توربین آبي

[Niima]

نیروگاه هسته‌ای مانند هر مرکز مولد برق با هدف تولید برق ایجاد می‌شود. تولید برق کار مشکلی به نظر نمی‌رسد. هر یک از شما احتمالا تکمه فلاش عکاسی یا استارت یک اتومبیل را زده است. در هر دوی اینها از انرژی الکتریکی ذخیره شده در یک باطری در موقع لزوم استفاده می‌شود. ولی یک ایستگاه مولد برق را نمی‌توان از تعداد زیادی باطری متصل به هم تشکیل داد. دو دلیل بسیار مهم وجود دارد که چرا این کار نمی‌تواند صورت پذیرد:

اول اینکه باطریها مقدار انرژی الکتریکی محدودی دارند و نمی‌توانند بدون آنکه مرتب پر شوند مدت طولانی دوام داشته باشند، علاوه بر این برای پرکردن آنها نیاز به منبع انرژی الکتریکی دیگری است.

دوم اینکه باطریها نمی‌توانند انرژی الکتریکی به مقدار زیاد در زمان کوتاهی تهیه کنند. اگر باطری نمی‌تواند منظور یک یک مرکز تولید برق را برآورده سازد پس چه چیز می‌تواند؟


راههای تولید برق

مردم سالهای متمادی است حرکت مکانیکی را برای تولید برق مورد نیاز خود بکار می‌برند. می‌دانید اساس کار یک دستگاه مولد برق (ژنراتور) ، اعم از مولد جریان مستقیم یا متفاوت ، حرکت نسبی یک‌ هادی در میدان مغناطیسی است. ولی مولد یک عیب دارد آن این است که مانند باطری نمی‌تواند انرژی الکتریکی ذخیره کند، به عبارت دیگر برقی که مولد تولید می‌کند باید در حین تولید مصرف شود.

در همه مولد‌ها یک چیز مشترک است، همه آنها نیاز به منبع قدرت دارند تا استوانه حامل‌هادی‌ها را ، یا آهنربای مولد میدان مغناطیسی را بچرخاند یعنی حرکت مکانیکی سیم‌ها را در میدان مغناطیسی ثابت ( یا حرکت آهنربا را در مقابل سیم پیچ‌ها ثابت) تامین کند. منابع قدرت مورد استفاده انواع مختلف دارند. چهار نوع از آنها که اغلب مورد استفاده قرار می‌گیرند عبارتند از توربین آبی ، توربین بخار ، توربین گازی و موتور‌های درون سوز.

توربین آبی

در نیروگاه‌های هیدرولیک برای چرخاندن مولد برق (ژنراتور) از توربین آبی استفاده می‌شود. این طریقه تولید برق از لحاظ اقتصاد با صرفه است ولی محدودیت جغرافیایی محل از لحاظ سد سازی دارد.


توربيـــــن يك سيستم مكـــانيكي اســـت كه انــرژي پتانســــيل آب را به انـــرژي مكــانيكي تبديـــل مي كند. مقــــدار انـــرژي توليـــد شـــده به پارامترهايي از قبيل هـــد، دبي و مقدار تلفــات نشتي بستگي دارد.
توربينهاي آبي، معمولا" به 3 دسته كلي پلتون، فرانسيس و كاپلان تقسيم مي‌گردند كه در هر نيروگاه متناسب با هد و دبي آب، توربين متناسب با آن، انتخاب مي‌گردد.در بسياري از نيروگاههاي بزرگ و متوسط ايران از توربين نوع فرانسيس عمودي استفاده شده است.
بطور مثال، تــــــوربين‎هاي نيروگاه كـــارون يك،دز،كارون 3 و كرخه،از نوع فرانســـــيس، عكس‎العملي و با محــــور عمــودي مي‎باشـــــند كـــه كامــلاً در آب غـــوطه‎ور هستند. آب باعــــــث ايجــــاد كوپل چرخشي در توربـــــين مي‎شــــــود. هر توربــــين شامل اجـــزاء زير است : محفظــــه حلزونــــــي(Spiral Case) ، حلقــــه ثابت(Stay ring) ، پره‎هــــــاي تنظــــيم‎كننده جريان آب(Wicket gate) ، رانـــر (Runner)و درافت تيوب(Draft tube).
آب وارد محفظــه حلزوني شــــده و پس از عبور از پره‎هاي ثــابت و پره‎هـــــاي ويكت گيت، با برخورد به رانـــــر، آن را به چرخش درآورده و سپس از طــريق درافــت تيوب و تونـــل پايـــاب (Tail race)خارج مي‎شـــود. بمنظـــور جدا كردن درافت تيـــوب از آب پايـــاب، در مواقــــع لازم (براي تخلــــيه آب درافت تيوب)،در بعضي از طرحها، از استاپ لاگ (دريچه) (Stop-Log)در انتهاي درفت تيوپ استفاده مي‌شود. دبي آب توربين توسط باز و بستــه شدن پره‎هاي ويكت گيت‎ كنترل مي‎شود. گاورنــــر(Governor) از اين طـــريق(با تغيير باز شدگي دريچه‌هاي ويكت گيت)، قــــدرت خروجي و ســـرعت توربيـن را كنترل مي‎كنـــد. در بالا دست محفظه حلزوني، شيرپروانه‎اي(Butterfly Valve) قـــرار دارد كــــه در مــواقع عادي و اضطـراري براي توقـف جــريان آب از آن اســتفاده مي‎گــردد.بايد توجه كرد كه شيرپروانه‌اي براي كنترل دبي آب استفاده نمي‌شود و همواره يا كاملا" باز است و يا كاملا" بسته.
بطور مثال نيروگاه كارون يــك، داراي چــــهار واحـــد با محـــور عمــودي است. هــــر دو توربيـــن داراي يــك ورودي و پنســتاك هستــند كه هر پنستاك به دو قســــمت تقســيم شـده و هر قســمت آن به يك محفظـــه حلــــــزوني متصل شـــده است. با هــد خالص 160.4 m و دبـــي 171 m3/sce ، قــــــــدرت واحد ، حدود 254 MW و راندمان آن حـــدود 94.5% مي‌باشد.

 

[Niima]

استشن های برق آبی
امروزه استفاده از استشن های برق آبی بهترین راه استفاده از انرژِی برق میباشد .


توربینهای آبی ، انواع وتجهیزات آن:

توربین آبی ماشینی است كه انرژی پتانسیل آب را به انرژی مكانیكی (دورانی ) تبدیل میكند . این حركت دورانی به محور ژنراتور منتقل شده واز طریق ژنراتور انرژی مكانیكی (حركت دورانی محور ) به انرژی برقی تبدیل میگردد.قسمت اصلی توربین شامل پره هایی است كه بر روی محوری به صورت متقارن محكم شده وباآن دوران مینماید سیال به هنگام عبور از بین پره ها تبادل انرژی انجام داده وانرژی سیال به چرخ منتقل میشود .


توربینهای آبی فرانسیس ومراحل کار آن:

اجزای اصلی نیروگاههایی كه توربین آنها از نوع فرانسیس میباشد، به شرح ذ یل است :
1- ساختمان نیروگاه و فوندیشن
2- تجهیزات هید رولیكی (لوله تغذیه نیروگاه ، شیرهای ورودی ودریچه‌ها )
3- واحد توربین (محفظه حلزونی )، توزیع كننده ، رینگ ثابت ، شفت اصلی جكهای هیدرولیكی ، لوله مكش ، چرخنده ، گاورنر وژنراتور
4- تاسیسات برقی (ترانسفارمرها ، كنترلرهای اتو ماتیك ، سیستمهای روشنایی ، تهویه هوا ، آتش نشانی ، سستم سردسازی ژنراتور ، سیستمهای تخلیــه آب واحـــدها ، سیستمهای تـامین روغن تحت فشار وهوای فشرده)
5- لین های انتقالی‌

كاربرد توربین های آبی جریان شعاعی-محوری كه بنام فرانسیس معروفند در حالتی است كه ارتفاع مؤثرسد بین 50 الی 600 متر باشد.
چرخنده توربین(runner) معمولا 12 الی 17 پره است كه به صورت حلقوی متعاقب یكدیگرقرارگرفته اند و پره ها به قسمت بالایی چرخ (crown) و قسمت پایینی (band) چرخ جوشكاری شده اند بطوریكه این سه قسمت مجموعه محكم چرخنده (runner) راتشكیل می دهند وچرخنده به شفت اصلی (mainshaft) متصل شده است و این مجموعه روی هم تشكیل دهنده قسمت دوار (rotating part) می باشند.

قطر چرخنده توربین در لبه داخلی پره ها مشخص كننده اندازه توربین جریان شعاعی-محوری فرانسیس می باشد. از آنجاییكه جریان آب در جهت شعاعی واردچرخنده توربین شده ودر جهت محور،چرخنده را ترك می كند این نوع توربین تحت عنوان جریان شعاعی-محوری شناخته شده است .آب از طریق كانال حلزونی (spiral case) وارد چرخنده ، رینگ ثابت (stay ring) وپره های تنظیم آب (wicket gate) می شود. كانال حلزونی توربین معمولااز فولاد كم آلیاژ ساخته می شود. این كانال دارای مقطع دایره ای است و برای تحمل فشار ایجاد شده توسط آب مناسب است . پره های رینگ ثابت طوری طراحی شده اند كه بار توربین را از باند بالایی به باند پایین انتقال دهند. بنابراین وظیفه اصلی رینگ ثابت استحكام توربین می باشد. با آرایش منظم پره های رینگ ثابت درجهت جریان از مقدارضایعات هیدرولیكی در ورود به توربین كاسته خواهد شد. دریچه تنظیم (wicket gate) شامل 20 الی 24 پره قابل تنظیم (guide vanes) می باشد این پره ها طوری طراحی شده اند كه جهت مناسب سرعت را در ورود به چرخنده توربین تامین كنند و نیزبرای تنظیم میزان جریان آب به داخل توربین و بالاخره ظرفیت تنظیم می گردند.
آب بوسیله لوله پایاب (draft tube) از چرخنده توربین كشیده و به فضای آزاد هدایت می شود. نقش عمده این لوله عبارت از كاهش تدریجی سرعت در پایین چرخنده توربین و به حداقل رساندن انرژی سنتیك آب در خروجی توربین می باشد.
قسمت پوشش بالایی (head cover) كه درآن یا تاقان اصلی توربین (guide bearing) و محورهای پین های پره های هادی(pivot pins) محكم شده اند از اجزای مهم توربین می باشد.
پوشش توربین تحمل بارهای هیدرولیكی بزرگی را عهده دار است و به همین علت باید از استحكام كافی برخوردار باشد.

شیرهای پروانه ای:

شیرها ی ورودی
شیر ورودی توربین به منظور قطع جریان در شرایط اضطراری و همچنین جدا كردن یك واحد هنگام تعمیر یا نگهداری یا هنگام خارج كردن یك واحد از مدارمورد استفاده قرار میگیرد.برای ارتفاع آبهای كمتر از200متر از شیرهای پروانه ای یا butterfly valve استفاده می شود وبرای هد های بالاتر از این مقداراز نوع شیرهای كروی استفاده می گردد.
قطر شیرهای پروانه ای باید حدوداً 10% از قطر لوله ورودی بزرگتر باشد تا ضایعات هد در اثر برخورد سیال به دیسك شیر پروانه ای جبران گردد وعموماً تا قطر 5.5 متر ساخته میشوند.
شیرهای ورودی باید برای حداكثر دبی عبوری توربین در حداكثر هد طراحی شوند تا قادر باشند تنش های اعظمی شامل افزایش فشار در اثر پدیده كاویتاسیون(ضربه های ناگهانی) را تحمل كنند.
محل نصب شیر پروانه ای در بالا دست جریان باید حداقل به اندازه 5.5 برابر قطر لوله ورودی از توربین فاصله داشته باشد تا جریان ورودی به توربین تاثیر قابل ملاحظه ای نداشته باشد.
بدنه شیرهای پروانه ای عموماً شكلی شبیه استوانه دارد و درصورت نیاز سطح آن باماشینكاری پرداخت می شود.سطح دیسك باید در امتداد خطوط جریان بوده تا حتی المقدور از ایجاد جریان های گردابی وتغییرات ناگهانی سرعت جلوگیری ونیز تمام سطوح آن در تماس با آب باشد تا از ایجاد پدیده كاویتاسیون جلوگیری گردد.سطح شیر پروانه ای عاری از هر گونه حفره و فرورفتگی وترك بوده و در خصوص آب بندی و جنس ان باید كلیه موارد استاندارد رعایت گردد.
مكانیزم عملكرد شیر پروانه ای با سیلندرهای هیدرولیكی(servomotors) و وزنه های متعادل كننده تنظیم می شود تا بتواند با فشار هیدرولیكی حدود 60 بار باز وبسته شود.در ضمن عملكرد این سیستم توسط كنترلهای هیدرولیكی والكتریكی هدایت می شوند.
دیگر مشخصات شیر های پروانه ای عبارتند از:
قطر شیر :5.3 متر
وزن نقریبی :272 تن
وزن بدنه شیر :70 تن
وزن دیسك :72 تن
وزن قطعات ریخته گری دیسك:10 الی 15 تن با ضخامت حدود 800 میلی متر ضخامت ورقه های استفاده شده: بین 30 الی 130 میلی متر
بایدكلیه عملیات تولید ، مونتاژ ، ماشینكاری سنگین و اتصال آنها با بهره گیری از تجربه و فن آوری كاملاً پیشرفته در كنار عملیات برشكاری، جوشكاری ، حرارتی ، ماشینكاری دقیق ، تستهای هیدروستاتیك ، نشتی عملی گردد.



توربینهای عكس العملی:

در این توربین ها چرخ توربین كاملا در داخل آب قرارگرفته و هردو عامل فشارو سرعت از ورودی به توربین یه سمت خارج كاهش می یابد.
توربینهای عكس العملی بسته به جهت جریانی كه از چرخ توربین به صورت شعاعی ویا مختلط عبور نماید به دو گروه تقسیم می شوند:
الف) توربین های جریانی محوری (توربینهای پروانه ای)
معروفترین نوع از این گروه توربین(kaplan) است و در آن جریان آب ابتدا به صورت افقی ودر جهت شعاعی وارد سیستم شده و بایك زاویه 90 درجه چرخیده و در امتداد محور به پره های چرخنده توربین برخورد می كند وچرخنده را به گردش در می آورد.
ب)توربین های جریان شعاعی ـ محوری :
معروفترین نوع این گروه توربین فرانسیس(francis) است.در این توربین جریان آب در جهت شعاعی وارد سیستم شده و پس از برخورد به پره های چرخنده توربین آن را به گردش در آورده ودر جهت محوری از توربین خارج می شود.

​