بررسی و تحلیل جریان سیال آب درون نازل در نیروگاه های برق آبی

در این مقاله، سعی شده است جریان سیال آب درون نازل‌هایی که معمولا در نیروگاه‌های برق‌آبی، مخصوصا واحد‌های توربین پلتون و تورگو بکار می‌رود، مورد بررسی و تحلیل قرار گیرد.

نازل، ابزار کنترل جریان سیال

اگر بخواهیم نازل‌ها را در یک گزاره کوتاه تعریف کنیم می‌توان آن ها را اینگونه معرفی نمود:

نازل، ابزاری برای کنترل، اصلاح و تغییر جهت جریان می‌باشد.

گرچه نمونه و مدل‌های متنوعی از نازل ها وجود دارند، اما از نظر کارکرد، تعریف همه آنها در همین گزاره خلاصه می‌شود. در واقع نازل‌ها نمونه‌های خاصی از کانال‌های انتقال سیال می‌باشند که متناسب با کاربرد محیطی شکل آنها می‌تواند متنوع باشد. این ابزارها برخلاف بسیاری از ماشین های سیالی، هیچگونه قسمت متحرک نداشته و هیچ گونه کاری دریافت یا صادر نمی‌کند. راندمان آنها معمولا در بازه بین ۹۲ تا ۹۸ درصد متغیر می‌باشد. توضیح اینکه راندمان نازل‌ها به صورت نسبت کاهش آنتالپی در حالت واقعی به حالت ایده آل سنجیده می‌شود.

در حقیقت مهمترین کارکرد نازل ها، افزایش سرعت حرکت سیال درون آن می‌باشد. کاربرد نازل‌ها بسیار متنوع بوده و تقریبا هرجایی که سیال نقش داشته باشد می‌توان نمونه‌ای نازل‌ها را در مسیر انتقال سیال مشاهده کرد، از سوزن تزریق دارو تا محفظه احتراق موشک های بالستیک.

در مورد نازل‌ها می‌توان به صورت خلاصه موارد زیر را بیان کرد:

1. اصطکاک دیواره نازل میتواند تا ۱.۵ درصد راندمان نازل را کاهش دهد.
2. ذرات جامد معلق در سیال میتواند تا ۵ درصد راندمان نازل را کاهش دهد.
3. شرایط ناپایا میتواند روی عملکرد نازل به شدت تاثیرگذار باشد.
4. بهترین راندمان نازل در حالت آیزنتروپیک محقق میگردد که عملا غیر ممکن است.
5. فشار ورودی به نازل های همگرا همواره از فشار خروجی جریان بیشتر می باشد.

رابطه برنولی، تراکم‌پذیری و تراکم ناپذیری سیال

یکی از مهمترین دسته بندی ها در مهندسی مکانیک سیالات وابستگی چگالی به تغییرات سرعت می باشد. این وابستگی در قالب دو عبارت تراکم پذیر و تراکم ناپذیر گنجانده شده است. به این معنا که، اگر میزان چگالی یک سیال با توجه به سرعت سیال متغیر باشد این جریان تراکم پذیر محسوب شده و در غیر اینصورت تراکم ناپذیر می باشد. برای تشخیص این موضوع عددی به نام عدد ماخ تعیین شده است که با توجه به آن جریان ها به دو دسته تراکم پذیر یا تراکم ناپذیر دسته بندی میشوند.

این موضوع در نازل ها به شدت حائز اهمیت می‌باشد، چرا که مهمترین اتفاقی که درون نازل‌ها می افتد، تغییرات سرعت می‌باشد. در صورتی که این تغییرات سرعت به حدی باشد که چگالی سیال نیز تحت تاثیر قرار گیرد، و در نتیجه دیگر رابطه برنولی که برای توضیح رفتار سیال مدنظر قرار می گیرد، در مورد آن جریان صادق نمی‌باشد.

رابطه بالا که به رابطه برنولی معروف است، یکی از مهمترین معادلات ارائه شده برای بررسی رفتار سیال می‌باشد که البته برای استفاده از آن نیاز است شرایطی برای آن در نظر گرفته شد. یکی از مهمترین این شرایط، تراکم ناپذیر بودن سیال می باشد.

این رابطه در نازل ها نشان می دهد با کاهش فشار سرعت سیال درون نازل افزایش یافته و در خروجی آن که فشار به فشار اتمسفر میرسد، بیشترین سرعت ممکن سیال در دسترس خواهد بود. این ماکزیمم سرعت سیال کاملا وابسته به میزان فشار سیال در ورودی نازل می باشد. در واقع نازل وظیفه تبدیل انرژی پتانسیل سیال به انرژی جنبشی را برعهده دارد. این نکته را هم نباید از یاد برد که افزایش سرعت سیال در خروجی نازل تا جایی می تواند ادامه یابد که کاهش سطح مقطع نازل موجب نقض قانون بقای جرم نشود. در واقع افزایش سرعت تا جایی امکان دارد که میزان جرم عبوری در واحد زمان در ورودی و خروجی نازل برابر باشد.

اعداد ۱ و ۲ در رابطه بالا را می توان برای هر دو نقطه از یک خط جریان درون نازل نوشت. (خط جریان تابعی از حرکت یه ذره از سیال از ابتدای مسیر خود در طی زمان عبور می باشد.)

دینامیک سیالات محاسباتی(CFD)، تحلیل پدیده‌های مرتبط با سیال

با پیشرفت علم و رشد نرم افزارهای مهندسی، استفاده از علم دینامیک سیالات محاسباتی برای بررسی و تحلیل پدیده های مهندسی مکانیک رشد چشمگیری داشته و استفاده از این گونه نرم افزار ها توانسته کمک شایانی به بهبود عملکرد قطعات مورد استفاده در صنعت گردد. استفاده از اینگونه نرم افزارها یکی از روشهای متداول در اکثر مجموعه های تحقیق و توسعه در زمینه مکانیک سیالات در سراسر دنیا می باشد.

در این شبیه سازی تلاش شده است جریان سیال آب گذرنده از یک نازل مورد استفاده در واحد های نیروگاهی برق آبی مورد بررسی، شبیه سازی و تحلیل قرار گیرد.

توربین‌های آبی، مبدل انرژی پتانسیل به الکتریسیته

توربین های پلتون و تورگو از نوع توربین های ضربه ای بوده و نیازمند انرژی جنبشی برای به حرکت درآوردن رانر خود می‌باشند. ضربه که در واقع نوعی از انرژی جنبشی به شمار می‌رود، به باکت های رانر برخورد کرده و گشتاور تولیدی به ژنراتور منتقل شده و در نهایت میدان مغناطیسی درون ژنراتور، جریان الکتریکی را درون سیم پیچ ها القا کرده و جریان الکتریسیته تولید می‌گردد.

اما این انرژی جنبشی چگونه تامین می‌گردد؟؟؟

این نوع توربین ها نیازمند منبع آب با ارتفاعی بالاتر از سطح محل نصب توربین می‌باشند. در واقع منبع آب باید در ارتفاعی بسیار بالاتر از سطح توربین قرار داشته باشد. در نتیجه فشار سیال در ورودی نازل متناسب با ارتفاع ستون آب در سطح نازل می‌باشد. بنابراین فشار سیال در ورودی نازل بسیار بالا بوده و سرعت سیال را میتوان با رابطه زیر که از پیاده سازی و ساده کردن رابطه برنولی در راستای خط لوله انتقال آب از منبع به نازل حاصل شده است، نشان داد.

این سرعت، سرعت ورودی به نازل می باشد. در واقع در نقطه ورودی نازل، سرعت آب وابسته به حجم جریان آب و قطر خط لوله انتقال آب می باشد. بنابراین برای تبدیل این انرژی پتانسیل به انرژی جنبشی یا همان ضربه که برای به حرکت درآوردن رانر توربین نیاز است، ما به نازل نیاز داریم. در این جا نازل با کاهش سطح مقطع، سیال را مجبور می کند از مساحت کمتری با همان میزان دبی اولیه عبور نماید. در نتیجه سرعت سیال افزایش یافته و طبق رابطه برنولی راهی جز کاهش فشار نخواهد داشت.

معمولا در نازل ها هیچ قطعه متحرکی وجود ندارد. اما نازل های مورد استفاده در صنعت عموما برای کنترل جریان طراحی شده اند. به همین دلیل دارای سوزن کنترل جریان و قطعات راهنما برای حرکت خطی سوزن می باشند. این سوزن با حرکت در راستای جریان میزان گشودگی دریچه خروجی نازل را تنظیم می نماید. یک عملگر مانند Servomotor ، جک هیدرولیکی یا پنوماتیکی در بیرون نازل تعبیه شده که به کمک رابط های مکانیکی نیروی لازم برای کنترل جریان را تامین می نماید.

سیال با توجه به ارتفاع ستون آب خود با سرعتی تقریبا معادل  که ناشی از تبدیل انرژی پتانسیل به انرژی جنبشی در لوله خط انتقال آب می باشد، وارد ورودی نازل می گردد.