फ्रांसिस टरबाइन के दाब स्पंदन पर ड्राफ्ट ट्यूब की दीवार में फिन्स जोड़ने का प्रभाव

त्वरित प्रतिक्रिया देने वाले नवीकरणीय ऊर्जा स्रोत के रूप में, जलविद्युत आमतौर पर विद्युत ग्रिड में चरम और आवृत्ति विनियमन की भूमिका निभाता है, जिसका अर्थ है कि जलविद्युत इकाइयों को अक्सर डिज़ाइन की गई स्थितियों से भिन्न परिस्थितियों में संचालित करने की आवश्यकता होती है। बड़ी संख्या में परीक्षण डेटा के विश्लेषण से पता चलता है कि जब टरबाइन गैर-डिज़ाइन स्थितियों में, विशेष रूप से आंशिक भार स्थितियों में काम करता है, तो टरबाइन की ड्राफ्ट ट्यूब में तीव्र दाब स्पंदन उत्पन्न होता है। इस दाब स्पंदन की कम आवृत्ति टरबाइन के स्थिर संचालन और इकाई तथा कार्यशाला की सुरक्षा पर प्रतिकूल प्रभाव डालती है। इसलिए, ड्राफ्ट ट्यूब के दाब स्पंदन पर उद्योग और शिक्षा जगत में व्यापक रूप से ध्यान दिया जा रहा है।

सन् 1940 में टरबाइन की ड्राफ्ट ट्यूब में दाब स्पंदन की समस्या पहली बार सामने आने के बाद से, कई विद्वानों ने इसके कारणों पर विचार-विमर्श किया है। वर्तमान में, विद्वानों का मानना ​​है कि आंशिक भार की स्थिति में ड्राफ्ट ट्यूब में दाब स्पंदन का कारण ड्राफ्ट ट्यूब में सर्पिल भंवर की गति है; भंवर की उपस्थिति ड्राफ्ट ट्यूब के अनुप्रस्थ काट पर दाब वितरण को असमान बना देती है, और भंवर बेल्ट के घूर्णन के साथ, असममित दाब क्षेत्र भी घूमता है, जिससे दाब समय के साथ आवधिक रूप से बदलता है, और दाब स्पंदन उत्पन्न होता है। आंशिक भार की स्थिति में ड्राफ्ट ट्यूब के प्रवेश द्वार पर घुमावदार प्रवाह (अर्थात, वेग का स्पर्शरेखीय घटक) के कारण सर्पिल भंवर बनता है। अमेरिकी ब्यूरो ऑफ रिक्लेमेशन ने ड्राफ्ट ट्यूब में घुमाव पर एक प्रायोगिक अध्ययन किया और विभिन्न घुमाव स्तरों के तहत भंवर के आकार और व्यवहार का विश्लेषण किया। परिणामों से पता चलता है कि घुमाव स्तर एक निश्चित स्तर तक पहुँचने पर ही ड्राफ्ट ट्यूब में सर्पिल भंवर बैंड दिखाई देता है। आंशिक भार की स्थिति में सर्पिलाकार भंवर उत्पन्न होता है, इसलिए टरबाइन संचालन की सापेक्ष प्रवाह दर (Q/Qd, जहाँ Qd डिज़ाइन बिंदु प्रवाह दर है) 0.5 और 0.85 के बीच होने पर ही ड्राफ्ट ट्यूब में तीव्र दाब स्पंदन दिखाई देता है। भंवर बेल्ट द्वारा प्रेरित दाब स्पंदन के मुख्य घटक की आवृत्ति अपेक्षाकृत कम होती है, जो रनर की घूर्णी आवृत्ति के 0.2 से 0.4 गुना के बराबर होती है, और Q/Qd जितना कम होगा, दाब स्पंदन की आवृत्ति उतनी ही अधिक होगी। इसके अतिरिक्त, जब कैविटेशन होता है, तो भंवर में उत्पन्न वायु के बुलबुले भंवर का आकार बढ़ा देते हैं और दाब स्पंदन को और तीव्र कर देते हैं, जिससे दाब स्पंदन की आवृत्ति में भी परिवर्तन होता है।
आंशिक भार की स्थिति में, ड्राफ्ट ट्यूब में दबाव स्पंदन जलविद्युत इकाई के स्थिर और सुरक्षित संचालन के लिए एक बड़ा खतरा बन सकता है। इस दबाव स्पंदन को कम करने के लिए, कई विचार और विधियाँ प्रस्तावित की गई हैं, जैसे कि ड्राफ्ट ट्यूब की दीवार पर फिन लगाना और ड्राफ्ट ट्यूब में वेंटिलेशन करना दो प्रभावी उपाय हैं। निशी एट अल. ने प्रायोगिक और संख्यात्मक विधियों का उपयोग करके ड्राफ्ट ट्यूब के दबाव स्पंदन पर फिन के प्रभाव का अध्ययन किया, जिसमें विभिन्न प्रकार के फिन, फिन की संख्या और उनकी स्थापना स्थिति के प्रभाव शामिल हैं। परिणामों से पता चलता है कि फिन लगाने से भंवर की विलक्षणता में काफी कमी आ सकती है और दबाव स्पंदन कम हो सकता है। दिमित्री एट अल. ने भी पाया कि फिन लगाने से दबाव स्पंदन का आयाम 30% से 40% तक कम हो सकता है। मुख्य शाफ्ट के केंद्रीय छेद से ड्राफ्ट ट्यूब तक वेंटिलेशन भी दबाव स्पंदन को कम करने का एक प्रभावी तरीका है। इसके अलावा, निशी एट अल. मैंने फिन की सतह पर छोटे-छोटे छेदों के माध्यम से ड्राफ्ट ट्यूब को हवा देने की भी कोशिश की, और पाया कि यह विधि दबाव स्पंदन को दबा सकती है और जब फिन काम नहीं कर सकता है तो आवश्यक हवा की मात्रा बहुत कम होती है।