تأثیر افزودن پره به دیواره لوله مکش بر نوسانات فشار توربین فرانسیس

به عنوان یک منبع انرژی تجدیدپذیر با پاسخ سریع، نیروگاه‌های برق آبی معمولاً نقش تنظیم پیک و تنظیم فرکانس را در شبکه برق ایفا می‌کنند، به این معنی که واحدهای نیروگاه برق آبی اغلب نیاز به کار در شرایطی دارند که از شرایط طراحی متفاوت است. با تجزیه و تحلیل تعداد زیادی از داده‌های آزمایش، مشخص شده است که وقتی توربین تحت شرایط غیرطراحی، به ویژه در شرایط بار جزئی کار می‌کند، ضربان‌های فشار قوی در لوله مکش توربین ظاهر می‌شود. فرکانس پایین این ضربان‌های فشار، بر عملکرد پایدار توربین و ایمنی واحد و کارگاه تأثیر منفی خواهد گذاشت. بنابراین، ضربان‌های فشار لوله مکش به طور گسترده مورد توجه صنعت و دانشگاه قرار گرفته است.

از زمانی که مشکل ضربان فشار در لوله مکش توربین برای اولین بار در سال ۱۹۴۰ مطرح شد، علت آن توسط بسیاری از محققان مورد توجه و بحث قرار گرفته است. در حال حاضر، محققان عموماً معتقدند که ضربان فشار لوله مکش تحت شرایط بار جزئی ناشی از حرکت گرداب مارپیچی در لوله مکش است. وجود گرداب باعث می‌شود توزیع فشار در سطح مقطع لوله مکش ناهموار باشد و با چرخش کمربند گرداب، میدان فشار نامتقارن نیز در حال چرخش است و باعث می‌شود فشار به صورت دوره‌ای با زمان تغییر کند و ضربان فشار را تشکیل دهد. گرداب مارپیچی توسط جریان چرخشی در ورودی لوله مکش تحت شرایط بار جزئی ایجاد می‌شود (یعنی یک مؤلفه مماسی سرعت وجود دارد). دفتر احیای ایالات متحده یک مطالعه تجربی روی چرخش در لوله مکش انجام داد و شکل و رفتار گرداب را تحت درجات مختلف چرخش تجزیه و تحلیل کرد. نتایج نشان می‌دهد که تنها زمانی که درجه چرخش به سطح خاصی می‌رسد، نوار گرداب مارپیچی در لوله مکش ظاهر می‌شود. گرداب مارپیچی تحت شرایط بار جزئی ظاهر می‌شود، بنابراین تنها زمانی که نرخ جریان نسبی (Q/Qd، Qd نرخ جریان نقطه طراحی است) عملکرد توربین بین 0.5 تا 0.85 باشد، ضربان شدید فشار در لوله مکش ظاهر می‌شود. فرکانس مؤلفه اصلی ضربان فشار ناشی از تسمه گرداب نسبتاً کم است که معادل 0.2 تا 0.4 برابر فرکانس چرخش رانر است و هرچه Q/Qd کوچکتر باشد، فرکانس ضربان فشار بیشتر است. علاوه بر این، هنگامی که کاویتاسیون رخ می‌دهد، حباب‌های هوای تولید شده در گرداب، اندازه گرداب را افزایش داده و ضربان فشار را شدیدتر می‌کنند و فرکانس ضربان فشار نیز تغییر خواهد کرد.
در شرایط بار جزئی، نوسانات فشار در لوله مکش می‌تواند تهدید بزرگی برای عملکرد پایدار و ایمن واحد برق آبی باشد. به منظور سرکوب این نوسانات فشار، ایده‌ها و روش‌های زیادی پیشنهاد شده است، مانند نصب پره‌ها روی دیواره لوله مکش و تهویه به داخل لوله مکش که دو اقدام مؤثر هستند. نیشی و همکارانش از روش‌های تجربی و عددی برای مطالعه تأثیر پره‌ها بر نوسانات فشار لوله مکش، از جمله اثرات انواع مختلف پره‌ها، اثرات تعداد پره‌ها و موقعیت‌های نصب آنها، استفاده کردند. نتایج نشان می‌دهد که نصب پره‌ها می‌تواند به طور قابل توجهی خروج از مرکز گرداب و نوسانات فشار را کاهش دهد. دیمیتری و همکارانش همچنین دریافتند که نصب پره‌ها می‌تواند دامنه نوسانات فشار را 30 تا 40 درصد کاهش دهد. تهویه از سوراخ مرکزی شفت اصلی به لوله مکش نیز یک روش مؤثر برای سرکوب نوسانات فشار است. درجه خروج از مرکز گرداب. علاوه بر این، نیشی و همکارانش... همچنین سعی کردند لوله مکش را از طریق سوراخ‌های کوچک روی سطح باله تهویه کنند و دریافتند که این روش می‌تواند نوسانات فشار را سرکوب کند و مقدار هوای مورد نیاز در زمانی که باله نمی‌تواند کار کند بسیار کم است.