ภาพรวมและหลักการออกแบบของ Pelton Turbine

กังหัน Pelton (แปลว่า: กังหันน้ำ Pelton หรือกังหัน Bourdain, อังกฤษ: Pelton wheel หรือ Pelton Turbine) เป็นกังหันกระแทกชนิดหนึ่งซึ่งพัฒนาโดยนักประดิษฐ์ชาวอเมริกัน Lester W. พัฒนาโดย Alan Peltonกังหันน้ำ Pelton ใช้น้ำไหลและกระแทกกังหันน้ำเพื่อให้ได้พลังงาน ซึ่งแตกต่างจากกังหันน้ำแบบฉีดขึ้นด้านบนแบบเดิมๆ ที่ขับเคลื่อนด้วยน้ำหนักของน้ำเองก่อนที่การออกแบบของเพลตันจะเผยแพร่ กังหันไอพ่นรุ่นต่างๆ มีอยู่หลายรุ่น แต่มีประสิทธิภาพน้อยกว่าการออกแบบของเพลตันหลังจากที่น้ำออกจากกังหันน้ำ น้ำมักจะยังคงมีความเร็ว ทำให้สูญเสียพลังงานจลน์ของกังหันน้ำไปมากรูปทรงของไม้พายของเพลตันนั้นทำให้ใบพัดปล่อยใบพัดไว้ที่ความเร็วต่ำมากหลังจากวิ่งด้วยความเร็วครึ่งของกระแสน้ำดังนั้นการออกแบบของ Pelton จึงจับพลังงานกระแทกของน้ำเกือบทั้งหมด เพื่อให้มีกังหันน้ำที่มีประสิทธิภาพสูง

หลังจากการไหลของน้ำความเร็วสูงที่มีประสิทธิภาพสูงเข้าสู่ท่อแล้ว คอลัมน์น้ำแรงจะถูกส่งไปยังใบพัดลมรูปถังบนล้อที่กำลังเคลื่อนที่ผ่านวาล์วเข็มเพื่อขับเคลื่อนล้อที่กำลังเคลื่อนที่สิ่งนี้เรียกอีกอย่างว่าใบพัดลมการปะทะซึ่งล้อมรอบขอบล้อขับและเรียกรวมกันว่าล้อขับเคลื่อน(ดูรายละเอียดในรูปภาพ Vintage Pelton Turbine)ในขณะที่น้ำพุ่งกระทบกับใบพัด ทิศทางการไหลของน้ำจะเปลี่ยนไปตามรูปร่างของถังแรงกระแทกของน้ำจะออกแรงครู่หนึ่งบนถังน้ำและระบบล้อที่กำลังเคลื่อนที่ และใช้สิ่งนี้เพื่อหมุนล้อที่กำลังเคลื่อนที่ทิศทางการไหลของน้ำนั้น "ไม่สามารถย้อนกลับได้" และช่องจ่ายน้ำตั้งอยู่นอกถังเก็บน้ำและอัตราการไหลของน้ำจะลดลงไปที่ความเร็วต่ำมากในระหว่างกระบวนการนี้ โมเมนตัมของฟลูอิดเจ็ทจะถูกส่งไปยังล้อที่กำลังเคลื่อนที่และจากที่นั่นไปยังกังหันน้ำดังนั้น "การกระแทก" จึงสามารถทำงานกับกังหันได้อย่างแท้จริงเพื่อเพิ่มพลังและประสิทธิภาพการทำงานของกังหันให้สูงสุด ระบบโรเตอร์และเทอร์ไบน์ได้รับการออกแบบเพื่อเพิ่มความเร็วของการไหลของของไหลบนถังเป็นสองเท่าและสัดส่วนที่น้อยมากของพลังงานจลน์ดั้งเดิมของฟลูอิดเจ็ทจะยังคงอยู่ในน้ำ ซึ่งทำให้ถังว่างเปล่าและเติมด้วยความเร็วเท่ากัน (ดูการอนุรักษ์มวล) เพื่อให้ของเหลวอินพุตแรงดันสูงสามารถฉีดต่อไปได้ โดยไม่หยุดชะงักไม่ต้องเสียพลังงานโดยปกติถังสองถังจะติดตั้งเคียงข้างกันบนโรเตอร์ ซึ่งจะทำให้การไหลของน้ำถูกแบ่งออกเป็นสองท่อเท่าๆ กันสำหรับการฉีด (ดูรูป)การกำหนดค่านี้ช่วยปรับสมดุลแรงด้านข้างของโรเตอร์และช่วยให้มั่นใจได้ถึงความนุ่มนวล ในขณะที่พลังงานจลน์จากไอพ่นของไหลจะถูกถ่ายโอนไปยังโรเตอร์กังหันน้ำด้วย

เนื่องจากน้ำและของเหลวส่วนใหญ่ไม่สามารถบีบอัดได้ พลังงานที่มีอยู่เกือบทั้งหมดจึงถูกดักจับในระยะแรกหลังจากที่ของเหลวไหลเข้าสู่กังหันในทางกลับกัน กังหัน Pelton มีส่วนล้อเคลื่อนที่เพียงส่วนเดียว ซึ่งแตกต่างจากกังหันก๊าซที่ทำงานบนของเหลวอัดตัว

การใช้งานจริง กังหัน Pelton เป็นเทอร์ไบน์ประเภทหนึ่งที่ดีที่สุดสำหรับการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำ และเป็นกังหันประเภทที่เหมาะสมที่สุดสำหรับสิ่งแวดล้อมเมื่อแหล่งน้ำที่มีอยู่มีความสูงของส่วนหัวที่สูงมากและมีอัตราการไหลต่ำมีประสิทธิภาพ.ดังนั้นในสภาพแวดล้อมที่มีอัตราการไหลสูงและต่ำ กังหัน Pelton จึงมีประสิทธิภาพสูงสุด แม้ว่าจะแบ่งออกเป็นสองกระแส แต่ก็ยังมีพลังงานเท่าเดิมในทางทฤษฎีนอกจากนี้ ท่อร้อยสายที่ใช้สำหรับท่อฉีดทั้งสองสายต้องมีคุณภาพเทียบเท่ากัน โดยท่อหนึ่งต้องใช้ท่อบางยาวและอีกท่อกว้างสั้นกังหัน Pelton สามารถติดตั้งได้ในทุกขนาดมีโรงไฟฟ้าพลังน้ำที่มีกังหัน Pelton เพลาแนวตั้งแบบไฮดรอลิกอยู่แล้วในระดับตันหน่วยติดตั้งที่ใหญ่ที่สุดสามารถสูงถึง 200 MWในทางกลับกัน กังหัน Pelton ที่เล็กที่สุดมีความกว้างเพียงไม่กี่นิ้วและสามารถนำมาใช้เพื่อดึงพลังงานจากลำธารที่ไหลเพียงไม่กี่แกลลอนต่อนาทีระบบประปาในครัวเรือนบางระบบใช้กังหันน้ำประเภท Pelton เพื่อส่งน้ำกังหัน Pelton ขนาดเล็กเหล่านี้ได้รับการแนะนำให้ใช้ที่ความสูง 30 ฟุต (9.1 ม.) ขึ้นไปเพื่อสร้างพลังงานที่สำคัญตามกระแสน้ำและการออกแบบ ความสูงของพื้นที่ติดตั้งกังหัน Pelton นั้นควรอยู่ในระยะ 49 ถึง 5,905 ฟุต (14.9 ถึง 1,799.8 เมตร) แต่ในปัจจุบันยังไม่มีข้อจำกัดทางทฤษฎี