تأثير إضافة زعانف إلى جدار أنبوب السحب على نبضات الضغط في توربين فرانسيس

باعتبارها مصدراً سريع الاستجابة للطاقة المتجددة، تلعب الطاقة الكهرومائية عادةً دور تنظيم ذروة الطلب وتنظيم التردد في شبكة الكهرباء، مما يعني أن وحدات الطاقة الكهرومائية غالباً ما تحتاج إلى العمل في ظروف تختلف عن ظروف التصميم. ومن خلال تحليل عدد كبير من بيانات الاختبار، تبين أنه عند تشغيل التوربين في ظروف غير تصميمية، وخاصةً في ظروف الأحمال الجزئية، ستظهر نبضات ضغط قوية في أنبوب السحب. ويؤثر التردد المنخفض لهذه النبضات سلباً على استقرار تشغيل التوربين وسلامة الوحدة وورشة العمل. ولذلك، حظيت نبضات الضغط في أنبوب السحب باهتمام واسع من قبل الصناعة والأوساط الأكاديمية.

منذ أن طُرحت مشكلة نبضات الضغط في أنبوب سحب التوربين لأول مرة عام 1940، أثار سببها اهتمام ونقاش العديد من الباحثين. ويعتقد الباحثون حاليًا أن نبضات الضغط في أنبوب السحب تحت ظروف الحمل الجزئي ناتجة عن حركة الدوامات الحلزونية داخله؛ إذ يؤدي وجود هذه الدوامات إلى عدم انتظام توزيع الضغط على المقطع العرضي للأنبوب، ومع دوران حزام الدوامات، يدور مجال الضغط غير المتماثل أيضًا، مما يتسبب في تغير الضغط دوريًا مع مرور الوقت، مُشكلاً نبضات الضغط. وتنتج الدوامة الحلزونية عن التدفق الدوامي عند مدخل أنبوب السحب تحت ظروف الحمل الجزئي (أي بوجود مركبة مماسية للسرعة). وقد أجرى مكتب استصلاح الأراضي الأمريكي دراسة تجريبية حول الدوامة في أنبوب السحب، وحلل شكل الدوامة وسلوكها تحت درجات دوامية مختلفة. تُظهر النتائج أنه فقط عندما تصل درجة الدوران إلى مستوى معين، يظهر نطاق الدوامة الحلزونية في أنبوب السحب. وتظهر هذه الدوامة الحلزونية في ظروف الحمل الجزئي، لذا فقط عندما يكون معدل التدفق النسبي (Q/Qd، حيث Qd هو معدل التدفق التصميمي) لتشغيل التوربين بين 0.5 و0.85، يظهر نبض ضغط شديد في أنبوب السحب. ويكون تردد المكون الرئيسي لنبض الضغط الناتج عن حزام الدوامة منخفضًا نسبيًا، وهو ما يعادل 0.2 إلى 0.4 ضعف تردد دوران دولاب التوربين، وكلما انخفضت قيمة Q/Qd، زاد تردد نبض الضغط. بالإضافة إلى ذلك، عند حدوث التكهف، تعمل فقاعات الهواء المتولدة في الدوامة على زيادة حجمها، مما يجعل نبض الضغط أكثر شدة، كما يتغير تردد نبض الضغط أيضًا.
في ظل ظروف التحميل الجزئي، يُمكن أن يُشكّل تذبذب الضغط في أنبوب السحب تهديدًا كبيرًا لاستقرار وسلامة تشغيل وحدة الطاقة الكهرومائية. وللحدّ من هذا التذبذب، طُرحت العديد من الأفكار والأساليب، منها تركيب زعانف على جدار أنبوب السحب، وتهوية الأنبوب من خلال فتحات تهوية. استخدم نيشي وزملاؤه أساليب تجريبية ورقمية لدراسة تأثير الزعانف على تذبذب الضغط في أنبوب السحب، بما في ذلك تأثير أنواع الزعانف المختلفة، وعددها، ومواقع تركيبها. تُظهر النتائج أن تركيب الزعانف يُمكن أن يُقلّل بشكل ملحوظ من لا مركزية الدوامة، وبالتالي يُخفّض تذبذب الضغط. كما وجد ديمتري وزملاؤه أن تركيب الزعانف يُمكن أن يُقلّل من سعة تذبذب الضغط بنسبة تتراوح بين 30% و40%. وتُعدّ التهوية من الفتحة المركزية للعمود الرئيسي إلى أنبوب السحب طريقة فعّالة أخرى للحدّ من تذبذب الضغط. بالإضافة إلى ذلك، حاول نيشي وآخرون أيضًا تهوية أنبوب السحب من خلال ثقوب صغيرة على سطح الزعنفة، ووجدوا أن هذه الطريقة يمكن أن تكبح نبضات الضغط وأن كمية الهواء المطلوبة صغيرة جدًا عندما لا تعمل الزعنفة.