در این مقاله در مورد توربین جریان متقاطع که یک نوع توربین معروف از دسته توربین های ضربه ای است و همچنین اصل کار توربین جریان متقاطع و اجزای آن با کمک نمودار توضیح داده شده است. بنابراین، توربین های جریان متقاطع، توربین های آبی ویژه ای هستند که برای پروژه های کوچک برق آبی با دبی بالا طراحی شده اند. این توربین یک توربین با هد پایین است که آنتونی میشل آن را در سال 1903 اختراع کرد.
برق آبی به دلیل حفاظت از محیط زیست یکی از منابع ایده آل انرژی است. در چند سال اخیر تحقیقات بیشتری در زمینه نیروگاه آبی کوچک انجام شده است. انواع مختلف مینی توربین های آبی برق آبی شامل توربین های پروانه ای، توربین های محوری و توربین های شعاعی است.
راندمان توربین آب با جریان متقاطع به پارامترها یا عوامل طراحی مختلف بستگی دارد. این عوامل شامل طول پروانه، قطر پروانه، شعاع خمش تیغه، توان توربین، سرعت پروانه، تعداد بشقابک، گام بشقابک ها، زاویه حمله، زاویه انحراف و زاویه بشقابک می باشد. توربین با جریان متقاطع یک توربین با جریان بالا و هد پایین است. بنابراین یک توربین کم سرعت خاص است. نمودار زیر توربین جریان متقاطع را نشان می دهد.
توربین کاپلان یک توربین با هد پایین است که یک خروجی و ورودی محوری است. توربین جریان متقاطع نیز یک توربین با هد پایین با خروجی و ورودی شعاعی است. در حال حاضر، توربین آب جریان متقاطع به دلیل طراحی ساده و سهولت ساخت در محل در مکان‌هایی با هد و دبی کم، بیش از پیش محبوب است.
طرزکار توربین جریان متقاطع
اصل کار توربین جریان متقاطع بسیار ساده است.
توربین جریان متقاطع دارای یک روتور درام شکل با دیسک های ثابت در دو انتها است و بشقابک ها دو دیسک را به هم متصل می کنند. آب از راهنمای ورودی به روتور هدایت می شود. راهنمای ورودی اولین بار آب را تحت فشار به روتور هدایت می کند و نیروی ضربه را در داخل درام منتقل می کند. پس از این فرآیند، آب از روتور عبور کرده و با فشار محیط از توربین خارج می شود.
سپس توربین جریان متقاطع فشار آب را تغییر داده و آن را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند. این اثر افت فشار را به مقدار بسیار کمی در سراسر بشقابک کاهش می دهد و راندمان را بهبود می بخشد. بیشتر بخش انرژی از بشقابک های بالایی (حدود 75٪) و 25٪ باقی مانده از بشقابک های پایینی گرفته می شود.
تکانه زاویه ایِ آبی که از میان بشقابک های روتور توربین جریان می یابد، انرژی جنبشی آب را به گشتاور شفت خروجی تبدیل می کند که با آن ژنراتور را می توان در یک سیستم برق آبی کوچک به کار انداخت. توربین آب با جریان متقاطع، سیم پیچ ژنراتور را به بار الکتریکی متصل می کند. بسته به ساختمان، ژنراتور برق یک ساختمان یا یک منطقه صنعتی را تامین می کند.
اجزای توربین جریان متقاطع
اجزای توربین جریان متقاطع در زیر آورده شده است.
1. رانر: رانر از مهم ترین اجزای توربین جریان متقاطع می باشد. از دو دیسک موازی تشکیل شده است که در آن از چندین بشقابک منحنی برای اتصال آنها استفاده شده است. پروانه یک مقطع دایره ای مقعر است که هر دو سر بشقابک های منحنی را نگه می دارد.
2. نازل: نازل جز جدایی ناپذیر توربین است و می تواند جریان آب با سرعت بالا ایجاد کند. جت آب به بشقابک های پروانه برخورد می کند و انرژی پتانسیل را به انرژی جنبشی تبدیل می کند. نازل همچنین از مهمترین اجزای توربین جریان متقاطع می باشد.
3. بشقابک ها: لبه های بشقابک ها تیز هستند تا مقاومت جریان آب را کاهش دهند. سطح مقطع فلز بشقابک دایره ای است. انتهای تیغه به دیسک جوش داده می شود تا قفسی شبیه قفس همستر بسازد. گاهی اوقات از آن به عنوان “توربین قفس سنجابی” یاد می شود.
4. محفظه توربین: محفظه توربین جریان متقاطع از پاشش آب به قسمت بیرونی جلوگیری می کند.
مزایا و معایب توربین جریان متقاطع
مزایا
1. قیمت بسیار پایینی دارد
2. این توربین ها تنظیم خوبی دارند
3. نیازی به نگهداری زیادی ندارد
4. توربین جریان متقاطع در مقایسه با انواع دیگر قابل اعتمادتر است
5. زمانی که آب دو بار از پروانه عبور کند راندمان بالاست
6. عمدتا در نیروگاه های برق آبی کوچک استفاده می شوند
7. آلاینده ها و ضایعات کوچک را هنگام خروج آب از پروانه تخلیه می کند
8. خروجی توان تسمه می تواند از هر دو طرف توربین آب با جریان متقاطع تامین شود
معایب
1. مشکلات خود راه اندازی
2. ضریب عملکرد را کاهش می دهد
3. حداکثر راندمان توربین جریان متقاطع اندکی کمتر از حداکثر راندمان توربین های پلتون، فرانسیس و کاپلان است
