آلية عمل “التوربين المائي” والتحديثات المستمرة له عبر الزمن

2016 عصر البخار

جون كلارك

KFAS

التكنولوجيا والعلوم التطبيقية

الدولاب المائي من أقدم آلات إنتاج الطاقة. استمر استخدام الدولاب المائي حتى القرن التاسع عشر، عندما انكسف وجهه تدريجياً بظهور الآلة البخارية – لكن هناك آلة أخرى تستخدم طاقة المياه – التوربين (أو العنفة) المائي – ومازال مستخدماً في المحطات الهيدروكهربائية لتسخير طاقة المياه الجارية.

يعتبر الدولاب المائي آلة ذات كفاءة متدنية في مجال توليد الطاقة نظراً لهدر جزءٍ كبيرٍ منها عند سقوط المياه على حواف المجاديف (أو الشفرات). لكن المجاديف، أو الشفرات، في التوربين المائي تحاط بصندوق لمنع المياه من الفيضان على الجانبين، وبذلك تحول طاقة المياه الجارية كلها إلى الشفرات.

صك المهندس الفرنسي كلود بوردن (١٧٩٠-١٨٧٣) مفردة التوربين عام ١٨٢٤، كما أن أغلبية التحسينات الأولى على التوربين المائي جرت في فرنسا. في عام ١٨٢٦ شمر طالب الهندسة الفرنسي بينو فورنيرو (١٨٠٢-٦٧)، وهو أحد تلامذة بوردن، ساعده للعمل على ابتكار توربين ناجح مدفوعاً برغبته للحصول على جائزة بمبلغ ٦,٠٠٠ فرنك فرنسي رصد لمن ينجح في المهمة.

فاز فورنيرو بالجائزة عام ١٨٣٣ بابتكاره آلة تنتج قدرة ٥٠ حصاناً ميكانيكياً. كان التوربين من نوع التوربينات التفاعلية ذات الدفع الخارجي ويحتوي دولابه على ٣٠ شفرة بطول ١٢ بوصة (٣٠ سم) لكلٍ منها. كما تبلغ سرعة دوران الدولاب ما يربو على ٢,٠٠٠ دورة في الدقيقة. بحلول عام ١٨٥٥ ظهرت بعض أنواع توربينات فورنيرو تنتج طاقة تقارب ٨٠٠ حصان ميكانيكي.

 

في حوالي عام ١٨٢٠ صمم عالم الرياضيات والمهندس الفرنسي جين – فكتور بونسلييه (١٧٨٨-١٨٦٧) توربين طرد مركزي ثبتت شفراته على مقربة من محور الدولاب ويوجه الماء نحو مركزه لإداراته. إشتهر التوربين بالتوربين الدوامي وسجل صامويل هاود (لصالح بونسلييه) براءة إختراعه في الولايات المتحدة عام ١٨٣٨.

وفي عام ١٨٤٠ استحدث المهندس الإيرلندي الأصل جيمس تومسون (١٨٢٢-٩٢) في إنجلترا طريقة للتحكم داخلياً في معدل سريان المياه إلى شفرات التوربين. من جانبه أجرى المهندس الأمريكي أوريا بويدن (١٨٠٤-٧٩) عدداً من التحسينات على التصميم الأصلي عام ١٨٤٤.

سجل تومسون براءة اختراع تصميمه في بلفاست عام ١٨٥٠. تكون التوربين الدوامي من دولاب في وضعٍ أفقي وشيد التصميم الأخوان وليامسون في إنجلترا.

 

هناك ثلاثة أنواع رئيسة من التوربينات الحديثة سميت بأسماء مخترعيها. ابتكر المهندس الأنجلو – أمريكي جيمس فرانسس (١٨١٥-٩٢) توربينه عام ١٨٤٩، وهو نوع تفاعلي شفراته محتواة كلياً داخل صندوق. لتوربين فرانسس دولاب أفقي مغمور تحت الماء ثبتت عليه ٢٤ شفرة محدودبة (منحنية أو معكوفة).

يحيط بشفرات الدولاب مجموعة من الزعانف المروحية تعمل دليلاً لتوجيه المياه الجارية نحو الشفرات. ويعمل توربين فرانسس بشكل أفضل تحت ظروف ضغط ماء متوسط. هاجر فرانسس من إنجلترا إلى الولايات المتحدة عام ١٨٣٣ حيث عمل في البداية في مجال تشييد السكك الحديدية. عين فرانسس عام ١٨٣٧ رئيس مهندسي هويسات وقنوات نهر ميرماك وصمم في وظيفته الجديدة توربينه بهدف إستغلال طاقة مياه النهر.

اخترع المهندس الأمريكي لستر بلتون (١٨٢٩-١٩٠٨) الدولاب المعروف باسمه عام ١٨٧٠، وذلك بتحسين دواليب المياه التي كانت تستخدم لتوفير الطاقة اللازمة لاّلات مناجم الذهب في كاليفورنيا. يعتبر توربين بلتون نوعاً من توربينات الدفع يتم فيه نفث المياه من فوهة لتسقط بقوة على شفرات التوربين المصممة على شكل دلاء وينتج عن ذلك دوران الدولاب.

 

لتوربين بلتون دولاب بوضع عمودي مثبت على محور أفقي، ويعمل بكفاءة أعلى تحت ظرف ضغط المياه العالي. سجل بلتون براءة إختراعه عام ١٨٨٠ وباع في وقتٍ لاحقٍ حقوق الإختراع لشركة بلتون لدواليب المياه في سان فرانسسكو. تبلغ كفاءة التوربينات الحديثة لنوع بلتون حدوده ٩٠ في المئة.

كما أن توربين كابلان، وهو من ابتكار مهندس الميكانيكا النمساوي فكتور كابلان (١٨٧٦-١٩٣٤) عام ١٩١٣، توربين تفاعلي أيضاً مصمم للعمل تحت ضغط منخفض لتيارات المياه البطيئة.

 

يضم دولاب التوربين ثماني شفرات على الأقل تختلف في حزوزها، وبذلك تشبه الشفرات زعانف مراوح الدفع المنصوبة عمودياً في السفن.

ويعتبر توربين كابلان أكثر الأنواع استخداماً في المحطات الكهرومائية ومحطات طاقة المد الكهرومائية.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]