توربينات كابلان: التشغيل والخصائص والتطبيقات في الطاقة الهيدروليكية

لتوليد الطاقة الهيدروليكيةفمن الضروري الاستفادة من حركة كميات كبيرة من المياه عبر الشلال، مما يسمح للتوربين بالحركة. واحدة من التوربينات الأكثر استخداما في توليد الطاقة الكهرومائية هي توربينات كابلان. ويستخدم هذا النوع من التوربينات في الشلالات الصغيرة التي يصل ارتفاعها إلى عشرات الأمتار حيث يكون الجريان مرتفعا.

في هذه المقالة سوف نقوم بالتفصيل مما يتكون توربين كابلان وخصائصه الرئيسية وكيفية استخدامه في توليد الطاقة الهيدروليكية.

ما هو توربين كابلان

La توربينات كابلان هو نوع من التوربينات النفاثة الهيدروليكية، مصمم للعمل في بيئات ذات تدرجات صغيرة، من بضعة أمتار إلى بضع عشرات. كما يتطلب تدفقات كبيرة، بين 200 و300 متر مكعب في الثانيةمما يجعلها توربينة ذات كفاءة عالية في توليد الطاقة الهيدروليكية، وهي مصدر للطاقة المتجددة.

اخترعه البروفيسور النمساوي فيكتور كابلان عام 1913وهيكلها المبتكر يجعلها مناسبة بشكل خاص للحالات التي يكون فيها تدفق المياه متغيرًا. إحدى الميزات الرئيسية لهذا التوربين هي أنه يمكن توجيه شفراته وفقًا لاتجاه التدفق، مما يحسن أدائه حتى عندما يكون معدل التدفق 20-30% فقط من التدفق الاسمي.

ميزة إضافية للعديد من توربينات كابلان هي أنها جزء من أنظمة توليد الطاقة التي تتضمن أجزاء ساكنة ثابتة، والتي تعمل على تحسين تدفق المياه التي تغذي التوربين، وبالتالي تحسين قدرة توليد الكهرباء. كفاءة توربينات كابلان يمكن أن يظل مرتفعًا على نطاق واسع من معدلات التدفق، مما يجعله عنصرًا أساسيًا في العديد من محطات الطاقة الكهرومائية.

مبدأ التشغيل

مبدأ تشغيل توربين كابلان بسيط ولكنه فعال. يصل الماء إلى التوربين من خلال قناة حلزونية الشكل، مما يسمح بتغذية التوربين في جميع أنحاء محيطه. ثم يمر الماء عبر موزع، مما يمنح التدفق حركة دورانية ضرورية لتشغيل التوربين.

بمجرد دخول الماء إلى التوربين، فإنه يسبب بدوره المكره، تحويل تدفق المياه بزاوية 90 درجة ثم عكسها محوريا. يتيح هذا الإجراء للتوربين الاستفادة من الطاقة الحركية للمياه لزيادة كفاءتها في توليد الطاقة.

La توربينات كابلان تتمتع بالقدرة على استعادة جزء من الطاقة بفضل الناشر الموجود في نظام العادم الخاص بها، وهو أمر غير شائع في جميع التوربينات الهيدروليكية. يساهم هذا الناشر في تحسين أداء التوربين في التطبيقات التي لا يكون فيها ضغط الماء مرتفعًا، كما هو الحال في الشلالات الصغيرة.

الميزات والفوائد الرئيسية

من أهم مميزات توربين كابلان هو قدرته على ضبط الشفرات حسب اتجاه تدفق المياه. وهذا يسمح للتوربين بالحفاظ على كفاءة عالية في ظل مجموعة متنوعة من ظروف التدفق والضغط.

على عكس التوربينات التقليدية، مثل توربينات المروحة، تحتوي كابلان على منظمات تدفق يمكنها ضبط كل من شفرات المكره وزاوية شفرات الموزع. وهذا يجعلها واحدة من أكثر التوربينات تنوعًا في السوق، وقادرة على العمل تدفق واسع ونطاقات الرأس، وبكفاءة تصل إلى 90%.

يشمل نطاق تشغيل توربين كابلان أقصى رؤوس تبلغ حوالي 80 متر عالية ومعدلات تدفق تصل إلى 50 متر مكعب في الثانية. على الرغم من أنها تشترك في بعض الجوانب مع توربينات فرانسيس، إلا أن كابلان فعالة بشكل خاص في ظروف معدلات تدفق عالية ورؤوس منخفضة تتدلى، حيث ستفقد التوربينات الأخرى كفاءتها.

كيف تعمل التوربينات في الطاقة الكهرومائية

في محطة الطاقة الكهرومائية، يعد تنظيم جهد الخرج أمرًا ضروريًا لضمان إمداد ثابت بالكهرباء. وهذا يعني أن سرعة التوربين يجب أن تظل ثابتة حتى عندما تختلف ظروف تدفق المياه. وقد تم تصميم توربينات كابلان للتكيف مع هذه التغييرات، والحفاظ على تدفق المياه ثابتًا بفضل أنظمة التحكم المتقدمة.

تمتلك توربينات الطاقة الكهرومائية، سواء كانت كابلان أو فرانسيس أو بيلتون، أنظمة تحكم مختلفة لضمان بقائها مستقرة عند مواجهة التغيرات في ضغط المياه. على وجه الخصوص، توربينات كابلان لديها عادة تجاوز الفوهات، والتي تعمل على إعادة توجيه المياه الزائدة بكفاءة لمنع الأضرار الناجمة عن ما يعرف بالمطرقة المائية، وهي زيادة مفاجئة في الضغط يمكن أن تلحق أضرارًا بالغة بالمرافق.

تصنف التوربينات الهيدروليكية حسب نوع الشلال والتدفق الذي تتعامل معه:

• القفزات الكبيرة مع التدفقات الصغيرة: يتم استخدام توربينات بيلتون.
• القفزات المتوسطة مع تدفق أكبر: تستخدم توربينات فرانسيس.
• القفزات الصغيرة ذات التدفقات الكبيرة: يتم استخدام توربينات كابلان والمروحة.

يتم تنظيم كمية المياه التي تمر عبر التوربين وفقًا للطلب الكهربائي الحالي. ويتم توجيه المياه المتبقية من خلال قنوات التصريف لتجنب أي خسارة في النظام. في منشآت الطاقة الكهرومائية الحديثة، تضمن أنظمة التحكم الاستخدام الأمثل للتدفق المتاح، مما يساعد في الحفاظ على إنتاج الطاقة بكفاءة ومستدام.

تتناول هذه المقالة بالتفصيل تشغيل ومزايا وخصائص توربينات كابلان، وهي إحدى التقنيات الأكثر تقدمًا وكفاءة لاستخدام الطاقة الهيدروليكية. ونظرًا لأدائها العالي وتعدد استخداماتها، فهي أحد الخيارات الأكثر استخدامًا في قطاع توليد الطاقة المعتمد على الماء.