آشنایی با اجزا و نحوه عملکرد یک توربین فرانسیس و به دست آوردن بازده آن در شرایط مختلف
توربو ماشین ها دستگاههای مکانیکی هستند که به واسطه بر هم کنش بین تیغه های دستگاه و جریان پیوسته سیال درون آن، بین آن ها تبادل انرژی صورت می گیرد . اگر توربوماشین به سیال انرژی بدهد پمپ (انتقال انرژی به مایع) یا کمپرسور ، دمنده و فن (انتقال انرژی به گاز) نامیده می شود { در فن ها افزایش فشار تا 300 م م آب، در دمنده ها فشارهای بالاتر از اتمسفر و در کمپرسورها دامنه کاری می تواند تا فشارهای بسیار بالا باشد} و اگر توربو ماشین از سیال انرژی دریافت نماید توربین نامیده می شود. توربو ماشین ها در محدوده عملیاتی مشخصی به خوبی کار کرده در خارج آن محدوده عملکرد آن ها افت می نماید. مهمترین پارامترهای عملکردی موثر در انتخاب توربو ماشین ها عبارتند از دبی حجمی، فشار( هد ) گشتاور و توان ( شرایط محیطی ، دما و لزجت سیال هم در طراحی موثر می باشند) . مهمترین روابط حاکم در تحلیل توربو ماشین ها عبارتند از: قانون بقای جرم، قانون بقای اندازه حرکت زاویه ای و قانون بقای انرژی. در این آزمایش به بررسی عملکرد یک توربین فرانسیس می پردازیم و بازده آن را برای شرایط عملکردی مختلفی بدست می آوریم.
این توربین از دسته توربین های عکس العملی است ورود جریان به توربین درجهت شعاعی بوده و ورودی توربین شکل حلزونی دارد. دلیل این امر دادن چرخش به آب برای رسیدن به راندمان بالاتر هنگام ضربه زدن جریان سیال به پره های توربین است. آب به کمک پره های هدایت کننده (vanes guide (با سرعت و فشار وارد توربین شده با پره های رانر برخورد کرده انرژی را به پره ها منتقل کرده با ایجاد گشتاور موجب چرخش محور توربین و تولید کار می شود. سیال پس از برخورد به پره ها و از دست دادن انرژی از مجرایی در راستا محوری وارد لوله کششی خروجی شده و از توربین بیرون میرود. کنترل توان توربین با تنظیم پره های هدایت کننده انجام می شود. به دلیل تغییر جهت جریان سیال این توربین در رده توربین های جریان مختلط قرار می گیرد. توربین های فرانسیس مناسب دامنه دبی ( متر مکعب بر ساعت) و هد متوسط (45-250 متر آب)می باشند. بهترین توربین های فرانسیس بازدهی در محدوده 80-95 درصد دارند.
الف- محفظه حلزونی ( casing spiral)
محفظه حلزونی (که به عنوان غلاف حلزونی هم شناخته میشود) محلی برای ورود آب است. آب مخزن یا آب سد، از طریق همین مسیر و با فشار زیاد وارد توربین میشود. پرههای توربین به صورت دایرهای قرار گرفتهاند. بنابراین، آبی که قرار است به پرههای توربین ضربه بزند، باید برای راندمان بهتر، در جهت چرخشی جریان پیدا کند. بدین منظور از محفظه حلزونی استفاده شده است. البته باید این موضوع را در نظر داشت که حرکت چرخشی موجب تلف شدن بخشی از فشار میشود. والوت (volute (اسکرول (scroll(نامهای دیگری است که به جای محفظه حلزونی به کار میروند. ب- پره های ثابت(vanes stay ( و پره های متحرک(vanes guide( پرههای ثابت و راهنما، آب را به سمت پرههای رانِر هدایت میکنند. وظیفه اصلی آنها این است که بخشی از انرژی پتانسیل سیال را در ورودی به انرژی جنبشی تبدیل کنند و سپس سیال را با زاویه دلخواه به سمت پرههای رانر روانه سازند. پرههای ثابت (vanes stay(در موقعیت خود ثابت میمانند و چرخش آب را که از جریان شعاعی ناشی شده، کاهش میدهد. در این حالت، راندمان توربین بالاتر میرود..در واقع تبدیل انرژی هم در پره های متحرک و هم در پره های ثابت انجام میگیرد.کنترل توان خروجی با تغییر زاویه پره های متحرک انجام می شود.
عملکرد و راندمان توربین تا حد زیادی به چگونگی طراحی پره های رانِر (blades runner(وابسته است. در یک توربین فرانسیس، پرههای رانر به دو بخش تقسیم میشوند.نیمه پایینی به شکل یک سطل کوچک ساخته میشود تا از نیروی ضربه آب برای چرخاندن توربین استفاده کند. اما نیمه بالایی از نیروی عکسالعمل آب بهره میبرد. این دو نیرو در کنار هم، موجب چرخیدن توربین میشوند. هنگام عبور آب از پرههای رانر، از مومنتوم زاویهای آب کاسته شده و روی محور توربین کار انجام میشود. در شرایط طراحی، جریان در راستای محوری از رانر خارج میشود. در شکل زیر، نمایی از پرههای رانر در توربین فرانسیس را مشاهده میکنید. رانر در توربین فرانسیس معمولاً از حدود ۱۶ تا ۲۴ پره منحنی تشکیل میشود. جنس رانر برای هد کم، از چدن ریختهگری و برای هِدهای زیاد از آلیاژ فولاد انتخاب میشود. قطر رانر را میتوان حداکثر تا ۷ متر هم طراحی کرد.
در حالت کلی، فشار در خروجی رانر در توربینهای عکسالعملی، کمتر از فشار اتمسفر است. در نتیجه، آب نمیتواند مستقیماً در تونل پایاب (race tail(تخلیه شود. بدین منظور باید از لولهای استفاده شود که سطح مقطعش آرام آرام افزایش مییابد. از این لوله برای تخلیه آب از نقطه خروجی توربین تا تونل پایاب استفاده میشود. این لوله، لوله کشش draft ( (tubeنام دارد که در برخی مقالههای فارسی، مانند نام انگلیسی آن، «درفت تیوب» هم خوانده میشود. یک سرِ لوله کشش به خروجی رانر وصل است و انتهای دیگرش درون تونل پایاب و پایینتر از سطح آب، مستغرق میشود. این کار، همچنین کمک میکند تا همیشه داخل توربین پر از آب بوده و عملکرد هیدرولیکی توربین بهبود یابد.
در توربین هاي عکس العملی پس از عبور سیال از پره هاي راهنما، زاویه سرعت آن به اندازه تغییرجهت می یابد. اگر از اصطکاك بین سیال و پره هاي ثابت و همچنین آشفتگی جریان صرفنظر شود. چون پره ها ثابت هستند. لذا کاري بر روي سیال انجام نمی گیرد. در شکل طرح شماتیک پره هاي ثابت و گردنده و همچنین مثلث سرعت ها نشان داده شده است .
اگر Tکوپل خروجی چرخ گردنده باشد، به کمک قانون ممنتوم زاویه اي می توان دریافت:
توربین فرانسیس شامل یک محفظه حلزونی شکل با قاب کناري شفاف می باشد. محفظه داراي یک ورودي آب است. در داخل محفظه، پره هاي راهنماي قابل تنظیم و ایمپلر(پیش برنده) قرار دارد. ورودي شکل حلزونی دارد و این ساختار به کمک پره هاي راهنما باعث میشوند آب مماس وار به رانر برخورد کند و رانر به چرخش درآید. هرچه آب بیشتر به دور توربین میچرخد شعاع مجراي آن کمتر میشود که در نتیجه آب سرعت از دست رفته خود را احیا میکند. در نهایت آب خروجی داراي حداقل انرژي جنبشی و پتانسیل است. دستگاه حاضر شامل یک توربین عکس العملی از نوع فرانسیس می باشد. پره هاي ثابت و گردنده توربین بطور کامل در پوسته اي قرار داد. قسمتی از پوسته شفاف بوده و پره ها از میان آن قابل رویت هستند. توسط پره هاي راهنما میتوان مقدار گذر و قدرت خروجی را کنترل نمود. زاویه قرار گیري پره هاي راهنما توسط شیر فلکه اي واقع در قسمت چپ توربین قابل تغییر است. که با پیچاندن دسته آن می توان شرایط مختلف زاویه اي را براي آن ایجاد نمود. انرژي آب توسط یک پمپ تامین می گردد. دبی آب به وسیله یک شیر فلکه اي قابل تنظیم بوده و توسط یک دبی سنچ الکترونیکی اندازه گیري می شود و مقدار آن بر حسب لیتر بر دقیقه بر روي نمایشگر نشان داده خواهد شد. فشار ورودي به توربین توسط یک فشار سنج الکترونیکی اندازه گرفته خواهد شد و بر حسب bar نشان داده خواهد شد. براي اندازه گیري گشتاور محور توربین از یک نیروسنج استفاده شده است. گشتاور ترمزي به وسیله قرار دادن وزنه هاي استاندارد روي کفه بارگذاري، و عددي که نیروسنج نشان می دهد، محاسبه می شود. عدی که نمایشگر نشان می دهد بر حسب کیلو گرم با دقت 0,01است که با ضرب ان در بازوي گشتاور و شتاب جاذبه گشتاور محاسبه خواهد شد. دکمه نصب شده در زیر نمایشگر نیرو جهت صفر نمودن مقدار نیرو است.قبل از شروع آزمایش مقدار نیرو را صفر نمایید. قطر بازوي گشتاور در این دستگاه mm30 است. دور توربین به وسیله یک دورسنج اندازه گیري شده و توسط نمایشگر دیجیتال نمایش داده می شود. حاصلضرب گشتاور نیروي ترمزي Tدر سرعت زاویه اي توربین می توان قدرت ترمزي محور توربین را به دست می دهد. با دانستن قدرت آبی, راندمان توربین تعیین می شود .
1. مخزن دستگاه را از آب پر کنید. (بهتر است از ضد یخ و آب مقطر براي جلوگیري از ایجاد رسوب در سیستم به کار رود . درصورت استفاده از آب مقطر و ضدیخ در مخزن نیاز به تخلیه آب تقریبا بعد از هرسال تحصیلی می باشد).
2. دو شاخه جعبه برق را به پریز وصل کنید.
3. به کمک کلید روشن /خاموش نمایشگرها روشن خواهند شد.
4. به کمک کلید مربوط به پمپ می توانید پمپ را روشن نمایید.
5. میزان دبی آب ورودي به پمپ را به کمک شیر فلکه اي تنظیم کنید و میزان دبی آن را ثبت کنید.
6. میزان زاویه پره ها را به کمک شیر مربوطه تغییر دهید و مقدار آن را از صفحه مدرج کنار آن بخوانید.
7. مقدار دور را از نمایشگر RPM بخوانبد. .8بر روي کفه بار گذاري وزنه بگذارید و مقدار گشتاور ترمزي را حساب کنید.
دستگاه را راه اندازي نموده و آزمایش را مطابق زیر انجام دهید.
تیغه هاي راهنما را به اندازه دلخواهی باز نموده و هد را ثابت نگه دارید. نیروي ترمز را در چند مرحله با قرار دادن وزنه بر روي کفه بارگذاري، افزایش داده در هر مرحله جرم وزنه ها, نیروي ترمز و دور توربین را در جدول (1) یادداشت کنید. این کار را آنقدر تکرار نمایید تا دور به صفر برسد. جرم کفه بارگذاری 13 گرم است که باید با جرم وزنه ها جمع شود
