طراحی توربین فرانسیس
طراحی چرخ توربین فرانسیس
اولین گام در طراحی چرخ توربین، بدست آوردن ابعاد اصلی آن است که علاوه بر مشخص نمودن شکل و اندازه کلی توربین، برآوردی از هزینه های تجهیزات مکانیکی و ساختمانی طرح را نیز به دست میدهد.
قطرهای ورودی و خروجی چرخ و همچنین پهنای ورودی آن از جمله مهمترین ابعاد چرخ توربین فرانسیس هستند. برای تعیین هندسه چرخ ابتدا این ابعاد مشخص می گردند، سپس شکل کلی مجرای چرخ تعیین شده و نمای پره در صفحه ی نصف النهاری معلوم می گردد. در مراحل بعد این نمای نصف النهاری مبنای طراحی کامل پروفیل پره ها خواهد بود.
تبدیل انرژی با درجات مختلف به تمامی اجزای توربین شامل محفظه حلزونی، پره های ثابت و متحرک، چرخ و درفت تیوب وابسته است. با این وجود این چرخ توربین است که نقش اصلی را ایفا می کند. بررسی شکل پره های چرخ بر روی مساله تبدیل انرژی متمرکز است که بایستی به بهترین نحو انجام گیرد. آگاهی از مشخصه های اساسی چرخ مهمترین بخش مطالعه است، اگر چه در طراحی توربین بررسی بخش های توزیع کننده و درفت تیوب نیز حائز اهمیت است.
طراحی پره های توربین بر پایه مشخصات در نقطه بهترین راندمان انجام می شود. این مشخصه ها عبارتند از:
هد خالص - دبی - سرعت زاویه ای - دور چرخش رانر
تعیین ابعاد توربین های قدیمی بر اساس محاسبات هیدرولیکی و روش سعی و خطا انجام می گرفت و سپس تصحیحات لازم در جهت بهینه سازی طرح بر روی آن اعمال می گردید. امروزه ابعاد اصلی بر پایه روابط تجربی بدست آمده از توربین های در حال کار استخراج می گردد و سپس در جهت رسیدن به نتایج مورد نظر، تغییرات لازم اعمال می گردد.بنابراین با توجه به اختلاف روش های تعیین ابعاد، سازندگان مختلف از اندازه و فرم متفاوتی حتی برای توربین هایی با شرایط مشابه استفاده می کنند. در فرایند طراحی توربین ها تعداد مجهولات نسبت به معلومات خیلی بیشتر بوده و با توجه به دو کمیت ارتفاع و دبی، انتخاب های زیادی برای طراحی وجود داشته که هر کدام در کارایی و بازده نقش اساسی دارند و لذا می توان گفت که فرایند طراحی نمی تواند فرایندی منحصر به فرد باشد. روش های مختلف دارای مفاهیم مشترک بوده و اصولاً اختلاف آنها به طور عمده به لحاظ اتکای طراح به پشتوانه تجربه خاصی است که در اختیار دارد.
اجزای اساسی محاسبات پره توربین فرانسیس
پره بصورت یک سطح فضایی است که بوسیلۀ محدودۀ مجرای چرخ (هاب یا تاج و شرود یا باند) و لبه های ورودی و خروجی محصور شده است. در صفحۀ نصف النهاری، این محدوده با 4 منحنی تعریف می شود که سطح پره را احاطه کرده اند.
a) پره i) هاب یا تاج e) شرود یا باند 1) لبه ورودی پره 2) لبه خروجی پره
تعیین شکل مجرای چرخ توربین فرانسیس
پس از تعیین ابعاد اصلی چرخ شامل قطرهای ورودی و خروجی و همچنین پهنای ورودی جریان، در مرحله بعد بایستی نمای پره در صفحه نصف النهاری را مشخص نمود. تمامی ابعاد داخلی و خارجی تاج و باند، می توانند نسبت به یک اندازۀ مرجع، یعنی سرعت مخصوص بیان می شوند. محدودۀ سرعت مخصوص برای توربین های فرانسیس در محدودۀ بین 50 تا 450 واقع می شود.
روش ترسیمی پره توربین فرانسیس
این روش که مبتنی بر یک روش تکراری و با سعی و خطا همراه است،
خلاصه ای از روش طراحی توربین فرانسیس
مرحله اول) معمولا در طراحی توربین فرانسیس معلومات مسئله جهت انتخاب توربین، دبی و ارتفاع ریزش (در صورتی که ارتفاع ریزش مشخص نباشد از نمودارها قابل انتخاب است) می‌باشند.
مرحله دوم) ابعاد اصلی چرخ توربین فرانسیس محاسبه می شود. تعیین ابعاد 3 روش کلی دارد. (دلاوا و دسیرو)
مرحله سوم) تعیین شکل مجرای چرخ. در این مرحله با استفاده از کمیت های بدست آمده در مراحل قبل منحنی هاب و شرود بدست می آید.
مرحله چهارم) ترسیم خطوط جریان (با نرم افزار کتیایا سالیدورک)
مرحله پنجم) بدست آوردن زوایای ورود و خروج
مرحله ششم) طراحی پروفیل پره
طراحی محفظه حلزونی توربین فرانسیس
رفتار هیدرودینامیکی محفظه حلزونی بصورت توزیع یکنواخت آب حول پره های ثابت به همراه تولید ممنتوم زاویه ای می باشد. محفظه حلزونی بصورت تئوری صرفنظر از تقسیم دبی آب، سیال را با زاویه مساوی به داخل ماشین می فرستد. برای جریان پتانسیل، طراحی محفظه حلزونی بر اساس قانون جریان بدون چرخش انجام می شود. با این حال با توجه به لایه مرزی بوجود آمده در دیواره محفظه حلزونی، نتایج طراحی بدون چرخش در قسمت آخر که به ناحیه دماغی معروف است، با واقعیت فاصله دارد. طراحی محفظه حلزونی پیشرفته که بر اساس روش سرعت ثابت انجام می شود در واقع کاهش مقطع جریان متناسب با زاویه محفظه حلزونی است.
طراحی پره های هادی متحرک توربین فرانسیس
پره های راهنما دبی عبوری توربین را کنترل می کنند. در توربین های پیشرفته معمولا" از پره های راهنمای با پروفیل نا متقارن استفاده می شود. پروفیل های نامتقارن عملکرد بهتری از پروفیل های متقارن دارند. زاویه پره راهنما در زمانی که کاملا" بسته است صفر در نظر گرفته می شود. تعداد پره های راهنما برای توربین های بزرگ بین 22 و 24 و برای توربین های کوچک بین 12 تا 16 عدد می باشد. تعداد کمتر پره راهنما منجر به بزرگتر شدن قطر دایره گام آنها می گردد و لذا سیستم توزیع کننده جریان شعاع بزرگتری خواهد داشت. قطر دایره گام پره راهنما با فرض عدم برخورد آن با چرخ و از طرفی کمترین فاصله بین آن دو تعیین می گردد.
انجام پروژه طراحی توربین فرانسیس
یکی از پروژه های جذاب که گروه ما علاقه زیادی برای مشاوره و انجام آن در سطح صنعتی و دانشجویی دارد طراحی توربین فرانسیس می باشد. تجربه طراحی انواع مختلف توربین فرانسیس را طی 3 سال گذشته داریم. گروه حامی پیپر معمولا شبیه سازی و تحلیل عددی این توربین ها را با نرم افزار CFX انجام می دهد.
