توربین های آبی و انواع آن ، از پره های تولید برق تا پدیده کاویتاسیون

قطعا تا به حال در مورد تولید برق از روش های مختلف شنیده اید. در این مقاله درمورد توربین های آبی که یکی از روشهای تولید برق بدون استفاده از سوخت های فسیلی و تنها از طریق آب است، اشاره می کنیم.

توربین آبی ماشین متحرکی است که از آب در حال حرکت انرژی می‌گیرد و تا قبل از توربین‌های برقی مهم‌ترین منبع تولید قدرت در صنایع بودند.

انرژی که در آب جاری وجود دارد یک منبع قابل اطمینان و اقتصادی برای تولید برق خانگی و صنعتی محسوب می‌شود. این انرژی طبیعی و قابل بازگشت، حالتی از انرژی خورشیدی است که آب پس از طی کردن چرخه هیدرولوژیکی (تبخیر و تبدیل به ابر، در ارتفاعات بالاتر) مجددا با بارش به ما باز میگردد.

توربین آبی چیست؟

Hydropower یا نیروی مبتنی بر آب، ترکیبی از ریزش عمودی و سپس جریان هموار آب است. به این نحو که با در دست داشتن یک هیدروماشین می توان آبی که از سطوح بالاتر به پایین می ریزد را به انرژی الکتریسیته تبدیل نمود. سرعت آب و میزان ارتفاع دهانه ملقب به head، دو فاکتور موثر در انرژی دریافتی هستند. در واقع آب به خودی خود هیچ انرژی را در برنمی‌گیرد.

– اگر دهانه سراشیبی کمی داشته باشد، نیازمند جریان شدید تری است.

– اگر جریان آب آرام باشد، نیازمند دهانه شیب تیزتری است.

یکی از بارز ترین تفاوت های انرژی آبی در مقایسه با انرژی بادی یا انرژی خورشیدی این است که شما نمی توانید با اضافه کردن ماژول های گیرنده بیشتر، به همان میزان بیشتر برق بگیرید.

زیرا انرژی آبی محدود به منبع خود است و شما با یک دستگاه می توانید تمامی بهره مندی خود را داشته باشید. این در حالی است که مبدل های باد و خورشید برای تولید الکتریسیته، تنها به فضای بیشتری نیازمندند.

انواع توربین آبی

طبقه بندی ماشین های هیدرو مکانیکی (توربین ها)

۱. طبقه بندی براساس نوع جریان آب

• توربین های جریان محوری(جریان آب در طول محور) Kaplan، Propeller
• توربین های جریان شعاعی(جریان آب در امتداد شعاع) Francis
• توربین های جریان مماسی (جریان آب در جهت مماس) Pelton
• توربین های ترکیبی ورودی شعاعی – خروجی محوری Francis

۲. طبقه بندی براساس عمل سیال

• توربین های ضربه ای به صورت Pelton ساخته می شوند. انرژی حاصل از فشار آب به انرژی جنبشی تبدیل شده و سپس آب در فشار اتمسفری پره های توربین را می چرخاند.
• توربین های واکنشی به صورت Kaplan ،Propeller ،Francis ساخته می شوند. در این حالت قبل از آن که آب به پره ها برخورد کند در اثر نیروی واکنشی تنها قسمتی از انرژی آب به انرژی مکانیکی و الکتریکی تبدیل می شود.

توربین چرخ آبی پِلتُن(Pelton Wheel Turbine)

این توربین برای سد با ارتفاع زیاد مناسب می باشد. این توربین شامل دو توری است که در اطراف آن محفظه های سطحی (Bucket) قرار گرفته است. برای به حرکت درآوردن توربین و ایجاد انرژی جنبشی در آن نیاز به تزریق آب با فشار زیاد به سطل ها می باشد.

سطل ها(bucket) از وسط به دو نیم مجزا هستند. آب پس از برخورد به مرکز آن به اطراف حرکت نموده و با مقدار ۱۰ الی ۱۵ در صد سرعت اولیه به مسیر برگشتی آب منتقل می‌شود.

برای بهره برداری بهینه از انرژی آب لازم است که سرعت خروجی آب در حداقل مقدار ممکن باشد. به منظور افزایش قدرت توربین، مسیرهای کمکی (فازهای کمکی) دیگر در اطراف محیط چرخ توربین قرار می گیرد(ا الی ۴ عدد).

البته افزایش بیش از حد فازها توصیه نمی‌شود، زیرا با افزایش فازها در جریان آب اغتشاش ایجاد می‌شود. درعوض می توان برای افزایش قدرت خروجی تعداد توربین ها را افزایش داد.

بخش‌های توربین آبی پلتون

توربین‌های ضربه‌ای انواع بسیار گوناگونی دارند. ولی مدلی که پلتون اختراع کرد، هنوز هم بیشترین راندمان را داراست. شکل زیر، قسمت‌های مختلف توربین پلتون را نشان می‌دهد. در این بخش، برخی از قسمت‌های اصلی این توربین را بررسی می‌کنیم.

• نازل

آب از بالادست جریان، با عبور از یک لوله تحت فشار به نام پنستوک (penstock)، به نازل می‌رسد. با استفاده از این نازل، جت آب با سرعت بالا به بشقابک‌ها برخورد می‌کند. با کمک یک میله سوزنی شکل که داخل نازل قرار دارد، می‌توان جت آب و قطع و وصل شدن آن را کنترل کرد. این میله فقط در راستای طولی و به جلو و عقب حرکت می‌کند.

• رانر و بشقابک

رانر توربین پلتون از یک دیسک تشکیل شده که تعدادی بشقابک روی محیط آن قرار گرفته‌اند. بشقابک‌ و جداکننده آن طوری طراحی شده‌اند تا جت خروجی آب، زاویه ۱۶۰ یا ۱۷۰ درجه داشته باشد. جنس بشقابک‌ها می‌تواند از چدن، آلیاژ برنز و فولاد و فولاد ضد زنگ باشد. انتخاب جنس توربین، به هد ورودی آب و تأثیر آن روی خوردگی بدنه بستگی دارد. بشقابک‌ها پس از دریافت جت آب، به حرکت درمی‌آیند و رانر را می‌چرخانند. با چرخش رانر، محور (shaft) خروجی هم شروع به چرخش می‌کند.

• محفظه

برای اینکه آب برگشتی (جت خروجی از بشقابک‌ها) به اطراف پاشیده نشود و تمام آب در تونل پایاب (tail race) تخلیه شود، از یک محفظه استفاده شده است. محفظه توربین پلتون، کاربرد هیدرولیکی ندارد.

• جت ترمزی

اگر مسیر خروجی نازل کاملاً مسدود شود، حجم آبی که به بشقابک‌های رانر برخورد میکند، به صفر خواهد رسید. ولی رانر به دلیل داشتن اینرسی زیاد، تا مدتی طولانی به چرخش خود ادامه خواهد داد. در این وضعیت و برای اینکه در فاصله زمانی کوتاهی، توربین متوقف شود، از یک نازل کوچک استفاده می‌شود تا آب را به پشت بشقابک‌‌ها پرتاب کند. این جت آب، به عنوان جت ترمزی شناخته می‌شود.

تنظیم سرعت توربین آبی پلتُن

مقدار جریان آب خارج شده از نازل (شیپوره) توسط سوزن در انتهای شیپور کنترل می‌شود. با جلو رفتن سوزن شیپوره میزان حجم آب ورودی به توربین کم شده و سرعت توربین کاهش می یابد.

از طرف دیگر چون توربین پلتن به ژنراتور متصل است، بنابراین بایستی سرعت آن ثابت بماند. پس علاوه بر کنترل حجم آب توسط سوزن شیپوره از انحراف دهنده نیز استفاده می شود. انحراف دهنده تمام یا قسمتی از آب را از مسیر آن به سمت توربین منحرف می کند.

توربین آبی فرانسیس  (Francis Turbine)

توربین فرانسیس یک توربین واکنشی است. یعنی این توربین از کل ارتفاع قابل دسترسی  (Head) قسمتی را به صورت انرژی فشاری و قسمتی را به صورت انرژی جنبشی استفاده می‌کند.

این توربین برای سد با ارتفاع متوسط استفاده می‌شود. زیرا در توربین پلتن اگر ارتفاع کاهش یابد بایستی قطر توربین افزایش یابد که باعث کاهش سرعت توربین می شود که در نهایت توربین بلااستفاده شده و بایستی توربین فرانسیس به جای آن انتخاب گردد.

اجزای اساسی توربین آبی فرانسیس به شرح زیر است:

• تجهیزات پره های هدایت کننده: این پر ه ها در قسمت حلقه خارجی و ساکن توربین می باشند و وظیفه هدایت آب رابه سمت قسمت چرخان توربین دارند.
• حلقه داخلی: این حلقه شامل پره های چرخان بر روی قسمت متحرک توربین است.

بخش‌های توربین آبی فرانسیس

بیشتر توربین‌های فرانسیس طوری ساخته می‌شوند که محورشان عمودی قرار بگیرد. برخی توربین‌های کوچکتر می‌توانند محورهای افقی هم داشته باشند. در شرایطی که محدودیتی برای اندازه وجود نداشته باشد، توربین عمودی انتخاب اول است.

شکل زیر، قسمت‌های مختلف توربین فرانسیس را نشان می‌دهد. شکل پره‌ها در توربین فرانسیس طوری است که می‌تواند به صورت همزمان از انرژی جنبشی و پتانسیل سیال برای تولید توان استفاده کند. در نتیجه، دیگر نگرانی برای افت هد وجود نخواهد داشت.

در این قسمت، بخش‌های اصلی توربین فرانسیس را تشریح می‌کنیم.

• محفظه حلزونی

محفظه حلزونی (spiral casing) 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) و اسکرول (scroll) نام‌های دیگری است که به جای محفظه حلزونی به کار می‌روند.

• پره‌های ثابت

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 (stay vanes) در موقعیت خود ثابت می‌مانند و چرخش آب را که از جریان شعاعی ناشی شده، کاهش می‌دهد. در این حالت، راندمان توربین بالاتر می‌رود.

• پره‌های راهنما

پره‌های راهنما (guide vanes) ثابت نیستند و با توجه به نیازمندی‌های مربوط به کنترل زاویه برخورد آب به پره‌های توربین، می‌توان زاویه آنها را تغییر داد. با این کار، راندمان هم بالا می‌رود.

پره‌های راهنما، به عنوان دریچه‌های هادی (wicket gates) هم شناخته می‌شوند. از سوی دیگر، نرخ دبی آب هم به سمت پره‌های رانِر تنظیم می‌شود تا توان خروجی با توجه به بار توربین، قابل کنترل باشد.

• پره‌های رانِر

عملکرد و راندمان توربین تا حد زیادی به چگونگی طراحی پره های رانِر (runner blades) 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.

• لوله رانش

در حالت کلی، فشار در خروجی رانر در توربین‌های عکس‌العملی، کمتر از فشار اتمسفر است. در نتیجه، آب نمی‌تواند مستقیماً در تونل پایاب (tail race) 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 رانش (draft tube) نام دارد که در برخی مقاله‌های فارسی، مانند نام انگلیسی‌ آن، «درفت تیوب» هم خوانده می‌شود. یک سرِ لوله رانش 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 باشد.

نحوه عملکرد توربین آبی فرانسیس

در این توربین آب به صورت شعاعی وارد شده و از مرکز آن خارج می‌شوند. فشار آب خروجی در این حالت پایین است و شانس ایجاد حفره وجود دارد. چون فشار آب خروجی در حد اتمسفر نیست، بنابراین در طراحی توربین مسیری تعبیه می‌شود تا آب خروجی را به انتهای توربین هدایت کند.

تفاوت عملکرد توربین آبی پلتن و فرانسیس

توربین پلتن در آن آب خروجی فشار پائین به طور مستقیم به انتهای توربین سرازیر می شود. قطر مسیر لوله ای به تدریج افزایش یافته و در انتها در آب غوطه ور می‌شود تا از ورود آب به مسیر لوله ای اجتناب شود.

در توربین فرانسیس دو نوع ساختار به صورت عمودی و افقی ممکن است وجود داشته باشد. نوع افقی متداول تر بوده و سرعت بالایی دارد، در صورتی که برای ماشین های بزرگ معمولاً نوع عمودی ترجیح داده می‌شود.برای تنظیم میزان آب ورودی به این توربین، پر ه‌های هدایت کننده تعبیه شده‌اند که به موازات محور توربین در قسمت متحرک نصب شده اند.

این پر ه‌ها به صورت همزمان و لحظه ای در یک جهت حرکت می‌کنند و مقدار حرکت آن ها بستگی به میزان آب کنترل شده دارد. در این توربین نیز همانند توربین پلتن حرکت توربین به صورت خودکار کنترل و تنظیم می‌شود.

بازده توربین های فرانسیس در ماکزیمم آب ذخیره شده، ۷۵ درصد بازده توربین های پلتن است.

 به دلیل این که توربین فرانسیس برای سرعت های بالا طراحی می‌شود، در نتیجه ابعاد و وزن آن ها کمتر خواهد بود.

توربین هایی که دارای خروجی و سطح تماس کوچکتری هستند می توانند به صورت مستقیم در مسیر جریان آب قرار گیرند.

آب مستقیماً باسرعت به پره های توربین وارد شده و سپس با کاهش انرژی جنبشی به قسمت انتهای مسیر آب می‌رسد و در طرف دیگر توربین با استفاده از سیستم چرخ دنده ژنراتور به حرکت درمی آید.

مقایسه توربین آبی کاپلان و فرانسیس

•  توربین کاپلان از نظر ساختمان بسیار متراکم  بوده و دارای سرعت دورانی بالا می باشد.
• راندمان توربین کاپلان در بارهای کسری زیاد است.
• جریان آب در توربین کاپلان کاملاً محوری و آسان بوده در حالی که در توربین فرانسیس جریان آب شعاعی و نسبتا مشکل است.
• مقدار پره ها در توربین فرانسیس ۱۶ عدد بوده در حالی که در توربین کاپلان فقط ۴، ۵ یا ۶ عدد است.
• کاهش مقدار پره ها در توربین کاپلان باعث کاهش اصطکاک مابین پره های آب شده و در نهایت افزایش راندمان را در پی دارد.
• در توربین کاپلان پره های بر روی توپی یا بدنه محافظت می شوند.
• با در نظر گرفتن ارتفاع سد ثابت سرعت توربین های کاپلان و  پروپلر ۲ الی ۳ بار بیشتر از توربین فرانسیس می باشد. برا این اساس قطر قسمت محرک قابل افزایش بوده ولی به دلیل تولید انرژی و خروجی بیشتر از تعداد چرخ  های توربین پرهیز می شود.

ارتباط ارتفاع سد با سرعت توربین آبی

برای هر نوع توربین و سد مربوطه رابطه مشخص برای ارتفاع سد نسبت به توربین نیروگاه وجود دارد.

توربین Pelton  در ارتفاعات۹۰  متر تا ۱۱۰۰ متر و در سرعت ۱۰  تا ۴۰  دور بر دقیقه (r.p.m) مناسب می باشد.
برای توربین فرانسیس ارتفاع ۱۴ تا ۳۰۰  متر و سرعت ۹۵ تا ۴۴۰  دور بر دقیقه مناسب است
برای توربین کاپلان ارتفاع ۳ تا ۳۰  متر و سرعت ۵۵۰ تا ۸۳۰  دور بر دقیقه مناسب است.

حباب ها در توربین آبی – کاویتاسیون (Cavitation)

با ارسال آب به سمت توربین ها توسط لوله ها و چرخش توربین، آب به مسیر برگشتی خود ارسال می شود.
اگر در هر نقطه ای فشار آب به حد فشار بخار برسد، بسته های بخار یا حباب ها تشکیل می شود که در مسیر عبور آب حرکت می کنند و این کار باعث افزایش فشار بخار و متراکم شدن بخار می شود.

معمولاً چنین عملکردی باعث می شود تا شکست سیال اتفاق افتاده و در اثر ضربه آب و نویز صدا تولید می گردد. فشار آب همچنین باعث صدمه رسیدن به سطوح مورد تماس یافته با آب می شود.

نقاط تشکیل حباب در توربین ها

• قسمت های فوقانی دیواره های لوله
• قسمت های تحتانی سطل های(Bucket) توربین پلتن
• در نزدیکی نوک شیرهای توربین های ضربه ای
• در گوشه های تیز سطوحی که تولید حباب می کنند

با روش های زیر می توان از تشکیل حباب جلوگیری کرد:

• با ایجاد انحنا (خمیدگی) ملایم در مسیر جریان آب
• استفاده از خاصیت مقاومت مواد در عبور سیال
• استفاده از مسیرهای فلزی در جاهایی که امکان وجود حباب است.
  کاهش میزان فشار در قسمت محرک توربین (در انتهای قسمت برگشتی آب)