توربین تورگو، کوچکترین فرزند خانواده توربین‌های ضربه‌ای

توربین تورگو یکی از جدیدترین انواع توربین‌های برق‌آبی ضربه‌ای به شمار می‌رود. در واقع حدود ۱۰۰ سال از اولین طراحی برای این نوع توربین می‌گذرد. توربین تورگو اولین بار توسط Gilkes در سال ۱۹۱۹ طراحی و معرفی شده است. ایده اولیه طراحی این نوع توربین و در واقع فکر اصلی که منجر به ابداع این طراحی شده، بالاتر بردن سرعت چرخش توربین در یک هد مشخص بوده است. ایده اصلی طراحی و در واقع ابداع این نوع توربین به گفته شرکت مخترع آن (Gilkes) طراحی توربینی با ۲ برابر سرعت چرخشی توربین پلتون در یک هد موثر یکسان بوده است. توربین تورگو با این ایده یک قرن پیش متولد شده و پتنت اولیه آن به نام مهندس جوانی به نام Eric Crewdson ثبت شده است.

توربین تورگو از نظر دسته‌بندی در کلاس توربین‌های برق‌آبی ضربه‌ای قرار می‌گیرد، جایی که توربین‌های پلتون و کراس فلو قرار دارند. در این نوع توربین‌ها تبدیل انرژی جنبشی سیال توسط رانر به انرژی چرخشی با گذر سیال از ورودی نازل، برخورد با رانر و خروج آن در فشار اتمسفریک اتفاق می‌افتد. محدوده عملکردی این توربین‌ها مشابه توربین پلتون بوده، با این تفاوت که برای هدهای متوسط مناسب‌تر بوده و در گستره وسیع‌تری از دبی جریان می‌تواند با راندمان عملکردی قابل قبولی کار کند.

شباهت‌ها و تفاوت‌های توربین تورگو و توربین پلتون

بر خلاف شباهت ظاهری در صورتیکه از هندسه نصف رانر پلتون با آنالیز های ابعادی و متناسب با قطر جت استفاده شود راندمان بالایی حاصل نمی شود. اگرچه توربین تورگو در دسته بندی توربین های ضربه ای تعریف میشود و اصول کار مشترکی با توربین پلتون دارد ولی اولین تفاوت این دو هندسه متفاوت بشقابک های رانر می باشد.از تفاوت‌های دیگر این دو نوع توربین، نحوه برخورد جت آب به باکت‌ها می‌باشد. در شکل زیر نحوه برخورد جت آب در این ۲ نوع توربین نشان داده شده است.

همانطور که در شکل بالا مشاهده می‌شود، جریان جت آب به صورت زاویه‌دار با صفحه چرخش رانر در محل دایره پاشش نازل برخورد می‌کند. زاویه برخورد جت آب به این صفحه یکی از پارامترهای مهم در طراحی رانر بوده و می‌تواند در بازه‌ ۱۵ تا ۳۵ درجه تعیین گردد. در توربین پلتون اما زاویه ورود جت آب به باکت در هر لحظه تابعی از سرعت چرخشی رانر می‌باشد. از این رو لبه اسپلیتر روی باکت که در وسط هندسه باکت رانر توربین پلتون قرار دارد نقش مهمی در هدایت جریان آب را بازی می‌کند.

مزایای توربین تورگو در مقایسه با توربین فرانسیس

از آنجا که این توربین در نیروگاههای کوچک در محدوده وسیعی از دامنه عملکردی توربین های فرانسیس کار میکند اغلب در این نیروگاهها جایگزین توربین فرانسیس میشود. یکی از دلایل مهم برای استفاده از این نوع توربین به جای توربین فرانسیس سادگی ساختار کلی توربین تورگو (از نقطه نظر طراحی و ساخت سازه توربین) در مقایسه با توربین فرانسیس می باشد که موجب به حداقل رسیدن هزینه‌های تعمیرات و نگهداری ماهانه و سالیانه این واحدها می‌شود.

مورد دوم اینکه در استفاده از این نوع توربین در خطوط لوله انتقال آب شرب موضوع ضربه قوچ یا water hummer با وجود مکانیزم دفلکتور موجود در این توربین ها کاملا منتفی بوده و کمترین ریسک را برای منابع آبی موجود در لوله های انتقال آب دارد. توضیح اینکه اغلب جایگاههای مورد استفاده برای این واحدهای کوچک در موقعیت های در نظر گرفته شده برای فشار شکن ها می باشد که از نقطه نظر کارکردی در شرایط بهره برداری در طراحی این خطوط که عمدتا” قدیمی و فرسوده نیز می باشند موضوع ضربه قوچ در نظر گرفته نشده است و در صورت عدم توجه به تاثیرات عملکردی نیروگاه در قطع و وصل ناگهانی واحدها آسیب های جدی میتواند به خطوط انتقال آب وارد نماید.

بررسی‌های میدانی، تحلیل اطلاعات، طراحی و ساخت

همانطور که گفته شد، در دهه اخیر، رشد انتشار سریع اطلاعات به مدد شبکه جهانی اینترنت و همچنین پیشرفت نرم‌افزارهای طراحی و تحلیل در زمینه‌های مختلف موجب شده است تا تکنولوژی و به طبع آن صنعت از حالت انحصاری خود تا حدود زیادی خارج شده و در زمینه‌های متعددی نمونه‌های جدیدی از تکنولوژی‌های انحصاری کشورهای توسعه یافته در کشورهای درحال توسعه طراحی و ارائه گردد. تا جایی که در برخی موارد نمونه‌های جدید ساخته شده درکشورهای در حال توسعه توانایی رقابت با نمونه‌های شرکت‌های معروف دنیا را کسب کرده‌اند. کشور چین به عنوان یکی از مهمترین رقبا در این زمینه توانسته است با اتکا به روش مهندسی معکوس این روند را به شدت تسریع نماید.

از آنجا که منابع آبی در دسترس برای نیروگاههای کوچک پتانسیل سرمایه گذاری های مناسبی را ایجاد نموده است با توجه به برتری های ساخت داخل در شرایط فعلی از نظر میزان صرفه جویی ارزی و دسترسی بهتر به لوازم یدکی و کوتاه نمودن زمان ساخت پروژه ها و کاهش هزینه های سرمایه گذاری این شرکت اقدام به طراحی و ساخت این توربین ها بر اساس اطلاعات در دسترس از این واحدها نموده است.

در زیر نمونه هایی از تحقیقات انجام شده در مراحل طراحی، شبیه‌سازی و تحلیل رانر برای شرایط عملکردی مشخصی نشان داده شده است.

توزیع جریان آب پس از خروج از جت روی باکت‌های رانر

خطوط جریان آب خروجی از نازل و تغییر مسیر آنها پس از برخورد با باکت‌ های رانر

نمودار گشتاور خروجی از باکت‌های مربوط به یک رانر بر اساس توان ورودی منبع آبی در دسترس

منابع :

• J. Williamson, B.H. Stark, J.D. Booker, Performance of a low-head pico-hydro Turgo turbine, Applied Energy, Volume 102, 2013, Pages 1114-1126
• S. Benzon, G.A. Aggidis, J.S. Anagnostopoulos, Development of the Turgo Impulse turbine: Past and present, Applied Energy, Volume 166, 2016, Pages 1-18
• Karakas, Enver. (2015). Turbine Specific Speed and Specific Speed Map.