Loading...
مشاوره، طراحی، ساخت و نظارت اتاق تمیز در کارخانجات دارویی، ملزومات دارویی، تجهیزات پزشکی و بهداشتی

انواع توربین های مورد استفاده در نیروگاه آبی

انواع توربین های مورد استفاده در نیروگاه آبی

توربین پلتون

طرح کلی این توربین ها در شکل زیر نشان داده شده است. این توربین ها در سدهای با ارتفاع ریزش آب زیاد (معمولاً بیش تر از 200 تا 250 متر) و جریان آب کم به کار می رودن. این نوع توربین ها از نوع ضربه ای می باشند که در یک یا چند نازل موازی، تمام فشار آب، تبدیل به سرعت می شود. سپس آب با سرعت زیاد از طریق انژکتور و والو سوزنی داخل آن، به سمت قاشقک توربین (که حکم پره های متحرک را دارند) هدایت می شود. با کنترل موقعیت والو سوزنی می توان دبی آب ورودی به قاشقک های توربین را تنظیم نمود. این عمل، توسط سیستم گاورنر نیروگاه صورت می گیرد. گفتنی است که در توربین پلتون، آب خروجی از نازل در هر لحظه، فقط به یک قاشقک برخورد می کند و در صورتی که آب خروجی در هر لحظه با چند قاشقک برخورد نماید، توربین تارگو نامیده می شود. این موضوع در شکل زیر مشخص شده است.

در مواقع کاهش سریع بار نیروگاه، باید آب ورودی توسط سوزن وسط انرژکتور کم شود که این موضوع، توسط بسته شدن والو سوزنی انجام می پذیرد. اما این عمل، باعث ایجاد فشار شدید در لوله های منتهی به انژکتور می شود. برای جلوگیری از این مشکل، از وسیله ای به نام منحرف کننده استفاده می شود. منحرف کننده (دفلکتور) در واقع کاهش سریع بار به سرعت در مقابل آب خروجی از انژکتور قرار می گیرد و سپس با حرکت آرام والو سوزنی و تنظیم دبی آب موردنیاز، مجدداً به محل خود برمی گردد. طرز کار این سیستم در شکل زیر نشان داده شده است.

از نظر تئوری، حداکثر بازده ی توربین هنگامی اتفاق می افتد که سرعت محور توربین، نصف سرعت آب پاششی باشد و این موقعی است که پره های متحرک دقیقاً 180 درجه آب ورودی را برگرداند. البته در این زمان، سرعت آب تخلیه، صفر است که در عمل، این موضوع امکان پذیر نمی باشد. در واقع نسبت سرعت چرخشی پره ها به سرعت آب پاششی بین 46/0 تا 47/0 می باشد. در نتیجه، بازده این نوع توربین حدود 93% می باشد. در شکل زیر پره های متحرک یک توربین واقعی ضربه ای نشان داده شده است.

توربین فرانسیس

طرح این نوع توربین ها در شکل زیر مشخص شده است. همانگونه که قبلاً هم بیان گردید، این توربین ها برای نیروگاه های با ارتفاع متوسط ریزش آب، و دبی آب جاری متوسط به کار می رود. آب پشت سد توسط کانال هایی وارد لوله های حلزونی شکل می گردد. سطح مقطع این لوله های حلزونی، مرتباً کاهش می یابد تا سیال آب بتواند با سرعت یکنواختی در تماس با پره های اصلی توربین قرار گیرد. آب با سرعت زیاد، پس از عبور از محفظه ی حلزونی شکل، توسط پره های راهنما به پره های اصلی برخورد می کند. وظیفه ی پره های راهنما، افزایش نهایی سرعت آب و جهت دادن مناسب به آب برای برخورد با پره های اصلی (به طور شعاعی) می باشد. با تغییر زاویه ی پره های راهنما می توان شدت جریان آب را تغییر داد که بالطبع، تعداد دور مخصوص توربین هم تغییر می کند. به عبارت دیگر، با بسته شدن کامل این پره ها، لبه های پره های مجاور باهم مماس می شوند و این موضوع، باعث قطع جریان آب به پره های اصلی می گردد. درجه ی باز شدن این پره ها، کمیت و جهت آب جاری شده (و طبیعتاً قدرت توربین) را تغییر می دهد. در نتیجه با برخورد شعاعی آب با پره های اصلی متحرک، انرژی جنبشی به انرژی مکانیکی چرخشی تبدیل می شود. حداکثر بازده ی این نوع توربین ها بین 94 تا 95 درصد می باشد. در شکل زیر پره های متحرک یک توربین واقعی فرانسیس نشان داده شده است.

 

 توربین کاپلان

طرح اساسی این توربین ها را می توان در شکل زیر مشاهده نمود. خصوصیت اساسی این توربین ها آن است که جریان آب به طور محوری با پره های متحرک برخورد می کند. لوله ی حلزونی شکل و پره های راهنما دارای طرح و عملکردی شبیه توربین های فرانسیس هستند. آب با سرعت زیاد پس از عبور از پره های راهنما و قبل از برخورد به پره های متحرک، جهت محوری پیدا می کند تا حداکثر انرژی خود را به پره های متحرک منتقل نماید. معمولاً تعداد این پره های متحرک بین 4 تا 6 عدد می باشد که عموماً در نیروگاه ها قابل تنظیم می باشند. این موضوع، باعث بالا رفتن بازده ی این نوع توربین ها می شود، و در توربین های بزرگ تا مقدار 94% هم می رسد. با تغییر زاویه ی پره های متحرک، میزان آب جاری شده تغییر می کند و نهایتاً قدرت مکانیکی محور تغییر می یابد.

عموماً محور این نوع توربین ها به صورت عمودی نصب می شود که در این حالت، مزایای زیر را به همراه خواهند داشت:

  1. طرح سیستم روغنکاری و یاتاقان ها به سادگی انجام می شود.
  2. نصب و تعمیر ژنراتور به آسانی انجام می شود.
  3. حفاظت توربین و دیگر تجهیزات جانبی با انجام بتن ریزی های محکم انجام می شود.
  4. تجهیزات را می توان بر روی سطح بالای توربین نصب نمود که این موضوع، تعمیرات و نگهداری از تجهیزات را به آسانی مهیا می کند.
  5. غوطه ور نمودن پره های متحرک زیر دم آب خروجی به منظور از بین بردن کاویتاسیون، در مقایسه با غوطه ور نمودن مجموعه ی کامل با حداقل هزینه ی عمرانی همراه خواهد بود. موضوع کاویتاسیون و راه های کاهش آن در انتهای این فصل آورده شده است.

 

توربین های لوله ای

توربین های کاپلان بطور وسیعی در رودخانه ها مورد استفاده قرار می گیرند. در این نوع رودخانه ها، ارتفاع آب، بسیار کم است. البته این طرح ها با مشکلاتی از جمله موارد زیر همراه است:

  • غوطه ور کردن سیستم گردنده ی توربین در داخل آب (به منظور جلوگیری از کاویتاسیون) نیاز به حفاری دارد که این موضوع هزینه ی زیادی را به همراه دارد.
  • تغییرات متعدد جهت آب در لوله های باریک اتفاق می افتد و این موضوع باعث طراحی سیستم تیوپ می شود که خود باعث افزایش تلفات هیدرولیکی می گردد.

این مشکلات باعث استفاده و گسترش توربین های لوله ای می شود که در آن ها سیستم چرخشی از نوع کاپلان با پره های ثابت یا متغیر است و محور آن کم و بیش به صورت افقی نصب می شود؛ بنابراین تا آنجا که ممکن است، جهت آب از جهت محوری منحرف می شود. بازده ی این توربین ها مشابه با توربین های کاپلان است. انواع این نوع توربین را می توان به صورت زیر بیان نمود:

  1. توربین بالب
  2. توربین تیوب
  3. توربین ریم ژنراتور

1- توربین بالب

طرح جداره ی این توربین به همراه ژنراتور آن در شکل (5-10) مشخص شده است. پره های متحرک توربین در انتهای آن قرار گرفته اند و پره های راهنما قبل از توربین نصب می شوند. شکل بدنه ی این توربین ها باید به طور مناسبی طراحی شوند تا تلفات هیدرولیکی آب به حداقل خود کاهش یابد. انواع مختلف طرح های این نوع توربین ها به سه صورت است:

نوع اول آن که پره های متحرک روتور و پره های راهنما قابل تنظیم باشند. نوع دوم دارای پره های راهنمای قابل تنظیم و پره های چرخنده ثابت می باشد. نوع سوم در برگیرنده ی پره های راهنمای ثابت و پره های چرخنده ی متغیر است.

این نوع توربین ها بر روی رودخانه های کوچک نصب می شوند و در نتیجه، دارای قدرت بسیار کمی هستند. ژنراتور به همراه توربین در داخل محفظه ی اصلی توربین واقع می شوند و کل این محفظه در داخل آب قرار می گیرد.

2- توربین تیوب

دو عیب اساسی در توربین های بالب وجود دارد:

اولاً به خاطر فضای کم محفظه ی توربوژنراتور، نگه داری از ژنراتور با مشکل همراه است. ثانیاً اینرسی بسیار کمی قسمت های چرخشی (به خاطر فضای کم ژنراتور و قطر کم آن و سیستم چرخنده) در شبکه تولیدی، ممکن است باعث ایجاد مسائل و مشکلاتی از قبیل عدم سنکرونیزم یا تغییرات فرکانس و سرعت ژنراتور شود.

باتوجه به این دلایل، توربین تیوب به گونه ای طراحی می شود که فاقد مشکلات فوق باشد؛ به این ترتیب که به منظور دسترسی بهتر به ژنراتور، آن را در خارج از مسیر آب قرار می دهند و انرژی چرخشی از طریق یک محور بلند و یک جعبه دنده به محور ژنراتور منتقل می شود. در این حالت، کنترل فرکانس (و بالطبع کنترل سرعت) ژنراتور به راحتی امکان پذیر خواهد بود. البته در این توربین ها، مشکلات دیگری از قبیل دراز بودن محور انتقالی و نیز ترتیب یاتاقان ها بوجود می آید. طرح کلی این نوع توربین ها را می توان در شکل زیر مشاهده نمود.

3- توربین ریم ژنراتور

این نوع توربین که در آن، روتور توربین و ژنراتور یکی می شوند، در شکل زیر مشخص شده است. پره های گردنده ی توربین به وسیله ی یک حلقه ی محیطی پوشیده می شوند که قطب های الکتریکی ژنراتور، متصل به این حلقه می باشند و این حلقه هم توسط استاتور ژنراتور محصور می گردد. این طرح به نام استرافلو می باشد که توسط آقای اسچرویس طراحی شده است. بازده ی این نوع توربین ها قابل مقایسه با دیگر توربین های لوله ای است. از خصوصیات این توربوژنراتور می توان به موارد زیر اشاره نمود:

  1. دسترسی به ژنراتور بسیار راحت است و به خاطر قطر بزرگ سیستم چرخنده، اینرسی آن بسیار زیاد خواهد بود و در نتیجه مشکلی از نظر ناپایداری محور وجود ندارد. مسائل طراحی این نوع توربو ژنراتورها، بیشتر مربوط به توربین آن می باشد (تا قسمت های الکتریکی آن). همچنین در طراحی باید دقت نمود که باتوجه به قطرهای بسیار زیاد محور توربین، تعادل محور کنترل گردد.
  2. به منظور جلوگیری از نفوذ آب به قسمت الکتریکی ژنراتور، نیاز به لایه های پوششی می باشد تا بین حلقه ی چرخشی توربین و بدنه ی ثابت مجرای آب قرار می گیرد.
  3. با استفاده از پره های متحرک غیرقابل تنظیم، هزینه ی این واحدها در مقایسه با دیگر توربین های لوله ای قابل رقابت می باشد. باتوجه به محدوده ی بسیار کم بالاترین بازده ی این نوع توربین ها، و برای استفاده ی بهینه از انرژی آب، باید در قسمت خروجی سیستم از تعداد زیادی توربو ژنراتور استفاده شود؛ و یا این که پره های چرخنده، قابل تنظیم باشند. استفاده از این نوع روش ها، مسائل رقابتی را در سرمایه گذاری توربین های مذکور کم می کند.

نظرات