जलविद्युत: संसाधन, संयंत्र-विन्यास, शीर्ष व प्रवाह, पेल्टन, फ़्रांसिस व कैप्लन टर्बाइन, लघु जलविद्युत

यह अध्याय अभियांत्रिकी विज्ञान (XE) पेपर का है और XE8 ऊर्जा विज्ञान के खंड XE8.1 (ऊर्जा संसाधन एवं रूपांतरण प्रौद्योगिकियाँ) में आता है, जो नौ वैकल्पिक खंडों में से एक है; परीक्षा में अभ्यर्थी इनमें से कोई दो चुनता है। यह शीर्षक “Hydropower: Hydro resources, hydro power plants, turbines (Pelton, Kaplan, Francis), small hydro systems” का उत्तर देता है। इसमें जल संसाधन व शक्ति-समीकरण, प्रवाह-अवधि वक्र व मुख्य संयंत्र-प्रकार, पेनस्टॉक में शीर्ष-हानि सहित संयंत्र का विन्यास, पेल्टन, फ़्रांसिस व कैप्लन टर्बाइन व विशिष्ट गति द्वारा उनका चयन, गुहिकायन व ड्राफ़्ट ट्यूब, तथा लघु जलविद्युत योजनाएँ सिखाई गई हैं। संख्यात्मक प्रश्न शीर्ष, प्रवाह व दक्षता से संयंत्र-शक्ति, पेनस्टॉक शीर्ष-हानि, विशिष्ट गति, पेल्टन चक्र की गति तथा बकेट-शक्ति हैं; प्रत्येक स्थिरांक प्रश्न में दिया गया है।

1. जल संसाधन, शीर्ष व प्रवाह

आयतन-प्रवाह Q का जल जब ऊँचाई H से गिरता है तो शक्ति ρgQH ले जाता है। सकल शीर्ष Hg अंतःग्रहण पर जल-सतह व पुच्छ-जल के बीच का स्तर-अंतर है; शुद्ध शीर्ष H = Hg − hf वह है जो जल-मार्ग में घर्षण व अन्य हानियों hf के बाद टर्बाइन पर बचता है। विद्युत निर्गत P = η ρ g Q H है, जहाँ समग्र दक्षता η = ηh ηm ηg जलीय, यांत्रिक व जनित्र दक्षताओं का गुणनफल है। हल उदाहरण। Q = 20 m³/s, Hg = 100 m और 5 m हानि, अतः H = 95 m; η = 0.88; ρ = 1000 kg/m³, g = 9.81 m/s²: P = 0.88 × 1000 × 9.81 × 20 × 95 = 16.4 × 10⁶ W, 16.4 MW। प्रत्येक कारक रैखिक है, इसलिए संयंत्र का वर्गीकरण शीर्ष (निम्न, मध्यम, उच्च) व प्रवाह दोनों से होता है: समान शक्ति निम्न शीर्ष पर बड़े प्रवाह या उच्च शीर्ष पर छोटे प्रवाह से मिल सकती है।

नदी का प्रवाह वर्ष भर बदलता है, इसलिए संसाधन का वर्णन प्रवाह-अवधि वक्र से होता है: धारा-प्रवाह को उस समय-अंश के विरुद्ध आलेखित किया जाता है जिसमें वह बराबर या अधिक रहता है। उसके नीचे का क्षेत्रफल उपलब्ध ऊर्जा है; बहाव-नदी (run-of-river) संयंत्र का अभिकल्प प्रवाह उसी से चुना जाता है, बड़े टर्बाइन की अतिरिक्त ऊर्जा बनाम उसकी लागत व उन दिनों के बीच संतुलन रखकर जब वह आंशिक भार पर चलेगा। क्षमता-गुणांक वास्तविक वार्षिक ऊर्जा को (रेटेड शक्ति × 8760 h) से भाग देने पर मिलता है और प्रवाह-भिन्नता, रखरखाव व माँग के कारण सदा 1 से कम होता है।

मुख्य संयंत्र-प्रकार
संयंत्र-प्रकारविचारपरिणाम
बहाव-नदीप्राकृतिक प्रवाह का उपयोग, भंडारण कम या नहींनिर्गत नदी का अनुसरण करता है; पर्यावरणीय पदचिह्न कम
भंडारण (जलाशय)बाँध मौसम भर जल संग्रह करता हैनिर्गत माँग का अनुसरण करता है; बड़ा डूब-क्षेत्र व गाद की समस्याएँ
पंपित भंडारणसस्ती बिजली पर जल ऊपर पंप किया जाता है और शिखर माँग पर नीचे चलाया जाता हैऊर्जा बनाता नहीं, संचित करता है; एक चक्र में निवल उपभोक्ता

2. संयंत्र-विन्यास व पेनस्टॉक हानियाँ

जल-पथ पर क्रम से आते हैं: बाँध या बैराज जो स्तर उठाता और जल संग्रह या मोड़ता है; अंतःग्रहण जिसमें मलबा रोकने को ट्रैश रैक; नहर या सुरंग (फ़ोरबे जहाँ जल पेनस्टॉक से मिलता है); पेनस्टॉक, टर्बाइन तक की ढलवाँ दाब-नली; सर्ज टैंक, जो लंबे जल-मार्गों में प्रवाह अचानक बदलने पर दाब-उछाल (water hammer) सोख लेता है; पावरहाउस जिसमें टर्बाइन, गवर्नर व जनित्र हैं; तथा ड्राफ़्ट ट्यूब (प्रतिक्रिया टर्बाइनों में) व जल लौटाने वाला पुच्छ-मार्ग। बाढ़ में संरचना की रक्षा हेतु पृथक्करण-वाल्व व स्पिलवे होते हैं।

पेनस्टॉक में घर्षण शुद्ध शीर्ष घटाता है। डार्सी-वाइज़बाख संबंध से hf = f L v²/(2gD), जहाँ v = Q/(πD²/4)। हल उदाहरण। L = 500 m, D = 1.5 m, Q = 6 m³/s, घर्षण गुणक f = 0.02 (दिया गया): v = 6/1.767 = 3.395 m/s; hf = 0.02 × 500 × 3.395²/(2 × 9.81 × 1.5) = 3.92 m। चूँकि hf, Q² के अनुसार बढ़ता है, दी गई नली हेतु एक सर्वोत्तम प्रवाह होता है: शक्ति ρgQ(Hg − kQ²) तब अधिकतम होती है जब hf = Hg/3, अतः अधिकतम पर शुद्ध शीर्ष 2Hg/3 है। अभिकल्पक बड़ी नली लेकर hf को Hg के कुछ प्रतिशत तक रखता है, क्योंकि नली प्रमुख लागत है।

⚠️ सकल शीर्ष वह शीर्ष नहीं है जो टर्बाइन देखता है
P = ηρgQH व विशिष्ट गति में शुद्ध शीर्ष H = Hg − hf प्रयोग करें। शक्ति-सूत्र में Hg रखने से निर्गत बढ़कर आँका जाता है; और अधिकतम-शक्ति नियम hf = Hg/3 निश्चित नली के सर्वोत्तम प्रवाह का परिणाम है, अभिकल्प-लक्ष्य नहीं, क्योंकि उसमें एक-तिहाई शीर्ष व्यर्थ हो जाता।

3. पेल्टन, फ़्रांसिस व कैप्लन टर्बाइन

तीन मुख्य जल-टर्बाइन
टर्बाइनक्रिया व प्रवाहशीर्ष व प्रवाहविशेषताएँ
पेल्टनआवेग; मुक्त धाराएँ वायुमंडलीय दाब पर विभाजित बकेटों पर टकराती हैं; स्पर्शरेखीयउच्च शीर्ष, कम प्रवाहस्पीयर वाल्व व जेट-विक्षेपक से नियमन; ड्राफ़्ट ट्यूब नहीं
फ़्रांसिसप्रतिक्रिया; रनर के आर-पार दाब घटता है; अरीय अंतःप्रवाह, मिश्र निर्गममध्यम शीर्ष, मध्यम प्रवाहगाइड वेन नियमन करते हैं; ड्राफ़्ट ट्यूब; सर्वाधिक प्रचलित
कैप्लनप्रतिक्रिया; अक्षीय प्रवाह; समायोज्य रनर-ब्लेडनिम्न शीर्ष, बड़ा प्रवाहगाइड वेन के साथ ब्लेड-कोण समायोजित कर आंशिक भार पर भी अच्छी दक्षता; ड्राफ़्ट ट्यूब

विशिष्ट गति द्वारा चयन। विशिष्ट गति Ns = N√P/H^(5/4), जिसमें N rpm में, P kW में (शाफ़्ट-शक्ति) और H m में है, ज्यामितीय रूप से समरूप उस टर्बाइन की गति है जो 1 m शीर्ष पर 1 kW दे; यह गति, शक्ति व शीर्ष को एक संख्या में समेट देती है जो रनर के आकार का वर्णन करती है। प्रारूपी परास (मीट्रिक इकाइयों में, सांकेतिक): पेल्टन लगभग 10 से 60 (एकल जेट निचले सिरे पर), फ़्रांसिस लगभग 60 से 300, कैप्लन लगभग 300 से 1000। कम Ns का अर्थ उच्च-शीर्ष, कम-प्रवाह मशीन और उच्च Ns का निम्न-शीर्ष, बड़े-प्रवाह मशीन है। हल उदाहरण। N = 300 rpm, P = 10 000 kW, H = 100 m: Ns = 300 × 100/100^1.25 = 30 000/316.2 = 94.9, फ़्रांसिस परास में।

पेल्टन की मूल बातें। जेट-चाल V₁ = Cv√(2gH) है, जहाँ नोज़ल हेतु Cv ≈ 0.98। सर्वोत्तम बकेट-चाल u, V₁/2 से कुछ कम होती है, व्यवहार में जैसे 0.46V₁; घर्षण-रहित 180° विक्षेपण के लिए u = V₁/2 जेट की पूरी गतिज शक्ति देती है: P = ρQ u (V₁ − u)(1 + 1)। Q = 0.15 m³/s, V₁ = 80 m/s व u = 40 m/s पर P = 1000 × 0.15 × 40 × 40 × 2 = 480 kW, जो ½ρQV₁² = 480 kW के बराबर है। वास्तविक बकेट जेट को 180° से कम मोड़ता है और घर्षण होता है, अतः शक्ति कम मिलती है। चक्र की गति: H = 400 m, Cv = 0.98, u = 0.46V₁ व चक्र-व्यास 1.4 m पर V₁ = 86.8 m/s, u = 39.9 m/s और N = 60u/(πD) = 545 rpm।

4. ड्राफ़्ट ट्यूब, गुहिकायन व आंशिक-भार व्यवहार

ड्राफ़्ट ट्यूब व गुहिकायन। प्रतिक्रिया टर्बाइन की ड्राफ़्ट ट्यूब अपसारी मार्ग है जो निर्गम गतिज ऊर्जा लौटाती है और रनर को चूषण-शीर्ष का लाभ लेकर पुच्छ-जल से ऊपर बैठने देती है। रनर बहुत ऊँचा रखने से स्थानीय दाब वाष्प-दाब की ओर गिरता है और गुहिकायन होता है, जो ब्लेडों में गड्ढे बनाता और दक्षता घटाता है। थोमा गुणांक σ = (Ha − Hv − Hs)/H, जहाँ Ha वायुमंडलीय शीर्ष, Hv वाष्प-दाब शीर्ष और Hs पुच्छ-जल से ऊपर स्थापन है, टर्बाइन के क्रांतिक मान से अधिक होना चाहिए; बड़ा Hs, σ घटाता और गुहिकायन को न्योता देता है। पेल्टन रनर वायु में चलते हैं और इस प्रकार गुहिकायित नहीं होते।

आंशिक-भार व्यवहार। माँग व प्रवाह बदलते हैं, इसलिए दक्षता-बनाम-भार वक्र मायने रखता है। स्पीयर वाल्व वाला पेल्टन चक्र, विशेषतः बहु-जेट, और द्वि-नियमित कैप्लन टर्बाइन भार के चौड़े परास में उच्च दक्षता बनाए रखते हैं। स्थिर रनर-ब्लेड वाले फ़्रांसिस टर्बाइन की दक्षता आंशिक भार पर स्पष्ट गिरती है, और स्थिर-ब्लेड प्रोपेलर टर्बाइन की तीव्र गिरती है। समग्र दक्षता जलीय, यांत्रिक (बेयरिंग) व जनित्र दक्षताओं का गुणनफल है, η = ηh ηm ηg; जैसे 0.92 × 0.98 × 0.97 = 0.875, अतः श्रेष्ठ स्थिति में भी जल-शक्ति का लगभग आठवाँ भाग नष्ट होता है।

5. लघु जल-विद्युत प्रणालियाँ

लघु जलविद्युत मध्यम पैमाने की जलविद्युत है, प्रायः डायवर्ज़न बैराज व छोटे पेनस्टॉक वाली बहाव-नदी पद्धति, बिना बड़े जलाशय के, इसलिए बड़े बाँध की तुलना में डूब-क्षेत्र बहुत कम व पर्यावरणीय पदचिह्न छोटा होता है। “लघु” की आकार-सीमा देशों में भिन्न है, अतः वर्गों को घटते क्रम में नाम से याद रखना अच्छा है: स्मॉल, मिनी, माइक्रो व पिको। उपकरण मानकीकृत और प्रायः स्थानीय निर्मित होते हैं; संयंत्र नहरों, सिंचाई-नालियों के प्रपातों व पर्वतीय धाराओं पर लगते हैं।

  • टर्बाइन का चयन शीर्ष व प्रवाह के अनुसार: उच्च शीर्ष व कम प्रवाह हेतु पेल्टन या टर्गो; मध्यम शीर्ष हेतु फ़्रांसिस; निम्न शीर्ष हेतु कैप्लन, प्रोपेलर या नलिकाकार प्रकार; क्रॉस-फ़्लो (बैंकी) टर्बाइन सरल, सस्ता, बदलते प्रवाह को सहने वाला और निम्न से मध्यम शीर्ष पर माइक्रो हाइड्रो में प्रचलित है।
  • अभिकल्प प्रवाह प्रवाह-अवधि वक्र से चुना जाता है: ऊँचा अभिकल्प प्रवाह अधिक ऊर्जा देता है पर बड़ा, महँगा टर्बाइन जो अधिक दिन आंशिक भार पर चलता है।
  • जनित्र व नियंत्रण: छोटे संयंत्र प्रायः प्रेरण या तुल्यकालिक जनित्र प्रयोग करते हैं; स्थिर-गति जनित्र वाला पृथक माइक्रो-हाइड्रो संयंत्र महँगे यांत्रिक गवर्नर के बजाय इलेक्ट्रॉनिक लोड कंट्रोलर से आवृत्ति थामता है, जो अतिरिक्त शक्ति को बैलास्ट (डंप) भार में मोड़ता है।
🎯 लागत हेतु शीर्ष प्रवाह से अधिक मायने क्यों रखता है
दी हुई शक्ति हेतु ऊँचे शीर्ष को कम प्रवाह चाहिए और इसलिए समान निर्गत के लिए छोटा, तेज़ टर्बाइन, कम व्यास की पेनस्टॉक व छोटा जनित्र चाहिए; इसीलिए उच्च-शीर्ष स्थल प्रायः प्रति kW सस्ते होते हैं, जबकि निम्न-शीर्ष स्थलों को बड़ी, धीमी मशीनें व भारी सिविल कार्य चाहिए।

मुख्य बिंदु

  • P = ηρgQH, शुद्ध शीर्ष H = Hg − hf के साथ; hf = fLv²/(2gD), और निश्चित नली हेतु अधिकतम शक्ति तब जब hf = Hg/3।
  • प्रवाह-अवधि वक्र वह समय दिखाता है जिसमें प्रवाह बराबर या अधिक रहे; अभिकल्प प्रवाह व ऊर्जा उसी से मिलते हैं। बहाव-नदी नदी का अनुसरण करती है; भंडारण माँग का; पंपित भंडारण ऊर्जा संचित करता है।
  • पेल्टन: आवेग, उच्च शीर्ष, वायुमंडलीय दाब पर मुक्त जेट, स्पीयर वाल्व। फ़्रांसिस: प्रतिक्रिया, मध्यम शीर्ष, गाइड वेन। कैप्लन: अक्षीय, निम्न शीर्ष, समायोज्य ब्लेड, आंशिक भार पर अच्छी दक्षता।
  • Ns = N√P/H^(5/4) (rpm, kW, m): पेल्टन हेतु कम, फ़्रांसिस हेतु मध्यम, कैप्लन हेतु उच्च। पेल्टन जेट V₁ = Cv√(2gH) और बकेट-चाल लगभग 0.45V₁; आदर्श 180° विक्षेपण u = V₁/2 पर जेट की पूरी शक्ति देता है।
  • ड्राफ़्ट ट्यूब निर्गम गतिज ऊर्जा लौटाती है पर ऊँचा स्थापन गुहिकायन का जोखिम लाता है (थोमा σ = (Ha − Hv − Hs)/H)। लघु जलविद्युत बहाव-नदी है; शीर्ष के अनुसार क्रॉस-फ़्लो, पेल्टन, कैप्लन-प्रकार मशीनें उपयुक्त हैं, और माइक्रो संयंत्र लोड कंट्रोलर प्रयोग करते हैं।

अभ्यास प्रश्न (18)

उत्तर खोलने से पहले प्रत्येक प्रश्न हल करें। हर व्याख्या सही विकल्प के साथ लुभावना गलत विकल्प भी बताती है, क्योंकि अंक वहीं जाते हैं।

  1. एक स्थल पर कई सौ मीटर का बहुत ऊँचा शीर्ष और जल का छोटा प्रवाह है। कौन-सा टर्बाइन सबसे उपयुक्त है?

    1. कैप्लन टर्बाइन
    2. पेल्टन चक्र
    3. प्रोपेलर टर्बाइन
    4. निम्नतम शीर्ष पर क्रॉस-फ़्लो टर्बाइन
    उत्तर देखें

    उत्तर: B — पेल्टन चक्र

    उच्च शीर्ष व कम प्रवाह निम्न विशिष्ट गति देता है, जो पेल्टन का परास है। कैप्लन व प्रोपेलर मशीनें निम्न शीर्ष व बड़े प्रवाह हेतु हैं।

  2. किस टर्बाइन में समायोज्य ब्लेड वाला अक्षीय-प्रवाह रनर है और वह निम्न शीर्षों हेतु प्रयुक्त होता है?

    1. पेल्टन चक्र
    2. टर्गो टर्बाइन
    3. फ़्रांसिस टर्बाइन
    4. कैप्लन टर्बाइन
    उत्तर देखें

    उत्तर: D — कैप्लन टर्बाइन

    कैप्लन टर्बाइन में अक्षीय प्रवाह है और रनर-ब्लेडों का पिच गाइड वेन के साथ समायोजित हो सकता है। फ़्रांसिस के रनर-ब्लेड स्थिर व अंतःप्रवाह अरीय है, और पेल्टन व टर्गो उच्च शीर्ष की आवेग मशीनें हैं।

  3. कौन-सा कथन पेल्टन चक्र जैसे आवेग टर्बाइन को फ़्रांसिस जैसे प्रतिक्रिया टर्बाइन से अलग करता है?

    1. पेल्टन चक्र में पूरा दाब-पात नोज़ल में होता है और जेट बकेटों पर वायुमंडलीय दाब पर टकराता है
    2. पेल्टन चक्र में रनर-मार्ग जल से भरे रहते हुए रनर के आर-पार जल-दाब क्रमशः घटता है
    3. फ़्रांसिस टर्बाइन वायु में, पुच्छ-जल से मुक्त, मुक्त जेटों के वायुमंडलीय दाब पर ब्लेडों से टकराने के साथ चलता है
    4. केवल फ़्रांसिस टर्बाइन को गवर्नर चाहिए, क्योंकि पेल्टन चक्र बिना नियमन के अपनी गति बनाए रखता है
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — पेल्टन चक्र में पूरा दाब-पात नोज़ल में होता है और जेट बकेटों पर वायुमंडलीय दाब पर टकराता है

    आवेग टर्बाइन में शीर्ष नोज़ल में जेट-वेग में बदल जाता है और बकेट वायुमंडलीय दाब पर केवल उसकी दिशा बदलते हैं। प्रतिक्रिया मशीन में रनर-मार्ग भरा रहता है और उसके आर-पार दाब घटता है।

  4. एक टर्बाइन में N = 300 rpm है, शुद्ध शीर्ष H = 100 m पर P = 10 000 kW देता है, और विशिष्ट गति Ns = N√P/H^(5/4)। विशिष्ट गति परास लगभग 10 से 60 (पेल्टन), 60 से 300 (फ़्रांसिस) व 300 से 1000 (कैप्लन) लेने पर उपयुक्त टर्बाइन है

    1. पेल्टन चक्र, क्योंकि Ns 60 से कम है
    2. कैप्लन टर्बाइन, क्योंकि Ns 300 से अधिक है
    3. फ़्रांसिस टर्बाइन, क्योंकि Ns लगभग 95 है
    4. केवल क्रॉस-फ़्लो टर्बाइन, क्योंकि गति तीनों मुख्य प्रकारों के लिए बहुत कम है
    उत्तर देखें

    उत्तर: C — फ़्रांसिस टर्बाइन, क्योंकि Ns लगभग 95 है

    Ns = 300 × √10 000/100^1.25 = 300 × 100/316.2 = 94.9, फ़्रांसिस परास में। हर से H छूट जाने पर कैप्लन का उत्तर आता।

  5. प्रतिक्रिया टर्बाइन की ड्राफ़्ट ट्यूब का मुख्य कार्य क्या है?

    1. यह गाइड वेन से पहले प्रवाह को अवरुद्ध कर रनर के अंतःग्रहण पर जेट की चाल बढ़ाती है
    2. यह भार के साथ खुलकर व बंद होकर रनर को जाने वाले प्रवाह का नियमन करती है
    3. भार बदलने पर पेनस्टॉक में उठने वाले दाब-उछाल को यह सोखती है
    4. यह निर्गम गतिज ऊर्जा लौटाती है और रनर को पुच्छ-जल से ऊपर बैठने देती है
    उत्तर देखें

    उत्तर: D — यह निर्गम गतिज ऊर्जा लौटाती है और रनर को पुच्छ-जल से ऊपर बैठने देती है

    अपसारी ड्राफ़्ट ट्यूब जल को धीमा कर वेग-शीर्ष को दाब-पुनर्प्राप्ति में बदलती है और रनर के नीचे चूषण-शीर्ष का उपयोग करती है। उछाल सोखना सर्ज टैंक का काम है, और प्रवाह-नियमन गाइड वेन करते हैं।

  6. फ़्रांसिस टर्बाइन के रनर को पुच्छ-जल स्तर से और ऊँचा रखा जाता है, शीर्ष व प्रवाह अपरिवर्तित। मुख्य जोखिम क्या है?

    1. गुहिकायन, क्योंकि थोमा गुणांक घटता है और निर्गम-दाब वाष्प-दाब के निकट पहुँचता है
    2. विशिष्ट गति बढ़ती है और रनर पेल्टन चक्र बन जाता है, जो नए स्थापन के लिए अधिक उपयुक्त है
    3. सकल शीर्ष स्थापन-ऊँचाई के साथ बढ़ता है, इसलिए टर्बाइन अतिभारित होकर ट्रिप होता है
    4. पेनस्टॉक की घर्षण-हानि स्थापन-ऊँचाई के साथ बढ़ती है
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — गुहिकायन, क्योंकि थोमा गुणांक घटता है और निर्गम-दाब वाष्प-दाब के निकट पहुँचता है

    Hs बढ़ने पर σ = (Ha − Hv − Hs)/H घटता है, और निर्गम का कम दाब वाष्प-दाब की ओर गिरता है, अतः गुहिकायन होता है। स्थापन-ऊँचाई विशिष्ट गति के सूत्र को नहीं बदलती और पेनस्टॉक-घर्षण पर प्रभाव नहीं डालती।

  7. निश्चित आकार की पेनस्टॉक निश्चित सकल शीर्ष Hg वाले जलाशय से टर्बाइन को खिलाती है, और घर्षण-हानि Q² के समानुपाती है। अधिकतम शक्ति देने वाला प्रवाह वह है जिस पर घर्षण-शीर्ष हानि है

    1. Hg/2
    2. Hg/4
    3. Hg/3
    4. Hg, ताकि पूरा शीर्ष घर्षण में लगे
    उत्तर देखें

    उत्तर: C — Hg/3

    P ∝ Q(Hg − kQ²); dP/dQ = 0 रखने पर Hg = 3kQ², अतः hf = kQ² = Hg/3। hf = Hg पर शुद्ध शीर्ष शून्य है और शक्ति भी।

  8. लंबी पेनस्टॉक पर सर्ज टैंक का उद्देश्य है

    1. टर्बाइन में प्रवेश से पहले जल में से मलबा व तैरती वस्तुएँ छानना
    2. प्रवाह में अचानक परिवर्तन से उत्पन्न दाब-उछाल (water hammer) सोखना
    3. टर्बाइन पर शुद्ध शीर्ष बढ़ाना
    4. संयंत्र को शुष्क ऋतु पार कराने के लिए पर्याप्त जल संग्रह करना
    उत्तर देखें

    उत्तर: B — प्रवाह में अचानक परिवर्तन से उत्पन्न दाब-उछाल (water hammer) सोखना

    सर्ज टैंक मुक्त सतह देता है जो जल-स्तंभ को चलने देती है और टर्बाइन के द्वार शीघ्र बंद होने पर दाब-वृद्धि सीमित करती है। मलबा ट्रैश रैक रोकता है और मौसमी भंडारण जलाशय का काम है।

  9. छोटी धारा पर एक माइक्रो-हाइड्रो योजना में निम्न-से-मध्यम शीर्ष, प्रवाह में बड़ी विविधता है, और सरल, सस्ता टर्बाइन चाहिए जो स्थानीय स्तर पर आसानी से बन सके। सबसे स्वाभाविक चयन कौन-सा टर्बाइन है?

    1. क्रॉस-फ़्लो (बैंकी) टर्बाइन
    2. पूर्ण ड्राफ़्ट ट्यूब वाला बड़ा फ़्रांसिस टर्बाइन
    3. द्वि-नियमित कैप्लन टर्बाइन
    4. उच्च विशिष्ट गति वाला बहु-जेट पेल्टन चक्र
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — क्रॉस-फ़्लो (बैंकी) टर्बाइन

    क्रॉस-फ़्लो टर्बाइन सरल है, परिवर्ती प्रवाह को अच्छी आंशिक-भार दक्षता से सहता है, और माइक्रो हाइड्रो में व्यापक रूप से प्रयुक्त है। फ़्रांसिस या द्वि-नियमित कैप्लन महँगा व जटिल है, और पेल्टन उच्च शीर्ष हेतु है।

  10. नदी के प्रवाह-अवधि वक्र के बारे में कौन-सा कथन सही है?

    1. यह बाँध पर उपलब्ध शीर्ष को दिन के समय के विरुद्ध आलेखित करता है, ताकि शिखर-घंटे दिखें
    2. यह प्रवाह को वर्ष भर माह-दर-माह कालक्रम से आलेखित करता है, ताकि बाढ़ व सूखा क्रम से दिखें
    3. यह टर्बाइन-दक्षता को प्रवाह के विरुद्ध आलेखित करता है, ताकि सर्वोत्तम संचालन-बिंदु मिल सके
    4. यह प्रवाह को उस समय-अंश के विरुद्ध आलेखित करता है जिसमें वह प्रवाह बराबर या अधिक रहे, और उसके नीचे का क्षेत्रफल उपलब्ध जल-आयतन देता है
    उत्तर देखें

    उत्तर: D — यह प्रवाह को उस समय-अंश के विरुद्ध आलेखित करता है जिसमें वह प्रवाह बराबर या अधिक रहे, और उसके नीचे का क्षेत्रफल उपलब्ध जल-आयतन देता है

    प्रवाहों को बड़े से छोटे क्रम में अतिक्रमण-अंश के विरुद्ध रखने पर वक्र बनता है, और उसका क्षेत्रफल वार्षिक आयतन है। कालक्रम वाला आलेख हाइड्रोग्राफ़ है, अवधि वक्र नहीं।

  11. पेल्टन चक्र के बारे में निम्नलिखित में से कौन-से कथन सही हैं?

    1. यह आवेग टर्बाइन है
    2. जेट बकेटों पर वायुमंडलीय दाब पर टकराता है
    3. प्रवाह का नियमन नोज़ल में स्पीयर वाल्व से होता है
    4. पुच्छ-जल में निकास हेतु इसे ड्राफ़्ट ट्यूब चाहिए
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — यह आवेग टर्बाइन है; B — जेट बकेटों पर वायुमंडलीय दाब पर टकराता है; C — प्रवाह का नियमन नोज़ल में स्पीयर वाल्व से होता है

    आवेग-क्रिया, वायुमंडलीय दाब पर जेट तथा स्पीयर-वाल्व नियमन पेल्टन चक्र के मानक गुण हैं। चक्र पुच्छ-जल के ऊपर वायु में चलता है, इसलिए उसमें ड्राफ़्ट ट्यूब नहीं होती।

  12. प्रतिक्रिया टर्बाइनों के बारे में निम्नलिखित में से कौन-से कथन सही हैं?

    1. फ़्रांसिस व कैप्लन टर्बाइन में ड्राफ़्ट ट्यूब लगी होती है
    2. कैप्लन टर्बाइन अपने रनर-ब्लेड कोण को समायोजित कर आंशिक भार पर अच्छी दक्षता बनाए रखता है
    3. कैप्लन टर्बाइन के रनर-ब्लेड स्थिर हैं और उसका नियमन केवल गाइड वेन करते हैं
    4. फ़्रांसिस टर्बाइन की विशिष्ट गति पेल्टन चक्र से अधिक होती है
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — फ़्रांसिस व कैप्लन टर्बाइन में ड्राफ़्ट ट्यूब लगी होती है; B — कैप्लन टर्बाइन अपने रनर-ब्लेड कोण को समायोजित कर आंशिक भार पर अच्छी दक्षता बनाए रखता है; D — फ़्रांसिस टर्बाइन की विशिष्ट गति पेल्टन चक्र से अधिक होती है

    दोनों प्रतिक्रिया मशीनें ड्राफ़्ट ट्यूब प्रयोग करती हैं, कैप्लन समायोज्य रनर-ब्लेड सहित द्वि-नियमित है, और Ns पेल्टन से फ़्रांसिस से कैप्लन की ओर बढ़ता है। स्थिर ब्लेड वाला कैप्लन प्रोपेलर टर्बाइन होता।

  13. जलविद्युत योजनाओं के बारे में निम्नलिखित में से कौन-से कथन सही हैं?

    1. जल-विद्युत संयंत्र का निर्गत प्रवाह व शुद्ध शीर्ष के गुणनफल के समानुपाती है
    2. छोटे बहाव-नदी संयंत्र में भंडारण कम होता है और उसका निर्गत नदी-प्रवाह का अनुसरण करता है
    3. पृथक माइक्रो-हाइड्रो संयंत्र को आवृत्ति नियंत्रित करने का कोई साधन नहीं चाहिए, क्योंकि नदी-प्रवाह स्थिर होता है
    4. संयंत्र का अभिकल्प प्रवाह प्रवाह-अवधि वक्र की सहायता से चुना जाता है
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — जल-विद्युत संयंत्र का निर्गत प्रवाह व शुद्ध शीर्ष के गुणनफल के समानुपाती है; B — छोटे बहाव-नदी संयंत्र में भंडारण कम होता है और उसका निर्गत नदी-प्रवाह का अनुसरण करता है; D — संयंत्र का अभिकल्प प्रवाह प्रवाह-अवधि वक्र की सहायता से चुना जाता है

    P = ηρgQH, बहाव-नदी निर्गत नदी का अनुसरण करता है, और प्रवाह-अवधि वक्र अभिकल्प प्रवाह तय करता है। माइक्रो-हाइड्रो संयंत्र में भार बदलता है, इसलिए आवृत्ति थामने को लोड कंट्रोलर या गवर्नर चाहिए।

  14. एक जलविद्युत संयंत्र में प्रवाह 20 m³/s, सकल शीर्ष 100 m और जल-मार्ग में शीर्ष-हानि 5 m है। समग्र दक्षता 0.88, जल-घनत्व 1000 kg/m³ व g = 9.81 m/s² है। विद्युत निर्गत शक्ति MW में, एक दशमलव स्थान तक, ____ है।

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    उत्तर: 16.4

    शुद्ध शीर्ष = 100 − 5 = 95 m; P = 0.88 × 1000 × 9.81 × 20 × 95 = 16.40 × 10⁶ W = 16.4 MW। 100 m लेने पर 17.3 MW आता। Python से सत्यापित (16.402)।

  15. 500 m लंबी व 1.5 m व्यास की पेनस्टॉक 6 m³/s जल ले जाती है। डार्सी-वाइज़बाख समीकरण hf = fLv²/(2gD), घर्षण गुणक f = 0.02 व g = 9.81 m/s² लेकर शीर्ष-हानि मीटर में, दो दशमलव स्थान तक, ____ है।

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    उत्तर: 3.92

    v = Q/(πD²/4) = 6/1.7671 = 3.3953 m/s; hf = 0.02 × 500 × 3.3953²/(2 × 9.81 × 1.5) = 115.28/29.43 = 3.917, अर्थात् 3.92 m। Python से सत्यापित।

  16. एक टर्बाइन N = 300 rpm पर चलता है और शुद्ध शीर्ष H = 100 m में P = 10 000 kW (शाफ़्ट-शक्ति) देता है। इसकी विशिष्ट गति Ns = N√P/H^(5/4) (rpm, kW, m), निकटतम पूर्ण संख्या तक, ____ है।

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    उत्तर: 95

    Ns = 300 × √10 000/100^1.25 = 300 × 100/316.23 = 94.87, अर्थात् 95। Python से सत्यापित।

  17. एक पेल्टन चक्र 400 m शुद्ध शीर्ष पर चलता है। नोज़ल गुणांक Cv = 0.98 है, अतः जेट-चाल V₁ = Cv√(2gH), g = 9.81 m/s²। बकेट-चाल 0.46V₁ है और चक्र (पिच-वृत्त) का व्यास 1.4 m है। चक्र की गति rpm में, निकटतम पूर्ण संख्या तक, ____ है।

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    उत्तर: 545

    V₁ = 0.98 × √(2 × 9.81 × 400) = 0.98 × 88.59 = 86.82 m/s; u = 0.46 × 86.82 = 39.94 m/s; N = 60u/(πD) = 60 × 39.94/(π × 1.4) = 544.8, अर्थात् 545 rpm। Python से सत्यापित।

  18. घर्षण-रहित पेल्टन बकेट जेट को 180° मोड़ता है। जेट-चाल 80 m/s, जेट-प्रवाह 0.15 m³/s, जल-घनत्व 1000 kg/m³ व बकेट-चाल 40 m/s है। P = ρQ u (V₁ − u)(1 + cos 0°) लेकर विकसित शक्ति kW में ____ है।

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    उत्तर: 480

    P = 1000 × 0.15 × 40 × (80 − 40) × (1 + 1) = 1000 × 0.15 × 40 × 40 × 2 = 480 000 W = 480 kW, जो जेट की गतिज शक्ति ½ρQV₁² = 0.5 × 1000 × 0.15 × 6400 = 480 kW के बराबर है, अतः आदर्श दक्षता 100 % है।