Կինետիկ էներգիայի վերականգնում Ֆորստեր Ֆրենսիսի տուրբինային ներածման խողովակում

Մինչդեռ Ֆրենսիս տուրբինի վազորդը հիդրավլիկ էներգիան մեխանիկական աշխատանքի փոխակերպելու հիմնական տեղն է, տուրբինի ընդհանուր արդյունավետության զգալի մասը պայմանավորված է վազորդից հետո գտնվող բաղադրիչով՝ մղիչ խողովակով: Ֆորստերի տիպի Ֆրենսիս տուրբինում, որը նախատեսված է միջին ճնշման որոշակի կիրառությունների համար, մղիչ խողովակը խաղում է կարևոր, ոչ պասիվ դեր: Այս հոդվածը ուսումնասիրում է մղիչ խողովակի կողմից իրականացվող կինետիկ էներգիայի վերականգնման սկզբունքը, մեխանիզմը և կարևորությունը՝ բացատրելով, թե ինչպես է այն մնացորդային ջրի արագությունը վերածում օգտագործելի ճնշման գլխիկի, այդպիսով բարձրացնելով տուրբինի զուտ ելքը և շահագործման կայունությունը:
1. Ներածություն. Մնացորդային կինետիկ էներգիայի խնդիրը
Երբ բարձր ճնշման ջուրը անցնում է ուղղորդող թևերի միջով և հարվածում Ֆրենսիսի լիսեռի կոր շեղբերին, այն կորցնում է իր ճնշման և կինետիկ էներգիայի մեծ մասը: Այնուամենայնիվ, լիսեռից դուրս եկող ջուրը դեռևս ունի զգալի առանցքային արագություն, որը ներկայացնում է կինետիկ էներգիա, որը հակառակ դեպքում կվատնվեր, եթե ուղղակիորեն թափվեր դուրսբերման խողովակի մեջ: Ներքաշման խողովակը, որը հաճախ ընկալվում է որպես պարզ արտանետման խողովակ, իրականում բարդ դիֆուզոր է, որը նախագծված է այս մնացորդային էներգիան վերականգնելու համար: Ֆորստեր Ֆրենսիսի նախագծում այս բաղադրիչը հատկապես օպտիմալացված է իր նպատակային գործառնական գոտում կատարողականությունը բարելավելու համար:

2. Աշխատանքային սկզբունքը. արագությունից մինչև ճնշում
Ներքաշող խողովակի հիմնական գործառույթը կարգավորվում է էներգիայի պահպանման սկզբունքով (Բեռնուլիի թեորեմ) և դիֆուզորի էֆեկտով։
Դիֆուզորի գործողություն. Ֆորստերի ներծծող խողովակը սովորաբար կոր, աստիճանաբար ընդարձակվող ծորան է: Այս աճող լայնական հատույթի մակերեսը դանդաղեցնում է դուրս եկող ջրի հոսքը:
Ճնշման վերականգնում. Բեռնուլիի սկզբունքի համաձայն, հաստատուն հոսքի մեջ գտնվող հեղուկի համար արագության գլխիկի նվազումը (v²/2g) հանգեցնում է ճնշման գլխիկի աճի, եթե էներգիայի կորուստները նվազագույնի հասցվեն: Ներքաշող խողովակի երկրաչափությունը հեշտացնում է այս փոխակերպումը:
Ներծծման գլխիկի ստեղծում. Կարևոր է, որ հոսքագծի ելքի մոտ ճնշումը արդյունավետորեն իջեցնելով (ստեղծելով մթնոլորտային ճնշման ցածր գոտի), մղման խողովակը արդյունավետորեն մեծացնում է տուրբինի վրա ազդող զուտ ճնշումը: Այս «ներծծման գլխիկը» թույլ է տալիս տուրբինը տեղադրել ետին ջրերի մակարդակից վերև՝ առանց կատարողականի խախտման, նվազեցնելով փորման ծախսերը և պարզեցնելով սպասարկումը: Ընդհանուր օգտագործելի ճնշումը դառնում է մուտքի և ետին ջրատարի գլխիկի միջև եղած տարբերությունը, գումարած մղման խողովակի կողմից ապահովվող ճնշման վերականգնումը:
3. Կինետիկ էներգիայի վերականգնման մեխանիզմ. քայլ առ քայլ գործընթաց
Ստանդարտ ուղղահայաց լիսեռով Forster Francis տուրբինի մեջ, որն ունի արմունկաձև մղիչ խողովակ, վերականգնման գործընթացը կարելի է նկարագրել հետևյալ կերպ.
Մուտք։ Ջուրը, բարձր առանցքային արագությամբ և ցածր ճնշմամբ, դուրս է գալիս խողովակաշարից և մտնում է քաշող խողովակի ուղղահայաց կոնաձև հատվածը։
Դանդաղեցում և նախնական վերականգնում. Կոնաձև հատվածում հոսքի տարածքը լայնանում է, սկսելով հոսքի դանդաղեցումը և ճնշման վերականգնման առաջին փուլը։
Ուղղության փոփոխություն. Հոսքը սահուն կերպով պտտվում է 90 աստիճանով արմունկային հատվածում: Լավ նախագծված կորությունը կենսական նշանակություն ունի պտտվող շարժումները և հոսքի բաժանումը նվազագույնի հասցնելու համար, որոնք առաջացնում են էներգիայի կորուստներ:
Վերջնական դիֆուզիա. Հորիզոնական ելքային հատվածում (կամ «դիֆուզորում») հոսքի մակերեսն ավելի է ընդարձակվում՝ ավարտելով դանդաղեցման գործընթացը: Ջրի արագությունը նվազագույնի է հասցվում, նախքան այն խաղաղ կերպով թափվի ներքևի խողովակ:

Արդյունք՝ Գլանային խողովակի ելքի մոտ ճնշումը պահպանվում է ցածր, քան դուրս մղվող խողովակի ճնշումը։ Այս ճնշման տարբերությունը ավելի շատ էներգիա է կլանում գլանի միջով անցնող ջրից, ուղղակիորեն մեծացնելով տուրբինի հզորությունը։ Վերականգնված էներգիան նորից չի առաջանում, այլ վերականգնվում է այն էներգիայից, որը կարող էր կորսվել։
4. Դիզայնի նկատառումներ և մարտահրավերներ
Առավելագույն կինետիկ էներգիայի վերականգնման համար նախագիծը կարգավորող խողովակի օպտիմալացումը ներառում է մի քանի գործոնների հավասարակշռում.
Դիվերգենցիայի անկյուն. Կոնի ընդարձակման անկյունը պետք է լինի բավականաչափ աստիճանական (սովորաբար 5-10 աստիճան), որպեսզի կանխվի հոսքի բաժանումը պատերից, ինչը ստեղծում է տուրբուլենտ պտույտներ և էներգիայի կորուստ։
Կորություն և երկրաչափություն. Արմունկը պետք է ուղղորդի հոսքը՝ նվազագույն պտույտների և մրրիկների առաջացմամբ: Հաշվողական հեղուկային դինամիկան (ՀՀԴ) լայնորեն կիրառվում է այս բարդ եռաչափ հոսքը մոդելավորելու և օպտիմալացնելու համար:
Կավիտացիայի ռիսկ. Գլանաձև խողովակի ելքի և մուտքի մոտ գտնվող ցածր ճնշման գոտին կավիտացիայի հիմնական տեղն է: Զգույշ նախագծումը և նյութի ընտրությունը, ինչպես նաև տուրբինը իր կրիտիկական «կավիտացիայի գործակցից» բարձր պահելու համար կարևոր են գլանի և մուտքի խողովակի մակերեսների վրա վնասակար փոսերի առաջացումը կանխելու համար:
Մասնակի բեռնվածությամբ շահագործում. նախագծայինից դուրս բեռնվածության դեպքում, մղիչ խողովակում կարող են առաջանալ պտտվող և անկայուն մրրկային հոսքեր (օրինակ՝ գերիշխող պարուրաձև մրրկային պարան), ինչը կարող է առաջացնել ճնշման պուլսացիաներ, թրթռում և արդյունավետության անկում: Սա մեղմելու համար երբեմն ներառվում են նախագծային առանձնահատկություններ, ինչպիսիք են հոսքի կայունացուցիչները կամ թևիկները:
5. Եզրակացություն. Անփոխարինելի էներգախնայող
Ամփոփելով՝ Ֆորստեր Ֆրենսիս տուրբինի մղիչ խողովակը շատ հեռու է պասիվ ելքային խողովակ լինելուց։ Այն էներգիայի փոխակերպման ինտեգրալ սարք է, որը կատարում է հիդրոէլեկտրաէներգիայի ցիկլի վերջնական, կարևորագույն գործողությունը։ Վերականգնելով մնացորդային կինետիկ էներգիայի զգալի մասը (հաճախ ընդհանուր արդյունավետության մի քանի տոկոսային կետեր), այն զգալիորեն մեծացնում է զուտ արդյունավետ ճնշումը և հզորության արտադրությունը։ Դրա արդյունավետ դիզայնը ուղղակիորեն հանգեցնում է տարեկան ավելի բարձր էներգիայի արտադրության, կայանի տնտեսական կենսունակության բարելավման և ավելի մեծ գործառնական կայունության։ Մղիչ խողովակի աշխատանքի հասկացումը և օպտիմալացումը մնում է ժամանակակից հիդրավլիկ տուրբինային ճարտարագիտության հիմնական ուղղություններից մեկը՝ ապահովելով, որ շարժվող ջրից արդյունահանվի էներգիայի յուրաքանչյուր վերջին ջոուլը։
Հիմնական տերմիններ՝
Նախածանցի խողովակ / Նախածանցի խողովակ. Դիֆուզոր, որը միացնում է հոսքագծի ելքը դուրսբերման խողովակին։
Ճնշման վերականգնում. Կինետիկ էներգիան (գլխի արագությունը) ճնշման էներգիայի վերածելու գործընթաց։
Դրական ներծծման զուտ ճնշում (NPSH). Կավիտացիայի հետ կապված կարևոր պարամետր, որի վրա ազդում է ներծծման խողովակի աշխատանքը։
Դիֆուզոր՝ խողովակ, որը դանդաղեցնում է հոսքը՝ դրա ստատիկ ճնշումը մեծացնելու համար։
Մրջյունային պարան. Մրջյունային, կավիտացիոն հոսքի կառուցվածք, որը կարող է առաջանալ մղիչ խողովակում մասնակի բեռի դեպքում։