ภาพรวมและหลักการออกแบบของกังหันเพลตัน

กังหันน้ำเพลตัน (หรือแปลเป็นภาษาอังกฤษว่า Pelton wheel หรือ Pelton Turbine) เป็นกังหันน้ำแบบกระแทกชนิดหนึ่ง ซึ่งพัฒนาโดยเลสเตอร์ ดับเบิลยู. อลัน เพลตัน นักประดิษฐ์ชาวอเมริกัน กังหันน้ำเพลตันใช้กระแสน้ำไหลและกระแทกกับกังหันน้ำเพื่อผลิตพลังงาน ซึ่งแตกต่างจากกังหันน้ำแบบดั้งเดิมที่ขับเคลื่อนด้วยน้ำหนักของน้ำเอง ก่อนที่การออกแบบของเพลตันจะได้รับการตีพิมพ์ มีกังหันน้ำแบบกระแทกหลายแบบอยู่แล้ว แต่มีประสิทธิภาพน้อยกว่าการออกแบบของเพลตัน หลังจากที่น้ำออกจากกังหันน้ำแล้ว น้ำมักจะยังคงมีความเร็วอยู่ ทำให้สูญเสียพลังงานจลน์ของกังหันน้ำไปมาก การออกแบบของเพลตันมีรูปทรงใบพัดที่ทำให้ใบพัดออกจากกังหันด้วยความเร็วต่ำมากหลังจากวิ่งด้วยความเร็วครึ่งหนึ่งของความเร็วของน้ำ ดังนั้น การออกแบบของเพลตันจึงสามารถดักจับพลังงานจากการกระแทกของน้ำได้เกือบทั้งหมด ทำให้กังหันน้ำมีประสิทธิภาพสูง

หลังจากที่กระแสน้ำความเร็วสูงและมีประสิทธิภาพสูงไหลเข้าสู่ท่อแล้ว กระแสน้ำที่แรงจะถูกส่งไปยังใบพัดรูปถังบนล้อหมุนผ่านวาล์วเข็มเพื่อขับเคลื่อนล้อหมุน ใบพัดเหล่านี้เรียกอีกอย่างว่าใบพัดกระทบ ซึ่งล้อมรอบขอบของล้อขับเคลื่อน และเรียกรวมกันว่าล้อขับเคลื่อน (ดูรูปภาพสำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม กังหันน้ำเพลตันแบบวินเทจ) เมื่อกระแสน้ำกระทบกับใบพัด ทิศทางการไหลของน้ำจะเปลี่ยนไปเนื่องจากรูปทรงของถัง แรงกระแทกของน้ำจะสร้างโมเมนต์ให้กับระบบถังน้ำและล้อหมุน และใช้โมเมนต์นี้ในการหมุนล้อหมุน ทิศทางการไหลของน้ำนั้น "ไม่สามารถย้อนกลับได้" และทางออกของน้ำจะอยู่นอกถังน้ำ ทำให้ความเร็วการไหลของน้ำลดลงอย่างมาก ในระหว่างกระบวนการนี้ โมเมนตัมของกระแสน้ำจะถูกถ่ายโอนไปยังล้อหมุน และจากนั้นไปยังกังหันน้ำ ดังนั้น "แรงกระแทก" จึงสามารถทำงานให้กับกังหันได้จริง เพื่อเพิ่มกำลังและประสิทธิภาพการทำงานของกังหันให้สูงสุด ระบบใบพัดและกังหันได้รับการออกแบบให้เพิ่มความเร็วของเจ็ทของเหลวเป็นสองเท่าไปยังใบพัด และพลังงานจลน์ดั้งเดิมของเจ็ทของเหลวเพียงเล็กน้อยเท่านั้นที่จะยังคงอยู่ในน้ำ ซึ่งทำให้ใบพัดว่างและเต็มด้วยความเร็วเท่ากัน (ดูหลักการอนุรักษ์มวล) เพื่อให้ของเหลวแรงดันสูงสามารถถูกฉีดเข้าไปได้อย่างต่อเนื่องโดยไม่หยุดชะงัก ไม่จำเป็นต้องสูญเสียพลังงาน โดยปกติแล้ว จะติดตั้งใบพัดสองใบเคียงข้างกันบนใบพัด ซึ่งจะช่วยให้การไหลของน้ำถูกแบ่งออกเป็นสองท่อเท่าๆ กันสำหรับการพ่น (ดูภาพ) การกำหนดค่านี้จะช่วยปรับสมดุลแรงด้านข้างบนใบพัดและช่วยให้มั่นใจถึงความราบรื่น ในขณะที่พลังงานจลน์จากเจ็ทของเหลวก็ถูกถ่ายโอนไปยังใบพัดของกังหันพลังน้ำด้วย

เนื่องจากน้ำและของเหลวส่วนใหญ่แทบจะไม่สามารถบีอัดได้ พลังงานที่มีอยู่เกือบทั้งหมดจึงถูกดักจับในขั้นตอนแรกหลังจากที่ของเหลวไหลเข้าสู่กังหัน ในทางกลับกัน กังหันเพลตันมีส่วนล้อเคลื่อนที่เพียงส่วนเดียว ซึ่งแตกต่างจากกังหันก๊าซที่ทำงานด้วยของเหลวที่สามารถบีอัดได้

การประยุกต์ใช้งานจริง กังหันน้ำเพลตันเป็นหนึ่งในประเภทกังหันที่ดีที่สุดสำหรับการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำ และเป็นประเภทกังหันที่เหมาะสมที่สุดสำหรับสภาพแวดล้อมที่มีแหล่งน้ำที่มีระดับความสูงของน้ำสูงมากและอัตราการไหลต่ำ ดังนั้น ในสภาพแวดล้อมที่มีระดับความสูงของน้ำสูงและอัตราการไหลต่ำ กังหันน้ำเพลตันจึงมีประสิทธิภาพมากที่สุด แม้ว่าจะแบ่งออกเป็นสองสายน้ำ ก็ยังคงมีพลังงานเท่ากันในทางทฤษฎี นอกจากนี้ ท่อที่ใช้สำหรับสายน้ำทั้งสองต้องมีคุณภาพเทียบเท่ากัน โดยท่อหนึ่งต้องเป็นท่อยาวและแคบ และอีกท่อหนึ่งต้องเป็นท่อสั้นและกว้าง กังหันน้ำเพลตันสามารถติดตั้งได้ในสถานที่ทุกขนาด ปัจจุบันมีโรงไฟฟ้าพลังน้ำที่ใช้กังหันน้ำเพลตันแบบเพลาแนวตั้งไฮดรอลิกในระดับตันแล้ว หน่วยติดตั้งที่ใหญ่ที่สุดสามารถมีกำลังการผลิตได้ถึง 200 เมกะวัตต์ ในทางกลับกัน กังหันน้ำเพลตันที่เล็กที่สุดมีขนาดกว้างเพียงไม่กี่นิ้วและสามารถใช้ดึงพลังงานจากสายน้ำที่ไหลเพียงไม่กี่แกลลอนต่อนาทีได้ ระบบประปาในครัวเรือนบางระบบใช้กังหันน้ำแบบเพลตันในการส่งน้ำ แนะนำให้ใช้กังหันน้ำเพลตันขนาดเล็กเหล่านี้ในพื้นที่ที่มีความสูงของหัวน้ำ 30 ฟุต (9.1 เมตร) ขึ้นไป เพื่อผลิตพลังงานได้ในปริมาณมาก ในปัจจุบัน ความสูงของหัวน้ำที่เหมาะสมในการติดตั้งกังหันน้ำเพลตันนั้น ขึ้นอยู่กับการไหลของน้ำและการออกแบบ โดยอยู่ในช่วง 49 ถึง 5,905 ฟุต (14.9 ถึง 1,799.8 เมตร) แต่ยังไม่มีข้อจำกัดทางทฤษฎีในขณะนี้