Turbine used in micro hydro in Nepal

टर्वाइन भन्ने शब्द फ्रेन्च इन्जिनियर क्लाउडे बर्डिनले १९औं शताब्दीको शुरुवातमा पहिलोपटक प्रयोगमा ल्याएका हुन् । यो शब्द ल्याटिन भाषाको रिलिङ (Whirling) वा भर्टेक्स (Vortex) भन्ने शब्दबाट आएको हो । अंग्रेजीमा रिलिङको शाब्दिक अर्थ फन्का खुवाउनु वा फनफनी घुम्नु हुन्छ भने भर्टेक्सको अर्थ भूमरी परेको तरलको राशी भन्ने बुभिन्छ । तसर्थ भुमरी परेको पानीको सहायताले फनफनी घुम्ने वस्तुलाई टर्वाइन नामाकरण गरिएको हो । टर्वाइनको मुख्य विशेषता भनेको भूमरी परेको पानीको भागले (Swirl component of water) टर्वाइनमा शक्ति उत्पन्न गर्नु हो । टर्वाइनलाई नेपालीमा जलचक्का, जलचक्र, जलचक्की वा पानीघट्ट भनिन्छ । टर्वाइनले पानीको बहावबाट प्राप्त गति शक्ति (Kinetic Energy) लाई यान्त्रिक शक्ति (Mechanical Energy) मा रुपान्तरण गर्दछ ।

सैद्धान्तिक पक्ष तथा छनोटका निर्धारक तत्वहरु

टर्वाइन लघु जलविद्युत् आयोजनाको महत्वपूर्ण भाग हो । आयोजनाको लागि कस्तो टर्वाइन छनोट गर्ने भन्ने कुरा आयोजनाको प्राविधिक विवरणमा भर पर्दछ । टर्वाइन छनोट मुख्यतया ठाडो उचाई, पानीको बहाव र निकाल्नुपर्ने विद्युतीय शक्तिमा निर्भर रहन्छ । त्यस्तै टर्वाइनको छनोट यससँग जोडिने उपकरणहरु जस्तै जेनेरेटरलाई चाहिने आवश्यक प्रतिमिनेट घुमाई (RPM) ले पनि निर्धारण गर्दछ । टर्वाइन छनोटलाई प्रभाव पार्ने अन्य तत्वहरुमा आंशिक पानीको बहावमा टर्वाइनले उत्पादन गर्ने शक्ति (power produce under part flow condition ) को पनि महत्वपूर्ण भूमिका रहन्छ । टर्वाइनमा दुई प्रकारका विशेषता विद्यमान हुन्छन् ।
शक्ति र गतिबीचको सम्बन्धमा आधारित विशेषता (Power speed characteristics) तथा कार्य दक्षता र तिबीचको सम्बन्धमा विशेषता(efficiency speed characteristics) । निर्धारित उचाइ र पानीको बहावको लागि डिजाइन गरिएको टर्वाइनबाट निर्धारित शक्ति उत्पादन गर्नको लागि यसलाई निर्धारित गतिमा सञ्चालन गर्नुपर्छ ।
टर्वाइनले आफैंले मात्र निर्धारित गति कायम गरेर पुग्दैन, टर्वाइनको सहायताले घुम्ने उपकरण जेनेरेटरलाई पनि निश्चित गतिमा घुमाउनुपर्ने हुन्छ । टर्वाइनबाट जेनेरेटरमा शक्ति स्थानान्तरण गर्दा जेनेरेटर र टर्वाइनको सिधै सम्बन्ध कायम गर्ने वा आवश्यकताअनुसार पुलि र फित्ता वा गियरको प्रयोग गरिन्छ । लघु जलविद्युत् आयोजनाको सन्दर्भमा कुरा गर्नुपर्दा डिजाइन उचाइको आधारमा टर्वाइनलाई मोटामोटी ३ वर्गमा विभाजन गर्न सकिन्छ ः बढी उचाइको लागि प्रयोग हुने टर्बाइन, मध्यम उचाइको लागि प्रयोग हुने टर्वाइन र कम उचाइको लागि प्रयोग हुने टर्वाइन । सञ्चालन सिद्धान्तको आधारमा भने टर्वाइनलाई २ भागमा विभाजन गर्न सकिन्छ ः इम्पल्स (सम्वेग) टर्वाइनर ¥याक्सन (प्रतिक्रियात्मक) टर्वाइन।

हरेक टर्वाइनइम्पल्स र ¥याक्सनमध्ये कुनै एउटा सिद्धान्तमा आधारित हुन्छन् । इम्पल्स र ¥याक्सन टर्वाइनमा फरक यत्ति छ कि इम्पल्स टवाईनमा रनरको प्रत्येक भागमा पानीको चाप समान रुपले पर्दछ भने ¥याक्सन टर्वाइनमा पानीको चाप रनर हुँदै बाहिर जान्छ । माथि तालिकामा ३ प्रकारका इम्पल्स टवाईनहरु उल्लेख गरिएको छ ः क्रसफ्लो, टर्गो र पेल्टन ।
त्यसैगरी ¥याक्सन टर्वाइनहरुमा फ्रान्सिस, प्रोपेलर र कप्लान रहेका छन् । इम्पल्स टवाईनहरु लघु जलविद्युत्को लागि ¥याक्सन टर्वाइनको तुलनामा बढी उपयोगी हुन्छन् । ¥याक्सन टर्वाइनको तुलनामा इम्पल्स टवाईनका फाइदाहरु तपसिल बमोजिम रहेका छन् :
१. केही बढी मात्रामा पानीमा हुने तत्वहरुको (बालुवा तथा अन्य पदार्थको) भारलाई बहन गर्न सक्दछन् ।
२. यी टवाईनहरु नेपालमै सजिलै निर्माण तथा मर्मत सम्भार गर्न सकिन्छ ।
३. क्याभिटेसन (पानीको चापको कारणले टवाईनमा बन्ने स–साना प्वाल वा छिद्रहरु) को समस्या कम हुन्छ ।
४. कार्य दक्षतामा एकरुपता हुन्छ ।
इम्पल्स टर्वाइनको बेफाइदाको कुरा गर्ने हो भने यी टवाईनहरु कम उचाइको लागि उपयुक्त हुँदैनन् । तर, मध्यम उचाइको लागि भने उपयुक्त हुन्छन् । इम्पल्स टवाईन कम उचाइमा त्यतिबेला मात्र उपयुक्त हुन्छन् जतिबेला पावर ट्रान्सिमिसन र टवाईनको गति कम भए पुग्छ ।
नेपालको परिप्रेक्ष्यमा कुरा गर्दा लघु जलविद्युत् आयोजना सबैभन्दा बढी प्रयोगमा आउने टर्वाइनहरुमा क्रसफ्लो र पेल्टन टवाईन नै रहेका छन् । हाल फ्रान्सिस टवाईनको प्रयोग पनि विस्तारै शुरु हुँदैछ । क्रसफ्लो र पेल्टन टर्वाइनको प्रयोग धरैहुनुको मुख्य कारण भनेको स्वदेशमै सजिलोसँग उत्पादन गर्न सक्नु पनि हो । फ्रान्सिस टवाईन बाहिरबाट आयात गर्नुपर्ने तथा यसको संरचान अन्य टर्वाइनहरुको तुलनामा जटिल खालको हुने भएकाले यसको प्रयोग लघु जलविद्युत्मा कम भएको हो । तर, ठूला आयोजनाहरुमा हेर्ने हो भने फ्रान्सिस टर्वाइनको प्रयोग नै बढी भएको पाइन्छ । नेपालमा पनि फ्रान्सिस टर्वाइनको निर्माण कार्य भर्खर शुरु हुन हुँदैछ । अब लघु जलविद्युत् आयोजनामा धेरैजसो प्रयोग हुने क्रसफ्लो र पेल्टन टवाईनको विकासक्रम, यसका मुख्य भागहरु तथा तिनका कार्यहरुको बारेमा छोटो चर्चा गरौं ।

क्रसफ्लो टर्वाइन

क्रसफ्लो टर्वाइन (जसलाई ब्यांकी मिचेल टर्वाइनवा ओस्वर्गर टर्वाइन पनि भनिन्छ) सन् १९०३ मा अष्ट्रेलियन मेकानिकल इन्जिनियर एन्थोनी मिचेल, हंगेरियन मेकानिकल इन्जिनियर डोनाट ब्याँकी र जर्मन सिभिल इन्जिनियर फ्रिज ओस्वर्गरले संयुक्त रुपमा विकास गरेका हुन् । नेपालमा भने काठमाडौं मेटल इण्डष्ट्रिजले १९६० को दशकबाट वाटर टर्वाइन निर्माणसम्बन्धी कार्य शुरु गरेको हो । नेपालमा पहिलो क्रसफ्लो टवाईन सन् १९७३ मा बालाजु यन्त्रशालाले निर्माण गरेको हो ।
पानीको मात्रा धेरै र उचाई कम भएको ठाउँमा क्रसफ्लो टर्वाइनको प्रयोग गरिन्छ । पानीको चापले रनरको ब्लेडलाई धक्का दिन्छ, तब रनर घुम्न थाल्छ र यसको धुराबाट यान्त्रिक शक्ति निस्कन्छ । क्रसफ्लो टर्वाइनमा तलको चित्रमा देखाइएजस्तै हाउजिङ, एडप्टर, रनर, साफ्ट, गाइड भेन, पानी नियन्त्रण गर्ने भल्भ, साइड कभर, बियरिङ तथा वियरिङ ब्लक, सिलिङ सिस्टम, प्रेसर गज मिटर, बेसफ्रेम आदि भागहरु रहेका हुन्छन् ।

टर्वाइनको बाहिरी भागलाई हाउजिङ भनिन्छ । यसभित्र र यसको बाहिरी भागमा अरु पार्टपूर्जाहरु जडान गरिएको हुन्छ । यसको मुखमा पेनस्टक पाइप जोडिएको हुन्छ । टर्वाइने हाउजिङ, मेन भल्भ र पेनस्टक पाइप जोड्ने पाइपका टुक्रालाई एडप्टर भनिन्छ । त्यस्तै रनर भनेको टवाईनको मुख्य भाग हो जसलाई पानीको चापले धकेल्दा घुम्न थाल्छ । साफ्ट रनरको बीच भागमा वारपार हुने गरी राखिएको हुन्छ जसको काम पुलीको सहायताले जेनेरेटरमा शक्ति स्थानान्तरण (Power Transmission)
गर्नु हो । गाइडभेनले रनरमा जाने पानीको बहावलाई आवश्यकताअनुसार नियन्त्रण गर्दछ । पानी नियन्त्रण गर्ने भल्भ(Flow control valve) लाई घुमाउँदा गाइडभेन खुल्ने वा बन्द हुने गर्दछ । टर्वाइनमा आवश्यकताअनुसार पानीको बहाव नियन्त्रण गर्न यसको प्रयोग गरिन्छ । साइड कभरमा रनर घुमाउनको लागि आवश्यक पर्ने बियरिङ तथा बियरिङ ब्लक जडान गरिएको हुन्छ । साइड कभर खोलेर आवश्यक परेको बेलामा रनरलाई हाउजिङबाट बाहिर ल्याउन र पुन जडान गर्न सकिन्छ । टर्वाइनमा प्रायःजसो बल, स्फेरिकल र टेपर रोलर बियरिङ प्रयोग गरिन्छ । बियरिङ अड्याउने पार्टलाई बियरिङ ब्लक भनिन्छ । रनरबाट पानी चुहावट हुँदै बियरिङमा पानी लिकेज भएका बियरिङ बिगार्छ । तसर्थ, पानीलाई बियरिङतिर जानबाट रोक्न सिलिङ सिस्टमको प्रयोग गरिन्छ ।
त्यसैगरी प्रेसर गजमिटरले पेनस्टक पाएमा भएको पानीको चाप देखाउँछ जसको सहायताबाट उचाइ हिसाब गर्न सकिन्छ (प्रेसर गजले देखाउने १ केजी प्रतिवर्ग से.मी प्रेसरबराबर १० मिटर उचाइ हुन्छ )। बेसफ्रेम माथि टर्वाइनको हाउजिङ जडान गरिएको हुन्छ । बेसफ्रेमलाई फाउन्डेसन बोल्टमा कसिएको हुन्छ ।

पेल्टन टर्वाइन

पेल्टन टर्वाइनका जन्मदाता अमेरिकी अन्वेषणकर्ता लेष्टर ए. पेल्टन हुन् । उनले सन् १८७० मा पेलटन वाटर ह्वीलको विकास गरेका हुन् । जलविद्युत् क्षेत्रको पिताको रुपमा परिचित पेल्टनले गरेको उक्त टर्वाइन त्यतिबेलाको उच्च कार्यदक्षतायुक्त इम्पल्स डिजाइन थियो । उनकै नामबाट यो टर्वाइनको नाम पेल्टन रहन गएको हो । नेपालमा पेल्टन टर्वाइनको विकासको कुरा गर्नुपर्दा नेपालको लघु जलविद्युत् क्षेत्रका अग्रज इन्जिनियर अक्कलमान नकर्मीको प्रयासमा पहिलोपटक करिब ३० वर्ष अगााडि सानो सुन्दर हुन्छ कार्यक्रमअन्र्गत धादिङको मलेखु बजारनजिकै अन्न प्रशोधन गर्ने मिल (पानीघट्ट) मा जेनेरेटर जोडेर बनाइएको सेटबाट विद्युत् निकालिएको थियो । त्यसपछि उनले केही विदेशीहरुसं“गको संयुक्त अनुसन्धानबाट पानीघट्टको ठाउँमा सानो पेल्टन ह्वील प्रयोग गरेर त्यसमा जेनेरेटर जोडेर विद्युत् उत्पादन गर्ने सेटको विकास गरे र यो सेट नै पछि पेल्ट्रिक सेटको नामले प्रख्यात भयो । नेपालमै पहिलोपटक स्थानीयस्तरमा बनाएर परीक्षण गरिएको यो पहिलो सेट थियो जुन सर्वसाधारणले समेत सजिलै खरिद गर्न सक्ने अर्थात् लागतमैत्री खालको प्रविधि थियो । तत्पश्चात् यही पेल्टन ह्वील (टवाईन) लघु जलविद्युत् आयोजनामा प्रयोग हुन थाल्यो ।
पानीको मात्रा कम तर उचाइ बढी भएको ठाउँमा पेल्टन टर्वाइनको प्रयोग गरिन्छ । उचाइबाट झरेको चापयुक्त पानीले रनरको बकेटमा हिर्काएपछि रनर घुम्न थाल्छ र जसबाट यान्त्रिक शक्ति निस्कन्छ । पेल्टन टर्वाइनको मुख्य भागमा क्रसफ्लोमा जस्तै हाउजिङ, म्यानीफोल्ड, रनर, नोजल, स्पेयर भल्भ, जेट डिफ्लेक्टर, बियरिङ तथा बियरिङ ब्लक, सिलिङ सिस्टम, प्रेसर गज मिटर, बेसफ्रेम आदि रहेका हुन्छन् । हाउजिङ, साफ्ट, बियरिङ तथा बियरिङ ब्लक, सिलिङ सिस्टम, प्रेसर गज मिटर, बेसफ्रेम आदिको संरचाना र कार्यहरु क्रसफ्लोको जस्तै हो । पेल्टन टवाईन म्यानिफोल्ड भन्नाले हाउजिङ, मेन भल्भ र पेनस्टक पाइप जोड्ने पाइपका टुक्रालाई जनाउँछ । पानीले हिर्काएपछि घुम्ने टर्वाइनको मुख्य भाग रनर हो । रनरमा बकेट जडान गरिएका हुन्छन् । बकेटमा पानीले हिर्काउँदा रनर घुम्छ । पेनस्टक पाइपबाट आएको पानीले उच्च चापका साथ बकेटमा हिर्काइ रनर घुमाउनो लागि प्रयोग हुने पार्टलाई नोजल भनिन्छ । त्यस्तै स्पेयर भल्भले नोजलबाट निस्कने पानीको बहावलाई अवश्यकताअनुसार घटबढ गर्न सघाउ पु¥याउँछ । यसभित्र रहेको स्पिन्डलले पानी खोल्ने र बन्द गर्ने गर्दछ । त्यस्तेै पेल्टन टवाईनमा आपतकालीन (इमर्जेन्सी) अवस्थामा टर्वाइन बन्द गर्नको लागि जेट डिफ्लेक्टर राखिएको हुन्छ । यसले नोजलबाट निस्केको पानी बकेटमा जान नदिई अर्कोतिर फर्काइदिन्छ ।

 स्रोत ः

माइक्रो हाइड्रो डिजाइन म्यानुअल, एडम हार्भे, १९९३ ।
लघु जलविद्युत् आयोजना सञ्चालन तालिम निर्देशिका, वैकल्पिक ऊर्जा प्रवद्र्धन केन्द्र, २०६८ ।
माइक्रो हाइड्रो क्याटलग ।
माइक्रो हाइड्रोसम्बन्धी विकिपेडियाहरु ।