طراحی توربین فرانسیس
توربین فرانسیس ترکیبی از توربین های ضربهای و عکسالعملی محسوب میگردد. در این نوع توربین با توجه به برخورد سیال آب به پرههای رانر توربین یا گذر سیال از میان پرههای رانر، میتوان از هر دو نوع نیروی ضربهای و عکسالعملی به طور همزمان بهره برد.
ترکیب توربین‌های عکسالعملی و ضربهای اولین بار توسط یک مهندس عمران اهل آمریکا به نام جیمز. بی. فرانسیس مطرح شد. این که جریان سیال به صورت شعاعی وارد توربین شده و به صورت محوری از آن خارج شود. طراحی توربین فرانسیس این ایده را عملی ساخته است. اصول کارکرد، اجزاء تشکیل دهنده اصلی و کاربردهای آن به صورت مختصر در زیر توضیح داده شده است.
اجزاء تشکیل دهنده
- محفظه حلزونی (Spiral Case)
- پره های ثابت (Stay Vanes)
- پره های متحرک (Guide Vanes)
- پره های رانر (Runner Blades)
- لوله مکش (Draft Tube)
محفظه حلزونی توربین فرانسیس (Spiral Case)
این قسمت یکی از مهمترین اجزاء توربین فرانسیس محسوب می‌شود. چرا که این قسمت وظیفه توزیع یکنواخت انرژی جنبشی و پتانسیل جریان آب، به منظور دستیابی به بهترین عملکرد رانر را بر عهده دارد. در واقع این قسمت با توجه به شکل حلزونی خود (بدنه مارپیچی همراه با کاهش مقطعی مساحت عبوری آب) انرژی پتانسیل ناشی از ارتفاع منبع آب را به صورت مومنتم زاویه‌ای و تا حد امکان به صورت یکنواخت و پیوسته به پره های رانر می‌رساند.
پره های ثابت (Stay Vanes)
این پره‌ها وظیفه هدایت جریان سیال آب را برعهده داشته و در محل خود به صورت ثابت نصب شده‌اند. کارکرد این پره‌ها، کاهش چرخش جریان سیال آب تا قبل از برخورد به پره رانر می‌باشد. این موضوع موجب افزایش راندمان خروجی میگردد.
پره های متحرک (Guide Vanes)
زاویه حمله یا زاویه برخورد، یکی از مهمترین فاکتورها در تحلیل برخورد جریان سیال با یک سطح خارجی می‌باشد. در توربین فرانسیس این وظیفه بر عهده پرههای متحرک می‌باشد. از سوی دیگر این پره‌ها نرخ دبی حریان آب ورودی به پره رانر را نیز تنظیم میکند. این عمل متناظر با کنترل توان خروجی توربین در بالاترین راندمان ممکن براساس بار شبکه برق متصل به ژنراتور کوپل شده با شفت توربین می‌باشد.
پره های رانر (Runner Blades)
رانر یعنی قلب تپنده یک توربین آبی. در واقع راندمان اصلی توربین کاملا وابسته به نوع طراحی پره های رانر می‌باشد. در توربین فرانسیس، پره های رانر به ۲ بخش تقسیم می‌شود. بخش پایینی که از طرحی شبیه باکت‌های کوچک ساخته شده که از نیروی ضربه ای آب برای چرخش شفت متصل به رانر استفاده میکند. بخش بالایی پرههای رانر که با تبدیل نیروی عکسالعملی جریان سیال آب به این چرخش کمک میکند. این ۲ نیروی خروجی با همدیگر موجب چرخش رانر می‌شود.
لوله مکش (Draft Tube)
جریان سیال خروجی از پره رانربه شدت فشار بسیار پایینی دارد و این کاهش فشار میتواند مشکلات بسیار جدی نظیر پدیده کاویتاسیون را به همراه داشته باشد. از این رو جریان خروجی توسط یک لوله که به دقت و با در نظر گرفتن اختلاف فشار جریان خروجی سیال از رانر و فشار بخار اشباع آب طراحی شده است، تخلیه می گردد. این لوله با افزایش مساحت مقطعی مجرای خروجی، فشار دینامیکی جریان آب (حاصل از سرعت جریان آب) به فشار استاتیکی (حاصل از ارتفاع آب) تبدیل کرده و اثرات کاویتاسیون را کاهش می‌دهد.
نحوه عملکرد توربین فرانسیس
سیال آب از طریق محفظه حلزونی وارد توربین شده و به سمت پره های ثابت و پره های راهنما هدایت می‌شود. طراحی محفظه حلزونی با کاهش سطح مقطع موجب ثابت ماندن فشار جریان سیال می‌شود. جریان سیال از میان پره های ثابت عبور کرده و چرخش بوجود آمده در جریان سیال در محفظه حلزونی توسط این پره های ثابت از بین می‌رود. این عمل موجب خطی تر شده جریان سیال شده و این موضوع موجب راحت تر منحرف شدن جریان سیال توسط پره های راهنما میگردد. زاویه پره های راهنما تعیین کننده زاویه حمله جریان سیال آب در برخورد با پره های رانر می باشد. پرههای رانر روی شفت رانر به صورت ثابت نصب شده اند و قابلیت چرخش یا تغیر زاویه را دارا نمی‌باشند. بنابراین همه چیز وابسته به پرههای راهنما است که میتوانند با تغییر زاویه، میزان توان خروجی توربین را کنترل کنند.
توان خروجی و راندمان توربین فرانسیس به طراحی پره های رانر وابسته است. در توربین فرانسیس پره های رانر از ۲ بخش تشکیل شده اند. قسمت پایینی پرههای رانر که شبیه باکت می‌باشد، از نیروی ضربه ای آب برای چرخش شفت استفاده میکند و قسمت بالایی آن از نیروی عکس العملی آب. بنابراین توربین فرانسیس از هر دو نیروی جنبشی و پتانسیل به بهترین شکل ممکن برای چرخش توربین استفاده میکند.
آب خروجی از رانر دارای سطح پایینی از انرژی جنبشی و پتانسیل است. بنابراین با اضافه کردن یک لوله با سطح مقطع افزاینده در راستای جریان، سیال سعی میکند میزان فشار مورد نیاز برای خروج را بازیابی نماید. اما کاهش فشار در خروجی رانر توربین به قدری است که میتواند موجب مکش هوا از دهانه لوله تخلیه به سمت پره رانر گردد. بنابراین این لوله مکش تخلیه تا حدی ادامه پیدا میکند که این اختلاف فشار جبران شود و از بروز پدیده کاویتاسیون جلوگیری گردد.
انواع توربین ها را در مقاله دسته بندی توربین های هیدرولیکی براساس مشخصه های مختلف مطالعه کنید.
پدیده کاویتاسیون در توربین فرانسیس
هد موثر در هر توربین آبی برابر با تفاوت میان هد ورودی و هد خروجی از توربین می‌باشد. توربین های عکس العملی مانند توربین فرانسیس به صوت کامل توسط سیال آب پر شده و در واقع سیال همواره از منبع اصلی تا انتهای لوله مکش که انتهای محفظه رانر را به خروجی اتمسفر متصل میکند در جریان می‌باشد. این لوله باید کاملا با آب پر شده باشد.
انرژی آب در ابتدا در مخزن کاملا به صورت انرژی پتانسیل بوده و در انتهای لوله انتقال آب از منبع به دهانه ورودی رانر به انرژی جنبشی همراه با پتانسیل تبدیل میگردد.
تمامی این انرژی جنبشی در مسیر گذر سیال از رانر به کار تبدیل میگردد. در نتیجه فشار سیال بسیار کاهش یافته و سرعت سیال نیز به شدت افت پیدا میکند. در نتیجه فشار سیال خروجی از محفظه رانر به زیر فشار اتمسفر می‌رسد.
در معادله بالا:
P3 نشانگر فشار جریان سیال در خروجی از محفظه رانر
C3 سرعت جریان سیال در خروجی از محفظه رانر
Z3 اختلاف ارتفاع سیال بین خروجی محفظه رانر و سطح آزاد جریان سیال در تونل پایاب
gΔH dt برابر میزان اتلاف هد در لوله مکش یا همان درفت تیوب
C4 میزان سرعت سیال در خروجی از لوله مکش
Pa فشار سیال در خروجی تونل پایاب برابر با فشار هوای اتمسفر
ρ میزان چگالی آب
معادله بالا یک معادله برنولی بین دونقطه از یک خط جریان می‌باشد. این خط جریان بین دو نقطه ناحیه خروجی از محفظه رانر و نقطه انتهای لوله مکش در تونل پایاب می‌باشد.
شکل بالا، لوله مکش را متصل به یک توربین فرانسیس با محور عمودی نشان می‌دهد. مهمترین بُعد نشان داده شده در این شکل، فاصله عمودی بین صفحه خروج از رانر و سطح آزاد تونل پایاب است. حال می‌توانیم معادله انرژی بین محل خروج از رانر و تونل پایاب را به صورت بالا بنویسیم. در این رابطه میزان افت در لوله مکش با عبارت gΔH نشان داده شده است. برای اینکه سیال به صورت پیوسته از خروجی رانر تا محل تونل پایاب جریان داشته باشد، نیاز است تا میزان انرژی سیال در خروجی محفظه رانر بیشتر از میزان اتلاف انرژی در لوله مکش تخلیه بوده و میزان فشار آن نیز در محل تونل پایاب برابر یا بیشتر از اتمسفر باشد.
در غیر اینصورت میزان فشار سیال ممکن است تا مقدار فشار بخار اشباع آب در دمای محیط کاهش یافته و موجب پدیده کاویتاسیون گردد. این پدیده منجر به تولید و رشد حباب های بخار آب شده و و در محفظه رانر به سمت بالا حرکت کند. این حباب های بخار آب میتواند موجب خوردگی بسیار زیاد قطعات و مخصوصا پره های رانر، پره های ثابت و پره های راهنما گردد.
به همین منظور نیاز است تا محاسبات دقیقی در این ناحیه برای از بین بردن این کاهش فشار انجام شود. بنابراین طراحی لوله مکش به گونه ای می باشد که مساحت سطح مقطع لوله در راستای لوله افزایش می یابد. این افزایش سطح مقطع موجب کاهش سرعت و افزایش فشار می گردد.
در انتها جریان سیال با فشار کمی بیشتر از فشار اتمسفر به محیط بیرون از لوله مکش تخلیه میگردد. همین بیشتر بودن جزئی فشار سیال در خروجی مانع از ایجاد مکش هوا به داخل توربین فرانسیس شده و همچنین از تشکیل پدیده کاویتاسیون جلوگیری می نماید.
نتیجه گیری
توربین فرانسیس یکی از کاربردی ترین توربین های آبی مورد استفاده در نیروگاه های برق آبی در جهان به شمار می‌رود. این نوع توربین ها به دلیل راندمان بالا در کشور ما نیز مورد توجه قرار گرفته است. برای درک بهتر از پروسه تولید برق در این نوع نیروگاه ها می‌توانید به بخش نیروگاه های برق آبی توربین فرانسیس در مجموعه نیروگاه‌های خطوط انتقال آب قم که توسط مجموعه آروین صنعت گستر در حال بهره برداری می باشد، مراجعه نمایید.
