توربين التدفق المتقاطع

التوربين ذو التدفق العرضي ، أو توربين بانكي-ميشيل ، أو توربين أوسبرغر ^{[ 1 ]،} هو توربين مائي طوّره الأسترالي أنتوني ميتشل ، والمجري دونات بانكي، والألماني فريتز أوسبرغر. حصل ميتشل على براءات اختراع لتصميمه عام 1903، وقامت شركة ويموث بتصنيعه لسنوات عديدة. مُنح أوسبرغر أول براءة اختراع له عام 1933 ("توربين النفث الحر" 1922، براءة اختراع إمبراطورية رقم 361593، و"توربين التدفق العرضي" 1933، براءة اختراع إمبراطورية رقم 615445)، وقام بتصنيع هذا التوربين كمنتج قياسي. واليوم، تُعدّ الشركة التي أسسها أوسبرغر والتي تحمل اسمه الشركة الرائدة في تصنيع هذا النوع من التوربينات.

على عكس معظم التوربينات المائية ذات التدفق المحوري أو القطري، يمر الماء في التوربين ذي التدفق العرضي عبر التوربين بشكل عرضي، أي عبر شفراته. وكما هو الحال في عجلة الماء ، يدخل الماء من حافة التوربين. وبعد مروره إلى داخل دولاب التوربين، يخرج من الجانب المقابل متجهاً للخارج. ويُسهم مرور الماء عبر دولاب التوربين مرتين في زيادة كفاءته . كما يُساعد خروج الماء من دولاب التوربين على تنظيفه من الشوائب الصغيرة والملوثات. يُعد التوربين ذو التدفق العرضي آلة منخفضة السرعة، وهو مناسب تماماً للمواقع ذات الضغط المنخفض والتدفق العالي.

على الرغم من أن الرسم التوضيحي يظهر فوهة واحدة للتبسيط، إلا أن معظم التوربينات العملية ذات التدفق المتقاطع تحتوي على فوهتين، مرتبة بحيث لا تتداخل تدفقات المياه.

تُصنع التوربينات ذات التدفق المتقاطع عادةً من توربينين مختلفي السعة يشتركان في نفس العمود. تتميز عجلات التوربين بنفس القطر، ولكن بأطوال مختلفة للتعامل مع أحجام مختلفة عند نفس الضغط. تُصنع العجلات المقسمة عادةً بنسب أحجام 1:2 . توفر وحدة التنظيم المقسمة، وهي نظام ريش التوجيه في القسم العلوي من التوربين، تشغيلاً مرناً، بنسبة  إنتاج 33% أو 66% أو 100%، حسب التدفق. وتُحقق تكاليف تشغيل منخفضة بفضل التصميم البسيط نسبياً لهذا النوع من التوربينات.

تتكون التوربينة من عجلة مائية أسطوانية أو دوارة ذات عمود أفقي، تتألف من شفرات عديدة (تصل إلى 37 شفرة)، مرتبة شعاعيًا ومماسيًا. حواف الشفرات حادة لتقليل مقاومة تدفق الماء. تُصنع الشفرة بمقطع عرضي شبه دائري (أنبوب مقطوع على طوله بالكامل). تُلحم نهايات الشفرات بأقراص لتشكيل قفص يشبه قفص الهامستر، وتُسمى أحيانًا "توربينات قفص السنجاب"؛ وبدلًا من القضبان، تحتوي التوربينة على شفرات فولاذية على شكل حوض.

يتدفق الماء أولاً من خارج التوربين إلى داخله. تعمل وحدة التنظيم، المصممة على شكل ريشة أو لسان، على تغيير المقطع العرضي للتدفق. يتم توجيه تيار الماء نحو دولاب التوربين الأسطواني بواسطة فوهة . يدخل الماء إلى الدولاب بزاوية تتراوح بين 45 و120 درجة تقريبًا، ناقلاً جزءًا من طاقته الحركية إلى الشفرات الأسطوانية النشطة.

يتحكم جهاز التنظيم في التدفق بناءً على الطاقة المطلوبة وكمية المياه المتاحة. وتُحدد النسبة بين 0 و100% من المياه التي تدخل إلى شفرات التوربين بنسبة 0-100%×30/4. ويتم التحكم في تدفق المياه إلى الفوهتين بواسطة ريشتي توجيه مُشكّلتين. تعمل هاتان الريشتان على تقسيم وتوجيه التدفق بحيث يدخل الماء إلى دولاب التوربين بسلاسة مهما كان عرض الفتحة. يجب أن تُحكم ريشتا التوجيه إغلاق حواف غلاف التوربين بحيث يمكنهما قطع إمداد المياه عند انخفاض مستوى الماء. وبالتالي، تعمل ريشتا التوجيه كصمامات بين أنبوب التوربين والتوربين. ويمكن ضبط كلتا ريشتي التوجيه بواسطة أذرع تحكم، يمكن توصيلها بنظام تحكم آلي أو يدوي.

يضمن تصميم التوربين (الفوهة - دولاب الطرد - العمود) فعالية نفاث الماء. يؤثر الماء على دولاب الطرد مرتين، ولكن معظم الطاقة تنتقل في المرور الأول عند دخول الماء إلى دولاب الطرد. ولا ينتقل سوى ثلث الطاقة إلى دولاب الطرد عند خروج الماء من التوربين.

يتدفق الماء عبر قنوات الشفرات في اتجاهين: من الخارج إلى الداخل، ومن الداخل إلى الخارج. تُشغَّل معظم التوربينات بنفاثتين، مُرتبتين بحيث لا تؤثر نفاثتا الماء في دولاب التوربين على بعضهما البعض. ومع ذلك، من الضروري أن يكون التوربين والضغط وسرعة الدوران متناسقين.

التوربين ذو التدفق العرضي هو من النوع النبضي، لذا يظل الضغط ثابتًا عند دولاب الشد.

تُعدّ الكفاءة القصوى للتوربين ذي التدفق المتقاطع أقلّ قليلاً من توربينات كابلان أو فرانسيس أو بيلتون . مع ذلك، يتميّز التوربين ذو التدفق المتقاطع بمنحنى كفاءة ثابت تحت أحمال متغيرة. وبفضل تصميمه ذي الدوّار وغرفة التوربين المنفصلة، ​​يحافظ التوربين على كفاءته بينما يتغيّر التدفق والحمل من سدس القيمة إلى أقصى قيمة.

نظراً لانخفاض سعرها ووجود تنظيم جيد، فإن توربينات التدفق العرضي تستخدم في الغالب في وحدات الطاقة الكهرومائية الصغيرة والمتناهية الصغر التي تقل عن ألف كيلوواط والتي تقل رؤوسها عن 200 متر (660 قدم) .  

خاصةً في محطات توليد الطاقة الكهرومائية الصغيرة التي تعمل بنظام جريان الأنهار ، يُحقق منحنى الكفاءة الثابت أداءً سنويًا أفضل من أنظمة التوربينات الأخرى، نظرًا لانخفاض منسوب مياه الأنهار الصغيرة عادةً في بعض الأشهر. وتُحدد كفاءة التوربين ما إذا كان سيتم إنتاج الكهرباء خلال فترات انخفاض تدفق الأنهار. فإذا كانت التوربينات المستخدمة ذات كفاءة قصوى عالية، ولكنها تعمل بكفاءة منخفضة عند الأحمال الجزئية، فسيتم الحصول على أداء سنوي أقل مقارنةً بالتوربينات ذات منحنى الكفاءة الثابت.

بفضل أدائها الممتاز مع الأحمال الجزئية، تُعدّ التوربينة ذات التدفق المتقاطع مناسبة تمامًا لإنتاج الكهرباء دون الحاجة إلى مراقبة. كما أن تصميمها البسيط يجعل صيانتها أسهل من أنواع التوربينات الأخرى؛ إذ لا تتطلب سوى صيانة محملين ، وثلاثة عناصر دوارة فقط. يتميز نظامها الميكانيكي بالبساطة، ما يسمح للفنيين المحليين بإجراء الإصلاحات.

من مزاياها الأخرى قدرتها على التنظيف الذاتي في كثير من الأحيان. فمع خروج الماء من دولاب التوربين، لا تتراكم فيه الأوراق والأعشاب وغيرها، مما يمنع فقدان الطاقة. لذا، ورغم أن كفاءة هذا التوربين أقل نوعًا ما، إلا أنه أكثر موثوقية من الأنواع الأخرى. ولا يحتاج عادةً إلى تنظيف دولابه، مثلاً عند عكس اتجاه التدفق أو تغيير السرعة. أما أنواع التوربينات الأخرى، فتتعرض للانسداد بسهولة أكبر، وبالتالي تفقد الطاقة رغم كفاءتها الاسمية الأعلى.

• توربينات المياه
• تُسمى توربينات الرياح ذات المحور الرأسي أحيانًا توربينات التدفق العرضي لأن التدفق يمر عبر الدوار بشكل عرضي.
• توربين غورلوف الحلزوني ، حيث يكون محور الدوار عموديًا على التدفق.