดลม ทิศทางการไหลของน้ำจะเปลี่ยนไปเนื่องจากรูปร่างของถัง แรงกระแทกของน้ำจะส่งผลต่อถังน้ำและระบบล้อที่เคลื่อนที่ชั่วขณะ และใช้สิ่งนี้ในการหมุนล้อที่เคลื่อนที่ ทิศทางการไหลของน้ำนั้น "ย้อนกลับไม่ได้" และทางออกของการไหลของน้ำจะถูกตั้งไว้ภายนอกถังน้ำ และอัตราการไหลของน้ำจะลดลงเหลือความเร็วต่ำมาก ในระหว่างกระบวนการนี้ โมเมนตัมของเจ็ทของไหลจะถูกถ่ายโอนไปยังล้อที่เคลื่อนที่ และจากที่นั่นไปยังกังหันน้ำ ดังนั้น "แรงกระแทก" จึงสามารถทำงานให้กับกังหันได้ เพื่อเพิ่มกำลังและประสิทธิภาพของการทำงานของกังหันให้สูงสุด ระบบโรเตอร์และกังหันได้รับการออกแบบมาให้เพิ่มความเร็วของของเหลวที่พุ่งไปที่ถังเป็นสองเท่า และพลังงานจลน์เดิมของของเหลวที่พุ่งไปที่ถังจะมีเพียงเล็กน้อยเท่านั้นที่ยังคงอยู่ในน้ำ ซึ่งจะทำให้ถังว่างเปล่าและเติมน้ำด้วยความเร็วเท่ากัน (ดูการอนุรักษ์มวล) ดังนั้นของเหลวที่มีแรงดันสูงจึงสามารถฉีดต่อไปได้โดยไม่มีการหยุดชะงัก ไม่จำเป็นต้องเสียพลังงานไปโดยเปล่าประโยชน์ โดยปกติ ถังสองใบจะติดตั้งเคียงข้างกันบนโรเตอร์ ซึ่งจะทำให้การไหลของน้ำถูกแยกออกเป็นท่อสองท่อที่เท่ากันสำหรับการพ่นน้ำ (ดูรูปภาพ) การกำหนดค่านี้จะช่วยปรับสมดุลแรงด้านข้างที่กระทำกับโรเตอร์และช่วยให้มั่นใจได้ว่าจะไหลได้อย่างราบรื่น ในขณะที่พลังงานจลน์จากของเหลวที่พุ่งไปที่ถังจะถูกถ่ายโอนไปยังโรเตอร์ของกังหันน้ำด้วย

เนื่องจากน้ำและของเหลวส่วนใหญ่นั้นแทบจะไม่สามารถบีบอัดได้ พลังงานที่มีอยู่เกือบทั้งหมดจึงถูกจับไว้ในขั้นตอนแรกหลังจากที่ของเหลวไหลเข้าสู่กังหัน ในทางกลับกัน กังหันเพลตันมีส่วนล้อที่เคลื่อนที่เพียงส่วนเดียว ไม่เหมือนกับกังหันแก๊สที่ทำงานกับของเหลวที่บีบอัดได้

การใช้งานจริง กังหันเพลตันเป็นกังหันประเภทหนึ่งที่ดีที่สุดสำหรับการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำ และเป็นกังหันประเภทที่เหมาะสมที่สุดสำหรับสภาพแวดล้อมเมื่อแหล่งน้ำที่มีอยู่มีความสูงหัวน้ำสูงมากและอัตราการไหลต่ำ มีประสิทธิภาพ ดังนั้นในสภาพแวดล้อมที่มีหัวน้ำสูงและอัตราการไหลต่ำ กังหันเพลตันจึงมีประสิทธิภาพสูงสุด แม้ว่าจะแบ่งออกเป็นสองกระแสน้ำ แต่ในทางทฤษฎีก็ยังคงมีพลังงานเท่ากัน นอกจากนี้ ท่อที่ใช้สำหรับกระแสน้ำฉีดทั้งสองจะต้องมีคุณภาพที่เทียบเคียงได้ โดยกระแสน้ำหนึ่งต้องใช้ท่อยาวบางและอีกกระแสหนึ่งต้องใช้ท่อกว้างสั้น กังหันเพลตันสามารถติดตั้งได้ในพื้นที่ทุกขนาด มีโรงไฟฟ้าพลังน้ำที่มีกังหันเพลตันเพลาแนวตั้งไฮดรอลิกในระดับตันอยู่แล้ว หน่วยติดตั้งที่ใหญ่ที่สุดอาจมีขนาดถึง 200 เมกะวัตต์ ในทางกลับกัน กังหันเพลตันที่เล็กที่สุดมีความกว้างเพียงไม่กี่นิ้วและสามารถใช้เพื่อดึงพลังงานจากลำธารที่ไหลเพียงไม่กี่แกลลอนต่อนาที ระบบประปาในครัวเรือนบางระบบใช้กังหันน้ำแบบเพลตันในการส่งน้ำ กังหันเพลตันขนาดเล็กเหล่านี้แนะนำให้ใช้ที่ความสูงหัว 30 ฟุต (9.1 ม.) ขึ้นไปเพื่อสร้างพลังงานจำนวนมาก ในปัจจุบัน ตามการไหลของน้ำและการออกแบบ ความสูงหัวของจุดติดตั้งกังหันเพลตันควรอยู่ในช่วง 49 ถึง 5,905 ฟุต (14.9 ถึง 1,799.8 เมตร) แต่ปัจจุบันยังไม่มีขีดจำกัดทางทฤษฎี