أحد العناصر الأكثر استخدامًا عالميًا لتوليد الطاقة الكهرومائية هو توربين فرانسيس. إنها آلة توربينية ابتكرها جيمس ب. فرانسيس وتعمل من خلال التفاعل والتدفق المختلط، باستخدام حركة الماء لتوليد الطاقة. توربين فرانسيس قادر على العمل في نطاق واسع من الارتفاعات ومعدلات التدفق، مما يجعله خيارًا متعدد الاستخدامات وفعالًا لمختلف محطات الطاقة الكهرومائية، حيث يمكنه العمل على منحدرات تتراوح من مترين إلى عدة مئات من الأمتار.
في هذه المقالة سوف ندرس بالتفصيل ميزات وأجزاء وتشغيل توربين فرانسيس، وكذلك أهميته في توليد الطاقة الكهرومائية.
الخصائص الرئيسية لتوربينات فرانسيس
ال توربينات فرانسيس وتتميز بقدرتها الكبيرة على العمل على ارتفاعات مختلفة، من بضعة أمتار فقط إلى أكثر من 800 متر، على الرغم من أن كفاءتها المثالية توجد على ارتفاعات أقل من 800 متر. وذلك لأنه على ارتفاعات أعلى، يمكن للتغيرات في الجاذبية أن تؤثر سلبًا على أدائها.
تم تصميم هذه التوربينات للعمل مع نطاقات تدفق مختلفة، مما يسمح لها بالتكيف مع ظروف التشغيل المختلفة. وهي تستخدم بشكل رئيسي في محطات توليد الطاقة الكهرومائية لتوليد الكهرباء مع الاستفادة من الطاقة الكامنة للمياه. على الرغم من أن تصميمها الأولي وتركيبها وصيانتها باهظة الثمن، إلا أن طول عمرها وكفاءتها وتكلفة صيانتها المنخفضة تجعلها استثمارًا مربحًا على المدى الطويل.
يتضمن تصميم توربين فرانسيس نظامًا هيدروديناميكيًا يضمن الحد الأدنى من خسائر المياهمما يضمن الأداء العالي. علاوة على ذلك، فإن هيكلها القوي والمقاوم يقلل من الحاجة إلى الصيانة، وهي ميزة كبيرة مقارنة بالأنواع الأخرى من التوربينات. مع تقدم التكنولوجيا، تم تطوير مواد جديدة تقلل من متطلبات الصيانة بشكل أكبر، مما يسمح لتوربينات فرانسيس بالبقاء فعالة من حيث التكلفة لعدة عقود.
واحدة من القيود المفروضة على توربينات فرانسيس هي حساسية للتغيرات الكبيرة في التدفق من الماء، لذلك لا ينصح بتثبيته في المناطق التي يمكن أن يختلف فيها التدفق بشكل كبير.
التجويف في توربين فرانسيس
هناك جانب آخر يجب أخذه في الاعتبار عند تصميم وصيانة توربينات فرانسيس وهو التجويف، وهي ظاهرة هيدروديناميكية تحدث عندما تتشكل تجاويف أو فقاعات بخار داخل السائل. ويحدث هذا عندما يمر الماء بسرعة عالية فوق الحواف الحادة للتوربين، مما يسبب اختلالًا في الضغط وفقًا لصيغة برنولي.
تشكلت الفقاعات المعروفة باسم تجاويف البخار، السفر من المنطقة ذات الضغط الأدنى إلى الأعلى. عندما يعود البخار فجأة إلى الحالة السائلة، تنهار الفقاعات وتطلق الطاقة، والتي يمكن أن تلحق الضرر ببنية التوربين عن طريق إحداث تأثيرات صغيرة على الأسطح الصلبة. هذه الظاهرة لا تقلل من كفاءة التوربين فحسب، بل يمكنها أيضًا تسريع تآكل مكوناته.
يعد التجويف عيبًا لأنه يمكن أن يقلل من العمر الإنتاجي للتوربين عن طريق إحداث شقوق صغيرة وأضرار مرئية، خاصة في المناطق القريبة من الدوار. وللتخفيف من هذه المشكلة، يتم استخدام مواد متقدمة واستخدام تقنيات الصيانة الوقائية، بالإضافة إلى التحكم الشامل في ظروف التشغيل، لتقليل الاختلافات التي تسبب هذه الظاهرة.
الأجزاء الرئيسية من توربينات فرانسيس
يتكون توربين فرانسيس من أجزاء مختلفة، كل منها يؤدي وظيفة محددة لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة في توليد الطاقة الكهرومائية:
- الغرفة الحلزونية: تقوم هذه الغرفة بتوزيع السائل بالتساوي نحو المكره. شكله الحلزوني أو الحلزوني ضروري لأنه يضمن بقاء سرعة السائل ثابتة في جميع النقاط. وعادة ما يكون مقطعه دائريًا، على الرغم من أنه يمكن أيضًا أن يكون مستطيلًا في بعض الحالات.
- الموزع السابق: تتكون من شفرات ثابتة لها وظيفة هيكلية داخل النظام. تعمل هذه العناصر على تعزيز الحجرة الحلزونية وتقليل الخسائر الهيدروليكية.
- موزع: يتكون هذا القسم من دوارات توجيه متحركة، والتي تتحكم في تدفق المياه نحو المكره. وتتمثل وظيفتها في السماح للتدفق بالتكيف مع اختلافات الأحمال في الشبكة الكهربائية، مما يؤدي إلى تحسين الأداء في جميع الأوقات.
- المكره أو الدوار: هذا هو قلب التوربين، حيث يتم تبادل الطاقة. تقوم المكره بتحويل الطاقة الحركية والمحتملة وضغط الماء إلى طاقة ميكانيكية. ومن خلال عمود، يتم نقل هذه الطاقة الميكانيكية إلى مولد كهربائي، حيث يتم تحويلها في النهاية إلى كهرباء.
- أنبوب الشفط: هذا هو مخرج السائل من التوربين. ويخلق شكل الناشر فراغًا يساعد على استعادة جزء من الطاقة التي لم يتم استخدامها بالكامل في المكره، مما يساهم في تحسين الكفاءة الإجمالية للنظام.
تصنيف توربينات فرانسيس
يمكن تصنيف توربينات فرانسيس حسب سرعة تشغيلها وخصائص رأسها:
- توربين فرانسيس البطيء: يتم استخدامه بشكل أساسي للقفز على ارتفاعات عالية تزيد عن 200 متر.
- توربين فرانسيس العادي: مُخصص للارتفاعات المتوسطة، بين 20 و200 متر.
- توربين فرانسيس سريع وفائق السرعة: مناسب للقفزات ذات الارتفاعات الصغيرة أقل من 20 مترًا. تعتبر هذه التوربينات مثالية لتدفقات المياه الكبيرة والرأس المنخفض.
ويختلف تصميم هذه التوربينات حسب خصائص الرأس والتدفق المتوفر في كل منشأة. من الضروري اختيار النوع الأنسب من التوربينات لتحسين أداء الطاقة وتقليل تكاليف التشغيل.
باستخدام المعلومات المذكورة أعلاه، ستتمكن من فهم كيفية عمل توربينات فرانسيس بشكل أفضل وخصائصها الرئيسية وأجزائها وقيودها. يعد هذا النوع من التوربينات خيارًا متعدد الاستخدامات وفعالًا ومتينًا لتوليد الطاقة الكهرومائية في جميع أنحاء العالم.